Биосфера

Оглавление

Введение. Понятие биосферы

Существуют два основных определения  понятия биосфера», одно из которых известно со времени появления в науке данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых и неживых организмов на Земле. Биосфера (от греч. bios — жизнь, sphaira — пленка) — живая оболочка Земли. Термин «биосфера» впервые был использован известным австрийским ученым Э. Зюссом (1831-1914) в его книге «Лик Земли» (1875).

Позднее термин «биосфера» использовали и другие ученые, но учение о биосфере в современном понимании было сформулировано В. И. Вернадским (1863-1945) в его знаменитой книге «Биосфера» (1926). По В. И. Вернадскому, геохимические процессы на Земле и формирование лика Земли связаны с живыми существами, поэтому биосфера включает в себя собственно живую оболочку Земли (живой материал в виде живых организмов, населяющих Землю в каждый момент) и былые живые оболочки (былой живой материал), границы которых определяются распределением биогенных осадочных пород.

Таким образом, биосферу нельзя рассматривать  в отрыве от неживой природы, от которой  она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945). Ученый отмечал: «…Века и тысячелетия прошли, пока человеческая мысль могла отметить черты единого связного механизма в кажущейся хаотической картине природы». Развитые им положения стали одним из крупнейших естественнонаучных обобщений XX в.

1. Строение биосферы

Строение биосферы состоит из той  части литосферы, гидросферы и атмосферы Земли, в которой существует живое существо. В ее состав входят не только растительный покров, животный мир и человечество, обитающие на планете, но и все реки, озера, водная масса океанов, почвенный слой, верхний слой земной коры, значительная часть тропосферы. На поверхности Земли практически нет участков, на которых отсутствует жизнь. Даже в жарких и безводных тропических пустынях, на поверхности высокогорных ледников и полярных льдов обнаружены микроорганизмы.

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов (рис. 1). Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и отграничена слоем озона, который задерживает губительную для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана - до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.

Рис. 1. Распространение организмов в биосфере:

1 – уровень озонового слоя, задерживающего  жесткое ультрафиолетовое излучение; 2 – граница снегов; 3- почва; 4 – животные, обитающие в пещерах; 5 – бактерии в нефтяных скважинах; 6 – придонные организмы

Атмосфера. Газовая оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержатся диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза.

Атмосфера имеет несколько слоев:

тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9–17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;

стратосфера;

ноносфера – там “живое вещество” отсутствует.

Гидросфера. Вода - важный компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1300 млн. км3 воды.

Поверхностные воды (озера, реки) включают всего 0,182 млн. км3, а количество воды в живых организмах составляет ничтожное количество по сравнению  с этими цифрами — всего 0,001 млн. км3. Значительные запасы воды (24 млн. км3) содержат ледники.

Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьирует в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере.

Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.

Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества — продукты жизнедеятельности организмов.

2. Состав биосферы

В составе биосферы различают:

• живое вещество, образованное совокупностью организмов;
• биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, известняки и др.);
• косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты);
• биокосное вещество, представляющее собой общий результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов, например почвы.

Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и составляет менее 10^-6 массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.

Биогенное вещество — вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т.д.

Косное вещество — в образовании которого жизнь не участвует; твердое, жидкое и газообразное.

Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д.

3. Роль биосферы

Деятельность живых организмов служит основой круговорота 
веществ в природе. Главная роль биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

Круговорот  воды. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в моря и океаны (рис. 2). Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле. Благодаря этому процессу происходит постепенное разрушение литосферы, компоненты которой переносятся в моря и океаны.

 

Рис. 2. Круговорот воды в биосфере

 

Круговорот углерода. Углерод входит в состав разнообразных органических веществ, из которых состоит все живое. В процессе фотосинтеза зеленые растения используют углерод диоксида углерода и водород воды для синтеза органических соединений, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. Им дышат различные животные и растения, а конечный продукт дыхания - СО₂ - выделяется в атмосферу.

Круговорот азота. Атмосферный азот включается в круговорот благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей, синтезирующих нитраты, пригодные для использования растениями. Часть азота фиксируется в результате образования оксидов во время электрических разрядов в атмосфере. Соединения азота из почвы поступают в растения и используются для построения белков. После отмирания живых организмов гнилостные бактерии разлагают органические остатки до аммиака. Хемосинтезирующие бактерии превращают аммиак в азотистую, затем в азотную кислоту. Некоторое количество азота, благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий, поступает в воздух. Часть азота оседает в глубоководных отложениях и на длительный срок выключается из круговорота; эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами.

Круговорот серы. Сера входит в состав ряда аминокислот и также представляет собой жизненно важный элемент. Находящиеся глубоко в почве и в морских осадочных породах соединения серы с металлами - сульфиды - переводятся микроорганизмами в доступную форму - сульфаты, которые и поглощаются растениями. С помощью бактерий осуществляются отдельные реакции окисления - восстановления. Глубоко залегающие сульфаты восстанавливаются до H₂S, который поднимается вверх и окисляется аэробными бактериями до сульфатов.

