5 Динамика биосферы
Первопричиной динамики биосферы является поток поступающей на Землю солнечной энергии. Проходя через атмосферу и попутно взаимодействуя с ней, он определяет совокупность климатических процессов, конкретные состояния которых в каждом месте в каждый момент времени называют погодой. Именно постоянные изменения погодных условий служат главной причиной разнообразных колебательных изменений в природе биосферы. Как известно, атмосфера нагревается неравномерно, что в свою очередь заставляет воздух постоянно перемешиваться; при этом неоднородность земной поверхности весьма осложняет указанное перемешивание. При этом необходимо учитывать и воздействие материков и океанов. Так, материки усиливают температурные контрасты: зимой вблизи полюсов они сильнее охлаждаются, а летом в тропиках сильнее прогреваются. Напротив, океаны эти контрасты ослабляют.
Воздушные потоки в жизни биосферы играют большую роль. Благодаря им доставляются сотни миллиардов тонн воды из океанов, которые далее увлажняют сушу, они же приносят почти весь необходимый для жизненных процессов йод. Однако в результате воздействия многих факторов траектории воздушных потоков периодически отклоняются от средних положений. Из-за этого в различных местах Земли наступают заморозки или оттепели, засухи или дожди, стихийные бедствия или, напротив, периоды устойчивости природных факторов.
Огромную роль в динамике биосферы играют геокосмические ритмы; их значение было показано А.Л. Чижевским. В частности, была установлена связь колебаний численности видов живых существ, урожаев, динамики заболеваемости населения с солнечными процессами. Однако следует иметь в виду, что космические ритмы очень разнообразны. Так, наряду с хорошо изученными 11,5-летними солнечными циклами существует множество других – от одномесячных лунных до длящихся миллиарды лет галактических ритмов. Налагаясь друг на друга, эти ритмы оказывают сложные интегральные воздействия на живые организмы, характер которых до сих пор до конца не ясен.
Ныне, на динамику биосферы огромное влияние оказывает человеческая деятельность. При этом она, согласно Ю.Н. Куражковскому, в отличие от естественных экологических факторов, обусловливает не колебательные, а преимущественно поступательные изменения природы.
6 Причины устойчивости биосферы
Уникальность нашей планеты состоит в том, что на ней есть жизнь, которая пронизывает не только водную и воздушную сферы, но и часть земной толщи. Что же позволяет жизни во всех ее формах и проявлениях быть достаточно устойчивой во времени и пространстве?
Магнитное поле Земли. Подсчитано, что каждую секунду на площадку в 1 м2 через границу атмосферы из Космоса в направлении земной поверхности влетают более 10 тысяч заряженных частиц со скоростями, близкими к световой. Характеризуясь огромной энергией, космическое излучение способно за относительно короткий срок разложить на ионы и электроны весь воздух атмосферы, а, следовательно, уничтожить жизнь на планете. Однако этого, к счастью, не происходит. Дело в том, что Земля представляет собой своеобразный магнит, его силовые линии окружают земной шар и образуют вокруг него магнитосферу, которая защищает живые организмы от солнечного ветра. Итак, магнитное поле есть важнейший защитник жизни на Земле, без которого она не смогла бы зародиться в прошлом, не смогла бы сохраниться в настоящем. Но наряду с этим есть и другие факторы стабильности, порожденные самим живым веществом биосферы.
Озоновый слой биосферы. Важнейшим фактором возникновения и развития биосферы стало создание автотрофными организмами кислородной среды на стыке трех оболочек Земли: литосферы, гидросферы и атмосферы. Наполнение атмосферы кислородом способствовало появлению в ней озона. Образование озона в стратосфере связано с реакцией фотодиссоциации поступающего туда молекулярного кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца с длиной волны менее 200 нм:
Взаимодействие образовавшегося атомарного кислорода с молекулой последнего (в присутствии третьих частиц – катализатора) ведет к образованию озона:
Основное количество озона сосредоточено в стратосфере на высотах 15…25 км (верхняя граница, его распространения – до 45 км), где он образует озоновый слой или озоносферу. Основная масса озона образуется в экваториальной зоне и распространяется затем атмосферными движениями к полюсам. У поверхности Земли озон появляется только во время грозовых разрядов. В разных широтных зонах Земли слой озонного максимума располагается на разных уровнях: в полярных районах на высоте около 20 км, в тропиках – 25…26 км, а в умеренных широтах – между этими уровнями. 85…90 % озона находится в стратосфере, а остальное – в тропосфере. Расчеты показали, что если все содержащиеся в атмосфере молекулы озона равномерно распределить над поверхностью Земли, то толщина образовавшейся оболочки составит лишь около 3 мм для среднегодовых среднеглобальных условий (т.е. при температуре у поверхности Земли 15 °С и давлении 1 атм.). Для сравнения: толщина слоя, образованного всеми газами земной атмосферы при тех же условиях, составит примерно 8 км. Несмотря на крайне низкое количественное содержание, этот газ имеет неоценимое эколого-биологическое значение, так как слой озона практически полностью поглощает поток коротковолновых УФ-лучей Солнца с длиной волны 200…280 нм и около 90 % ультрафиолетового излучения с длиной волны 280…320 нм. Таким образом, озоновый слой является охранным щитом от жесткого, короче 280 нм, УФ-излучения, крайне опасного для всего живого на планете.
