Биосфера как естественно-историческая система. Состав и границы.
Термин «биосфера» (греч.»биос» -жизнь, «сфера» - шар) ввел в 1975 году австрийский ученый Эдуард Зюсс для оюозначения оболочки земли, населенной живыми организмами.
Основоположником современного учения о биосфере является В.И.Вернадский (1853-1945). Опираясь на работы Ж.Б.Ламарка по гидрологии, идеи К.А.Тимирязева о способности хлорофилла фиксировать энергия Солнца, а также работы Докучаева по почвообразованию, В.И.Вернадский выдвинул гипотезу о преобразующем влиянии живого вещевтва как совокупности всех житвых организмов, населяющих нашу планету, на геологические оболочки Земли в масштабах глобального пространства и времени. По В.И.Вернадскому. биосфера – поверхностная оболочка Земли, глубоко переработанная живым веществом былых геологических эпох и перерабатываемая в настоящее время разными формами живых организмов, возникающих в ходе эволюции на планете Земля.
По В.И.Вернадскому биосфера возникла одновременно с появлением жизни на Земле, и ее основу составляет непрерывный биотический круговорот веществ, осуществляющийся при участии всех населяющих планету организмов. Он выражается в том. что зеленые растения создают из неорганических веществ органические вещества, а животные и микроорганизмы потребляют и разрушают его. Из минеральных соединений, полученных от распада органического вещества, зеленые растения строят новое органическое вещество и так без конца.
Биосфера по В.И.Вернадскому – это устойчивая динамическая система. Со времен архейской эры устойчивость биосферы проявляется в постоянстве ее общей массы , а также массы живого вещества и энергии. связанной с живым веществом .
Несмотря на постоянство этих показателей видовой состав биосферы в ходе эволюции изменился до неузнаваемости. как полагал В.И.Вернадский. эволюционный процесс в биосфере вначале привел к вовлечению в живое вещество максимального количества химических элементов из окружающей среды. а затем к увеличивающейся биогенной миграции атомов и разнообразию новых форм живых организмов, устойчивых в биосфере.
Вернадский указывал также, что биосфера. будучи целостной и организованной системой, связана с Космосом. Электромагнитные лучи солнечного и космического происхождения играют важную роль в регуляции пространственно – временной организации биосферы. Кроме того, солнечная энергия является основным источником энергии для биосферы. И в этом отношении биосфера является открытой системой.
В.И.Вернадский считал, что после возникновения человека биосфера стала постепенно переходить в новое состояние. преобразованное человеческой деятельностью. – в ноосферу. то есть сферу разума. Под ноосферой Вернадский понимал новый этап в развитии биосферы. а именно, этап разумного регулирования взаимоотношений человека и природы
С учетом современных представлений биосферу можно охарактеризовать как целостную, термодинамически открытую. саморегулирующуюся устойчивую систему. в основе функционирования которой лежит непрерывный круговорот вещества и энергии, поддерживающий в состоянии равновесия входящие в нее компоненты.
ГРАНИЦЫ БИОСФЕРЫ
Границы биосферы совпадают с границами распространения живых организмов в оболочках Земли, что определяется наличием условий существования жизни. Биосфера охватывает всю поверхность суши, а также океаны, моря и ту часть недр Земли, где находятся породы, созданные в процессе жизнедеятельности живых организмов.
Для существования живых организмов необходимы следующие условия:
1) достаточное количество жидкой воды, минеральных веществ, кислорода, углекислого газа,
2) наличие ряда химических биогенных элементов,
3) поступление солнечной энергии,
4) температура в диапазоне от −50º С до +50ºС с различным температурным оптимумом для каждого вида организмов,
5) оптимальный уровень радиации и др.
По Вернадскому, к биосфере относятся нижние слои стратосферы, вся тропосфера, верхняя часть литосферы, сложенная осадочными породами, и гидросфера, заселенная живым веществом.
