Лекция 15 – Определение, структура, границы и эволюция биосферы

Термин «биосфера»в научной литературе появился в 1875 г. в одной из публикаций австрийского геолога Э. Зюсса.

Учение о биосфере разработал в своих трудах В.И. Вернадский. Биосферой он называл оболочку Земли, в формировании которой живые организмы играли и играют основную роль. Ученый выделял в биосфере три главных компонента: живые организмы, или так называемое живое вещество, минеральные компоненты, включенные живым веществом в биогенный круговорот, и продукты деятельности живого вещества, временно не участвующие в биогенном круговороте. По В.И. Вернадскому, биосфера включает все части земной коры, на которые воздействовали живые организмы в течение всей геологической истории.

Биосфера — сложная многокомпонентная система, включающая всю живую и неживую природу. Она охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, взаимосвязанные биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии. Границы биосферы составляют: в атмосфере — до озонового слоя (25-30 км), в гидросфере — до максимальных глубин (около 11 км), в литосфере — до 8-10 м, реже до 3 км (нефтеносные слои воды). В состав биосферы входят живые организмы (около 3 млн. видов), их остатки, биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов — осадочные породы органического происхождения), биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами) и косное вещество (горные породы магматического и неорганического происхождения, а также переработанные и видоизме­ненные живыми организмами вещества космического происхождения).

В основе учения В.И. Вернадского о биосфере лежат представле­ния о планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы как продукта превращения веществ и энергии в ходе геологического развития Земли. В пределах биосферы встречается либо само живое вещество, либо следы его деятельности — газы атмосферы, природная вода, нефть, известняк, сланцы и др.

Живое вещество,по В.И. Вернадскому, — это совокупность существующих или существовавших живых организмов, являющихся мощным геологическим фактором. В отличие от живых организмов,

изучаемых на всех уровнях их организации, живое вещество как биогеохимический фактор характеризуется элементарным химическим составом, массой и энергией; оно трансформирует солнечную энер­гию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный кругово­рот. Через живое вещество многократно прошли атомы почти всех химических элементов. В конечном счете, живое вещество определи­ло состав атмосферы, почв и осадочных пород планеты.

По мнению В.И. Вернадского, живое вещество аккумулирует энергию космоса и трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую и т.д.), обеспечивает образование нового живого вещества, которое не только заме­щает отмирающие его массы, но и привносит новые качества, определяя тем самым эволюцию органического мира.

Живое вещество биосферы химически и биологически активно. При его участии образуются органические осадочные породы и биокосные вещества: вода, почва, кора выветривания; оно контролирует все основные химические превращения в биосфере.

Различают пять главных функций живого веществана планете — энергетическую, газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и деструкционную.

Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В ее основе лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, благодаря которой происходит аккумуляция солнечной энергии и ее перераспределение между компонентами биосферы. За счет энергии Солнца, накопленной зелеными растениями, протекают все жизненные явления на Земле.

Газовая функция обеспечивает газовый состав биосферы, обус­ловливает миграцию и превращение газов. В процессе жизнедеятель­ности живого вещества образуются азот, кислород, углекислый газ, метан и другие газы.

Концентрационная функция проявляется в извлечении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды и их накоплении, так как состав живого вещества значительно отличается от среднего состава планеты. В нем преобладают легкие атомы водоро­да, кислорода, углерода, азота, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в организмах намного выше, чем во внешней среде.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении атомов, главным образом с переменной валентностью (соединения железа, алюминия, марганца), что приводит к пре вращению большинства химических соединений. На поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Деструкционная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти. Происходит минерализа­ция органического вещества или превращение живого вещества в косное, что приводит к образованию биогенного и биокосного вещества биосферы.

В.И. Вернадский (1967) писал: «Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее опреде­ляющей. Живое вещество представлено совокупностью живых орга­низмов, существующих в данный момент времени, и численно выра­жено в элементарном химическом составе, в весе, энергии. Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением». Главная особенность биосфе­ры, по его мнению, — это биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, роста и размножения организмов.

