Понятие «биосфера» ввел в геологию австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г. Классифицируя оболочки Земли, он выделил в них ту область, где существует жизнь. Она охватывает пространство верхних слоев литосферы, всю гидросферу и нижние слои атмосферы. Учение о биосфере связано с именем нашего крупного отечественного ученого, геохимика В. И. Вернадского. Он впервые представил биосферу не только как место пребывания жизни, но и как полностью преобразованную ею часть планеты. Основная идея учения В. И. Вернадского о биосфере — признание жизни мощной и активной силой, не только сравнимой по результатам действия с геологическими явлениями, но и превосходящей их по ряду величин.

Биосфера, по В.И.Вернадскому, приспособлена к жизни и жизнью воссоздаваема. Любой реальный организм неразрывно связан с окружающей средой, и можно отделить

96

его от нее только мысленно. Через организмы проходят вихри химических элементов из окружающей среды.


сякий организм … постоянно, неудержимо, захватывает прямо или косвенно лучистую энергию Солнца и превращает ее в свободную, т.е. способную производить работу, химическую энергию. Значительная часть лучистой энергии Солнца, достигающей земной поверхности, таким образом захватывается и превращается в новую форму. Особенно геохимически важен такой захват зелеными растениями». В геохимии планеты жизнь проявляется совместным действием множества отдельных организмов, а геохимические последствия их деятельности грандиозны.

Для того чтобы иметь возможность изучать роль жизни в геохимии планеты и сравнивать с другими формами нахождения элементов (минералами, горными породами, магмами, водными растворами и т.п.) В. И. Вернадский предложил ввести понятие «живое вещество». «Я буду называть живым веществом, — писал он, — совокупность живых организмов, выраженную в весе, в химическом составе, в мерах энергии и характере пространства. Прилагая новую мерку изучения жизни, совершенно отличную от обычной, мы подходим к явлениям и перспективам, до сих пор невиданным. Сложный эффект мельчайших явлений, не привлекавших до сих пор внимания в биологических науках, принимает неожиданные размеры».

В. И. Вернадский подчеркивал, что жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном, интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений.


этот процесс длится без перерыва миллиарды лет. «На земной поверхности, — писал В. И. Вернадский, — нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Прекращение жизни было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений поверхности Земли— биосферы. «С исчезновением жизни на земной поверхности шли бы лишь медленные, от нас скрытые изменения, связанные с земной тектоникой. Они проявлялись бы не в наши годы и столетия, а в годы и столетия геологического времени. Лик Земли стал бы так же неизменен и химически инертен, как является неподвижным лик Луны, как инертны осколки небесных светил, захватываемые притяжением Земли. метеориты. Так жизнь является великим, постоянным и непрерывным нарушителем химической косности поверхности нашей планеты».

97

Идеи В. И. Вернадского, высказанные ими впервые в 20-х годах ХХ века, намного опередили состояние современной ему науки и в должной мере были оценены лишь спустя несколько десятилетий, после возникновения учения об экосистемах. Стало очевидным, что биосферу следует рассматривать как самую крупную, глобальную экосистему, поддерживающую себя круговоротом веществ и потоками солнечной энергии .Последующие исследования подтвердили многие положения учения о биосфере.

Биосфера распространена на несколько километров вверх и вниз от поверхности земли и океана. Ее верхняя граница определяется в атмосфере слоем озона — озоновым экраном, защищающим жизнь от губительного коротковолнового ультрафиолетового излучения на высоте 16 — 25 км.


е живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает. Однако, химический состав атмосферы выше озонового слоя во многом определяется деятельностью живого вещества. Вся гидросфера пронизана жизнью до самых больших глубин (около 11 км). Вглубь литосферы живые организмы могут проникать до 3-4 км, как показали находки бактерий при глубоком бурении. Здесь ограничивающим фактором является высокая температура глубинных пород и подземных вод, превышающая 100 градусов. Однако и более глубокие породы относятся к области биосферы, поскольку даже в метаморфизированном, переработанном в глубинах Земли виде, они представляют собой слои, созданные когда-то на дне океана при участии жизни.

Все вещество биосферы разделено В.И.Вернадским на четыре категории: косное, живое, биогенное и биокосное. Косное — это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют. Биогенное — создается и перерабатывается живыми организмами. Оно концентрирует в себе мощную потенциальную энергию (угли, нефть, известняки, битумы и др.). После его образования живые организмы в биогенном веществе малодеятельны. Биокосное — особое вещество, создается живыми организмами и биокосными процессами, представляя системы динамического равновесия. Живые организмы играют ведущую роль в поддержании свойств биокосных веществ. Ими являются все природные воды, почвы, кора выветривания. Так, вода, лишенная жизни и ее производных — кислорода, углекислоты и т.п. в условиях земной поверхности является телом химически мало деятельным, инертным.

iv>

В. И. Вернадский указывал на широкое поле устойчивости жизни и ее «всюдность» в биосфере. Крайние пределы температур, которые выносят организмы, не теряя жизнеспособности (в латентном состоянии) — от практически абсолютного нуля до

98

+ 180 — 200 градусов — дают интервал почти в 500 градусов. Жизнь существует при давлении от долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах, а в экспериментах некоторые формы выдерживают и полный вакуум. Различные виды, особенно бактерий, могут существовать в широком диапазоне химических условий среды: в атмосфере свободного кислорода и полностью без кислорода, в горячих борных источниках, насыщенных растворах поваренной соли, купороса, селитры, в растворах фтористого натрия, сулемы и т.п. Некоторые особо устойчивые формы могут выдерживать даже высокие дозы ионизирующей радиации — бактерии обнаружены в котлах действующих реакторов, а инфузории выдерживают облучение в 3 млн. доз превышающее естественный радиоактивный фон Земли. В биосфере нет мест, которые не были бы заняты той или иной формой жизни, ее нет только в жерлах действующих вулканов.

Наряду с этим жизнь в биосфере распространена неравномерно, мозаично. Она слабо выражена в холодных и жарких пустынях, высоко в горах, в центрах океанов.


сокая концентрация, богатство и разнообразие жизни присущи областям раздела разных сред: газообразной, жидкой и твердой. Жизнь сосредоточена на контакте литосферы и атмосферы (наземная жизнь и особенно — в почвах), атмосферы и гидросферы (поверхностные слои океана), литосферы и гидросферы (дно водоемов). Особенно богаты жизнью области , где почвы, вода и воздух близко соседствуют друг с другом — побережья и мелководья морей, лиманы, эстуарии рек . Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал «пленками жизни».

Суммарный химический состав живого вещества свидетельствует, что жизнь — это химическое производное земной коры, «плоть от плоти» Земли. По относительному числу атомов в литосфере наиболее распространены (более 1%) :кислород, кремний, алюминий, железо, натрий, водород, кальций, магний, калий. В гидросфере преобладают атомы водорода и кислорода, в атмосфере — азота и кислорода, в живом веществе — водород, кислород и углерод. Живое вещество в основном состоит из элементов, образующих газообразные и растворимые в воде соединения. В живых организмах 99,9% массы приходится на те 14 элементов, которые преобладают и в земной коре (98,9%), хотя находятся в ней в других соотношениях. На воспроизведение тех реакций, которые протекают в организмах с помощью катализаторов — ферментов, потребовались бы в неживой природе огромные затраты энергии.

