Учение о биосфере

Биосферой называют внешнюю оболочку Земли, населенную живыми организмами, составляющими в совокупности все живое вещество планеты.

Земля как планета сформировалась в процессе развития Солнечной системы. По современным представлениям, Земля образовалась около 4, 7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылевого вещества. Земля получает энергию от Солнца в виде достигающего земной поверхности электромагнитного излучения. Солнечная энергия - это один из главных факторов, определяющих климат Земли, основа для развития многих не только биологических, но и геологических процессов на Земле. Кроме того, огромный тепловой поток исходит и из глубины Земли.

По последним данным, масса Земли составляет примерно 6× 10²¹т, ее объем составляет 1, 083× 10¹² км³, а площадь поверхности - 510, 2 млн. км². Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены.

Наша планета имеет неоднородное строение и может быть представлена, как состоящая из внутренних и внешних концентрических оболочек (геосфер). К внутренним относятся ядро и мантия, к внешним - литосфера, гидросфера, атмосфера и биосфера.

Литосферой называют каменную оболочку Земли, включающую земную кору толщиной (мощностью) от 6 км (под океанами) до 80 км (горные системы). Доля различных горных пород в земной коре неодинакова - более 70% приходится на базальты, граниты и другие магматические породы. Осадочные породы составляют лишь около 12% земной коры.

Земная кора - важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, нефть, горючие сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово и др.) и нерудные (фосфориты, апатиты и др.) полезные ископаемые, естественные строительные материалы (известняки, песок, гравий и др.).

Гидросферой называют водную оболочку Земли. Ее подразделяют на поверхностную и подземную. Поверхностная гидросфера - это водная оболочка поверхности Земли. В ее состав входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др. Поверхностная гидросфера не образует сплошного слоя и прерывно покрывает 70, 8% земной поверхности. Подземная гидросфера включает подземные воды, находящиеся в верхней части земной коры. Сверху подземная гидросфера ограничена земной поверхностью, а нижнюю ее границу определить невозможно, т.к. гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры.

Общий объем гидросферы не превышает 0, 13% от объема всей планеты. Основную часть гидросферы (96, 53%) составляет Мировой океан. При этом соленые воды океанов, морей и др. составляют более 98% всех водных ресурсов Земли. Общий объем пресных вод на Земле, по современным оценкам, равен 28, 25 млн. км³, или около 2% общего объема гидросферы. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока практически не используются. Объем остальной части пресных вод, пригодных для водоснабжения, равен примерно 4, 2 млн. км³, что составляет лишь около 0, 3% общего объема гидросферы.

Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды и климата Земли. Она активно влияет на такие атмосферные процессы, как нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой, и т.д.

Таблица

Состав атмосферы

Атмосфера - это газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Общая масса атмосферы составляет примерно 5, 15× 10¹⁵ т. На высотах от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 20 - 25 км, расположен озоновый слой, защищающий Землю от ультрафиолетового излучения Солнца, гибельного для организмов.

Атмосфера физически, химически и механически воздействует на литосферу, регулируя распределение тепла и влаги. Погода и климат на Земле зависят от распределения тепла, атмосферного давления и содержания водяного пара в атмосфере. Водяной пар поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воздуха и является источником всех осадков.

В формировании природной среды Земли велика роль тропосферы (нижний слой атмосферы до высоты 8 - 10 км в полярных, 10 - 12 км в умеренных и 16 - 18 км в тропических широтах). Стратосфера - область холодного, очень разреженного сухого воздуха толщиной примерно 20 км, расположенная над тропосферой - оказывает гораздо меньшее влияние на формирование процессов в биосфере. Сквозь стратосферу непрерывно падает метеоритная пыль, в нее выбрасывается вулканический пепел, а в недавнем прошлом и продукты ядерных взрывов в атмосфере.

В тропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, перенос пылевых частиц и загрязнений.

