Распределение живого вещества в биосфере

На поверхности Земли в настоящее время полностью лише­ны живых существ лишь области обширных оледенений и кра­теры действующих вулканов. В. И. Вернадский указывал на «всюдность» жизни в биосфере. Об этом свидетельствует исто­рия нашей планеты. Жизнь появилась локально в водоемах и затем распространялась все шире и шире, заняв все материки. Постепенно она захватила всю биосферу, и захват этот, по мне­нию В. И. Вернадского, еще не закончился. Об этих потенци­альных возможностях свидетельствуют масштабы приспособ­ляемости живых организмов.

Крайние пределы температур, которые выносят некоторые формы жизни (в латентном состоянии), – от практически абсо­лютного нуля до +180 °С. Давление, при котором существует жизнь, – от долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верх­ние критические точки давления лежат в области 12–108 Па (12 тыс. атм.). С другой стороны, семена и споры растений, мел­кие животные в анабиозе сохраняют жизнеспособность в пол­ном вакууме.

Живые организмы могут существовать в широком диапазоне химических условий среды. Первые живые существа Земли жи­ли в бескислородной атмосфере. Анаэробный обмен свойствен и многим современным организмам, в том числе многоклеточным.

Уксусные угрицы (нематоды) обитают в чанах с бродящим уксусом. Ряд микроорганизмов живет в концентрированных растворах солей, в том числе медного купороса, фторида нат­рия, в насыщенном растворе поваренной соли. Серные бакте­рии выдерживают децимолярные растворы серной кислоты.

Некоторые особо устойчивые формы могут существовать да­же при действии ионизирующей радиации. Например, ряд ин­фузорий выдерживает излучение, по дозе в 3 млн. раз превы­шающее естественный радиоактивный фон на поверхности Земли, а некоторые бактерии обнаружены даже в котлах ядер­ных реакторов.

Выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий, которые существуют в современ­ной биосфере. Жизнь, таким образом, обладает значительным «запасом прочности», устойчивости к воздействию среды и по­тенциальной способностью к еще большему распространению.

Наряду с этим распределение жизни в биосфере отличается крайней неравномерностью. Она слабо развита в пустынях, тунд­рах, глубинах океана, высоко в горах, тогда как в других участ­ках биосферы чрезвычайно обильна и разнообразна. Наиболее высока концентрация живого вещества на границах раздела ос­новных сред – в почве, т. е. пограничном слое между литосфе­рой и атмосферой, в поверхностных слоях океана, на дне водое­мов и, особенно, на литорали, в лиманах и эстуариях рек, где все три среды – почва, вода и воздух – близко соседствуют друг с другом. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал «пленками жизни».

В настоящее время по видовому составу на Земле преобла­дают животные (более 2 млн. видов) над растениями (0,5 млн.). В то же время запасы фитомассы составляют 99% запасов жи­вой биомассы Земли. Биомасса суши в 1000 раз превышает био­массу океана. На суше биомасса и количество видов организмов в целом увеличиваются от полюсов к экватору.

Свойства живого вещества

К основным уникальным особенностям живого вещества, обусловливающим его крайне высокую преобразующую дея­тельность, можно отнести следующие (по Н.А. Воронкову, 1997).

1.Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. В.И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Данное свойство дало основание В.И. Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за не­сколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности размножения), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверх­ность своего тела или образуемых ими сообществ. Например, площадь листьев растений, произрастающих на 1 га, составляет 8–10 га и более. То же относится к корневым системам.

2.Движение не только пассивное, но и активное, то есть не только под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п., но и против течения воды, силы тяжести, движения воз­душных потоков и т.п.

3.Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смер­ти (включение в круговороты веществ). Благодаря саморегу­ляции живые организмы способны поддерживать постоянный химический состав и условия внутренней среды, несмотря на значительные изменения условий внешней среды. После смерти эта способность утрачивается, а органические остатки очень быстро разрушаются. Образовавшиеся органические и неор­ганические вещества включаются в круговороты.