Живое вещество совершает на Земле огромную геохимическую «работу».

>

99

В. И. Вернадский рассматривал биосферу прежде всего как область превращений космической энергии. До него еще К.А.Тимирязев говорил о космической роли зеленых растений. Основная планетарная функция живого вещества — это связывание и запасание, концентрирование солнечной энергии. Эта энергия расходуется затем в большом количестве геохимических процессов. Современными исследователями подсчитано. что ежегодная продукция в биосфере составляет 2, 32 х 1011 т. Следовательно, только за миллиард лет вся наработанная масса живого вещества весит в 10 раз больше земной коры, а длительность существования жизни на планете, по последним данным — около четырех миллиардов лет. Сжигая в топках уголь, газ или нефть, мы используем солнечную энергию, законсервированную живыми организмами далекого прошлого — мезозойской, палеозойской и протерозойской эры.

Газовая функция живого вещества заключается в создании и поддержании состава современной атмосферы. В настоящее время имеется достаточно много убедительных доказательств того, что атмосфера на ранней Земле была бескислородной и включала другие газы. Считается, что их состав был сходен с теми, которые выбрасывают действующие ныне вулканы. Предполагается преобладание окислов углерода (угарного и углекислого газов), метана, водорода, аммиака, значительные примеси серы и ее соединений, «кислых дымов» HCl и HF и др. Главные составляющие современной атмосферы — молекулярный азот , кислород и углекислый газ — производные жизни. Кислород — самый распространенный в верхних слоях планеты элемент — содержался на древней Земле в связанном виде.


Свободный кислород атмосферы накоплен в процессах фотосинтеза, за счет активности цианобактерий («синезеленых водорослей») и зеленых растений. Другие его источники на Земле, например, фотодиссоциация молекул воды в верхних слоях атмосферы, дают ничтожную массу. В.И.Вернадский отмечал исключительную роль этого соединения в истории биосферы. «Свободный кислород… в форме газа и еще больше в водных растворах играет совершенно исключительную роль во всех химических реакциях земной поверхности. Можно сказать, что он своим присутствием меняет весь их ход.Свободный кислород — самый могущественный деятель из всех известных нам химических тел земной коры. Он изменяет — окисляет — огромное количество химических соединений, он всегда находится в движении, все время вступает в соединения. История всех циклических элементов земной коры определяется их отношением к свободному кислороду». Озон и перекись водорода, присутствующие в

100

атмосфере, также генетически связаны с жизнью, так как подавляющая масса кислорода, из которой они образуются, является продуктом живого вещества.

Современный растительный покров продуцирует за год 430-470 млрд. т молекулярного кислорода. В пресных и океанических водах этого газа содержится от 9 до 14 мг/л.

Молекулярный азот стал накапливаться в атмосфере за счет окисления поступающего из недр Земли аммиака. Первые количества кислорода, освобождаемого фотосинтезом, шли на окисление газов атмосферы и горных пород. Атомы в молекуле азота объединены очень прочной связью, на разрыв которой требуется много энергии. Атмосферный азот поэтому инертен, трудно вовлекается в реакции. Атмосфера стала его гигантским резервуаром.


Углекислый газ в составе современного воздуха — также почти исключительно производное жизни. Он поступает в атмосферу в результате дыхания многочисленных организмов, включая растения. Наибольшее его количество выделяется живым миром почв. Первоначально углекислый газ попадает в воздушную и водную оболочки Земли в продуктах дегазации мантии, но не накапливается в них. Его удаление происходит главным образом при образовании карбонатов, как химическим, так и биологическим путем, а также при использовании в процессах фотосинтеза. Современные источники углекислого газа из недр планеты поставляют лишь 0,01% от выделенного живыми организмами, а общее содержание в атмосфере составляет около 0,03%

К газам органического происхождения относятся также сероводород, метан и множество других соединений, поставляемых в воздушную среду жизнедеятельностью разных видов. Например, гектар можжевелового или соснового леса может выделить за день до 30 кг летучих веществ — фитонцидов. Продуцируя и потребляя газообразные вещества, организмы биосферы поддерживают постоянство состава воздушной оболочки Земли.

К концентрационной функции живого вещества В.


Вернадский относил те процессы организма, которые сводятся к избирательному выбору из окружающей среды определенных химических элементов. Часть таких элементов входит в состав тел всех живых существ, а часть — встречается только у определенных групп. У некоторых организмов концентрация отдельных элементов составляет более 10% от веса тела. Такие организмы ученый предложил называть по элементу; кремневые, серные, железные. Кремневыми, например, являются радиолярии, диатомовые водоросли, многие губки.

101

Железными — железобактерии, до 20% веса которых составляет этот элемент. К магниевым организмам следует относить литотамниевые водоросли, к кальциевым — моллюсков, фораминифер, плеченогих, некоторых ракообразных. При содержании какого-либо элемента, заметно превышающего его концентрацию в окружающей среде и составляющего 1 -2 процента от веса тела, организмы относятся к группе богатых этим элементом. Так, богаты кремнием злаки, хвощи; богаты фосфором дрожжи, все позвоночные животные; хлором — растения-солянки; калием — водоросли Макроцистис; йодом — некоторые морские губки, водоросли ламинарии и фукусы. Отмирая и захораниваясь в массе, они образуют скопления этих веществ, формируя горные породы. Органогенные породы давно выделялись геологами : известняковые хребты, состоящие из остатков раковин морских животных, залежи угля. Но в целом роль живых организмов в образовании пород считалась второстепенной. В.И.Вернадский показал большую роль живого вещества в формировании всех осадочных горных пород, включая такие, как глины, пески и др. Он пришел к выводу, что и гранитные породы образовались за счет переплавления осадочных, и в своем начальном происхождении также связаны с влиянием жизни. Многие из пород, концентрирующих отдельные элементы, человек использует как полезные ископаемые: железные руды, бокситы, фосфориты, известняки и многие другие.


Окислительно-восстановительная функция живого вещества также подчеркивалась В. И. Вернадским. В биосфере постоянно идет окисление более бедных кислородом соединений (в почвах, коре выветривания и в гидросфере): солей, закиси железа и закиси марганца, нитрита, сероводорода, азота и др. Эта функция выполняется, прежде всего, бактериями. Восстановительные процессы резко выражены для сульфатов с образованием сероводорода. В результате возникают пирит и другие сульфиды, образующие часто крупные скопления и залежи в земной коре.

Биогенное перемещение атомов — также одна из функций живого вещества на планете. Кроме вовлечения в химические реакции, вещества перемещаются живыми организмами и в пространстве. Растения выносят химические элементы из почвы на ее поверхность, формируя свои тела порой до десятков метров в высоту. Перемещают большие массы почвы и грунтов роющие животные. На далекие расстояния разносят вещество летающие организмы. Эти процессы, умноженные на время, выявляют грандиозные масштабы происходящего.

