Структурная и функциональная организация биосферы

Биосфера — живая оболочка планеты. В век научно-технического прогресса особое значение приобретают знания о жизненных процессах в целом, происходящих на нашей планете. Необходимость в них возникает в связи с резко возросшим разрушительным антропогенным воздействием на природную среду- Изъятие человеком природных ресурсов — пресной воды, почвеенного гумуса, продукции растений и животных — превысил⁰ темпы естественного воспроизводства. Отходы хозяйственной деятельности человека загрязняют среду, так как не могут включаться в естественные природные круговороты. Загрязнение ведёт к деградации природы и создает угрозу самой жизни человека. В настоящее время, как никогда ранее, человечество стало ощущать не только масштабы своей деятельности, но и свою зависимость от состояния окружающей среды. Вот почему такую большую значимость приобретают знания о всеобщей взаимосвязи и взаимообусловленности природных явлений, о структуре жизни на планете, о роли населяющих ее живых организмов, об основах стабильности самой жизни. Именно эти проблемы являкются центральными в учении о биосфере.

Представление о том, что все живые существа планты взаимодействуют с внешней средой и изменяют ее, возникло давно на основе наблюдений природных явлений. Так, автор первой эволюционной системы животного мира французский ученый Ж. Б. Ламарк отмечал, что все живые организмы, бесконечно разнообразные и многочисленные, с непрерывно сменяющимися поколениями, в результате своей жизнедеятельности принимают активное участие в формировании поверхности Земли. Работы Ж. Б. Ламарка положили начало представлениям о существовании на нашей планете особого пространства, заселенного живыми организмами и преобразуемого ими.

Термин биосфера был предложен в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом. Однако он не разработал представлений о биосфере и не дал введенному термину точного определения.

Творчески развил идеи своих предшественников русский геохимик В. И. Вернадский (1863—1945), основоположник нзуки биогеохимии, создатель учения о биосфере. Первая его книга «Биосфера», в которой ученый изложил основные положения своего учения, была опубликована в 1926 г. По В. И. Вернадскому, биосфера (шар жизни) — оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены прошлой и современной деятельностью живых организмов.

Понятие о живом веществе. Главным компонентом биосферы является живое вещество — совокупность всех существующих в данный момент живых организмов планеты, численно выраженная в элементарном химическом составе, в массе, в энергии. Это вещество геохимически чрезвычайно активно, так как при осуществлении процессов питания, дыхания, выделения оно связано с окружающей средой биогенным потоком химических веществ. Благодаря этому потоку почти все химические элементы проходят в общей цепи превращений через биогеохимическое звено. Таким образом, жизнедеятельность организмов — это глубокий и мощный процесс преобразования и переноса вещества, результатом которого является изменение облика планеты. Миграция химических элементов из организма в среду и обратно не прекращается ни на секунду. Эта миграция была бы невозможной, если бы элементарный химический состав организмов не был близок к составу земной коры. В. И. Вернадский писал: «Организм имеет дело со средой, к которой не только он приспособлен, но которая приспособлена и к нему».

Благодаря зеленым растениям, осуществляющим процесс фотосинтеза, в биосфере создаются сложные органические молекулы. Заключенную в них энергию используют для процессов жизнедеятельности гетеротрофные организмы. В этом состоит космическая функция зеленых растений биосферы. Без живого вещества энергия солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твердых тел по поверхности планеты и к временному их нагреванию в дневное время и остыванию в ночное. Живое вещество выступает в качестве гигантского аккумулятора и уникального преобразователя энергии Солнца, связанной в химических связях сложных органических молекул. Солнечная энергия без живого вещества не совершала бы на Земле созидательной деятельности, так как не могла бы ни удержаться на ней, ни преобразоваться в другую форму энергии (механическую, тепловую и др.). Улавливание солнечной энергии осуществляется фототрофными организмами. Но в удержании и преобразовании заключенной в них энергии Солнца, перемещении ее по земной поверхности, а также из внешнего в более глубокие слои планеты принимает участие все живое вещество. Этот процесс бесконечен благодаря размножению и последующему росту организмов. Скорость размножения, по Вернадскому, — это скорость передачи в биосфере геохимической энергии.