4.Высокая приспособительная способность (адаптация) к раз­личным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим па­раметрам условий. Например, некоторые организмы перено­сят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля – 273° С, микроорганизмы встречаются в термальных источни­ках с температурами до 140 °С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т.п.

5.Феноменально высокая скорость протекания реакций.Она на несколько порядков значительнее, чем в неживом веществе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки ве­щества организмами в процессе жизнедеятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количе­ство пищи, которое в 100–200 раз больше веса их тела. Дожде­вые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего человечества) за 150–200 лет пропускают через свои орга­низмы весь однометровый слой почвы. По представлениям В.И. Вернадского, практически все осадочные породы, а это слой до 3 км, на 95–99% переработаны живыми организмами.

6.Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчи­тано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши – 14 лет, а для океана, где преобладают орга­низмы с коротким периодом жизни (например, планктон), – 33 дня. В результате высокой скорости обновления живого веще­ства за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз пре­вышает массу Земли. Только небольшая часть его (доли про­цента) законсервирована в виде органических остатков (по вы­ражению В.И. Вернадского, ушла в геологию), остальная же включилась в процессы круговорота.

Все перечисленные и другие свойства живого вещества обус­ловливаютсяконцентрацией в нем больших запасов энергии. По В.И. Вернадскому, по энергетической насыщенности с жи­вым веществом может соперничать только лава, образующая­ся при извержении вулканов.

Функции живого вещества

Живое вещество обеспечивает биогеохимический кругово­рот веществ и превращение энергии в биосфере. Выделяют сле­дующие основные геохимические функции живого вещества:

1. Энергетическая (биохимическая) – связывание и запаса­ние солнечной энергии в органическом веществе и последую­щее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедея­тельности организмов.

2. Газовая – способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. С газовой функцией связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в ат­мосфере достигло примерно 1% от современного уровня (пер­вая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэроб­ных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произош­ло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода дос­тигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило воз­можность освоения организмами суши (до этого функцию за­щиты организмов от губительных космических излучений вы­полняла вода).

3. Концентрационная – «захват» из окружающей среды жи­выми организмами и накопление в них атомов биогенных хи­мических элементов. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколь­ко порядков. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азо­та в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Содержание марганца в некоторых бактериях может быть в миллионы раз больше, чем в окружающей среде. Результат концентрацион­ной деятельности живого вещества – образование залежей го­рючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.

4. Окислительно-восстановительная – окисление и восста­новление различных веществ с участием живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миг­рация атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, Р, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование серо­водорода и т.п.

5. Деструктивная – разрушение организмами и продукта­ми их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наи­более существенную роль в этом отношении выполняют реду­центы (деструкторы) – сапротрофные грибы и бактерии.

6. Транспортная – перенос вещества и энергии в результа­те активной формы движения организмов. Такой перенос мо­жет осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).

7. Средообразующая – преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной – представляет собой результат совместного дей­ствия других функций. Она имеет разные масштабы проявле­ния. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локаль­ные структуры.

8. Рассеивающая – функция, противоположная концентра­ционной – рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо ге­моглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.

9. Информационная – накопление живыми организмами оп­ределенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

10. Биогеохимическая деятельность человека – превраще­ние и перемещение веществ биосферы в результате человече­ской деятельности для хозяйственных и бытовых нужд чело­века. Например, использование концентраторов углерода – нефти, угля, газа и др.

Таким образом, биосфера представляет собой сложную ди­намическую систему, осуществляющую улавливание, накоп­ление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.