Круговорот  фосфора. Фосфор сосредоточен в отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. Постепенно он вымывается из них и попадает в экосистемы. Растения используют только часть этого фосфора; много его уносится реками в моря и снова отлагается в осадках. Хотя запасы фосфорсодержащих пород велики, придется предпринимать меры для возвращения фосфора в круговорот веществ.

4. Принципы перехода от биосферы к ноосфере

Превращение разума и  труда человечества в геологическую  силу планетного масштаба происходило  в рамках биосферы, составной частью которой они являются. В.И.Вернадский в своих исследованиях неизменно подчёркивал, какое огромное воздействие человечество оказывает на расширение жизни путём создания новых культурных видов растений и животных. Опираясь на его идеи о биохимической основе биосферы, французский математик и философ Эдуард Леруа (1870 - 1954 гг.) ввёл в 1927 г. понятие ноосферы, или сферы разума, для характеристики современной геологической стадии развития биосферы. Его позицию разделял также крупнейший французский геолог и палеонтолог Пьер Тейяр де Шарден (1881 - 1951 гг.), впоследствии в своём труде “Феномен человека” определивший ноосферу как одну из стадий эволюции мира. Признавая, что эта стадия, как и сам человек, является результатом тысячелетней истории развития органического мира, он считал движущей силой эволюции целеустремлённое сознание (“ортогенез”).

В отличие от него И.В. Вернадский рассматривает возникновение сознания как закономерный результат эволюции биосферы, но, однажды возникнув, оно затем начинает оказывать всё возрастающее влияние на биосферу благодаря трудовой деятельности человека.

Ноосфера есть новое  геологическое явление на нашей  планете. В ней впервые человек  становится крупнейшей геологической  силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше.

Первоначальные представления  о направленности эволюционного  процесса в сторону возникновения  мыслящих существ и признание  геологической роли человечества высказывались многими учёными и до Вернадского. Так, уже в XVIII в. французский естествоиспытатель Ж. Бюффон высказал идею о царстве человека, которая в XIX в. была развита основателем современной геологии Жаном Луи Агассисом (1807 - 1873 гг.). Хотя эти идеи и опирались на признание всё возрастающей роли человечества в изменении лика Земли, но не были связаны с принципом направленности эволюции живого вещества биосферы.

Этот принцип в качестве эмпирического обобщения выдвинул американский учёный Джеймс Дана (1813 - 1895 гг.), который ещё до появления труда Ч. Дарвина впервые чётко заявил, что эволюция живого вещества идет в определённом направлении. Его последователь Ле Конт, основываясь на принципе направленности эволюции, назвал эру, связанную с появлением на Земле человека, психозойской. Ближе к нашему времени известный русский геолог Алексей Петрович Павлов (1854-1929 гг.) говорил об антропогенной эре в эволюции биосферы.

Хорошо сознавая, что  труд представляет собой целесообразную деятельность, Вернадский указывал, что ноосфера, или сфера разума, будет всё больше и больше определять не только прогресс общества, но и эволюцию биосферы в целом, а через неё и процессы, совершающиеся на Земле. Недаром он рассматривает мысль как планетарное явление.

Эволюционный процесс  получает особое геологическое значение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу - научную мысль социального человечества... Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние — в ноосферу.

Каким же образом человеческая деятельность влияет на процессы в  биосфере, как она способствует её эволюции?

Прежде всего следует  отметить, что биологическая эволюция присуща лишь живому организму (веществу) биосферы, т.е. различным видам растений и животных и, разумеется, человеку в той мере, в какой он развивался до возникновения цивилизации и превращения в человека разумного. В дальнейшем эволюция биологического развития человека переходит в эволюцию социальную.

Эволюция живого вещества биосферы приводит к возникновению новых видов растений и животных, связанных с окружающей средой посредством питания и дыхания, обменом веществ. Такой обмен приводит к миграции, движению атомов от живого вещества к неживому, в особенности к биогенному, в котором живые элементы объединены с неживыми. А всё это во многом меняет характер взаимодействия живого вещества биосферы не только с её неживой частью, но и с остальными сферами оболочки Земли.

В период перехода от биосферы к ноосфере на сцену выступает  такой мощный геохимический фактор, как постоянно увеличивающееся количество зелёного живого вещества в биосфере, получаемого посредством расширения посевных площадей и интенсификации земледелия. В результате искусственного отбора новых сортов растений и пород животных значительно ускоряются процессы эволюции, быстрее возникают новые виды. А это в свою очередь в ещё большей степени способствует ускорению процессов обмена между живым и костным веществом в биосфере.