Биосфера

Термин «биосфера», введенный Э. Зюссом (1875), в результате работ В.И. Вернадского стал обозначать ту оболочку Земли, в формировании струк­туры, состава и энергетики которой организмы играли и играют основную роль. Заложив основу количественной оценки огромной роли живых орга­низмов в энергетике и геохимии Земли, В.И. Вернадский создал общее уче­ние о биосфере (1926), в которую включил не только современную «живую пленку» Земли, но и всю ту часть верхних слоев литосферы, в образова­нии которых живые организмы играли ведущую роль, то есть биогенные осадочные породы («области былых биосфер»), природные воды и атмо­сферу [!]•

Таким образом, биосфера включает в себя часть атмосферы, гидросфе­ру, литосферу и имеет мощность примерно 30—40 км (рис. 1.1-9). С точки зрения иерархии уровней организации живой материи и системного подхода биосфера - совокупность всех экосистем (биогеоценозов). Все экологические ниши, пригодные для жизни, заняты биосферой, возникшей одновременно с появлением жизни на Земле (около 4 млрд лет назад) в виде примитивных протобиоценозов в первичном Мировом океане. Около 450 млн лет назад живые организмы стали заселять сушу, где их эволюция (возможно, в силу более жестких, чем в океане, экологических условий) ускорилась, и в ре­зультате соотношение числа видов животных и растений в Мировом океане и на суше составляет примерно 1:5.

Структура биосферы. Населенная организмами поверхность Земли изу­чается с разных точек зрения естественноисторическими дисциплинами. Со­ответственно каждая из этих дисциплин выделяет свои элементарные биохо­рологические структурные единицы биосферы. В качестве последних выступают экосистема (экология), биогеоценоз (биогеоценология), фация (география, ландшафтоведение), элементарный ландшафт (геохимия) и др. Указанные понятия весьма сходны и различаются преимущественно акцен­тами (в экосистеме и биогеоценозе упор на живое вещество). Как уже отме­чалось, в этих элементарных единицах биосферы, как правило, не рассмат­риваются горизонтальная (латеральная) структура и взаимосвязи.

Среди единиц более крупных, обладающих пространственной структу­рой, прежде всего следует указать ландшафт, под которым понимают гене­тически единую природную пространственно-территориальную систему (ком­плекс), однородную по зональным и азональным признакам и заключающую в себе специфический набор сопряженных локальных экосистем.

Согласно Н.А. Солнцеву, для обособления самостоятельного ландшафта необходимы следующие основные условия:

• территория, на которой формируется ландшафт, должна иметь одно­родный геологический фундамент;

• после образования фундамента последующая история развития ланд­шафта на всем его пространстве должна протекать одинаково (в единый лан­дшафт, например, нельзя объединять два участка, из которых один покрывался ледником, а другой нет, или один подвергался морской трансгрессии, а другой оставался вне ее);

• климат одинаков на всем пространстве ландшафта, и при любых сме­нах климатических условий он остается однообразным (допускаются вариа­ции микроклимата).

При таких условиях на территории каждого ландшафта создается строго ограниченный набор скульптурных форм рельефа, водоемов, почв, биоге­оценозов и, в конечном счете, простых территориальных комплексов (урочищ, фаций), рассматриваемых как морфологические части ландшафта.

Анализ более крупных, нежели ландшафт, единиц — сущность физико-географического районирования.

Ландшафтная зона — базовая таксономическая единица в зональном ряду. Основной критерий зоны — отношение тепла и влаги (радиационный ба­ланс, сумма температур, коэффициент увлажнения). Примеры: степная зона, тундра, зона тайги. Сложнее с переходными зонами, где существуют подзоны (лесотундра, подтайга).

Под физико-географическим сектором подразумевается крупная часть материка, которая занимает специфическое место в системе континентально-океанической циркуляции воздушных масс и отличается показателями континентальности, увлажнения, сезонной ритмики природных процессов, характерным набором широтных зон. Физико-географические секторы в ряде случаев подразделяются на подсекторы, субконтиненты.

Наиболее принятая категория азонального районирования — физико-гео­графическая страна (единство геоструктуры и неотектоники, общие черты макрорельефа, структура широтной зональности и другие признаки). При­меры таких стран: Восточно-Европейская равнинная страна (Русская равни­на) занимает основную площадь Восточно-Европейского сектора; Западно­сибирская страна — основная часть одноименного сектора; Туранская страна - основная часть Среднеазиатского сектора.

Среди западных экологов популярен термин «биом», который означает крупное региональное или субконтинентальное подразделение биосферы, характеризующееся каким-либо основным типом растительности или дру­гой характерной особенностью ландшафтов.

В рассмотренном ряду структурных единиц биосферы - биогеоценоз (эко­система, фация, элементарный ландшафт) -ландшафт-ландшафтная зона (биом)-физико-географическая страна-физико-географический сектор -можно говорить об уменьшении роли биологических процессов и об увели­чении роли геоматических процессов при описании их функционирования. В соответствии с принципом эмерджентности ( эмерджентные свойства экосистем (от англ. emergence — возникновение, появление Нового) - качественно новые свойства, которые нельзя предсказать, исходя из суммы свойств компонентов экосистем) в этом ряду по мере объеди­нения компонентов в более крупные функциональные единицы, у этих но­вых единиц возникают новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне. Такие качественно новые, эмерджентные², свойства экологичес­ких систем нельзя предсказать, исходя из свойств компонентов, составляю­щих рассматриваемый уровень. Поэтому каждый уровень должен изучаться отдельно.

