Понятие о биосфере Земли
Термин биосфера был предложен в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом. А в 1926 г. В. И. Вернадский создал учение о биосфере, как активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе и человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения. И сейчас, вслед за Вернадским, биосферой называют область активной жизни, оболочку Земли, населенную живыми организмами, охватывающую нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.
Вопрос о вертикальных границах биосферы решается неоднозначно. Наиболее насыщен живыми организмами только нижний слой атмосферы - менее 100 метров над землей, но птица кондор способна подняться на высоту 7 км, а токи воздуха уносят микроорганизмы, бактерии, споры грибов вверх до 10 км. И, принимая во внимание принципиальную возможность существования живых существ, верхнюю границу биосферы проводят на высоте от 20-25 км (озоновый слой) до 30 км; нижнюю от нескольких сот метров (зона гипергенеза) до нескольких километров (где встречаются еще анаэробные бактерии), а в Мировом океане - до самых глубоких впадин. Такое понимание термина биосфера близко к понятию географическая оболочка. При более узкой трактовке этого термина, биосфера - это совокупность всех живых организмов, населяющих географическую оболочку, то есть органический мир или живое вещество.
Живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя динамические системы глобального, регионального и локального уровней. Видовой состав растений, произрастающих на определенной территории, называется флорой; растительность же - это растительные сообщества (фитоценозы) определенной территории или Земли в целом. Аналогично, видовой состав животных - называют фауной, а всех животных, обитающих на какой-либо территории, - животным миром.
Биосфера, как особая оболочка Земли сформировалась в процессе эволюции. Миллиарды лет геологической истории увеличивалось разнообразие живых организмов, усложнялась их организация, возрастала их общая масса и влияние на все оболочки. Растения изменили состав атмосферы: обогатили её кислородом и уменьшили содержание углекислого газа. Химический состав океанских вод сформирован и в значительной степени при фильтрации воды живыми организмами. Большое влияние оказали живые организмы на литосферу. Они принимают активное участие в процессах выветривания, в создании органогенных горных пород (известняков, каменного угля, торфа, по одной из теорий, нефти и др.), а также некоторых форм рельефа, например коралловых островов (атоллов), термитников. Велика роль живых организмов в создании особого природного образования - почвы.
Развитие жизни шло неравномерно. Некоторые виды (например, сине-зеленые водоросли) сохранились с архея до наших дней; другие дали начало возникновению сложных форм живого, вплоть до человека; многие вымерли, не сумев приспособится к меняющимся условиям среды. За всю историю биосферы существовало примерно 500 млн. видов, а в настоящее время их только около 2 млн. видов. Удивительно высока потенциальная возможность размножения живых организмов, и приспособляемость их к условиям среды. Микроорганизмы были обнаружены в исландских гейзерах, имеющих температуру 93 °c. Споры некоторых бактерий сохраняют жизнеспособность при температуре -253 °c. Чтобы захватить всю поверхность планеты, холерной бактерии при благоприятных условиях хватило бы 1,2 суток, комару - 203 дня, а крысе - 8 лет; потомство одного одуванчика через 10-12 лет покрыло бы всю сушу.
Максимальная плотность живого вещества (свыше 90 % общей биомассы) отмечается на поверхности суши, главным образом в тропических лесах (до 500 т/га); минимальная - в высокогорьях, пустынях и полярных областях; в пределах гидросферы биомасса концентрируется в поверхностном (планктонном) слое зоны морского мелководья. Число видов животных (1,5 млн) много больше, чем растений (около 500 тыс.), но по массе вещества растения в тысячу раз превышают массу животных. На суше биомасса растений значительно больше биомассы животных, в океане, наоборот, по массе преобладают животные.
По условиям обитания в органическом мире океана выделяют планктон - пассивно плавающие в воде и не имеющие двигательного аппарата растения (фитопланктон - 70 % биомассы) и животные (зоопланктон); нектон - активно плавающие животные (рыбы, плавающие моллюски, китообразные и др.) и бентос - растения и животные живущие на дне. Общие закономерности географического распределения живого вещества в Мировом океане таковы: в тропиках мала биомасса (менее 0,01 кг/т2), поскольку в теплой воде содержится недостаточное количество кислорода, но велико видовое разнообразие. Повышенная биопродуктивность и биомасса (до 0,5 кг/м2) свойственны районам подъема холодных глубинных вод (зоны апвеллинга) у западных побережий материков; районам расходимости поверхностных течений (зоны дивергенции) в восточных частях Атлантического, Индийского и Тихого океана в умеренных и субтропических широтах. В холодных водах на севере Тихого океана, на стыке Атлантического и Северного Ледовитого биомасса достигает 2 кг/м2, но видовое разнообразие невелико.