Таким образом, по современным представлениям, биосфера — это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с ними.

Возникновение и эволюция биосферы.Возникновение биосферы теснейшим образом связано с появлением жизни на Земле. Некоторые исследователи связывают появление жизни на нашей планете со временем ее остывания и оценивают возраст Земли по этому показателю в 24 млн. лет. Эти вычисления в 1861 г. сделал английский физик В. Томсон. Значительно позже, после открытия явле­ния радиоактивности и разработки на ее основе метода измерения геологического времени, оказалось, что расчеты В. Томсона ошибочны. По современным представлениям, возраст Земли оценивается в 4,55 млрд. лет, а сохранившиеся древнейшие участки земной коры — в 4 млрд. пет.

Авторы большинства гипотез о происхождении жизни на Земле допускали, что наша планета в течение огромного промежутка вре­мени была безжизненной и на ее поверхности происходила химичес­кая эволюция, которая предшествовала биологической. На поверхности планеты, по их мнению, происходил медленный абиогенный синтез органических соединений, который в конечном счете привел к появлению примитивных форм жизни. Однако имеются и другие представления, согласно которым за такой период невозможно обра­зование столь огромного количества видов живых организмов, то есть продолжительность существования жизни на Земле не укладыва­ется в такие временные рамки.

Анализ новых данных космохимии свидетельствует о раннем зарождении жизни в пределах Солнечной системы. Химическая эволю­ция вещества Земли и других планет, вероятно, предшествовала их образованию. Первичная атмосфера нашей планеты в основном бы­ла представлена углекислым газом. Но это химическое соединение не может самопроизвольно образовывать более сложные органические соединения. В настоящие время существует много подтвержде­ний в пользу того, что зарождение жизни, возможно, произошло в космических условиях.

Анализ вещественного состава метеоритов показывает, что содер­жащееся в них органическое вещество имеет достаточно сложный состав. Впервые органическое вещество в метеоритах обнаружил шведский химик И. Берцелиус в 1834 г. при анализе углистого хондритового метеорита Алаис.

В органическом веществе метеоритов были обнаружены углеводороды, среди которых наиболее распространены соединения с 16 ато­мами углерода в молекуле, а также спирты, карбониловые соединения, аминокислоты и др. Следует отметить, что характерной особен­ностью органических соединений, обнаруженных в метеоритах, является отсутствие оптической плотности. Это свидетельствует об их происхождении за пределами Земли.

Теоретические и экспериментальные данные, полученные в последнее время, позволяют сделать вывод: синтез относительно слож­ных органических соединений, предшествующих появлению живого вещества, — закономерный этап химической эволюции Солнечной системы. Эти органические вещества, образовавшиеся в космических условиях, вошли в состав многих тел, но на Земле реализовались возможности дальнейшей эволюции, что обеспечило возникновение саморегулирующихся высокомолекулярных систем — непосредствен­ных предков первых живых организмов.

Рассматриваются два варианта событий. Либо химическая эволю­ция, начавшаяся в космических условиях, продолжила свое развитие на Земле и в относительно короткое время привела к появлению

первых живых организмов, либо образование молекул ДНК произош­ло в космических условиях, а реализация ее возможностей — в пер­вых водоемах планеты, которые содержали некоторое количество ор­ганического вещества.

Дальше в ходе геологической истории эволюция биосферы про­исходила по пути разрешения противоречия между безграничной спо­собностью организмов к размножению и ограниченностью ресурсов, доступных в определенную геологическую эпоху. Данное противоре­чие разрешается путем овладения организмами новыми источниками вещества и энергии за счет приобретения ими новых качеств. В этом случае наследственная изменчивость является предпосылкой разви­тия, а естественный отбор служит механизмом закрепления новых качеств.

