Биосфера. Структура, границы

Биосфера – это четвертая оболочка Земли, содержащая все живые организмы и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера – это область существования живых организмов на Земле. Первые представления о биосфере как о зоне жизни принадлежат французскому натуралисту Ж.Б. Ламарку. Дословно биосфера – это сфера жизни, так как «bios» – жизнь, а “sphaira” – шар, сфера. Впервые этот трермин ввел австрийский геолог Эдуард Зюсс в 1875 году.

Современные представления о биосфере сформулированы украинским ученым В.И. Вернадским сначала в отдельных статьях, а затем в лекциях, прочитанных в Карловском университете (Прага) и в Сорбонне (Париж). Положения, которые развивал Вернадский, были обобщены в книге “Биосфера”, опубликованной в 1926 г.

Сущность учения Вернадского заключается в признании исключительной роли живого вещества, преобразующего облик планеты. Поверхность Земли Вернадский рассматривал как своеобразную оболочку, развитие которой в значительной степени определяется деятельностью живых организмов. Вернадский доказал, что живые организмы оказывают решающее влияние на все геологические процессы, формирующие облик Земли. Жизнедеятельность живых организмов обусловливает химический состав атмосферы, концентрацию солей в гидросфере, образование почв и другие процессы. Живые организмы не только сами приспосабливаются к условиям внешней среды, но и активно их изменяют. Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира.

Самой существенной особенностью биосферы является биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов. (Иначе можно сказать, что живое вещество преобразует энергию солнечных лучей в потенциальную, а затем – в кинетическую энергию биохимических процессов.) В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат 2 биохимических принципа: стремление к максимальному проявлению (“всюдности”) жизни (способность живого вещесмтва быстро осваивать свободное пространство) и обеспечение выживания организмов, что обеспечивает саму биогенную миграцию.

Другой главнейший аспект учения Вернадского – разработанное им представление об организованности биосферы, которое проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого вещества, во взаимной приспосабляемости организмов и среды.

Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (до озонового слоя – на высоте 20-25 км), всю *гидросферу и верхнюю часть литосферы, то есть ту область, где существует жизнь, живые организмы. В настоящее время принято считать, что верхняя граница биосферы располагается на высоте примерно 85 км над поверхностью Земли, поскольку именно на такой высоте (в стратосфере) обнаружены споры микроорганизмов в латентном (скрытом, спящем) состоянии. Нижняя граница биосферы располагается в глубинах литосферы, где температура достигает 100 ⁰С и находится на глубине 1,5-2 км и 7-8 км (в зависимости от типа пород). Последние данные свидетельствуют о том, что некоторые бактерии могут существовать при температурах от абсолютного нуля до +180 ⁰С, в вакууме, в ядерных реакторах.

Характерной особенностью живого вещества по сравнению с неживым веществом является очень высокая активность, высокая скорость реакций (в сотни-тысячи раз больше, чем у неживого вещества), например, очень быстрый обмен веществ. Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет. Биомасса Мирового океана обновляется за 33 дня, а его фитомасса ежедневно, фитомасса суши – примерно за 14 лет из-за большей продолжительности жизни наземных растений. Гусеницы некоторых насекомых за сутки перерабатывают пищи в 100-200 раз больше собственного веса, дождевые черви за 200 лет пропускают через свой организм весь 1-метровый слой почвы на Земле.

Для живых организмов характерно не только пассивное движение (под действием гравитации), но и активное (против течения воды, движения воздушных масс).

Благодаря живым организмам биосфера осуществляет следующие функции:

· энергетическую (накопление и преобразование энергии);

· газовую (способность изменять и поддерживать газовый состав среды обитания);

· окислительно-восстановительную (интенсификация этих процессов в пространстве под действием живого вещества);

· концентрационную (способность собирать в своем теле рассеянные в пространстве атомы химических элементов);

· деструктивную (разложение как органических остатков, так и косного вещества);

· транспортную (перенесение вещества и энергии в результате активного движения организмов);

· средообразующую (изменение физико-химических параметров среды);

· информационную (накопление, закрепление в наследственных структурах, передача информации) и др.

Впервые оценку вещества биосферы дал В.И. Вернадский. Основными компонентами биосферы он считал следующие типы вещества (всего 7):

а) живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);

б) биогенное вещество – органические и органоминеральные продукты, созданные живыми организмами в течение геологической истории (каменный уголь, горючие сланцы, торф, нефть, газы биосферы – кислород, углекислый газ, вода, аммиак, сероводород и другие), являющиеся источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии;

в) косное вещество (тяготеющий к постоянному, неподвижный) – горные породы неорганического происхождения (то есть образовано процессами, в которых живое вещество участия не принимало) и вода; это вещество является субстратом или средой для проживания живых организмов;

г) биокосное вещество – результат взаимодействия живого и неживого веществ (осадочные породы, почвы, илы - подводные грунты, природные воды) причем они представляют значительную биогеохимическую энергию в биосфере; соотношение живого и неживого в биокосном веществе колеблется, например, почва состоит в среднем из 93 % минеральных и 7 % органических веществ.

Кроме перечисленных видов веществ, существуют также вещество в радиоактивном распаде (полоний, радий, радон, уран, нептун, плутоний и др.), вещество рассеянных атомов (рубидий, цезий, ниобий, тантал образуют соединения на большой глубине в земной коре, иод и бром вступают в реакцию только на поверхности Земли) и вещество космического происхождения.