Над поверхностью литосферы и гидросферы вверх до 100 км простирается атмосфера. Нижний слой атмосферы в среднем высотой 15 км называют тропосферой, которая включает взвешенные в воздухе водяные пары, перемещающиеся при неравномерном нагреве поверхности Земли. Над тропосферой различают стратосферу – слой высотой до 100 км. У границы ее возникают северные сияния. Верхняя граница биосферы определяется озоновым экраном. На высоте от 10 до 50 км расположен слой озона, с максимальной его концентрацией на высоте 20-25 км (озоновый экран). Роль озонового экрана, представляющего собой тонкий слой (2-4 мм) газа озона (О3) в биосфере велика: он задерживает губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи солнечного света.
Нижняя граница биосферы очень изрезана. К примеру, в литосфере живые организмы или продукты их жизнедеятельности можно встретить на глубине 3,5-7,5 км, а в Мировом океане организмы проникают на глубину 10-12 км.
Таким образом, границы биосферы (рис. 8) включают все 15 км тропосферы, 5-10 км стратосферы, всю гидросферу суши и Мировой океан, которые простираются до глубины 11 км, на материках биосфера проникает в среднем в земную кору до глубин 5 км. Верхний предел жизни биосферы ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей; нижний – высокой температурой земных недр (свыше 100° С). Крайних пределов ее достигают только низшие организмы – бактерии. Споры аэробных бактерий и грибов залетают на высоту
20 км, а анаэробные – находят в земной коре на глубине свыше 3км, в водах месторождений нефти.
Нижняя граница на суше связана с областями "былых биосфер" – так В.И. Вернадский назвал сохранившиеся остатки биосфер прошлых геологических эпох (накопления осадочных пород, углей, горючих сланцев и др.). "Былые биосферы" служат доказательством длительной эволюции биосферы Земли.
Ученый отмечал, что живое вещество распределено в биосфере неравномерно (рис. 9). В биосфере существуют «пленка жизни» и «сгустки жизни», в которых концентрация живого вещества максимальна. Это поверхность суши, почвы и верхние слои вод Мирового океана. Кверху и книзу от нее количество живого вещества в биосфере Земли резко убывает. Основная его масса сконцентрирована в приповерхностном слое суши толщиной 50-100 м и в приповерхностной толще воды (10-20 м). Здесь находится более 90% биомассы Земли. Но и в приповерхностном слое имеются пространства, густо заселенные живыми организмами (тропики и субтропики, теплые моря), и менее заселенные территории (пустыни, высокогорья, арктические и антарктические области). Для остальных территорий биосферы характерно, по словам В.И. Вернадского, "разрежение живого вещества".
Тем не менее, в пределах биосферы нет абсолютно безжизненных пространств. Даже в самых суровых условиях обитания можно найти бактерии и другие микроорганизмы. В.И. Вернадский высказал идею о "всеюдности жизни", живое вещество способно "растекаться" по поверхности планеты; оно с огромной скоростью захватывает все незанятые участки биосферы, что обусловливает "давление жизни" на неживую природу.
СТРУКТУРА БИОСФЕРЫ
В.И. Вернадский определяет биосферу как одну из геосфер, которая коренным и необратимым образом изменена под влиянием живых существ, их современной и ранее протекавшей жизнедеятельности.
В биосфере можно выделить следующие основные компоненты (рис. 5):
1) живое вещество (живые организмы),
2) косное (неживое) вещество (атмосфера, газы, горные породы и пр.),
3) неживое биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов),
4) биокосное вещество (совместный результат живых организмов и абиогенных процессов неживой природы),
5) радиоактивное вещество,
6) рассеянные атомы,
7) вещество космического происхождения(метеориты, космическая пыль).
Живым веществом В.И. Вернадский назвал совокупность живых организмов, населяющих нашу планету (рис. 6).
Это главная сила, преобразующая поверхность планеты, основа формирования и существования самой биосферы. Во все геологические эпохи живое вещество, преобразуя и аккумулируя солнечную энергию, влияло на химический состав земной коры, было мощной геохимической силой, формирующей лик Земли.