Переломным этапом в эволюции древней биосферы был переход от гетеротрофного режима питания к автотрофному, основанному на фотосинтезе. С появлением фотосинтезирующих организмов нача­лось образование свободного кислорода, что со временем стало предпосылкой для создания в атмосфере озонового экрана. Это про­изошло около 4 млрд лет тому назад. Увеличение содержания кислорода в атмосфере способствовало выходу органического мира на по­верхность континентов. О времени появления живых организмов на суше точных палеонтологических данных нет.

Переход от прокариотной флоры к эукариотной в древних морях происходил медленно, и обе группы длительное время существовали совместно. Соотношение между этими группами организмов постоян­но изменялось и к настоящему времени оно сложилось в пользу эукариотов. Эволюция растений длительное время происходила в вод­ной среде. Далее по мере накопления кислорода создались предпо­сылки для появления озонового экрана, который защищает все живое от ультрафиолетового излучения. Это в конечном счете создало усло­вия для выхода растений из водной среды на континенты. Считается, что первыми растениями, появившимся на суше, были псилофиты — споровые низкорослые растения, напоминающие плауны. Потом псилофиты уступили место папоротникообразным растениям, которые в свою очередь сменились хвойными.

Развитие растений, видимо, создало предпосылки для появления животных. Они так же, как и растения, произошли от одноклеточных организмов. В результате дифференциации функций отдельных клеток на определенном этапе эволюции образовались организмы, дав­шие затем начало многоклеточным.

На основании палеонтологических данных в ходе эволюции орга­нического мира выделяют ряд закономерностей:

— необратимость эволюции. Это положение в 1893 г. сформулировал бельгийский палеонтолог Л. Далло: организм не может вернуться хотя бы частично к предшествующему состоянию, которое было в ряду его предков;

— ускорение биологической эволюции в ходе геологического времени;

— закономерность, впервые отмеченная В.О. Ковалевским в 1871 г.: «..каждая следующая большая эпоха Земли короче предыдущей, и в это короткое время успевало народиться и вымереть больше разнообразных форм, чем в предыдущую эпоху...» (цит. по Г.В. Войткевичу, В.А. Вронскому, 1996);

— эволюция различных групп организмов протекала с разной скоростью;

— существуют консервативные группы организмов, которые почти не изменились в ходе геологического времени (микроорганизмы, па­поротниковые, плауны, голосеменные), однако они составляют не­большую часть из общего числа видов;

—- на фоне общей тенденции ускорения эволюции определенные эпохи отличались повышенным видообразованием. Вероятно, это было связано с радиоактивностью. С.Г. Неручев (1983) в геологической истории Земли выделил 30 эпох уранонакопления. Эти эпохи отличаются значительным усилением мутационных процессов, видообразования и сменой фауны и флоры;

— среди животных в ходе геологического времени происходит направленное изменение нервной системы.

На основании данных палеонтологии, геохимии и космохимии эволюцию биосферы Землиможно представить в виде трех последова­тельно сменяющихся этапов.

Первый этап — восстановительный. Он начался в космических ус­ловиях и завершился появлением на Земле первой гетеротрофной биосферы. На этом этапе протекали каталитические и радиохимичес­кие реакции синтеза сложных органических соединений, отсутствовал свободный кислород, основным источником живых организмов была радиация. Этот период, вероятно, был коротким по времени.

Второй этап — слабоокислительный — характеризовался появлением фотосинтеза. Он длился более 2 млрд. лет и закончился около 1,8 млрд. лет тому назад. Свободного кислорода образовывалось еще мало, и атмосфера состояла преимущественно из углекислого газа. Развитие организмов ограничивалось прокариотами.

Третий этап — окислительный — связан с появлением фотоавтотрофной биосферы. Он начался с медленного роста содержания кислорода в атмосфере и завершился значительным ускорением эволюции организмов. Увеличение продукции кислорода привело к появлению растительного покрова и животных на континентах, что резко увеличило продукцию фотосинтеза. Под воздействием живого вещества сформировался современный химический состав атмосферы и растворенного вещества гидросферы.