102

Одна из важнейших биогеохимических функций на Земле — деструкционная. Она заключается в разложении создаваемой биологической продукции и возвращении биогенных элементов в окружающую среду. В осуществление этого процесса включено огромное разнообразие живых организмов. Многие органические соединения (целлюлоза, лигнин и др.) обладают высокой прочностью и устойчивостью, они не разрушаются в природе в отсутствии редуцентов. На планете постоянно идет гигантская работа по минерализации созданного органического вещества. Параллельно протекает процесс гумификации: часть промежуточных продуктов распада в результате деятельности разных групп организмов вступает в новый синтез, образуя гумус — сложный комплекс веществ, богатых энергией. Гумус является основой почвенного плодородия. Он разлагается определенными микроорганизмами очень медленно и постепенно, обеспечивая постоянство и надежность в снабжении растений биогенными элементами.

Продукты минерализации органических веществ, растворяясь в природных водах, многократно усиливают их химическую активность в разрушении горных пород.

Стабильность биосферы основывается на биогеохимических круговоротах веществ.

Глобальный биогеохимический круговорот вещества представляет собой систему сложно переплетенных циклов химических элементов. Круговороты планетарного масштаба создаются из бесчисленных циклических перемещений атомов, движимых жизнедеятельностью организмов в отдельных экосистемах, и тех перемещений, которые вызываются причинами геологического и ландшафтного характера: поверхностный и подземный сток, ветровая эрозия, вулканизм, горообразование, движение морского дна и т.п. Различают малые и большие круговороты, т.е. локальные и общепланетарные.

Биологические круговороты характеризует неполная замкнутость. Часть химических элементов и их соединений выпадает из общей циркуляции и скапливается вне живых организмов. Так постепенно накапливались кислород и азот атмосферы, горючие ископаемые, осадочные породы. Незамкнутость циклов может быть ничтожной, но помноженная на геологическое время, она приводит к глобальным эффектам, к изменеиям состояния и структуры биосферы. Современная биосфера сильно отличается от биосферы прошедших времен, когда, например, господствовали только микроорганизмы, или когда сложная жизнь была развита только в океане.

Главным для биосферы является цикл органического углерода.

Биологический цикл углерода определяется первичной продукцией организмов за счет фотосинтеза растений и цианобактерий, частично — хемосинтезирующих бактерий и

103

последующей деструкцией созданного органического вещества всеми, как аэробными, так и анаэробными организмами. Конечный продукт деструкции — углекислый газ, связывающий цикл органического углерода с неорганическим и с циклом кислорода. Основные запасы углерода находятся в связанном виде в осадочных породах Земли ( в основном в составе карбонатов), значительная часть растворена в водах океана, и относительно небольшая часть присутствует в составе воздуха. Общие пропорции углерода в литосфере, гидросфере и атмосфере, по уточненным расчетам, 28570: 57: 1.

Таким образом, в биологическом круговороте участвуют лишь доли процента от общего его количества на Земле. Атмосфера и гидросфера представляют обменный фонд, откуда его черпают зеленые растения. Выделение углерода из недр Земли в составе вулканических газов примерно равно скорости погружения его вглубь литосферы в составе осадочных пород, т.е. большой геологический цикл углерода уравновешен. Из биологических круговоротов на суше и в океане часть углерода надолго выводится из-за недостаточной скорости деструкционных процессов. Так образуются залежи горючих ископаемых, обогащение органическим углеродом осадочных пород и смыкание большого и малого круговоротов. Временным резервуаром углерода являются тела долгоживущих организмов и запасы мертвой органики (мортмассы), еще не успевшей разложиться, и почвенного гумуса. В растительном покрове суши связано 4,5 х 1011 т С, в почве — 7 х 1011 т. Экосистемы могут оказаться накопителями органического углерода даже при низкой продуктивности, все определяет отставание скорости разложения от скорости создания органического вещества. К таким экосистемам относятся, например, болота, моховые тундры, таежные леса с большим запасом подстилки.

Суммарная биомасса организмов зависит от количества углерода, участвующего в системе биологического круговорота. Известную регуляторную роль играет растительность, которая способна до некоторых пределов поглощать избыток углекислого газа воздуха и резервировать углерод в своих телах, увеличивая продуктивность и биомассу. Углекислый газ относится к парниковым, и даже небольшое увеличение его содержания в воздухе может заметно повлиять на средние температуры и климат Земли. Поэтому уменьшение суммарной массы растительности, особенно лесной, при современных масштабах антропогенного уничтожения лесов, грозит подрывом тонкого равновесия в цикле органического углерода, связанного и с циклами многих других веществ в биосфере.

104

Кислород. Находится в основном в составе воды и минералов. Это самый распространенный химический элемент на Земле. Свободный молекулярный кислород накапливается в биосфере как побочный продукт фотосинтеза и используется на дыхание организмов и окисление всех недоокисленных веществ на поверхности Земли . Растворимость кислорода в воде невелика, его концентрация, при полном насыщении, в среднем в 21 раз ниже, чем в воздухе. Резерва, имеющегося в воздушной среде, при прекращении фотосинтеза хватило бы не более чем на 2000 лет. Накопление О2 в атмосфере и гидросфере происходит в результате неполной замкнутости цикла углерода. Захоронение органики в осадочных породах, углях, торфах послужило основой поддержания обменного фонда О2 в атмосфере. Современное человечество усиленно «работает» на уменьшение запасов свободного кислорода в биосфере. Этому способствует сведение лесов и беспрецедентное связывание О2 за счет сжигания топлива промышленностью и транспортом. Оно достигло уже почти 14 млрд. т в год, что составляет почти тридцатую часть поставляемого растительностью кислорода, т.е. вполне сопоставимо по масштабам с биосферными процессами.

Азот. Входит в состав важнейших органических молекул — ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и др. Его общее отношение к углероду в биомассе составляет 16:106. Недостаток азота часто является фактором, лимитирующим биологическую продукцию. Молекулярный азот атмосферы недоступен растениям. Ассимиляция ими азота возможна только из его связанных форм — аммиака, нитратов, мочевины. Биологический круговорот азота поэтому целиком поддерживается деятельностью бактерий. Многие из них обладают способностью к фиксации атмосферного азота. Этот процесс требует больших затрат энергии на разрыв прочных связей между двумя атомами азота. Аммонифицирующие бактерии, разлагая органическое вещество, переводят азот в аммиачную форму, а продолжающие этот процесс нитрификаторы окисляют его до нитритов и нитратов. Денитрифицирующие бактерии завершают цикл, освобождая азот из нитратов и переводя вновь в молекулярную форму. Растения, усваивая азот на потоке его превращений бактериями, не могли бы существовать без бактериальной системы этого круговорота.

Независимый от жизнедеятельности бактерий механизм вовлечения молекулярного азота в биологические циклы — разряды молний, способствующие возникновению аммиака и нитрата. Однако, эти процессы не восполняют потерь при денитрификации. Современная промышленность удобрений фиксирует азот атмосферы в количествах,

105

превышающих природную азотфиксацию. Избытки нитратов, поступающих через загрязнение вод и продуктов питания к человеку, угрожают его здоровью. Деятельность человека все сильнее влияет на круговорот азота в природе.

