Характеристика биосферы

Экосистемой высшего ранга на Земле является биосфера — оболочка планеты, населенная живым веществом.

Понятие биосферы появилось в биологии в XVIII в., однако первоначально оно имело совсем иной смысл, чем теперь. Биосферой именовали небольшие гипотетические глобулы (ядра органического вещества), которые считались основой всех организмов. К середине XIX в. в биологии уточнились позиции научных представлений о реальных органических клетках, и термин «биосфера» утратил прежний смысл. К идее биосферы в ее нынешней трактовке пришел Ж.Б. Ламарк, основатель первой целостной концепции эволюции живой природы, однако само слово «биосфера» он не использовал. Это сделал австрийский геолог Э. Зюсс (1831 —1914) в книге «Происхождение Альп» (1873), определив биосферу как особую, образуемую организмами оболочку Земли. В настоящее время для обозначения этой оболочки используют понятия «биота», «биос», «живое вещество», а понятие «биосфера» трактуется так, как его толковал академик В.И. Вернадский (1863—1945), автор целостного учения о биосфере. В ставшей классической работе «Биосфера» (1926) он определил ее как особую охваченную жизнью оболочку Земли. В физико-химическом составе биосферы Вернадский выделяет следующие компоненты:

· живое вещество — совокупность всех живых организмов;

· косное вещество — неживые тела или явления (газы атмосферы, горные породы магматического, неорганического происхождения и т.п.);

· биокосное вещество — разнородные природные тела (почвы, поверхностные воды и т.п.);

· биогенное вещество — продукты жизнедеятельности живых организмов (гумус почвы, каменный уголь, торф, нефть, сланцы и т.п.);

· радиоактивное вещество;

· рассеянные атомы;

· вещество космического происхождения (космическая пыль, метеориты).

Согласно воззрениям Вернадского, весь облик Земли, ее ландшафты, атмосфера, химический состав вод, толща осадочных пород обязаны своим происхождением живому веществу. Жизнь — это связующее звено между Космосом и Землей. Используя энергию, приходящую из космоса, она трансформирует косное вещество, создает новые формы материального мира. Так, живые организмы создали почву, наполнили атмосферу кислородом, оставили после себя километровые толщи осадочных пород и топливные богатства недр, многократно пропустили через себя весь объем Мирового океана. Вернадский не занимался проблемой возникновения жизни, он понимал ее как естественный этап самоорганизации материи в любой части Космоса, приводящий к возникновению все новых форм ее существования.

Учение Вернадского нацеливало на изучение живых косных и биокосных тел в их неразрывном единстве, что сыграло значительную роль в подготовке естествоиспытателей к целостному восприятию природных систем.

С позиций современных представлений, биосфера включает оболочку Земли, которая вобрала в себя совокупность живых организмов и часть вещества планеты, непрерывно обменивающуюся с этими организмами. Проще говоря, биосфера -— это область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние горизонты литосферы.

Структуру биосферы образуют газообразная, водная и твердая оболочки планеты, а также населяющее их живое вещество. Масса биосферы составляет приблизительно 0,05 % массы Земли, а объем — 0,4 % ее объема. Границы биосферы определяет распространение в ней живых организмов. Несмотря на различную концентрацию и разнообразие живого вещества в разных районах земного шара, считается, что горизонтальных границ биосфера не имеет. Верхняя же вертикальная граница существования жизни обусловлена не столько низкими температурами, сколько губительным действием ультрафиолетовой радиации и космического излучения солнечного и галактического происхождения, от которого живое вещество планеты защищено озоновым экраном. Максимальная концентрация молекул озона (трехатомарного кислорода) приходится на высоту 20—25 км, где толщина озонового слоя составляет 2,5—3 мм. Озон интенсивно поглощает радиацию на участке солнечного спектра с длиной волны менее 0,29 мк.

Поскольку граница биосферы обусловлена полем существования жизни, где возможно размножение, то она совпадает с границей тропосферы (нижнего слоя атмосферы), высота которой достигает от 8 км над полюсами до 18 км над экватором Земли. Однако в тропосфере происходит лишь перемещение живых организмов, а весь цикл их развития, включая размножение, осуществляется в литосфере, гидросфере и на границе этих сред с атмосферой.

В состав биосферы полностью входит вся гидросфера (океаны, моря, озера, реки, подземные воды), мощность которой составляет 11 км. Наибольшая концентрация жизни наблюдается до глубины 200 м, в так называемой эвфотической зоне, куда проникает солнечный свет и где возможен фотосинтез. Именно здесь сосредоточены все фотосинтезирующие растения и продуцируется первичная биологическая продукция. Глубже размещается дисфотическая зона, в которой царит темнота, так что фотосинтезирующие растения отсутствуют, но активно перемещаются представители животного мира, непрерывным потоком опускаются на дно отмершие растения, останки животных.

Нижняя граница биосферы в пределах литосферы пролегает в среднем на глубине 3 км от поверхности суши и 0,5 км ниже два океана. О дальнейшем проникновении жизни в толщи литосферы сведений нет.

На границе атмо-, гидро- и литосферы сконцентрирована наибольшая масса живого вещества планеты, и эта земная оболочка названа биогеосферой, или пленкой жизни. Только в ее пределах возможны жизнедеятельность и существование человека.