Биологическая эволюция, будучи необратимым процессом, предопределила необратимость эволюции биосферы в целом и создала предпосылки для ее перехода в качественно новое состояние — ноосферу, или сферу разума, когда все происходящие в биосфере изменения контролируются человеком.

Современная концепция биосферы.Биосфера как целое образует единую экосистему Земли. Она представляет собой особую геооболочку, включающую все живые организмы, взаимосвязанные с естественной средой обитания. Биосфера, возраст которой составляет не менее -3,5 млрд. лет, является результатом развития жизни как планетарного явления.

Термин "биосфера" (от греческого bios - жизнь и sphaira - шар) был предложен, по- видимому, Ж.-Б. Ламарком в начале XIX столетия для обозначения совокупности живых существ, населяющих Землю. Позднее, в 1875 году, австрийский геолог Э.Зюсс использовал этот термин в расширительном смысле, обозначив им поверхностную геооболочку ("лик Земли").

Дальнейшую глубокую и детальную проработку понятие биосферы получило только в первой половине XX века в трудах выдающегося русского геохимика академика В. И. Вернадского (1863-1945).

По Вернадскому, биосфера - сложно организованная саморегулирующаяся и саморазвивающаяся система, представляющая собой закономерное космическое явление; "она теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в этом механизме исполняет величайшей важности функции, без которых он не мог бы существовать". Эти функции биосферы, по мнению В.И.Вернадского, носят энергетический характер. Он считал, что" по существу биосфера может быть рассматриваема как область Земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию - электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д."

Вследствие этого, "вещество биосферы проникнуто энергией; оно становится активным, собирает и распределяет в биосфере полученную в форме излучений энергию, превращает ее в конце концов в энергию в земной среде свободную, способную производить работу". Бесконечный поток энергии Солнца вызывает в биосфере закономерный круговорот вещества, в результате чего "между ее косной безжизненной частью, ее косными природными телами и живыми веществами, ее населяющими, идет непрерывный материальный и энергетический обмен, материально выражающийся в движении атомов, вызванном живым веществом". Отсюда следует, что биосфера "в такой же, если не в большей степени, есть создание Солнца, как и выявление процессов Земли".

Тесная внутренняя взаимосвязь и взаимозависимость живых и неживых компонентов (живого и косного вещества, по Вернадскому) находит свое отражение я "резко обособленных размерах" биосферы, призванных обеспечивать оптимальное взаимодействие земной поверхности с космическим, главным образом солнечным, излучением. "Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни. Жизнь может проявляться только в определенной среде, в определенных физических и химических условиях. Это как раз та среда, которая отвечает биосфере". Понимаемая таким образом биосфера захватывает верхнюю часть литосферы (земной коры), всю гидросферу и нижние слои атмосферы. При этом верхней границей ей служит озоновый слой на высоте 20-25 км, выше которого ультрафиолетовая часть солнечного спектра исключает существование незащищенных живых организмов. Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км под материками и на 1-2 км ниже дна океана.

Живые организмы Землираспределены в основном в верхнем слое литосферы игидросферы. Организмов, проводящих всю свою жизнь в воздухе, то есть связанных с атмосферой как с основной средой обитания, по-видимому, нет.

'Толщина "пленки жизни" обусловлена глубиной проникновения в биосферу солнечной радиации: чем лучше та или иная геооболочка пропускает солнечные лучи, тем глубже в нее проникает жизнь, а бла­годаря гравитации поток энергии в форме органического вещества распространяется в глубины Мирового океана.

Вторым источником энергии (хотя незначительно более слабым) для биосферы являются недра Земли. Открытие в рифтовых зонах Мирового океана экосистем на основе хемосинтеза - "оазисов жизни" - значительно расширило наши представления об адаптативных возможностях живых организмов.

Гидросфера заполнена жизнью по всей своей толще, хотя наибольшая плотность жизни наблюдается в поверхностном слое вод, прозрачном для солнечных лучей (эвфотической зоне).