Биосфера - это внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25 - 30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км, включающая почву и подстилающие ее породы. Существенным признаком биосферы является существование в ней живых организмов. Взаимодействие абиотической части биосферы - воздуха, воды и горных пород - с органическим веществом - биотой - обусловливает формирование почв и осадочных пород.

В основе биогенной миграции веществ в биосфере лежат стремление живых организмов заселить все хотя бы в малой степени приспособленные к их жизни пространства и стремление организмов к выживанию.

При общем рассмотрении биосферы, как экосистемы планетарного масштаба, особое значение приобретает представление о живом веществе как о некой общей живой массе планеты. Под живым веществом В. И. Вернадский понимал все живые организмы планеты как единое целое. Химический состав живого вещества подтверждает единство природы - живое вещество состоит из тех же химических элементов, что и неживая природа. Правда, соотношение этих элементов и строение молекул в живом веществе отличается от абиогенного вещества.

Живое вещество составляет ничтожную долю в общей массе геосфер Земли. По современным оценкам его масса составляет около 2420 млрд. т, что более чем в 2000 раз уступает массе самой легкой оболочки Земли - атмосферы. Но живое вещество на Земле присутствует практически повсюду - в настоящее время живые организмы не обнаружены лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов. Повсеместное присутствие жизни в биосфере обусловлено потенциальными возможностями и масштабу приспособляемости организмов, которые постепенно, заселив моря и океаны, вышли на сушу и заселили и ее.

Отметим, что пределы толерантности по отношению к температуре у различных организмов лежат в широком диапазоне от очень низких температур, близких к абсолютному нулю, до +180°С, а некоторые бактерии могут существовать и в вакууме. Ряд организмов характеризуется широким диапазоном толерантности по отношению к химическим условиям существования (pH среды) или к действию ионизирующего излучения (в котлах ядерных реакторов обнаружены некоторые виды бактерий). Более того, толерантность ряда живых организмов по отношению к отдельным факторам выходит за пределы биосферы, т.е. у них остаются потенциальные возможности дальнейшего распространения.

Важнейшим компонентом биосферы, оказывающим наряду с Мировым океаном решающее влияние на всю биосферу, являются почвы. Именно почвы обеспечивают питание растений биогенными веществами, а растения, в свою очередь, обеспечивают питанием всех гетеротрофов. Почвы на Земле разнообразны, и, соответственно, обладают различным плодородием. Плодородие зависит от количества гумуса в почве, а его накопление, как и мощность почвенных горизонтов, определяются климатическими условиями и рельефом местности. Наиболее богаты гумусом степные почвы, где гумификация происходит быстро, а минерализация идет медленно. Наименее богаты гумусом лесные почвы, где минерализация по скорости опережает гумификацию.

Время формирования почв зависит от интенсивности гумификации. Черноземы Русской равнины образовались за 2500 - 3000 лет, лесные почвы - за 800 - 1000 лет, подзолистые - примерно за 1500 лет. Скорость образования почвы зависит и от типа материнской породы, - например, на гранитах во влажном тропическом климате для образования почвенного слоя требуется около 20 000 лет.

Круговорот веществ в природе можно подразделить на геологический и биогеохимический. Геологический круговорот веществ в природе осуществляется не только за счет солнечной энергии, но и глубинной энергии Земли. Он осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Осадочные горные породы, образованные при выветривании магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму - источник новых магматических пород. После подъема магмы к земной поверхности и ее последующей кристаллизации в результате выветривания происходит превращение магматических пород в новые осадочные породы. Каждый очередной цикл круговорота не повторяет в точности предыдущий, а вносит определенные изменения в состав магматических пород, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Понятие геологического круговорота включает и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. На испарение влаги с поверхности Мирового океана затрачивается почти половина всей поступающей на поверхность Земли солнечной энергии. Вода, испарившаяся с поверхности океана, воздушными потоками в атмосфере переносится на сушу, где и выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного (реки) и подземного стока. По современным оценкам, в круговороте ежегодно участвует более 500 тыс. км³ воды.

