Разрабатывая учение
о биосфере , В.И. Вернадский пришел
к выводу , что главным трансформатором
космической энергии является зеленое
вещество растений . Только они способны
поглощать энергию солнечного излучения
и синтезировать первичные органические
соединения . Для объяснения большой суммарной
энергии биосферы ученый произвел расчеты
, которые действительно показали огромное
значение фотосинтезирующих растений
в создании общей органической массы .
Ученый подсчитал , что поверхность Земли
составляет меньше одной десятитысячной
поверхности Солнца. Общая же площадь
трансформационного аппарата зеленых
растений зависимости от времени года
составляет уже от 0,86 до 4,2% площади поверхности
Солнца . Разница колоссальная . Этот зеленый
энергетический потенциал и лежит в основе
сохранения и поддержания всего живого
на нашей планете .
В.И. Вернадский так
же, как и Ламарк 140 лет назад
попытался дать главные исчерпывающие
признаки каждого царства живого.
И чем больше он вникал в
проблему, тем более ясно становилось
, что вырисовывается новый разрез мира
. В.И. Вернадский составил таблицу из 16-ти
пунктов , где рассмотрел несходство живого
и неживого в физическом , химическом и
термодинамическом смысле .
Анализ таблицы показывал,
что в природе нет никаких
переходов от неживого к живому
: они настолько противоречивы , что
живое ни при каких условиях не может происходить
от живого . Организм и косную материю
разделяет непроходимая стена . Принцип
итальянского естествоиспытателя и врача
Франческо Реди , гласящий , что живое происходит
только от живого , между живым и неживым
веществом проходит резкая граница , хотя
и имеется постоянное взаимодействие
, - получил свое подтверждение . (13)
СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
БИОСФЕРЫ
АТМОСФЕРА. Это воздушная
оболочка, состоящая в основном
из азота и кислорода; достигает
мощности до 20 тыс. км. В меньших
концентрациях она содержит углекислый
газ и озон. Состояние атмосферы
оказывает большое влияние на
физические, химические и особенно
биологические процессы на земной
поверхности и в водной среде.
Наибольшее значение для биологических
процессов имеют кислород атмосферы,
используемый для дыхания организмов
и минерализации омертвевшего
органического вещества, углекислый
газ, расходуемый при фотосинтезе,
а также озон, экранирующий земную
поверхность от жесткого ультрафиолетового
излучения. Вне атмосферы существование
живых организмов невозможно. Это
видно на примере лишенной
жизни Луны, у которой нет атмосферы.
Исторически развитие атмосферы
связано с геохимическими процессами,
а также жизнедеятельностью организмов.
Так, азот, углекислый газ, пары
воды образовались в процессе
эволюции планеты благодаря (в значительной
мере) вулканической активности, а кислород
– в результате фотосинтеза.
ГИДРОСФЕРА. Вода является
важной составной частью всех
компонентов биосферы и одним
из необходимых факторов существования
живых организмов.
Основная ее часть
(95%) заключена в Мировом океане,
который занимает примерно 70% поверхности
Земного шара. Общая масса океанических
вод составляет свыше 1300 млн. км 3. Около
24 млн. км 3 воды содержится в ледниках,
причем 90% этого объема приходится на ледяной
покров Антарктиды.
Столько же воды
содержится под землей. Поверхностные
воды озер составляют приблизительно
0,18 млн. км 3 (из них половина
соленые), а рек – 0,002 млн. км
3.
Количество воды в
телах живых организмов составляет
примерно 0,001 млн. км 3. Из газов,
растворенных в воде, наибольшее
значение имеют кислород и
углекислый газ. Количество кислорода
в океанических водах изменяется
в широких пределах в зависимости
от температуры и присутствия
живых организмов. Концентрация
углекислого газа также варьирует.
А общее количество его в
океане в 60 раз превышает его
содержание в атмосфере.
ЛИТОСФЕРА. Основная
масса организмов, обитающих в
пределах литосферы, сосредоточена
в почвенном слое, глубина которого
обычно не превышает нескольких
метров. Почвы представлены минеральными
веществами, образующимися при разрушении
горных пород, и органическими
веществами – продуктами жизнедеятельности
организмов.
БИОТИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ.
Главная функция биосферы заключается
в обеспечении круговоротов химических
элементов. Глобальный биотический
круговорот осуществляется при
участии всех населяющих планету
организмов.