В литосфере биомасса локализована в верхних горизонтах почвы мощностью от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. По трещинам земной коры, шахтам, скважинам живые организмы могут проникать значительно дальше, достигая глубин в 2,5-3 км. Так, например, установлено, что нефтяные воды, сопровождающие залежи нефти, глубоко, под землей заселены нефтсокисляющими бактериями.

Естественным барьером на пути распространения живых организмы в вглубь является высокая температура: на суше на глубине 1 км она составляет 20-40 °С, на глубине 3 км - 40-60 "С, 4 км - 70-90 °С, 5км -100-120 °С.

Проникновение живых организмов на суше ввысь ограничивается в основном недостатком жидкой воды и разреженностью атмосферного воздуха. Поэтому в горах зеленые растения не поднимаются выше 6200 м. Тем не менее, на больших высотах встречаются насекомые и микроорганизмы.

В соответствии со взглядами В.И.Вернадского, вещество биосферы подразделяют на несколько геологически взаимосвязанных типов, важнейшими из которых являются:

• живое вещество - совокупность всех живых организмов Земли;

• биогенное вещество - органические и органоминеральные про­дукты жизнедеятельности организмов (например, каменный уголь, нефть, известняки);

• биокосное вещество - вещество, созданное одновременно живы­ми организмами и косными процессами (например, почва, океаническая вода );

• косное (неживое) вещество - горные породы неорганического происхождения.

В пределах биосферы всюду присутствует либо живое вещество, либо следы его биохимической деятельности в форме биогенного и биокостного вещества.

По современным оценкам (A.M.Рябчиков, 1980), масса биосферы, включая все органическое вещество геосфер, занятых биосферой, составляет (2,5-3)* 10¹⁸ т, в том числе масса живого вещества Земли приблизительно 2*10¹² т, масса компонентов биогенного вещества - каустобиолитов (нефти, каменного угля и др.) и известняков, соответственно, 3*10 и 5*10 т, масса биокосного вещества, заключенного в почвах, 2*10¹² т (в пересчете на гумус).

В состав биосферы входят:

Геобиосфера — верхняя часть литосферы, населенная геобионтами; гидробиосфера — гидросфера без подземных вод, населенная гидробионтами; аэробиосфера — нижняя часть атмосферы, населенная аэробионтами.

Геобиосферасостоит из террабиосферы (с террабионтами) — поверхность суши, и литобиосферы (с литобионтами) — глубокие слои земной коры. Террабиосфера разделяется на фитосферу — про­странство от поверхности земли до верхушек деревьев (0—150 м), и педосферу (с педобионтами) — почвенный покров (до 2—3 м), нередко сюда включают всю кору выветривания. Литобиосфера (до 2—3 макси­мум до 6 км) включает гипотеррабиосферу (подтеррабиосферу) — слой, где возможна жизнь аэробов (до 1 — 1,5 км), ее нижняя граница совпадают с нижней границей подземной тропосферы (почвенным и подпочвенным воздухом) и теллуробиосферу (глубинобиосферу) — слой, где возможно обитание анаэробов (до 2—3, максимум до 6 км). Живые организмы в толще литобиосферы обитают в основном в по­рах горных пород, заполненных подземными водами.

Гидробиосфера включает маринобиосферу или океанобиосферу (с маринобионтами) — моря и океаны и аквабиосферу (с аквабионтами) — континентальные, главным образом, пресные воды, которая в свою очередь разделяется на лиманоаквабиосферу — стоячие континентальные воды и реоаквабиосферу — проточные континентальные воды. Кроме того, гидробиосфера делится на слои связанные, главным образом, с интенсивностью света: фото(био)сферу — относительно ярко освещенный слой (до 150—200 м), дисфото (био)сфе-ру — всегда сумеречный слой — проникает до 1 % солнечной инсоля­ции (от 200 м до 1,5—2 км), афото(био)сферу — слой абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез (глубже 1,5—2 км).