Фосфор. Входит в состав нуклеиновых кислот, энергетических молекул АТФ и АДФ, фосфолипидов клеточных мембран, скелетных тканей животных. Его среднее отношение к органическому углероду в биомассе составляет 1 : 106. Специфика круговорота фосфора связана с тем, что он не образует летучих соединений и плохо растворим в воде. Источником доступного растениям фосфора является в основном его выщелачивание из подстилающих почвы горных пород. На суше из разлагающейся органики соединения фосфора возвращаются в почву, но частично вымываются в водоемы и, в конечном счете, в океан. В воде они почти не остаются в растворенном виде , а захораниваются в осадках, переходя в систему геологического круговорота. Дефицит фосфора в центрах океанов — один из главных лимитирующих факторов продуктивности водорослей в фотическом слое. Но и у берегов континентов в морских экосистемах жизнь рассчитана на невысокие концентрации фосфора. В биосфере, по сути дела, осуществляется однонаправленный поток фосфора из горных пород суши в глубины океана, и обменный фонд его в гидросфере очень ограничен. Промышленное производство фосфорных удобрений усиливает поступление этого элемента, через смыв с полей, в пресные водоемы и является одной из главных причин их бурной эвтрофикации, а также грозит нарушением природного равновесия в морях.

Все биогеохимические циклы элементов связаны друг с другом в общую систему, поскольку атомы, имеющие разную «судьбу» в атмосфере, гидросфере и литосфере, вступают друг с другом в реакции, объединяясь в разных пропорциях в составе органических молекул.

Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, совершают постоянные перемещения, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно. Возможность многократного использования одних и тех же атомов делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного притока нужного количества энергии. Однако формы жизни меняются и влияют на геологическую историю.

Историю Земли делят на три большие отрезка — архей (первые два миллиарда лет ее существования), протерозой (следующие два миллиарда лет) и фанерозой, который начался около 570 млн. лет назад. В архее господствовали бактериальные формы жизни

106

при отсутствии озонового экрана над Землей. Образующийся в результате фотосинтеза цианобактерий кислород шел на окисление восстановленных и недоокисленных соединений в атмосфере и гидросфере. В протерозое началось накопление свободного кислорода, приведшее к расцвету аэробных эукариотических одноклеточных организмов (простейших и водорослей), а к концу протерозоя — и многоклеточных форм. Фанерозой начался со взрывного образования многоклеточных скелетных животных, в возникновении которых большую роль сыграло дальнейшее увеличение концентрации кислорода в атмосфере и воде. Формирование в результате этого полноценного озонового экрана сделало возможным выход сложных форм жизни на сушу, возникновение растительного покрова, уменьшение сноса в океан продуктов эрозии. Почти 370 млн. лет на суше шумят леса, но сначала они состояли из споровых растений, а затем сменились голосеменными и покрытосеменными. Почвы из примитивных сначала пленочных сменились, под первыми лесами, полуводными образованиями, в анаэробных условиях которых шло захоронение древесины с последующим превращением в каменные угли. В современных почвах, имеющих развитый профиль, господствуют аэробные процессы разложения органики, идут активные процессы минерализации и образуются резервы гумуса. Жизнь на Земле, с одной стороны, вечна, а с другой — изменяема.

Процессы изменения биосферы многократно усилились с возникновением и развитием человеческого общества. Они идут по нарастающей, быстро ускоряющимися темпами. Угрожающе увеличивается риск сбоев в природной саморегуляции устойчивости биосферы. Перед современным человечеством встает вопрос о саморегуляции в меняющемся мире, поскольку масштабы его отрицательного влияния на окружающую среду сравнимы с биосферными процессами. В связи с этим в центр внимания выдвигается идея «устойчивого развития», провозглашенная в 1992 г. на Международном форуме в Рио-де-Жанейро. Мировому сообществу приходится решать задачи, по масштабам не имеющие себе равных в истории человеческого общества. Становится понятным, что человечество может продолжать развиваться на планете только при условии принятия в расчет экологических ограничений, на которых основывается стабильность всей биосферы. Международные рекомендации всем государствам — развитие экологической политики, в основу которой должны быть положены:

1. содействие восстановлению ресурсов, предельно экономному использованию из них невозобновимых и переход на технологии. потребления в основном возобновимых со строгим соблюдением норм их изъятия; 2. жесткие нормы предельного загрязнения среды

107

с развитием новых технологий, способствующих снижению этого загрязнения; 3. охрану редких экосистем и видов, сохранение биологического разнообразия планеты, с достаточной мерой ответственности за нарушения.

В целом вопрос стоит о том, как вписать экономическое развитие общества в экологические ограничения биосферы. Отсюда вырастает роль развития экологической науки и экологического образования. Не нарушать природное равновесие в такой грандиозной по сложности природной системе как биосфера можно только хорошо зная закономерности ее функционирования. Надо уметь определять емкость среды, устанавливать формы и пределы допустимого воздействия, чего нельзя сделать без опоры на фундамент знаний, собираемых кропотливым трудом ученых .

Естественно, что необходимым условием устойчивого развития общества является достаточно высокая экологическая культура населения. Еще в 1977 г. на Международной конференции в Тбилиси было признано необходимым и приоритетным экологическое и природоохранное просвещение всех социальных и возрастных групп населения, т.е. «непрерывное экологическое образование».

Решение экологических проблем связано, прежде всего, с осознанием всем населением планеты масштабов надвигающейся экологической катастрофы, важности обеспечения экологической безопасности, охраны природы и изменения всего стиля хозяйствования человечества на Земле. В .И. Вернадский оптимистично отмечал приближение «ноосферы» — времени, когда биосферные процессы будут регулироваться разумом человека. Глобальное влияние человека на биосферу уже наглядно проявляется, и в основном отрицательно, но до разумной регуляции мощных природных сил пока еще далеко, хотя человечество уже знает, в каком направлении надо действовать. Очевидно, что это требует гигантских объединенных усилий науки, экономики, политики и просвещения.

Вопросы к лекции 8.

1. Что такое биосфера? В чем основная суть идеи биосферы В. И. Вернадского?

2. Как сформировался газовый состав современной атмосферы?

3. Какие изменения произвела жизнь на планете за время ее существования?

4. В чем заключаются главные механизмы устойчивости жизни на Земле?

5. Почему для человечества главным становится вопрос своего «устойчивого развития»?

Источник: texts.news

Свойства биосферы необходимые для возникновения и продолжения жизни

Что такое биосфера

  • Наличие CO2 и кислорода;
  • вода – источник жизни на земле, присутствие, как пресных водоемов, так и соленых;
  • регуляция температуры: отсутствие резких перепадов, сверхвысоких и низких показателей;
  • обеспечение всего живого продуктами питания;

До сих пор нет единого определения. Существует три версии, что такое биосфера:

  1. Общая масса всех живых существ, которые обитают в оболочках земли, является биосферой.
  2. Организмы и места их жизнедеятельности вместе составляют биосферу.
  3. Это следствие продолжительной жизни существ, обитавших задолго до наших дней.

Ученые-геологи считают правильной первую точку зрения, так как другие не имеют теоретического подкрепления.

Биосфера простилается по всей поверхности Земли (горы, поля, реки, моря, океаны) и создает условия для жизнедеятельности всех организмов. Человек также является составляющим звеном.

Границы

Где проходят границы биосферы
Границы биосферы в км

Чем определяются границы распространения биосферы?