Он заключается в
циркуляции веществ между почвой,
атмосферой, гидросферой и живыми
организмами. Благодаря биотическому
круговороту возможно длительное
существование и развитие жизни
при ограниченном запасе доступных
химических элементов. Используя
неорганические вещества, зеленые
растения за счет энергии Солнца
создают органическое вещество,
которое другими живыми существами
– гетеротрофами – разрушается,
с тем, чтобы продукты этого
разрушения могли быть использованы
растениями для новых органических
синтезов.
Важная роль в глобальном
круговороте веществ принадлежит циркуляции
воды между океаном, атмосферой и верхними
слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными
течениями переносится на многие километры.
Выпадая на поверхность суши в виде осадков,
она способствует разрушению горных пород,
делая их доступными для растений и микроорганизмов,
размывает верхний почвенный слой и уходит
вместе с растворенными в ней химическими
соединениями и взвешенными органическими
частицами в океаны и моря.
Подсчитано, что с поверхности
Земли за 1 мин испаряется около
1 млрд. т воды. Энергия, затрачиваемая
на испарение воды, возвращается
в атмосферу.
Циркуляция воды между
Мировым океаном и сушей представляет
собой важнейшее звено в поддержании
жизни на Земле и основное
условие взаимодействия растений
и животных с неживой природой.
В качестве примеров
биотического круговорота рассмотрим
круговороты углерода и азота
в биосфере. Круговорот углерода
начинается с фиксации атмосферного
диоксида углерода в процессе
фотосинтеза. Часть образовавшихся
при фотосинтезе углеводов используют
сами растения для получения
энергии, часть потребляется животными.
Углекислый газ выделяется в
процессе дыхания растений и
животных. Мертвые растения и
животные разлагаются, углерод
их тканей окисляется и возвращается
в атмосферу. Аналогичный процесс
происходит и в океане.
Круговорот азота также
охватывает все области биосферы.
Хотя его запасы в атмосфере
практически неисчерпаемы, высшие
растения могут использовать
азот только после соединения
его с водородом или кислородом.
Исключительно важную
роль в этом процессе играют
азотфиксирующие бактерии.
При распаде белков
этих микроорганизмов азот снова
возвращается в атмосферу.
Показателем масштаба
биотического круговорота служат
темпы оборота углекислого газа,
кислорода и воды. Весь кислород
атмосферы проходит через организмы
примерно за 2 тыс. лет, углекислый
газ – за 300 лет, а вода полностью
разлагается и восстанавливается в биотическом
круговороте за 2 млн. лет. (9, 2)
ГРАНИЦЫ БИОСФЕРЫ
Горизонтальных границ
у биосферы нет и речь следует вести
только о ее вертикальной размерности.
Верхняя граница распространения
жизни в атмосфере определяется,
по всей видимости, не столько
низкими температурами, сколько
губительным действием солнечной
радиации. Так, пыльца цветковых
и голосеменных растений, споры
грибов, мхов, папоротников и лишайников,
бактерии и простейшие животные
организмы постоянно или с
сезонной ритмикой присутствуют
в воздухе. Над сушей и акваторией
в дожде, снеге, в облаках
и туманах кроме пыльцы и
спор обнаружены микроорганизмы.
Вся воздушная среда представляет
собой суспензию жизнеспособных
пыльцы, спор и микроорганизмов,
содержание которых уменьшается
с высотой. Интенсивность радиации,
создаваемой космическими лучами,
на высоте 9 км в десятки раз
больше, чем на уровне моря, а
на высотах 15-18 км возрастает
уже в сотни раз. Высотное
распространение микроорганизмов
ограничивается в основном потоком
жесткой ультрафиолетовой радиации
Солнца, убивающей все живое.
Можно утверждать, что
вся тропосфера, высота которой
8-10 км в полярных широтах и
16-18 км у экватора, в большей
или меньшей степени заселена
живыми организмами, которые находятся
в ней либо временно, либо постоянно.
Уже в тропопаузе резко изменяются
физические и температурные характеристики
биосферы, в частности прекращается
интенсивное турбулентное перемешивание
воздушных масс. Стратосфера, находящаяся
выше тропопаузы, вряд ли пригодна
для существования микроорганизмов.
Верхний предел биосферы, или
поля существования жизни, довольно
ясно просматривается в тропопаузе.
Однако верхний предел занесения
спор и микроорганизмов, определяющий
“поле устойчивости жизни” (живые
организмы существуют, но не размножаются),
возможен до верхней границы
стратосферы.
Таким образом, область
распространения живых организмов
ограничена в основном тропосферой.