Аэробиосфера состоит из тропобиосферы (с тропобионтами) — слой от вершин деревьев до высоты наиболее частого расположе­ния кучевых облаков (до 5—6 км), постоянно населенный живыми организмами,более тонкий,чем атмосферная тропосфера, и стратобиосферы (со стратобионтами), или альтобиосферы (с альтобионтами), — слой (от 5—6 до 6—7 км), где могут постоянно существовать микроорганизмы, главным образом в виде спор.

Лимитирующим фактором развития жизни в аэробиосфере служит наличие капель воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности земли. На больших высотах в горах (около 6 км) расположена высотная часть террабиосферы — эоловая зона. Здесь уже невозможна жизнь высших растений и вообще организмов-продуцентов, но ветры приносят сюда с более низких вертикальных поясов органическое вещество и при отрицательных температурах воздуха еще достаточно тепла от прямой солнечной инсоляции для существования жизни. Это царство членистоногих и некоторых микроорганизмов — эолобионтов. Еще одним лимитирующим фактором проникновения жизни вверх является жесткое космическое излучение. На высоте 22—24 км от поверхности Земли наблюдается максимальная концентрация озона — озоновый экран. Озон образуется из кислорода воздуха под действием солнеч­ной радиации (0₂ —» 0₃). Озоновый экран отражает губительные для живых организмов космические излучения и частично ультрафиолетовые лучи.

Выше аэробиосферы расположена парабиосфера — слой (между 6—7 и 60—80 км), куда жизнь проникает лишь случайно и не часто, где организмы могут временно существовать, но не могут нормально жить и размножаться. Еще выше расположена апобиосфера, или «надбиосфера» (выше 60—80 км), куда никогда даже случайно не подни­маются живые организмы, но в незначительном количестве заносятся биогенные вещества (ее верхняя граница трудноуловима).

Жизнь в океанах достигает их дна. Живые организмы встречаются даже на глубине более 11 км, где температура воды около 200°С, но из-за высокого давления вода не кипит. Ниже, в базальтах, жизнь едва ли возможна.

Проникновение жизни в глубь литосферы ограничено высокими температурами земных недр и наличием жидкой влаги. В глубинах литосферы есть два теоретических предела распространения жизни — изотерма 100°С, ниже которой при нормальном атмосферном давле­нии вода кипит, а белки свертываются, и изотерма 460°С, где при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна (глубина 25 км). Перегретая жидкая вода обнаружена в литосфере до глубин 10,5 км. Нижняя граница жизни по литосфере фактически не опускается глубже 3—4, максимум 6—7 км на суше, и не более 1—2 км ниже дна океана.

Ниже геобиосферы расположена гипобиосфера («подбиосфера» — аналог парабиосферы в атмосфере) — слой, куда жизнь проникает лишь случайно и может здесь временно существовать, но не жить и размножаться. Еще ниже залегает метабиосфера — слой биогенных (преобразованных жизнью) пород, в котором ныне живые организмы не присутствуют (до 10—15 км). Образно выражаясь, это «следы былых биосфер». В ее нижней части процессы метаморфиз­ма горных пород стирают признаки жизни. Под метабиосферой расположена абиосфера («небиосфера») — слои литосферы, не испытывающие сейчас и никогда ранее не подвергавшиеся влиянию живых организмов (глубже 10—15 км).

Кроме того, разделяют такие понятия как эубиосфера, метабиосфера и панбиосфера. Эубиосфера (собственно биосфера) — слой между верхней границей гипобиосферы и нижней границей парабиосферы. Это область наиболее активной современной жизни. Мегабиосфера — эубиосфера вместе с гипобиосферой и метабиосферой вглубь, и до озонового экрана вверх, т.е. область нынешнего и прошлого воздействия жизни на природу Земли. Панбиосфера — мегабиосфера с артебиосферой (пространством человеческой экспансии в околоземной Космос). Это оболочка Земли, преобразованная нынешней и прошлой жизнью и человеческой деятельностью. Вертикальная мощность эубиосферы в океанической области Земли достигает более 17 км, в сухопутной — 12 км. Мощность мегабиосферы — 33-35 км.