Поскольку Живое — главная составляющая биосферы, ее границы определяются возможностью выживать отдельных индивидуумов в условиях окружающей среды. В верхних слоях ультрафиолетовое излечение не дает развиваться живым организмам – это определяет верхнюю границу биосферы. Высокие температуры в земных глубинах устанавливают нижнюю черту жизни.

Где проходят границы биосферы?

Атмосфера – воздушный слой земного шара, состоит из азота, кислорода, диоксида углерода и др. Она защищает Землю от перегрева, действия космической радиации, ультрафиолета, метеоритов. В составе атмосферы выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу.

Тропосфера (озоновый слой земли) является верхней границей биосферы, находится на высоте 20 км.

Стратосфера – располагается на высоте 50 км над уровнем моря, воздух разжижается, нагревается, увеличивается концентрация озона, условия становятся непригодными для жизни.

Ионосфера – поверхностный слой атмосферы, поддается воздействию космического излучения, поэтому сильно ионизированный.

Литосфера – земная кора, твердый слой, который уходит на глубину 200км. К биосфере относится верхний шар, населенный живыми организмами. Нижняя граница по литосфере достигает 4км, глубина где были найдены бактерии. Опускаясь ниже, температура возрастает, достигая 100 градусов, что несовместимо с существованием живых организмов, происходит денатурация белка, все живое – гибнет.

Гидросфера – совокупность наземных и подземных вод. Это одна из оболочек нашей планеты, которая окружает материки и острова, составляет 70% поверхности земного шара. Нижняя граница биосферы расположена на глубине около 11 км. (в области Тихого океана).

Схема границ биосферы
Схема границ биосферы

Слои биосферы

Эубиосфера – основная прослойка биосфера. 99,9% живых существ постоянно населяют данный слой. Ширина эубиосферы 12-17км.

Парабиосфера, метабиосфера – соответственно верхний и нижний слои бисоферы, куда жизнь попадет случайно, заносится из эубиосферы.

Апобиосфера и абиосфера — самый верхний и самый нижний слои, куда жизнь не может попасть даже случайно.

В зависимости от среды обитания живых организмов выделяют:

  • Аэробиосферу (жизнь осуществляется за счет атмосферной влаги и солнечной энергии, от верхушек деревьев до стратосферы);
  • геобиосферу (организмы населяют почву, поверхность суши, деревья);
  • гидробиосферу (все водные структуры заселенные гидробионтами, исключая подземные воды).

Структура биосферы и ее состав

Живое вещество Вернадский описывал как общее число всех живых организмов населяющих планету в данный период времени.

Основные свойства:

  • В нем сосредоточено огромное количество энергии;
  • скорость течения реакций в живом организме быстрее, чем в искусственно созданных условиях;
  • составляющие живого вещества стабильны только в жизнеспособном организме;
  • возможность существовать в разных условиях, заполняя все пространство. Это явление Вернадский назвал «всюдностью жизни»;
  • отдельные особи всегда являются частью экосистемы;
  • живое вещество эволюционирует, приобретает новые свойства, адаптируется к изменчивости внешней среды.

Биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живого. В процессе жизни организмы пропускают через себя многократно все составляющие биосферы, так образуются залежи нефти, газа, угля, торфа и др.

Косное вещество – формируется без участия живой материи (небиогенные горные породы, минералы).

Биокосное вещество – создается при взаимодействии живого и неживого (вода, приземная атмосфера, почва).

Структура и состав биосферы
Структура и состав биосферы

Живое вещество распределено не равномерно на просторах земли, ее концентрация увеличивается возле экваториальной плоскости, на полюсах планеты жизни мало.

Скопление живых организмов находятся на границах слоев биосферы: на дне океана – проходит граница между литосферой и гидросферой, в поверхностных водах Мирового океана – рубеж между гидросферой и атмосферой, на границе литосферы и атмосферы находится почва – место обитания микроорганизмов, насекомых, других животных. В этих местах создаются благоприятные условия для существования: высокая концентрация кислорода, доступ к солнечному свету, влага, питательные вещества.

Соотношение видов живых организмов показывает преобладание растительности, она занимает 99% от всего живого, животные – 1%, люди – 0,0002%.

Функции биосферы

Энергетическая – аккумуляция солнечного излучения в процессе фотосинтеза (переход энергии солнечного света с помощью пигментов растений в органические связи) и ее трансформация, с последующим распределением между всеми живыми организмами.

Газообразующая – поддержание стабильного газового состава атмосферы (выделение кислорода, поглощение диоксида углерода).

Концетрационная – сосредотачивают в теле химические вещества, образуя в дальнейшем полезные ископаемые.

Круговорот вещества в биосфере

Растения в процессе роста и развития используют минеральные вещества из почвы, адсорбируют воду с помощью корня, перерабатывают энергию Солнца, образуют органические вещества из неорганических, из атмосферного воздуха листьями поглощается диоксид углерода и выделяется кислород посредством фотосинтеза.

Животные и человек дышат кислородом, используют органические вещества образованные растениями. После смерти, скопление органических веществ растений и животных разлагается под действием микроорганизмов, и переходят в неорганическое состояние.

Процесс преобразования энергии и вещества начинается сначала – это и есть жизненный круговорот.

Источник: animals-world.ru

Происхождение термина «биосфера»

Термин «биосфера» первым придумал геолог Эдуард Зюсс в 1875 году для обозначения пространства на поверхности Земли, где существует жизнь. Более полное определение понятия «биосфера» было предложено В. И. Вернадским. Он стал первым, кто отвел жизни главенствующую роль трансформирующей силы нашей планеты, беря во внимание жизнедеятельность организмов как в настоящем, так и прошлом. Геохимики раскрывают термин «биосфера» как общая сумма живых организмов («биомасса» или «биота», как называют биологи и экологи).

Границы биосферы

Термин биосфера впервые применил в 1875 году» data-layzr=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/biosphere-illustration.jpg» alt=»biosphere-illustration» width=»622″ height=»403″ data-layzr-srcset=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/biosphere-illustration.jpg 622w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/biosphere-illustration-300×194.jpg 300w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/biosphere-illustration-500×324.jpg 500w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/biosphere-illustration-186×120.jpg 186w» sizes=»(max-width: 622px) 100vw, 622px» />

Каждую часть планеты, от полярных льдов до экватора, населяют живые организмы. Последние достижения в области микробиологии показали, что микроорганизмы обитают глубоко под земной поверхностью и возможно их общая биомасса превышает биомассу всего животного и растительного мира на поверхности Земли.

В настоящее время фактические границы биосферы измерить невозможно. Как правило, большинство видов птицы летают на высотах 650 — 1800 метров, а рыбы были обнаружены на глубине — до 8372 метров в океаническом Жёлобе Пуэрто-Рико. Но также есть более экстремальные примеры жизни на планете. Африканский сип, или гриф Рюппеля был замечен на высоте более 11000 метров, горные гуси обычно мигрируют на высоте не менее 8300 метров, дикие яки обитают в горных районах Тибета на высоте около 3200 — 5400 метров над уровнем моря, а горные козлы живут на высотах до 3000 метров.