Биогеохимический круговорот. В целом, биосфера, являясь сплош­ной непрерывной оболочкой Земли, состоит из большого количества в раз­ной степени отличающихся друг от друга местообитаний и населяющих их биоценозов (живое вещество, фитоценоз, зоо­ценоз). Общая биогеохимическая работа биосферы выражается в открытом биогеохимическом круговороте вещества.

В отличие от биологического круговорота, совершающегося на уровне экосистем (биогеоцеонозов), имеющего локальный и более замкнутый ха­рактер, биогеохимический круговорот химических элементов имеет глобаль­ный характер. Согласно Ю. Одуму [5], биогеохимические циклы можно под­разделить на два основных типа: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. При этом под резервным фондом подразумевается большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологичес­кий компонент; под подвижным, или обменным, фондом - меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организма­ми и их непосредственным окружением.

Анализ биогеохимичвских циклов химических элементов - область ис­следований основанной В.И. Вернадским особой научной дисциплины -биогеохимии, занимающейся изучением обмена веществ между живыми и неживыми компонентами биосферы.

Для иллюстрации принципа круговорота на рис. 1.1-10 приведен цикл азота на Земле, пример очень сложного и хорошо забуференного круговоро­та газообразных веществ.

Если разомкнутость (малого) биологического круговорота в большой сте­пени служит источником вещества для биогеохимического круговорота, то, в свою очередь, биогеохимический круговорот поставляет вещества и од­новременно подпитывается веществом из большого геологического круго­ворота.

Атмосфера

Геологический круговорот веществ — циклические процессы перемеще-дия и трансформации химических элементов в пределах Земли: превраще­ние их в биосфере в кристаллические сланцы и другие породы, дальнейшее погружение в магматическую область Земли, переплавление и выход на по­верхность Земли в виде изверженных магматических пород (вулканизм).

С геологическим круговоротом вещества связано наличие в биосфере на­ряду с биогенными абиотических потоков вещества. Сущность абиотичес­кой миграции вещества состоит в том, что с нею осуществляется латераль­ный перенос материала между ландшафтами и между их морфологическими частями и безвозвратный вынос вещества в Мировой океан, обусловлен­ные твердым и жидким стоками и дефляцией (эоловым переносом ве­щества).

Сопоставление биотических и абиотических потоков вещества в ланд­шафтах показывает, что:

• по своим масштабам биогенные потоки значительно превосходят абио­тические;

• в абиотических потоках доминирует латеральная составляющая, отно­сящаяся к внешним связям экосистем, в биогенных — вертикальная состав­ляющая, относящаяся к внутренним связям;

• абиотические потоки разомкнуты; входные потоки нескомпенсированы с выходными, последние доминируют, что в целом придает абиоти­ческой миграции однонаправленный характер и ведет к потере вещества ландшафтом;

• биогенные потоки квазизамкнутые, они имеют характер круговоротов
и способствуют удержанию вещества в ландшафте, выполняя в нем тем са­мым стабилизирующую функцию [2].

Эволюция биосферы. Ноосфера. Ноосфера [от rp. noos — разум и sphaire — шар] — сфера разума.

Основными факторами эволюции био­сферы являются: абиотические (геологические, космические), биотические (изменчивость, т.е. мутации, наследственность, борьба за существование, естественный отбор), а также антропогенные факторы.

Первые экосистемы, существовавшие 3—4 млрд. лет назад, были заселе­ны крошечными анаэробными гетеротрофными организмами, существовав­шими за счет органического вещества, синтезировавшегося в абиотических процессах. Затем последовали возникновение и популяционный взрыв автотрофных водорослей, которые, как полагают, сыграли одну из главных ролей в превращении восстановительной атмосферы в кислородную. С этого момента на протяжении длительного геологического времени эво­люция биосферы шла по пути создания все более сложных и разнообразных систем, которые контролировали состав атмосферы и содержали в себе все более крупные и высокоорганизованные виды многоклеточных.

Появление человека означало новый этап в развитии биосферы. С одной сто­роны, благодаря разумной деятельности биосфера постепенно обретает чер­ты ноосферы. Современное понятие ноосферы введено В.И. Вернадским (1931) для обозначения этапа эволюции биосферы, характеризующегося ведущей ролью разумной сознательной деятельности человеческого общества в ее развитии. В эпоху ноосферы деятельность человека не противоречит раз­витию природы.

С другой стороны, коэволюция биосферы и человеческого общества, то есть совместное, взаимосвязанное, органичное развитие биосферы и чело­вечества, может быть нарушено в силу различия законов развития природы и общества, и неуправляемая эволюция последнего может привести к эко­логической катастрофе.

В сложных системах, как правило, есть механизм исправления ошибок — репарации повреждений. Так дефектные участки генетического кода вы­резаются специальными ферментами-рестриктазами. Биосфера до сих пор не имела подобных механизмов, но по логике развития они должны были рано или поздно появиться. Недавнее появление мыслящего существа озна­чает потенциальную возможность сознательной репарации биосферы. Од­нако реализация этой возможности зависит от осознания человеком своей эволюционной миссии.