2 Состав и функционирование биосферы

Главным компонентом биосферы является живое вещество, под которым понимают все живые организмы. Организм – это живое существо определенного уровня биологической организации (ген-клетка-орган-организм-популяция-сообщество). Организмы отличаются от неживой природы определенной совокупностью свойств: клеточной организацией (кроме вирусов и фагов, доклеточных организмов); обменом веществ (метаболизмом), с помощью которого поддерживается гомеостаз организма (самовозобновление, постоянство внутренней среды и др.); движение, раздражимость, рост, развитие, размножение, адаптация и др.

Живое вещество биосферы состоит из организмов 3-х основных типов:

· продуценты или автотрофы – организмы, которые для своего существования используют неорганические источники, т.е. создают органическое вещество за счет утилизации солнечной энергии, воды, углекислого газа и минеральных солей; к этому типу относятся зеленые растения суши и водной среды, сине-зеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии;

· консументы или гетеротрофы – организмы, которые потреблюят готовые органические вещества, т.е. получают энергию за счет питания автотрофами иди другими консументами; к ним принадлежат растительноядные животные, плотоядные животные (хищники) и паразиты, а также хищные растения (росянка) и высшие грибы; количество видов этой группы наибольшее;

· редуценты или деструкторы (также являются гетеротрофами, поскольку не создают органического вещества, а потребляют готовое) – организмы, которые разлагают органическую продукцию отмерших организмов (и продуцентов, и консументов) до простых соединений – воды, диоксида углерода, диоксида азота, минеральных солей (т.е. преобразуют органическое вещество в неорганическое); это бактерии, низшие грибы; количество видов этой группы наименьшее - их насчитывается 75 тыс. видов общей массой 1,8*10⁸ т.

Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества. Рассмотрим общую схему биологического круговорота вещества в биосфере.

В схеме:

1. продуценты (растения) с помощью фотосинтеза производят органическое вещество, потребляя углекислый газ, воду и энергию

6СО₂ + 6Н₂О ® С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ;

хемопродуценты используют энергию химических реакций (например, серные продуценты – пурпурные бактерии получают необходимые вещества не из воды, а из сероводорода, и вырабатывают органическое вещество; существуют также нитратные, нитритные бактерии);

2. консументы 1-го порядка (растительноядные животные) потребляют органическую массу растений; консументы 2-го порядка (плотоядные), 3-го (хищные растения, грибы) употребляют в пищу других консументов;

3. редуценты получают энергию, потребляя органическое вещество продуцентов и консументов, разлагая мертвые тела растений и животных до простых химических веществ (СО₂, Н₂О, минеральные вещества), замыкая круговорот веществ в биосфере.

В целом биосфера очень похожа на гигантский суперорганизм, в котором автоматически поддерживается динамическое постоянство физико-химических и биологических свойств внутренней среды и основных функций. Таким образом, биосфера представляет собой систему взаимодействующих между собой организмов и неживых компонентов природы, а не просто их совокупность.

В современном представлении биосфера – это глобальная экосистема, открытая система со своим “входом” и “выходом”. “Вход” – поток солнечной энергии, поступающий из космоса. “Выход” – созданные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые по различным причинам “выпали” из биологического круговорота. Это так называемый “выход в геологию” – нефть, каменный уголь, осадочные породы и т.д.

При изучении взаимодействия организмов между собой и с окружающей средой используют понятие “экосистема”. Экосистема – это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной связи друг с другом. Термин предложен англ. ученым А. Тенсли (1935). Различают экосистемы 4-х уровней:

· микроэкосистемы (ствол гниющего дерева; подушка лишайника: водоросли, грибы, мелкие членистоногие);

· мезоэкосистемы (лес, пруд, степь, озеро и др.);

· макроэкосистемы (континент, океан);

· глобальная экосистема (биосфера Земли).

Синонимом понятию “экосистема” является термин “биогеоценоз”, предложенный советским экологом Сукачевым (Влад.Ник.). Согласно определению, биогеоценоз – это участок земной поверхности с относительно однородной растительностью, животным миром, климатическими и почвенными условиями, которые вместе взятые представляют собой компоненты единого организма, связанные между собой обменом веществ и энергии. Понятие биогеоценоз соответствует мезоэкосистеме.

Важнейшие связи – пищевые, энергетические.

Кроме энергетических, пищевых и химических связей, большую роль в биосфере играют информационные связи. Живые существа Земли освоили различные виды информации: зрительную, звуковую, химическую, электромагнитную.

Указанные выше особенности биосферы (способность к максимальному проявлению жизни, высокая активность живого вещества, способность к саморегуляции и др.) делают ее устойчивой системой. Устойчивость биосферы Вернадский связывает с ее разнообразием. Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные и восстановительные процессы, концентрирование химических элементов и т.п.) не могут выполняться организмами какого-нибудь одного вида, а только их комплексом. Отсюда следует чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система с большим количеством видов организмов, каждый из которых исполнял свою роль в общей системе. Без этого биосфера вообще не могла бы существовать, тот есть устойчивость ее существования была сразу заложена ее сложностью.

В соответствии с законом необходимого разнообразия Виннера-Шеннона-Эшби, который считают основным кибернетическим законом, система только тогда обладает стойкостью для блокирования внешних и внутренних воздействий, когда она имеет достаточное внутреннее разнообразие. Таким образом, разнообразие (видовое разнообразие живых организмов, разнообразие природных зон, климатических условий существования, разнообразие среды обитания и др.) – еще одна важная особенность биосферы. Исходя из экосистемных представлений, видовое разнообразие – это не просто арифметическая величина, ниже которой не должен опускаться живой мир. Это реальная потребность каждого существующего на планете вида в трофических цепях биогеоценозов и биосферы в целом. Видовое разнообразие необходимо сберечь для нормального функционирования биосферы.