1. Общие сведения о биосфере: иерархическая структура биосферы; вещественный состав среды обитания; химические элементы в организмах

На роль жизни при формировании земной коры в 1802 г. обратил внимание (без употребления самого термина) французский ученый Ж. Б. Ламарк. Практически одновременно с ним сферу жизни в своих работах выделил А. Гумбольдт. Термин биосфера ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс, который отмечал, что в области взаимодействия атмосферы и гидросферы с литосферой следует выделить самостоятельную оболочку – биосферу. В России большой вклад в учение о биосфере сделан В. И. Вернадским [1]. Он дал такое определение этому понятию:

«Биосфера - единственная область земной коры, занятая жизнью. Только в ней, в тонком наружном слое нашей планеты, сосредоточена жизнь: в ней находятся все организмы, всегда резкой, непроходимой гранью отделенные от окружающей их косной материи».

Границы биосферы обусловлены пределами устойчивого существования организмов:

• верхняя граница определяется губительным для живых существ, приходящим из космоса жестким электромагнитным излучением (прежде всего, ультрафиолетовым излучением Солнца). В гидросфере организмы проникают на всю глубину Мирового океана, т.е. до 10–11 км;

• нижний предел существования жизни в литосфере связан с повышением температуры, а также наличием воды и достигает глубин 5–7 км.

Таким образом, биосфера включает в себя часть атмосферы, гидросферу, верхний слой литосферы.

Для биосферы характерны следующие особенности.

1. На нее падает поток солнечной энергии;

2. В ней содержится вода;

3. Здесь проходят границы раздела между твердой литосферой, гидросферой и атмосферой, что является предпосылкой для активного обмена веществом и энергией между биотой и окружающей средой.

Организмы приспосабливаются к жизни даже при экстремальных условиях, так споры некоторых низших растений выдерживают температуры до -200°С., а бактерии встречаются в горячих источниках при температуре до 100°С и в океанских гидротермах при температурах 200-250°С.

Вещество биосферы представлено:

• совокупностью живых организмов;

• биогенным веществом, созданным и переработанным жизнью;

• косным веществом, в образовании которого организмы не участвуют;

• биокосным веществом, в формировании которого участвуют организмы и косные процессы.

По современным представлениям биосфера представляет гигантскую биокосную систему. Необходимую для существования энергию биота получает, поглощая солнечное излучение и синтезируя органическое вещество. При этом происходит разложение неорганического вещества и избирательное накопление определенных элементов. В процессе жизнедеятельности организмов происходит минерализация органического вещества и преобразование физико-химических параметров среды.

1.1.Иерархическая структура биосферы

В биосфере Вернадский выделил пять основных феноменов.

1. Жизнь (тайна ее возникновения до сих пор не разгадана).

2. Организм (термин относится к любому существу от микроорганизма до человека).

3. Биоразнообразие (многообразие видов не случайно).

4. Экосистема (структурная единица, связывающая разные виды и среду их обитания).

5. Биосфера (самая крупная система, охватывающая все формы жизни планеты).

Согласно Вернадскому структурной единицей, с которой начинается живая материя, является организм, который всегда изолирован от окружающей его среды. Организмы одного вида объединяются в популяции, более или менее постоянно проживающие на одной территории, а популяции разных видов, обитающие на одной территории, образуют экосистемы. Термин предложил в 1935 г. английский ботаник А. Тенсли.

Экосистема - это единый природный или природно-антропогенный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, которые связанны между собой обменом вещества и энергии.

Биосфера представляет иерархию экосистем разного уровня. В ней выделяют, исходя из особенностей среды обитания, континентальную и океаническую экосистемы (рис. 1). Они, в свою очередь, включают менее крупные экосистемы, деление которых зависит от климатических условий: в высоких широтах – арктический и антарктический типы, в экваториальных широтах – экваториально-тропический тип. Соответственно отмечают переходные типы: тундровый, лесостепной и др. Внутри этих экосистем условия обитания неоднородны. В водной среде развитие биоты определяют глубина, температура, газовый и солевой состав воды. Поэтому более мелкими морскими экосистемами являются шельф, коралловые рифы, акватории открытых морей и т. д. На континентах условия существования организмов определяют ландшафты (географические особенности) и климат. Здесь выделяют экосистемы тундры, степей, пустынь, влажных тропических лесов и др. В свою очередь каждая из перечисленных экосистем включает более мелкие экосистемы, несколько отличающиеся по условиям существования биоты.

Рис. 1. Иерархия экосистем биосферы

Параметрами, определяющими влияние биоты на геосферы Земли, является общая масса организмов и их продуктивность.

В пересчете на сухое вещество масса биоты составляет около 240 млрд т. Она почти целиком сосредоточена на суше. В океанах находится всего 0,2 млрд т. Это следствие быстрого круговорота веществ в океане. По оценкам (Г. А. Заварзин) не менее 50% массы биоты составляют микробы, из которых около трети приходится на моря и океаны. На суше основная биомасса – симбиотические почвенные бактерии.

Годовая продукция биоты оценивается в 164 – 300 млрд т сухого вещества (Дж. Вудвелл 1972 г. и С. С. Шварц 1975 г.). Около 75% дает суша и около 25% океан. Продуктивность сильно зависит от условий обитания (рис.2). Тропики, составляя 5% территории суши, дают около 33% продукции. Наиболее активная часть континентальных экосистем – почва, в которой сосредоточена основная масса органического вещества. В гидросфере жизнь сосредоточена на шельфе.

Рис. 2. Производительность экосистем биосферы