Распределение биомассы на суше, в целом, обратно океаническому и важнейшими определяющими факторами здесь являются - количество приходящей солнечной энергии и соотношение тепла и влаги. Количественно это соотношение выражается различными коэффициентами, например, радиационным индексом сухости (отношением радиационного баланса к количеству тепла, необходимому для испарения годовой суммы осадков). Максимум биомассы и видовое разнообразие приходится на влажные экваториальные леса, по мере движения к полюсам биомасса и видовое разнообразие снижается. Однако на этом пути наблюдается еще два пика повышения биомассы (вечнозеленые субтропические леса и смешанные и широколиственные леса умеренного пояса), приуроченных к районам, где тепло и влага сбалансированы, т. е. индекс сухости близок к единице.
Биомасса Земли составляет 1,8 х 1012т сухого вещества и неизмеримо мала по сравнению с массой Земли (около 6 х 1027 т). Однако роль живого вещества огромна. Основные его функции - использование солнечной энергии фотосинтезирующими организмами и биологический круговорот вещества и энергии, который обеспечивает динамику всех жизненных процессов. Сущность круговорота сводится к двум противоположным процессам: созданию органического вещества и его превращению в дальнейшем в простые минеральные вещества. Эти процессы состоят из трех главных этапов: создания в результате фотосинтеза с использованием солнечной энергии органического вещества первичной продукции (при этом выделяется кислород), превращения первичной (растительной) продукции во вторичную (животную), разрушения первичной и вторичной биологической продукции. По способу участия в биологическом круговороте организмы делятся на 3 большие группы: 1) продуценты - производящие органическое вещество из неорганического, в основном это растения; 2)консументы - питающиеся органическим веществом - все животные, грибы, часть дробянок; 3) редуценты - микроорганизмы и грибы, превращающие продукты жизнедеятельности организмов и погибшие организмы в простые неорганические соединения, которые усваиваются из почвы высшими растениями. Ряды видов растений, животных, микроорганизмов и грибов, связанных друг с другом отношениями "пища - потребитель" образуют пищевые цепи или цепи питания. По этим цепям передаются вещество и энергия, а в ряде случаев и вредные и опасные химические соединения, концентрация которых на каждом следующем уровне увеличивается. Иногда это порождает экологические проблемы, а порой приводит и к гибели людей, потребляющих в пищу организмы, накопившие токсины.
Воздействие человека на биосферу возрастает и существенно затрагивает все ее составляющие. Человек создал десятки тысяч новых сортов растений и пород животных, ускоряет эволюцию видов в природе, обогащает природные сообщества путем акклиматизации живых организмов, повышает плодородие почв. В 30-40 годы XX века В. И. Вернадским выдвинуто понятие о ноосфере как о новом состоянии биосферы, при котором главным определяющим фактором ее развития становится разумная деятельность человека. Однако последствия этой деятельности неоднозначны, часто приводят к интенсивному уничтожению естественной растительности, животных, ухудшению условий обитания живых организмов, разрушению почв в результате эрозии и т. д.
В Красную книгу внесено более 320 видов млекопитающих, около 500 видов птиц и около 200 видов рыб, более 680 видов сосудистых растений, находящихся под угрозой исчезновения. Многие виды истреблены полностью. Это, например, странствующий голубь, морская корова, птица дронт. Около 4,5 млн. км2 или 3% территории планеты занято сейчас так называемым антропогенным бедлендом - землями, подверженными эрозии, засолению, заболачиванию и другим негативным процессам, спровоцированным деятельностью человека. Все это в конечном счете ухудшает условия жизни самого человека, порою делая их просто непригодными. Поэтому охрана биосферы, разумное использование ее богатств - одна из важнейших проблем современности.