Свойства биосферы

Целостность и дискретность. Целостность биосферы обус­ловлена тесной взаимосвязью слагающих ее компонентов. Она достигается круговоротом вещества и энергии. Изменение од­ного компонента неизбежно приводит к изменению других и биосферы в целом. При этом биосфера – не механическая сумма компонентов, а качественно новое образование, обла­дающее своими особенностями и развивающееся как единое целое. Биосфера – система с прямыми и обратными (поло­жительными и отрицательными) связями, которые, в конечном счете, обеспечивают механизмы ее функционирования иустойчивости. На понимании целостности биосферы основы­ваются теория и практика рационального природопользова­ния. Учет этой закономерности позволяет предвидеть возмож­ные изменения в природе, дать прогноз результатам воздействия человека на природу.

Централизованность. Центральным звеном биосферы выс­тупают живые организмы (живое вещество). Это свойство, к сожалению, часто недооценивается человеком и в центр био­сферы ставится только один вид – человек (идеи антропоцен­тризма).

Устойчивость и саморегуляция. Биосфера способна возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмуще­ния, создаваемые внешними и внутренними воздействиями, включением определенных механизмов. Гомеостатические ме­ханизмы биосферы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были зна­чительными по масштабам (извержения вулканов, встречи с астероидами, землетрясения и т. п.). Гомеостатические меха­низмы биосферы подчинены принципу Ле Шателье–Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния ус­тойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

Ритмичность. Биосфера проявляет ритмичность развития – повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Основные из них – суточный, годовой, внутривековые и сверхвековые. Су­точный ритм проявляется в изменении температуры, давле­ния и влажности воздуха, облачности, силы ветра, в явлениях приливов и отливов, циркуляции бризов, процессах фотосин­теза у растений, поведении животных. Годовая ритмика – это смена времен года, изменения в интенсивности почвообразо­вания и разрушения горных пород, сезонность в хозяйствен­ной деятельности человека. Суточная ритмика, как известно, обусловлена вращением Земли вокруг оси, годовая – движе­нием Земли по орбите вокруг Солнца. Разные экосистемы обладают различной суточной и годовой ритмикой. Годовая ритмика лучше всего выражена в умеренном поясе и очень слабо – в экваториальном. Наблюдаются и более продолжи­тельные ритмы (11, 22–23, 80–90 лет и др.). Ритмические яв­ления не повторяют полностью в конце ритма того состояния природы, которое было в его начале. Именно этим и объясня­ется направленное развитие природных процессов.

Круговорот веществ и энергозависимость. Биосфера – от­крытая система. Ее существование невозможно без поступле­ния энергии извне. Основная доля приходится на энергию Солнца. В отличие от количества солнечной энергии, количе­ство атомов вещества на Земле ограничено. Круговорот ве­ществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов хими­ческих элементов. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной «строительный ма­териал» живого – углерод.

Горизонтальная зональность и высотная поясность. Общебио­сферной закономерностью являетсягоризонтальная зональ­ность – закономерное изменение природной среды по на­правлению от экватора к полюсам. Зональность обусловлена неодинаковым количеством поступающего на разные широты тепла в связи с шарообразной формой Земли. Зональны кли­мат, воды суши и океана, процессы выветривания, некоторые формы рельефа, образующиеся под влиянием внешних сил (поверхностных вод, ветра, ледников), растительность, почвы, животный мир.

Наиболее крупные зональные подразделения– географи­ческие пояса. Они отличаются друг от друга температурными условиями, а также общими особенностями циркуляции атмосферы, почвенно-растительного покрова и животного мира. На суше выделяются следующие географические пояса: эква­ториальный и в каждом полушарии субэкваториальный, тро­пический, субтропический, умеренный, а также в Северном полушарии субарктический и арктический, а в Южном – суб­антарктический и антарктический. Аналогичные по названию пояса выявлены и в Мировом океане. Географические пояса протягиваются преимущественно в широтном направлении.