Суммарная биомасса живого вещества биосферы составляет 2_3 трлн т, из которых 98 % — это биомасса наземных растений. Биосферу населяют около 1,5 млн видов животных и 500 тыс. видов растений. Однако если бы все живое вещество равномерно распределилось по поверхности планеты, то получился бы слой толщиной всего около 2 см.

Вместе с тем в процессах самоорганизации биосферы живое вещество играет сегодня ведущую роль и выполняет следующие функции:

· энергетическую — перераспределение солнечной энергии между компонентами биосферы;

· средообразующую (газовую) — в процессе жизнедеятельности живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, метан и др.;

· концентрационную — извлечение и накопление живыми организмами биогенных элементов (кислорода, углерода, водорода, азота, натрия, магния, калия, алюминия, серы и др.) в концентрациях, в сотни тысяч раз превышающих их содержание в окружающей среде;

· деструктивную — минерализация органического вещества;

· окислительно-восстановительную — химическое превращение веществ биосферы.

Живое вещество находится в постоянном энергетическом обмене с внешним миром и является основным организующим элементом в поддержании круговорота веществ, обеспечении Динамического равновесия экологических систем.

Процесс создания органического вещества в биосфере происходит одновременно с противоположными процессами потребления и разложения его гетеротрофными организмами на исходные минеральные соединения — воду, углекислый газ и др.

Так осуществляется круговорот органического вещества в биосфере при участии всех населяющих ее организмов, получивший название малого круговорота веществ, в отличие от вызываемого солнечной энергией большого, или геологического круговорота, наиболее ярко проявляющегося в круговороте воды и циркуляции атмосферы.

Большой круговорот происходит на протяжении всего геологического развития Земли и состоит в переносе воздушных масс, продуктов выветривания, воды, растворенных минеральных соединений, загрязняющих веществ, в том числе радиоактивных.

Малый (биологический, биотический) круговорот начинается с возникновения органического вещества в результате фотосинтеза зеленых растений, т.е. образования живого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использованием лучистой энергии Солнца. Растения (продуценты) извлекают из почвы в растворенном виде серу, фосфор, медь, цинк и другие элементы. Растительноядные животные (консументы первого порядка) поглощают соединения этих элементов в виде пищи растительного происхождения. Хищники (консументы второго порядка) питаются растительноядными животными, потребляя пищу более сложного состава, включая белки, жиры, аминокислоты и т.д. Останки животных и отмершие растения перерабатываются насекомыми, грибами, бактериями (редуцентами), превращаясь в минеральные и простейшие органические соединения, которые поступают в почву и вновь потребляются растениями. Так зарождается новый виток биологического круговорота.

В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность витков: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты.

Биосфера — чрезвычайно сложная экосистема, работающая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех составляющих ее частей и процессов. Как свидетельствуют данные исследований, по крайней мере за последние 600 млн лет характер основных круговоротов на Земле существенно не менялся, варьировалась лишь динамика геохимических процессов. Стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью живого вещества, обеспечивающей определенную скорость трансформации солнечной энергии и биогенной миграции атомов.

Вместе с тем вмешательство человека в природные круговороты оказывает воздействие на состояние биосферы. Возвращаясь к учению В.И. Вернадского, необходимо отметить, что он оценил появление человека на Земле как огромный шаг в эволюции планеты. Развитие его производственной деятельности превратило человечество в основной геологический фактор всех изменений в биосфере планеты, приобретающих глобальный характер. «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой» [11, с. 205]. Дальнейшее неконтролируемое развитие деятельности людей таит в себе большую опасность и потому, считал В.И. Вернадский, биосфера должна постепенно превращаться в ноосферу, или сферу разума (от греч. noos — разум, sphaira — шар).

Основателями концепции ноосферы можно считать трех ученых: видного французского математика, антрополога и палеонтолога Э. Лepya (1870—1954), французского теолога, философа и палеонтолога П. Тейяра де Шардена (1881—1955) и выдающегося российского ученого-естествоиспытателя В.И. Вернадского. Все они одинаково подходили к оценке человеческой истории, органично продолжающей естественную историю. В концепции ноосферы разум человека предстает природным, космическим явлением. Но наибольший вклад в развитие идей ноосферы как закономерного этапа не только истории общества, но и биосферы в целом внес Вернадский, поэтому учение о ноосфере ассоциируется именно с его именем.

Под понятием «ноосфера» он подразумевал высшую форму развития биосферы, определяемую гармонично сосуществующими процессами развития общества и природы. Учение Вернадского о ноосфере утверждает принцип совместной эволюции человечества и природной среды (этот процесс в настоящее время называют коэволюцией), нацеливает на поиск практических путей обеспечения общественно-природного равновесия.

С ноосферой связывают будущее состояние рационально организованной природы, новый этап развития биосферы — эпоху ноосферы, в которую дальнейшая эволюция планеты, направляемая разумом, сможет обеспечить необходимую гармонию в сосуществовании природы и общества.

Последователям Вернадского остается понять, как достичь этой гармонии. По-видимому, судьба совместного (коэволюционного) гармоничного развития человеческого общества и биосферы в значительной мере зависит от науки. Только она позволит оценить экологические последствия воздействия крупномасштабных природопреобразующих проектов и откроет пути экологобезопасного существования.