Микроскопические организмы способны жить в более экстремальных условиях и если брать их во внимания, то толщина биосферы намного больше, чем мы себе представляли. Некоторые микроорганизмы были обнаружены в верхних слоях атмосферы Земли на высоте 41 км. Вряд ли микробы являются активными на таких высотах, где температура и давление воздуха являются чрезвычайно незначительными, а ультрафиолетовое излучение очень интенсивным. Скорее всего, они были доставлены в верхние слои атмосферы ветрами или извержением вулканов. Также одноклеточные формы жизни были найдены в самой глубокой части Марианской впадины на глубине 11034 метров.

Несмотря на все вышеперечисленные примеры крайностей существования жизни, в общем слой биосферы Земли настолько тонкий, что его можно сравнить с кожурой яблока.

Структура биосферы

Термин биосфера впервые применил в 1875 году» data-layzr=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/экосистема.jpg» alt=»экосистема» width=»622″ height=»423″ data-layzr-srcset=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/экосистема.jpg 622w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/экосистема-300×204.jpg 300w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/экосистема-500×340.jpg 500w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/экосистема-197×133.jpg 197w» sizes=»(max-width: 622px) 100vw, 622px» />

Биосфера организована в иерархическую структуру, в которой отдельные организмы образуют популяции. Несколько взаимодействующих популяции составляют биоценоз. Общины живых организмов (биоценоз), проживающие в определенных физических средах обитания (биотоп), образует экосистему. Экосистема — это группа животных, растений и микроорганизмов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой таким образом, чтобы обеспечить свое существование. Поэтому экосистема функциональная единица устойчивости жизни на Земле.

Происхождение биосферы

Термин биосфера впервые применил в 1875 году» data-layzr=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/первая-жизнь.jpg» alt=»первая-жизнь» width=»622″ height=»361″ data-layzr-srcset=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/первая-жизнь.jpg 622w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/первая-жизнь-300×174.jpg 300w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/первая-жизнь-500×290.jpg 500w» sizes=»(max-width: 622px) 100vw, 622px» />

Биосфера существует уже около 3,5-3,7 миллиарда лет. Первыми формами жизни были прокариоты – одноклеточные живые организмы, которые могли жить без кислорода. Некоторые прокариоты разработали уникальный химический процесс, который известен нам как фотосинтез. Они были в состоянии использовать солнечный свет, чтобы делать простой сахар и кислород из воды и углекислого газа. Эти фотосинтезирующие микроорганизмы были настолько многочисленны, что они кардинально преобразили биосферу. В течение длительного периода времени, сформировалась атмосфера из смеси кислорода и других газов, которая могла поддерживать новую жизнь.

Добавление кислорода в биосферу позволило стремительно развиваться более сложные формам жизни. Появились миллионы различных растений, животные, которые употребляли в пищу растения и других животных. Бактерии эволюционировали, для того, чтобы разлагать мертвых животных и растения.

Благодаря этой пищевой цепи – биосфера сделала огромный скачок в своем развитии. Разложенные останки отмерших растений и животных высвобождали в почву и океан питательные вещества, которые повторно поглощались растениями. Такой обмен энергией позволил биосфере стать самоподдерживающей и саморегулирующейся системой.

Роль фотосинтеза в развитии жизни

Термин биосфера впервые применил в 1875 году» data-layzr=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/фотосинтез.jpg» alt=»фотосинтез» width=»622″ height=»343″ data-layzr-srcset=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/фотосинтез.jpg 622w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/фотосинтез-300×165.jpg 300w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/фотосинтез-500×276.jpg 500w» sizes=»(max-width: 622px) 100vw, 622px» />

Биосфера является уникальной в своем роде. До сих пор не было никаких научных фактов, подтверждающих существования жизни в других местах Вселенной. Жизнь на Земле существует благодаря Солнцу. При воздействии энергии солнечного света осуществляется процесс под названием фотосинтез. В результате фотосинтеза растения, некоторыми виды бактерий и простейших под воздействием света перерабатывают двуокись углерода в кислород и органические соединения, такие как сахар. Подавляющее большинство видов животных, грибов, растений и бактерий непосредственно или косвенно зависят от фотосинтеза.

Факторы влияющие на биосферу

Термин биосфера впервые применил в 1875 году» data-layzr=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/obliquity_ecliptic.png» alt=»obliquity_ecliptic» width=»500″ height=»188″ data-layzr-srcset=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/obliquity_ecliptic.png 622w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/obliquity_ecliptic-300×113.png 300w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/obliquity_ecliptic-500×188.png 500w» sizes=»(max-width: 500px) 100vw, 500px» />

Существуют множество факторов, влияющих на биосферу и нашу жизнь на Земле. Есть глобальные факторы такие, как расстояние между Землей и Солнцем. Если бы наша планета находилась ближе или дальше по отношению к Солнцу, то на Земле было слишком жарко или холодно для зарождения жизни. Угол наклона земной оси также важный фактор, влияющий на климат планеты. Времена года и сезонные климатические изменения являются прямыми результатами наклона Земли.

Локальные факторы также оказывают важное воздействие на биосферу. Если посмотреть на определённый участок Земли, можно увидеть, влияние климата, ежедневной погоды, эрозии и самой жизни. Эти мелкие факторы постоянно меняют пространство и живые организмы должна реагировать соответствующим образом, адаптируясь к изменению среды обитания. Несмотря на то, что люди могут контролировать большую часть своего ближайшего окружения, они по-прежнему уязвимы природным катаклизмам.

Наименьший из факторов, влияющих на облик биосферы – это изменения, происходящие на молекулярном уровне. Реакции окисления и восстановления способны менять состав горных пород и органических веществ. Существует также биологическое разрушение. Крошечные организмы, такие как бактерии и грибки, способны перерабатывать, как органические, так и неорганические материалы.

Биосферные заповедники

Термин биосфера впервые применил в 1875 году» data-layzr=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/rio-platano-biosphere-forestreserve.jpg» alt=»rio-platano-biosphere-forestreserve» data-layzr-srcset=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/rio-platano-biosphere-forestreserve.jpg 622w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/rio-platano-biosphere-forestreserve-300×190.jpg 300w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/rio-platano-biosphere-forestreserve-500×317.jpg 500w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/rio-platano-biosphere-forestreserve-183×116.jpg 183w» sizes=»(max-width: 622px) 100vw, 622px» />

Люди играют важную роль в поддержании энергообмена биосферы. К сожалению, наше воздействие на биосферу часто оказывается негативным. Например, уровень кислорода в атмосфере уменьшается, а уровень углекислого газа растет из-за того, что люди чрезмерно сжигают ископаемое топливо, а разливы нефти выбросы промышленных отходов в океан наносят огромный ущерб гидросфере. Будущее биосферы зависит от того, как люди будут взаимодействовать с другими живыми существами.

В начале 1970-х годов, Организация Объединенных Наций учредила проект под названием «Человек и биосфера» (MAB), который способствует устойчивому развитию сбалансированных взаимоотношений между человеком и природой. В настоящее время существует сотни биосферных резерватов по всему миру. Первый биосферный заповедник был создан в Янгамби, Демократическая Республика Конго. Янгамби расположен, в плодородном бассейне реки Конго и насчитывает около 32000 видов деревьев и животных, среди которых присутствуют такие эндемичные виды, как лесной слон и кистеухая свинья. Биосферный резерват Янгамби поддерживает такие важные мероприятия, как развитие рационального сельского хозяйства, охоты и добычи.