Добавим, что от поглощения озоном ультрафиолетовой солнечной радиации во многом зависит и температура атмосферы: стратосферный воздух нагревается на несколько десятков градусов, при этом максимальный нагрев приходится на слой 40…45 км в высоких широтах весной и летом. Кроме того, озон интенсивно поглощает инфракрасную (тепловую) радиацию, причем особо в середине «окна прозрачности» (8…13 мкм), в котором «не срабатывает» водяной пар – основной атмосферный поглотитель и излучатель. Поэтому вертикальное распределение температуры атмосферы, а, значит, ее радиационный режим и циркуляция прямо зависят от поведения атмосферного озона. Сам же озон, вследствие указанной способности поглощать ИК-излучение, относят к так называемым парниковым газам, способствующим потеплению в тропосфере.
Наконец, укажем также, что благодаря наличию кислорода в атмосфере сгорает (окисляется) огромное, исчисляемое миллионами тонн, количество космического вещества (метеориты, кометы, и т.п.), пришедшего из Космоса. В противном случае постоянная бомбардировка поверхности планеты создала бы для живых организмов, в том числе и человека, множество проблем. Уместно вспомнить поверхность безатмосферной Луны, покрытую оспинами малых и больших кратеров.
Высокое разнообразие организмов в биосфере. В биосфере всё связано со всем и все нужны всем. Стабильность биосферы в значительной степени основывается на высоком видовом разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределения энергии.
Редуцентное звено биосферы. Помимо рассмотренных, есть малозаметные или даже невидимые хранители жизни. Ткани и органы отмерших растений и животных под воздействием специфических организмов-редуцентов подвергаются деструкции, т.е. распадаются. Вещества, которые входили в их состав, вновь становятся доступными для повторного усвоения.
В процессе разложения органики участвуют (одновременно или поочередно) многочисленные беспозвоночные животные, грибы, бактерии, которые составляют вместе редуцентное звено глобальной экосистемы. В частности, грибы осуществляют деструкцию клеточных оболочек растений; мелкие животные измельчают и при этом частично разрушают растительные и животные остатки. Окончательное разложение до исходных веществ (воды, диоксида углерода и др.) преимущественно осуществляют редуценты-бактерии. Рассмотрим подробнее процессы, протекающие при попадании мертвого органического вещества в почву. Все разновидности последнего подвергаются в ней биологическому разложению и окислению – гумификации, и, в конце концов, превращаются в довольно стабильную субстанцию почвы – гумус. Таким образом, образование гумуса, обеспечивающего плодородие почв, есть следствие биохимических ферментативных процессов, которые осуществляются обитателями почвы.
Ученые подсчитали: при потере биосферой только микроорганизмов-деструкторов, всего за 10 лет на Земле скопилось бы такое количество отбросов, при котором жизнь стала бы невозможной.
Итак, биосфера теснейшим образом связана с Космосом. Потоки космической энергии создают на Земле условия, обеспечивающие жизнь. При этом находящееся за пределами биосферы магнитное поле Земли, возникшее задолго до появления жизни, а также озоновый экран, являющийся порождением живого вещества планеты, защищают жизнь на ней от губительного космического излучения и интенсивной солнечной радиации. С другой стороны, находясь, образно говоря, между молотом и наковальней (снаружи – враждебный Космос, внутри Земли – огромное раскаленное ядро), жизнь активно ищет пути поддержания своего существования и развития. Отсюда следует вывод, что стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Жизнь на планете Земля сама стабилизирует и, согласно В.И. Вернадскому, «как бы само создает себе область жизни». Это закладывает основу для длительного ее развития.
Здесь уместно привести принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящем экологическую Систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.
Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями. На это, в частности, указывает правило одного процента: изменение энергетики природной системы в среднем на 1 % выводит последнюю из состояния гомеостаза (равновесия). Данное правило подтверждается исследованиями в области глобальной климатологии и других геофизических, а также биофизических процессов. Так, все крупные природные явления на поверхности Земли (извержения вулканов, мощные циклоны, процесс глобального фотосинтеза и т.п.), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1 % энергии солнечного излучения, попадающего на поверхность Земли. Переход энергетики процесса за это значение обычно приводит к резким аномалиям – климатическим отклонениям, переменам в характере растительности, крупным лесным и степным пожарам. Все это следует учитывать при планировании отдельных видов хозяйственной деятельности глобального масштаба. То же самое, очевидно, относится и к военным конфликтам с применением оружия массового поражения.
Вопросы для самоконтроля
Распределение биогеоценозов на Земле.
Динамика биосферы.
Причины устойчивости биосферы.
Лекция 10