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ.

1. Живое вещество — живые организмы, населяющие нашу планету.

2. Косное вещество — неживые тела, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, неко­торые осадочные породы).

3. Биогенное вещество — неживые тела, образующиеся в результате жизнедеятельности живых организмов (некоторые осадоч­ные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.).

4. Биокосное вещество — биокосные тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологи­ческих процессов (почвы, илы, кора выветривания и др.).

5. Радиоактивное вещество — атомы радиоактивных элементов (например, уран (²³⁸U, ²³⁵U), торий (²³²Th), радий (²²⁶Ra) и радон (²²²Rn, ²²⁰Rn), калий (⁴⁰К), рубидий (⁸⁷Rb), кальций (Са), цирконий (⁹⁶Zr), тритий (³Н), бериллий (⁷Ве, ¹⁰Ве)и углерод (¹⁴С) и др.

6. Рассеянные атомы — отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (в таком состоянии часто существуют атомы микро- и ультромикроэлементов: Mn, Co, Zn, Си, Аи, Нд и др.)

7. Вещество космического происхождения — вещество, поступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, космическая пыль).

Живое вещество биосферы обладает уникальными особенностями, обусловливающими его крайне высокую преобразующую деятельность (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,т.е. 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 обусловливаются концентрацией в нем больших запасов энергии.По В.И. Вернадскому, по энергетической насыщенности с живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов.

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. Основной источник биогеохимической активности организмов — солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некото­рыми микроорганизмами для создания органического вещества, обеспечивающего пищей и энергией все остальные организмы.

2. Газовая — способность изменять и поддерживать определен­ный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частно­сти, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи пита­ния обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органи­ческие остатки, известняки и т.п.). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси, в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03 %. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, образова­нию озона и другим процессам. С газовой функцией живого веще­ства связаны 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 ультрафиолетовых лучей выпол­няла вода, под слоем которой возможна была жизнь).

Концентрационная — «захват» из окружающей среды живы­ми организмами и накопление в них (в большей степени, чем в окружающей среде) атомов биогенных химических элементов. Питание, дыха­ние и размножение организмов и связанные с ними процессы созда­ния, накопления и распада органического вещества обеспечивают по­стоянный круговорот вещества и энергии. С этим круговоротом свя­зана миграция атомов химических элементов (прежде всего биоген­ных — С, Н, О, N, P, S, Fe, Mg, Ca, Na, К, Mo, Mn, Cu, Zn и др.). В ходе биогеохи­мических циклов атомы большинства химических элементов проходи­ли через живое вещество бесчисленное число раз. Так, например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ — за 200 (300) лет, а вся вода биосферы — за 2 млн лет. Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из среды обитания различные элементы, например, железобактерии накапливают железо; простейшие фораминиферы, а также многие моллюски и кишечнополостные — кальций; хвощи, диатомовые водоросли, радиолярии и др. — кремний; губки — йод; асцидии — ванадий, и т.д. 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 помощью живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов эле­ментов с переменной валентностью (Fe, Mn, Сг, S, P, N, W), 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. К средообразующим свойствам растительного покрова относятся: создание микроклимата, очистка воздуха и вод от загрязняющих веществ, усиление питания грунтовых вод, защита почв от эрозии и т.п.

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, биосферу можно также определить как сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.

Биосфера обладает рядом свойств.

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 (отрицательными и положительными) связями, которые, в конечном счете, обеспечивают механизмы ее функционирования и устойчивости. На понимании целостности биосферы основывается 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.

Горизонтальная зональность и высотная поясность.Общебиосферной закономерностью является горизонтальная 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. Зональный 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 иальпийских 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.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 2 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.

Круговорот веществ — многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном поступлении (потоке) внешней энергии Солнца и внутренней энергии Земли.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два.

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.