Внеземные биосферы

Термин биосфера впервые применил в 1875 году» data-layzr=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/вселеная.jpg» alt=»вселеная» data-layzr-srcset=»https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/вселеная.jpg 622w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/вселеная-300×188.jpg 300w, https://natworld.info/wp-content/uploads/2015/03/вселеная-500×313.jpg 500w» sizes=»(max-width: 622px) 100vw, 622px» />

До сих пор, биосфера не была обнаружена за пределами Земли. Поэтому существование внеземных биосфер остается гипотетическим. С одной стороны, многие ученые считают, что жизнь на других планетах маловероятна, а если где-то она существует, то скорей всего в форме микроорганизмов. С другой стороны аналогов Земли может быть очень много, даже в нашей галактике — Млечный Путь. Учитывая ограниченные возможности наших технологий, в настоящее время неизвестно, какой процент из этих планет способен иметь биосферу. Также нельзя исключить вариант, что искусственные биосферы будут созданы человеком в будущем, например, на Марсе.

Биосфера – это очень хрупкая система, в которой каждый живой организм является важным звеном в огромной цепи жизни. Мы должны осознать, что человек, как самое разумное существо на планете несет ответственность за сохранение чуда жизни на нашей планете.

Источник: natworld.info

биосфера

Привет друзья! Из данной статьи вы узнаете и биосфере и кто этот термин впервые ввел, а еще, немного о ноосфере. 

Биосфера (слово от греч. bios – жизнь и sphaira – шар) – сфера активной жизни, которая охватывает нижние части атмосферы, гидросферу и верхние части литосферы.

Живые организмы («живое вещество» по В. И. Вернадскому) и окружающая среда в биосфере связаны органически, они взаимодействуют друг с другом и образуют динамическую систему, которая целостная.

Термин «биосфера» был введен в 1875 году Э. Зюссом — австрийским геологом.

Учение про биосферу, как активную оболочку Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе человека) рассматривается как геохимический фактор планетарного значения и масштаба, было разработано выдающимся украинским ученным В. И. Вернадским (1926 г.).

Биосфера включает в себя живой (или биотический) и неживой (или абиотический) компоненты. 

Биотический компонент – это совокупность всех живых организмов («живое вещество» по В. И. Вернадскому).

Абиотический компонент – это сочетание воды, энергии, определенных химических элементов, а так же других неорганических условий.

В этих условиях тоже существуют живые организмы. Жизнь в биосфере зависит от потока энергии и круговорота веществ между абиотическим (неживым) и биотическим (живым) компонентами.

Круговорот веществ называется биохимическими циклами. Существование биохимических циклов обеспечивается энергией Солнца.

Ноосфера (слово от греч. noos – разум и sphaira – шар) – новое эволюционное состояние биосферы, при котором решающим фактором развития человека становится его умственная деятельность. Французскими ученными П. Тейяром де Шарденом и Э. Леруа (1927) было введено понятие ноосферы.

Представление о ноосфере как о качественной новой форме организованности, которая возникает во время взаимодействия общества и природы, в результате преобразующей мир творческой деятельности человека, которая опирается на научное мнение, развил В. И. Вернадский.

Таким образом, биосфера — это живая оболочка Земли, которая охватывает часть всех других оболочек. 