Элементарной структурной и функциональной единицей биосферы является биогеоценоз. Именно в биогеоценозе организмы и среда тесно взаимосвязаны и взаимно приспособлены друг к другу, благодаря чему возможно осуществление биологического круговорота веществ — основы бесконечности жизни на планете. В ходе биологического круговорота ограниченные запасы химических веществ приобретают свойство бесконечных, так как находятся в непрерывном круговом обращении. Круговорот веществ в виде биогеохимических циклов — необходимое условие существования биосферы. Между величинами поступающей солнечной энергии и количеством образуемого живого вещества установилась тесная зависимость. Таким образом, неразрывная связь планеты и организма имеет не только качественную, но и количественную сторону. «Планета и организм неразрывно количественно связаны», —писал В. И. Вернадский.

Создание учения о биосфере явилось важным научным достижением человечества. Впервые живая природа стала рассматриваться как целостная система, тесно взаимодействующая с неорганической средой. В. И. Вернадский заложил основы современных научных и философских представлений о планетарном и космическом значении жизни, о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы.

Протяженность биосферы. На Земле имеются три геосферы, в пределах которых существует жизнь. Границы биосферы в пределах геосфер определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли. С высотой плотность воздуха быстро уменьшается: 75% массы атмосферы сосредоточено в слое ниже 10 км, 90% — ниже 15 км, 99% — ниже 30 км, 99,9% — ниже 50 км. Воздух, лишенный влаги и твердых примесей, состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), углекислого газа (0,03%) и незначительного количества других газов. Водяной пар вместе с углекислым газом и газообразными веществами вносят большой вклад в удержание отраженных от поверхности планеты длинноволновых тепловых лучей (так называемый парниковый эффект). Благодаря этому эффекту нижние слои атмосферы оказываются теплыми.

Область биосферы присутствует лишь в нижнем слое атмосферы — тропосфере. Высота слоя тропосферы изменяется от 8—10 км в полярных широтах до 16— 18 км в экваториальной зоне. Верхней границей биосферы считают зону 15 км, над которой располагается озоновый слой стратосферы в области 15—25 км. Озоновый экран поглощает губительное для живых организмов коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца.

Литосфера (греч. lithos — камень) — внешняя твердая оболочка (кора) планеты. В ней различают три слоя: верхний — слой осадочных пород, средний — гранитный и нижний — базальтовый. Толщина слоев неравномерная, поэтому в некоторых местах гранит выходит на поверхность. Живое вещество в литосфере в основном сосредоточено в ее верхних нескольких десятках метров. Однако неактивные формы жизни (споры, цисты) и нефте-бактерии зарегистрированы и на глубинах 3—4 км. Распространение жизни в более глубокие области литосферы ограничено высокими температурами земных недр (свыше 100°С). Наибольшая же плотность живого вещества литосферы отмечается в поверхностном слое земной коры — в почве.

Гидросфера представляет собой совокупность вод океанов, морей, озер, рек, подземных, ледяных покровов планеты. Она образует ее прерывистую водную оболочку. Средняя глубина океана составляет 3,8 км, максимальная (Марианская впадина Тихого океана) — 11,034 км. Около 97% массы гидросферы составляют соленые океанические воды, 2,2% — воды ледников, остальная часть приходится на подземные, озерные и речные пресные воды. Область биосферы в гидросфере представлена во всей ее толще, однако наибольшая плотность живого вещества приходится на поверхностные прогреваемые и освещаемые лучами солнца слои, а также прибрежные зоны.

Зоны непосредственного контакта и активного взаимодействия литосферы, атмосферы и гидросферы плотнее всего заселены живыми организмами, так как в этих областях создаются наиболее благоприятные условия для жизни — оптимальные температура, йлажность, освещенность, содержание кислорода и необходимых химических соединений, нужных для питания организмов. К верхним слоям атмосферы, вглубь океана и недр литосферы концентрация живого вещества уменьшается. Несмотря на незначительную долю живого вещества по сравнению с массой земной коры, многие изменения в ней обусловлены жизнедеятельностью обитающих в ее пределах живых организмов.

Количественной мерой живого вещества является биомасса и продукция. Биомасса — выраженное в массе количество живого вещества, приходящееся на единицу площади или объема местообитания (г/м^:, кг/га, г/м³ и т. п.). Продукция -~ прирост биомассы на единице пространства за единицу времени (например, г/м² за сутки).

Распределение биомассы живого вещества в континентальной (суше) и океанической частях биосферы представлено в табл. 15.1.

Табл. 15.1. Биомасса (сухое органическое вещество) организмов Земли.