Биогеохимический круговорот совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его заключается в образовании органических веществ из неорганических соединений в процессе фотосинтеза, и обратно в превращении органического вещества в неорганические соединения при разложении.

Основным источником энергии, за счет которой осуществляется биогеохимический круговорот, является солнечное излучение, которое обеспечивает энергией процесс фотосинтеза. Солнечная энергия весьма неравномерно распределяется по поверхности земного шара. На экваторе количество солнечной энергии, приходящееся на единицу площади, примерно в три раза больше, чем на широте северного полярного круга. Кроме того, часть солнечной энергии теряется за счет отражения обратно в космическое пространство облачным покровом, поверхностью воды и, в небольших количествах, воздухом и почвой, расходуется на испарение воды, поглощается в атмосфере и в почве и т.д. Поэтому на фотосинтез расходуется не более 5% всей солнечной энергии, падающей на Землю.

В подавляющем большинстве экосистем перенос вещества и энергии в процессе круговорота осуществляется как посредством трофических цепей (из среды обитания - к продуцентам, от последних - к консументам первого, а затем, и более высоких порядков, и, наконец, через редуцентов - обратно в окружающую среду), так и путем обмена макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (CO ₂ , H ₂ O) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, спустя некоторое время, снова попадают в живой организм и т.д.

Наиболее жизненно важными из элементов, участвующих в биогеохимическом круговороте, являются те, из которых строятся белковые молекулы. К таким элементам, в первую очередь, относятся углерод, азот, кислород, фосфор и сера.

В круговороте углерода значительную роль играет трофическая цепь: продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы, поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты, вновь возвращающие углерод в окружающую среду. При этом очевидно, что часть углерода возвращается в атмосферу в процессе дыхания в виде CO ₂ . В океанических экосистемах трофическая цепь - продуценты (фитопланктон) - консументы (зоопланктон, рыбы и др.) - редуценты (микроорганизмы) - усложняется за счет того, что некоторая часть углерода в составе отмирающих организмов, опускаясь в донные отложения, переходит в состав осадочных пород и в дальнейшем участвует уже не в биогеохимическом круговороте, а в геологическом.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3 его содержания в атмосфере. Работа промышленных объектов, создаваемых человеком, приводит к росту содержания CO ₂ в атмосфере.

Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он входит в состав очень многих химических соединений. Основной поставщик кислорода на Земле - зеленые растения, производящие его в процессе фотосинтеза. Ежегодно они производят 5, 3× 10¹⁰ т кислорода на суше и 4, 1× 10¹¹ т - в океанах. Главный потребитель кислорода - растения, микроорганизмы и животные, использующие его в процессе дыхания. По современным оценкам, на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% объема кислорода, высвобождаемого в процессе фотосинтеза.

Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы. Запасы азота в атмосфере практически неисчерпаемы (78% от ее объема). Но поглощение азота растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме его химических соединений. Редуценты (почвенные бактерии) разлагают белковые вещества отмерших организмов, превращая их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Последние вещества несут определенную опасность, будучи токсичными для животных и, в частности, для человека. При этом часть нитратов и нитритов в процессе круговорота попадает в подземные воды, загрязняя их. Более того, нитраты и нитриты усваиваются растениями и могут передаваться по трофическим цепям.

Азот вновь возвращается в атмосферу с выделяющимися при гниении газами. Роль бактерий в круговороте азота исключительно велика. По современным оценкам в случае уничтожения только двенадцати видов бактерий, участвующих в азотном цикле, жизнь на Земле может прекратиться.

Биогеохимические циклы фосфора и серы значительно разнообразнее и сложнее. Они легко нарушаются от различного вида воздействий, и часть обмениваемого вещества выходит из круговорота.

Всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота веществ в природе. Но, являясь глобальной экосистемой, биосфера состоит из экосистем всех уровней. Поэтому для гомеостаза биосферы первоочередное значение имеют целостность и устойчивость природных экосистем.