Внутри поясов по соотношению тепла и влаги выделяются природные зоны, названия которых определяются по преобла­дающему в них типу растительности. Так, например, в субар­ктическом поясе это зоны тундры и лесотундры, в умеренном поясе – зоны лесов, лесостепи, степи, полупустынь и пус­тынь, в тропическом поясе – зоны лесов, редколесий и са­ванн, полупустынь и пустынь. Как правило, они совпадают с основными и переходными типами природных экосистем (биомами и экотонами). В связи с неоднородностью земной по­верхности, а следовательно, и увлажнения в различных частях материков зоны не всегда имеют широтное простирание.

Зональность характерна и для Мирового океана. От экватора к полюсам изменяются свойства поверхностных вод (температу­ра, соленость, плотность и прозрачность, интенсивность волне­ния и др.), а также состав растительности и животного мира.

Высотная поясность – закономерная смена природной сре­ды с подъемом в горы от их подножия до вершин. Она обус­ловлена изменением климата с высотой: понижением темпе­ратуры (на 0,6° С на каждые 100 м подъема) и до определен­ной высоты (до 2–3 км) увеличением осадков. Смена поясов в горах происходит в той же последовательности, как и на рав­нине при движении от экватора к полюсам. Отличием являет­ся присутствие в горах особого пояса субальпийских и аль­пийских лугов, которого нет на равнинах. Высотная поясность начинается в горах с аналога той горизонтальной зоны, в пре­делах которой расположены горы. Так, в горах, находящихся в степной зоне, нижний пояс – горно-степной, в лесной – горно-лесной и т.д. Количество высотных поясов зависит от высоты гор и их местоположения.

Большое разнообразие условий обитания и живых организ­мов. Биосфера – система, характеризующаяся большим раз­нообразием. Это свойство обусловлено следующими причи­нами: разными средами жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной); разнообразием природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвен­ным, биотическим и другим свойствам; наличием регионов, различающихся по химическому составу (геохимические про­винции); биологическим разнообразием живых организмов.

В настоящее время описано более 3 млн. видов. Однако ре­альное число видов на Земле в несколько раз больше, чем их описано. Не учтены многие насекомые и микроорганизмы, особенно в тропических лесах, глубинных частях океанов и в других малоосвоенных местообитаниях. Кроме этого совре­менный видовой состав – это лишь небольшая часть видово­го разнообразия, которое принимало участие в процессах био­сферы за период ее существования. Каждый вид имеет опре­деленную продолжительность жизни (10–30 млн. лет), поэто­му число видов, принимавших участие в эволюции биосферы, исчисляется сотнями миллионов. Считается, что к настояще­му времени арену биосферы оставили более 95% видов.

Разнообразие обеспечивает возможность дублирования, под­страховки, замены одних звеньев другими, степень сложности и прочности пищевых и другие связей. Поэтому разнообразие рассматривают как основное условие устойчивости любой эко­системы и биосферы в целом.

К сожалению, практически вся без исключения деятель­ность человека подчинена упрощению экосистем любого ран­га. Сюда следует отнести и уничтожение отдельных видов или резкое уменьшение их численности, и создание агроценозов на месте сложных природных систем. Например, полностью исчезли с лица земли степи как тип экосистем и ландшаф­тов, резко уменьшились площади лесов (до появления чело­века они занимали примерно 70% суши, а сейчас – не более 20–23%). Идет дальнейшее, невиданное по масштабам унич­тожение лесных экосистем, особенно наиболее ценных и сложных тропических, спрямление русел рек, создание про­мышленных районов и т.п.

Простые экосистемы с малым разнообразием удобны для эксплуатации, они позволяют в короткое время получить зна­чительный объем нужной продукции (например, с сельскохо­зяйственных полей), но за это приходится рассчитываться сни­жением устойчивости экосистем, их распадом и деградацией среды.

Не случайно, что биологическое разнообразие отнесено Конференцией ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.) к числу трех важнейших экологических проблем, по которым приняты специальные заявления или конвенции. Кро­ме сохранения разнообразия, такие конвенции приняты по со­хранению лесов и по предотвращению изменений климата.