Биомасса	Континенты		Океан
	млрд. т	%	млрд.т	%
Зеленые растения	2400	99,2	0,2	6,3
Животные и микроорганизмы	20,0	0,8	3,0	93,7
Всего	2420	100	3,2	100

Несмотря на то что гидросфера составляет около 71% всей поверхности планеты, основная масса живого вещества биосферы сосредоточена на континентах (свыше 99,8%); на океаносферу приходится только 0,13%.

На континентах преобладают растения (99,2%), в океанах — животные и микроорганизмы (93,7%). Живое вещество сосредоточено в основном в зеленых растениях суши, биомасса которых на четыре порядка больше, чем фотосинтезирующих организмов гидросферы. Организмы, не способные к фотосинтезу, составляют 1 %.

Вместе с тем по количеству создаваемой продукции и выделяемого кислорода наземные и водные растения вполне сопоставимы.Так, приблизительно половина всего объема кислорода образуется в процессе фотосинтеза растениями суши (главным образом влажными тропическими лесами), вторая половина — микроскопическими водорослями гидросферы (фитопланктоном), хотя биомасса и тех и других несопоставима. Это явление объясняется значительно большей скоростью образования продукции фитопланктоном по сравнению с таковой крупными растениями (деревьями, кустарниками) суши.

На континентальной части биосферы живое вещество распределено крайне неравномерно из-за наличия широтной и высотной зональности.

Широтная зональность определяется тем, что, кроме солнечной энергии, углекислого газа и минеральных веществ, для развития растение образующих в результате фотосинтеза первичное органическое вещество, необходимы вода (влага) и тепло. В различных зонах планеты соотношение между величинами получаемого тепла и влаги различно, что и определило выделение 20 главнейших типов природных ландшафтов (зоны тундры, тайги, смешанных лесов, влажных тропических лесов и т. д.).

Высотная зональность обусловлена высотой местообитания над уровнем моря. С повышении высоты происходит снижение температуры воздуха, парциального давления кислорода, углекислого газа и водяных паров. Поэтому по мере увеличения высоты над уровнем моря биомасса живого вещества снижается, и выше 6 тыс. м растения не могут жить.

Наибольшие величины биомасс живого вещества экосистем суши имеют влажные тропические леса, наименьшие — пустыни и тундры. В океанической части биосферы наиболее насыщены живым веществом коралловые рифы, зоны подъема глубинных вод (апвеллинг) и мелководье (шельф). В открытом океане биомасса живого вещества низкая из-за недостатка элементов минерального питания.

Функциии живого вещества. Глобальными биогеохимическими функциями живого вещества являются энергетическая, газовая, концентрационная, окислительно-восстановительная и биохимическая.

Энергетическая функция заключается в усвоении живым веществом преимущественно солнечной энергии и передаче ее по трофическим цепям. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, образующих 98% всей первичной продукции планеты, что составляет около 150— 200 млрд. т сухого органического вещества в год.

Газовая функция осуществляется зелеными растениями, которые в процессе фотосинтеза выделяют кислород, растениями и животными, выделяющими при дыхании углекислый газ, а также многими бактериями, восстанавливающими азот, сероводород и др. Благодаря газовой функции сформировался современный состав атмосферы, значительно отличающийся от такового в до-биосферный период.

Концентрационная функция проявляется в способности живых организмов накапливать разные химические элементы, в том числе микроэлементы, из внешней среды (почвы, воды, атмосферы). Некоторые виды являются специфическими концентраторами химических элементов в количествах, в десятки и даже тысячи раз превышающих их содержание в среде. Так, бурые водоросли концентрируют иод, диатомовые водоросли и злаки — кремний, фиалки -— цинк, моллюски и ракообразные — медь, и т. п. Следствием концентрационной функции живых организмов являются геохимические аномалии многих участков земной поверхности, залежи известняка, локальные скопления некоторых химических элементов.

Окислительно-восстановительная функция выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов. В почве, водной и воздушной среде образуются соли, окислы, новые вещества как результат окислительно-восстановительных реакций. С деятельностью микроорганизмов связано формирование железных и марганцевых руд, известняков и т. п.

Биохимическая функция осуществляется в процессе обмена веществ в живых организмах (питания, дыхания, выделения) и разрушения отмерших организмов и продуктов их жизнедеятельности до простых неорганических веществ. Все это приводит к круговороту химических элементов в природе, их биогенной миграции.