Много внимания в своих работах по биосфере В.И. Вернадский уделял зеленому живому веществу растений, потому что только оно автотрофное, только оно способно захватывать лучистую энергию Солнца и с ее помощью создавать первичные органические соединения. Рассмотрев объем и энергетические коэффициенты различных групп растительности, В.И. Вернадский пришел к выводу, что «зеленые просторы океана являются главными трансформаторами солнечной энергии нашей планеты». Живое вещество имеет количественные характеристики, его можно изучать, используя математические законы.
Количество живого вещества в биосфере (биомасса) – величина постоянная или мало изменяющаяся с течением времени. Во все геологические эпохи на Земле количество живого вещества было практически одинаковым. Ученый подчеркивал, что современное живое вещество генетически родственно живому веществу прошлых геологических эпох.
В современном мире насчитывается огромное количество видов живых организмов, все они составляют ИМПЕРИЮ – клеточные формы жизни (организмы).
В 1982 г. Маргелис и Шварц (Margulis, Schwartz) предложили систематику, предусматривающую наличие пяти царств – одно царство в НАДЦАРСТВЕ прокариот и четыре царства в НАДЦАРСТВЕ эукариот (рис. 7). Система Маргелиса и Шварца получила широкое признание, и именно ее теперь рекомендуют использовать.
Самая противоречивая группа – это протисты, возможно, потому, что это не естественная группа.
царство Монера (Дробянки) представлено прокариотическими организмами, которые распределяются между тремя подцарствами: Архебактерии, Настоящие бактерии, Цианобактерии (Сине-зеленые водоросли);
царство Протисты – одноклеточные эукариотические организмы, напоминающие предков растений, животных и грибов, сюда относятся одноклеточные водоросли, простейшие, слизевики и оомицеты (ранние грибы);
царство Растения, образованное многоклеточными автотрофными организмами;
царство Грибы, занимающее промежуточное положение между растениями и животными;
царство Животные – многоклеточные гетеротрофные организмы.
Под косным веществом В.И. Вернадский понимал такие вещества биосферы, в создании которых живые организмы не участвуют. Это, например, газы, твердые частицы и водяные пары, выбрасываемые вулканами, гейзерами, породы магматического и метаморфического происхождения.
Неживое биогенное вещество, которое образовано живым веществом современной и прошлых геологических эпох (ископаемые остатки организмов, нефть, уголь, газы атмосферы, озерный ил – сапропель, осадочные породы, например, известняки). Значительная часть энергии «живого вещества» идет на образование в пределах биосферы новых вадозных минералов, вне биосферы не известных, а часть захороняется в виде самого органического вещества, образуя в конечном счете залежи бурых и каменных углей, горючих сланцев, нефти и газа. «Мы имеем здесь дело, – пишет В.И. Вернадский, – с новым процессом – с медленным проникновением внутрь планеты лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли. Этим путем «живое вещество» меняет биосферу и земную кору. Оно непрерывно оставляет в ней часть прошедших через него химических элементов, создавая огромные толщи неведомых, помимо его, вадозных минералов или пронизывая тончайшей пылью своих остатков косную материю биосферы».
Биокосное вещество, которое создавалось одновременно и живыми организмами, и косным веществом (например, почва, вода обитаемых водоемов, глинистые минералы).
Радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элементов – уран, торий, радий и др.
Все живые существа на Земле постоянно подвергаются воздействию ионизирующей радиации от естественных (космическое излучение и природные радиоактивные вещества) источников ионизирующих излучений. Радионуклиды широко распространены в природе; они рассеяны в земной коре, воде, воздухе, растениях и теле животных. К радионуклидам естественного происхождения относят те, которые образовались на Земле без участия человека. Это долгоживущие изотопы I, U, Ra, Th, K и др. Совместно с космическим излучением они и создают природный радиоактивный фон, постоянно облучая все живые организмы на Земле.
Рассеянные атомы – отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (в таком состоянии часто существуют атомы микро- и ультрамикроэлементов: Mn, Zn, Au, Hg и др.). Создаются из земного вещества под влиянием космических излучений.
Вещество космического происхождения – вещество, поступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, космическая пыль).