Например, верхняя граница полета
орлов находится на высоте 7 км;
растения в горных системах
и насекомые в воздушной среде
не распространены выше 6 км; верхняя
граница постоянного обитания
человека – 5 км, обрабатываемых
земель – 4,5 км, леса в горных
системах тропиков не растут
выше 4 км. (9)
Тропосфера представляет
собой воздушную среду, в которой
осуществляется только передвижение
организмов, нередко при помощи
своеобразно приспособленных для
этого органов. Настоящего аэропланктона,
постоянно обитающего и размножающего
в воздушной среде, видимо, нет. В противном
случае тропосфера представляла бы собой
“кисель”, максимально насыщенный микроорганизмами.
Весь цикл своего развития, включая размножение,
организмы осуществляют только в литосфере
и гидросфере, а также на границе воздушной
среды с этими оболочками.
Верхние слои тропосферы
и стратосферы, в которые возможно
занесение микроорганизмов, а
также наиболее холодные и
жаркие районы земного шара, где
организмы могут существовать
лишь в покоящемся состоянии,
называются парабиосферой.
В состав биосферы
полностью включается гидросфера
– озера, реки, моря и океаны.
В морях и океанах наибольшая
концентрация жизни приурочена
к эвфотической зоне, куда проникает
солнечный свет. Обычно ее глубина не превышает
200 м в морях и континентальных пресноводных
бассейнах. Именно в фотобиосфере, где
возможен фотосинтез, сосредоточены все
фотосинтезирующие организмы и продуцируется
первичная биологическая продукция.
Афотическая зона (меланобиосфера),
начинающаяся с глубины 200 м, характеризуется
темнотой и отсутствием фотосинтезирующих
растений. Она представляет собой водную
среду обитания активно перемещающихся
животных.
Вместе с тем через
нее непрерывным потоком опускаются
на дно морей и океанов отмершие
растения, выделения и трупы животных.
О нижнем, литосферном
, пределе биосферы,ясного представления
пока нет. В большинстве работ, посвященных
биосфере, указывается, что ее нижний предел
на континентах составляет в среднем 2-3
км. Здесь в условиях низких, по сравнению
с более глубокими слоями, температуры
и давления, но при участии живых организмов
(микроорганизмов) и воды, прекращается
миграция химических элементов. Микробиологические
исследования свидетельствуют о том, что
микроорганизмы присутствуют также в
пластовых водах, омывающих нефть, хотя
сама нефть стерильна.
Под океанами литосферный
предел биосферы, вероятно, распространяется
на 0,5-1,0 км и, возможно, на 3,0 км
ниже дна. Однако существует
более обоснованное предположение,
что заселенным микроорганизмами
может оказаться только 200-250-метровый
слой донных осадков. Достоверно
установлено, что микрофлора обитает
в донных осадках мощностью
от 5 см (Черное море) до 10-
12 м (Тихий и Индийский
океаны) и 114 м (Каспийское море).
О более глубоком проникновении
жизни в литосферу, несмотря
на интенсивные буровые работы,
достоверной информации нет. Точную
массу и объем биосферы установить
очень трудно, поскольку неизвестно
точное положение ее вертикальных
границ. Можно говорить только
о приближенных значениях этих
характеристик. Масса всей биосферы
(атмосфера+гидросфера+литосфера в границах
биосферы) составляет
3*10 в 9-й млрд т, или 0,05%
массы Земли, а объем – 10 млрд куб. км, или
0,4% объема Земли.
Ниже литосферной границы
биосферы лежит «область былых
биосфер», под которой В. И.
Вернадский понимал оболочку
Земли, в геологическом прошлом
подвергшуюся воздействию жизни.
Ученый отмечал, что земная
кора, мощностью в несколько десятков
км, с осадочными породами и гранитной
оболочкой когда- то была на поверхности
планеты и входила в состав биосферы. Каменный
уголь, нефть, мрамор, доломит, известняк,
мел, железная руда и другие горные породы
осадочного происхождения – свидетели
существования жизни в «былых биосферах».
(11)
Некоторые ученые (В.
А. Ковда, А. Н. Тюрюканов) в состав
биосферы включают не только область жизни,
но и другие структуры Земли, генетически
связанные с другим веществом, т.е. «былые
биосферы», в настоящее время лишенные
жизни. Такую многослойную оболочку Земли,
сформировавшуюся в результате деятельности
живого вещества, предположено было назвать
мегабиосферой (от греч. mega – большой).