Источник: o-planete.ru

Понятие биосферы вошло в науку случайно. Более 100 лет назад, в 1875 г., австрийский геолог Эдуард Зюсс, говоря о различных оболочках земного шара, впервые упот-
213
ребил этот термин в последней, наиболее общей главе своей книги о происхождении Альп. Однако это упоминание не сыграло сколько-нибудь заметной роли в развитии научной мысли. В 1926 г. были опубликованы две лекции русского минералога В. И. Вернадского, в которых им, спустя 50 лет после работ Зюсса, формулировались основные положения концепции биосферы, которую мы принимаем и сейчас. Под биосферой Вернадский понимал те слои земной коры, которые подвергались в течение всей геологической истории влиянию живых организмов.
В последние годы многие ученые (Дж. Хатчинсон и др.) сужают представление о биосфере, рассматривая ее как ту часть поверхности Земли, которая в настоящее время находится под влиянием деятельности организмов. Многие научные термины в разных случаях применяются то в более широком, то в более узком понимании.
Что же характерно для биосферы — этой особой оболочки земного шара? Во-первых, в биосфере весьма значительно количество жидкой воды. Во-вторых, на нее падает мощный поток энергии Солнца. В-третьих, для биосферы характерны поверхности раздела между веществами, находящимися в жидком, твердом и газообразном состояниях.
Поскольку источником энергии на Земле является Солнце, то все живые организмы распределены в верхних слоях двух земных оболочек: литосферы и гидросферы (рис. 13.3). Чем лучше та или иная земная оболочка пропускает солнечные лучи, тем на большую глубину она заселена живыми организмами. Однако биосфера не кончается там, куда не доходит свет. Благодаря силе тяжести поток энергии распространяется еще дальше: из освещенных слоев в глубину моря непрестанно падают комочки экскрементов, мертвые и живые организмы.
В литосферу живые организмы проникают на ничтожную глубину. Основная их масса сосредоточена в верхнем слое почвы мощностью в несколько десятков сантиметров, и редко кто проникает на несколько метров или десятков метров вглубь (корни растений, дождевые
214
Термин биосфера впервые применил в 1875 году
Рис. 13.3. Строение биосферы.
черви). По трещинам земной коры, колодцам, шахтам и буровым скважинам животные и бактерии могут опускаться на гораздо большую глубину—до 2,5-3 км. Нефть, часто залегающая глубоко от поверхности земли, имеет своеобразную бактериальную флору. Проникновение зеленых растений в глубь литосферы невозможно из-за отсутствия света. Животные не находят там питания. Механические свойства горных пород, слагающих литосферу, также препятствуют распространению в них жизни. Наконец, с продвижением в недра Земли температура возрастает и на глубине 3 км достигает 100 °С. Значит, на глубине более 3 км от земной поверхности живые организмы существовать не могут.
С поверхности литосферы живые организмы проникают в нижние слои атмосферы — на высоту от нескольких сантиметров до нескольких метров. А растения возносят свои зеленые кроны иногда на несколько десятков метров. На несколько сотен метров в атмосферу проникают насекомые, летучие мыши и птицы. Восходя-
215
щие токи воздуха могут поднимать на несколько километров покоящиеся стадии (споры, цисты, семена) животных и растений. Однако организмы, проводящие всю свою жизнь в воздухе, т. е. связанные с ним как с основной средой обитания, не известцы.
Гидросфера в отличие от атмосферы и литосферы заполнена жизнью по всей своей толще. Повсюду, куда проникали орудия сбора, исследователи находили живые организмы. Из этого мы можем заключить, что жидкая вода является более важным лимитирующим фактором в расселении организмов, чем свет. Так, самые жаркие пустыни формально находятся вне биосферы. Однако фактически они могут считаться парабиосферными (околобиосферными), так как живые организмы там все же есть. Например, в пустынях Намиб и Калахари под слоем сухого песка встречаются насекомые (жуки-чернотелки), существующие за счет приносимых ветром сухих пылевидных остатков растений; питаясь ими, насекомые получают метаболическую воду.
Протяженность биосферы ввысь ограничена в основном недостатком жидкой воды и низким парциальным давлением углекислого газа. В горах хлорофиллсодержащие растения, видимо, не могут жить на высоте более 6200 м (Гималаи). На еще больших высотах встречаются некоторые животные, например пауки. Они питаются ногохвостками, а те, в свою очередь, довольствуются зернами пыльцы, заносимыми сюда ветром. Высокогорную область биосферы называют эоловой зоной.
Если лимитирующими факторами биосферы являются жидкая вода и солнечный свет, то оптимум жизни приходится на поверхность раздела сред. Исследования фотосинтеза показали, что часто наибольший выход органических веществ дают растения, способные использовать все три фазы: твердую, жидкую и газообразную. Примером может служить тростник обыкновенный, Phragmites communis. Всасывание воды для него облегчается постоянным давлением жидкости на донные осадки. Необходимый для существования углекислый газ тростник получает из газообразной среды, в которой скорость проникнове-
216
ния газа через поглощающие поверхности наиболее высока; кислород тоже легче получать из воздуха, чем из воды; наконец, все остальные элементы легче извлекать из раствора в капиллярной воде осадка.
Предпринимались многочисленные попытки оценить первичную продукцию биосферы. Обширные пространства Земли попадают в категорию низкопродуктивных из-за таких лимитирующих факторов, как вода (в пустынях) или питательные вещества (в открытом море). Хотя площадь суши составляет всего около 1/4 общей площади планеты, суша превосходит океаны по своей продуктивности, так как большая часть океанских вод в основном «пустынна» (таблица). В Мировом океане значения первичной продукции в разных районах существенно различаются. Наиболее продуктивны коралловые рифы, не уступающие даже тропическим лесам. Продуктивность открытых океанических зон ниже продуктивности зон апвеллинга и прибрежных районов и близка к таковой для тундры. Анализ оценок средних величин для больших площадей показывает, что продуктивность колеблется в пределах двух порядков— от 200 до 20 000 ккал на 1 м2 в год, а общая валовая продукция Земли имеет величину порядка 1018 ккал в год.
Чтобы биосфера продолжала существовать, не должен прекращаться круговорот основных химических элементов. Скорость этих процессов может быть различной. Органическое вещество, которое ведет свое происхождение от атмосферного диоксида углерода, завершает цикл формирования за время, исчисляемое десятилетиями. Круговорот кальция совершается значительно медленнее. В форме бикарбоната Са(НС03)2 кальций смывается в реки из континентальных пород, осаждаясь затем в виде карбоната СаС03 в водах открытого океана главным образом в форме тончайших раковин фораминифер. Дно океана медленно перемещается к поясам горообразования на окраинах материков, и кальций возвращается на сушу. Круговорот завершается, по-видимому, за несколько сотен миллионов лет. Фосфор, как мы знаем, по характеру своего круговорота схож с каль-
217
цием, а азот имеет больше сходства с углеродом, хотя его содержание в атмосфере гораздо выше.
В разных участках биосферы развитие жизни лимитируется разными веществами. Можно сказать, что в пустыне жизнь ограничена недостаточным количеством водорода и кислорода в форме воды. В открытом океане лимитирующим фактором часто служит железо, обычно присутствующее в форме труднодоступной для организмов гидроокиси. В иных средах, например в почвах влажных районов, в озерах, окраинных морях, лимитирующим фактором чаще всего является фосфор.
Чистая первичная продукция больших биомов Земли
(по: Рамад, 1981)
Термин биосфера впервые применил в 1875 году
218
Термин биосфера впервые применил в 1875 году Термин биосфера впервые применил в 1875 году Термин биосфера впервые применил в 1875 годуМы уже говорили, что биосфера — экосистема первого порядка, или глобальная. А в экосистеме должны быть сбалансированы все компоненты, от потока энергии, субстрата, атмосферы, вод  до биотической совокупности. Последняя является управляющей системой по отношению к абиотической совокупности. В биотической системе управляющей подсистемой служат консументы, так как от них зависит степень использования первичной продукции и в конечном итоге стабильность системы в целом. По правилу Эшби, управляющая подсистема или управляющая система должна быть организована не менее сложно, чем управляемая; возможно, в этом лежит разгадка тайны, почему на Земле так много животных, особенно насекомых. Поэтому глобальная экологическая пирамида имеет вид волчка (рис. 13.4). Принцип построения глобальной экологической пирамиды следующий: каждый из основных уровней (продуценты — консументы — редуценты) изображается в форме цилиндра, высота которого — биомасса, а диаметр —количество видов.

Термин биосфера впервые применил в 1875 году Соотношения диаметров Термин биосфера впервые применил в 1875 годуТермин биосфера впервые применил в 1875 годуострия, маховика и стержня «волчка жизни» могут быть в разных экосистемах различными, но чтобы волчок не падал, они не могут быть произвольными.
Внутри биосферы должны быть территориально сбалансированы экосистемы более низкого порядка. Иными словами, на Земле должно быть необходимое количество тундр, лесов, пустынь и т. д. — как биомов, а внутри биома тундр должна сохраняться оптимальная тундровость, внутри биома хвойных лесов — оптимальная лесистость и т. д. И так до самых мелких биогеоценозов.
Значительные преобразования внутри биомов и смещение в них
Термин биосфера впервые применил в 1875 году Термин биосфера впервые применил в 1875 году Термин биосфера впервые применил в 1875 годуРис. 13.4. Глобальная
экологическая
пирамида.
Объяснение в тексте.

219
равновесия между экосистемами низшего порядка неминуемо вызывают саморегуляцию на высшем уровне. Это отражается на многих природных процессах — от изменения глубины залегания грунтовых вод до перераспределения воздушных потоков. Аналосичное явление наблюдается и на уровне очень крупных систем биосферы при изменении соотношения между территориями биомов. В ходе освоения земель, в самом широком понимании этого слова, нарушается и компонентное, и территориальное равновесие. До определенной степени это допустимо и даже необходимо, ибо только в неравновесном состоянии экосистемы способны давать полезную продукцию (вспомним формулу чистой продукции сообщества). Но, не зная меры, человек стремится получить больше, чем может дать природа, забывая, что запасы имеют фундамент из великого множества элементов, пока не входящих в понятие «ресурсы».
Современное потребление продукции биосферы достигло 7% чистой первичной продукции суши, и это уже привело к нарушению биохимического круговорота в биосфере, замкнутость которого может поддерживаться биотой только для биологически накапливаемых биогенов. По расчетам В.Г. Горшкова (1986, 1988), такая ситуация будет продолжаться до тех пор, пока потребление первичной продукции не станет превышать 1% (доля потребления продукции всеми крупными животными). Однако для возвращения биосферы в стационарное состояние человечеству придется затрачивать энергию и труд, так как необходимо будет взять на себя те функции, которые раньше выполняла биосфера. При этом следует помнить, что КПД природных экосистем низок и не превышает 10%. Отсюда становится понятным, что необходимое для возвращения биосферы в устойчивое состояние количество энергии должно быть огромным. Человечеству пора оценить свои энергетические и прочие возможности для собственного спасения. 

Источник: scibook.net