Структура и функциональное строение биосферы. Вернадский, в отличие от предшественников, наполнил понятие биосферы глубоким, систематически обоснованным научным содержанием.

Биосфера по Вернадскому – область распространения жизни, включающая наряду с организмами и среду их обитания, которая в ходе эволюции закономерно жизнью переработана и организована.

Следовательно, биосфера есть геологическая оболочка Земли, переработанная жизнью и космическими излучениями, границы которой определяются наличием живых организмов. Итак, в биогеохимическом аспекте это оболочка Земли, в пределах которой распространена жизнь, оболочка, включающая тропосферу, гидросферу и часть стратисферы (кору выветривания), состав которых определяется деятельностью живых организмов, результатом их совокупной химической активности в настоящем и прошлом.

Определяя биосферу как естественно-природное явление, Вернадский в основе видит, прежде всего, процесс – космопланетарную эволюцию Земли и роль в этой эволюции живого вещества как главного системообразующего фактора биосферы. Биосфера в условиях Земли является своеобразным вместилищем живого вещества, она включает его как основу.

В книге под названием «Биосфера»(1926) биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты. «Биосфера – организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». В работах по биосфере ученый показал, что взаимодействие живого вещества с веществом косным есть часть большого механизма земной коры, благодаря которому происходят разнообразные геохимические и биогенные процессы, миграции атомов, осуществляется их участие в геологических и биологических циклах.

Биосфера предстает как сложная саморегулирующаяся космопланетарная система. В то же время биосфера – это активно функционирующая система, поглощающая солнечную энергию и космические излучения и превращающая ее в высокоорганизованные живые и биокосные тела. Почти за 4 млрд. лет живым веществом биосферы геохимически переработана верхняя часть литосферы Земли, а состав тропосферы и гидросферы есть в основном ее производные. По-видимому, космопланетарные связи во всех этих отношениях значительно многообразнее и космопланетарное единство значимо для процессов эволюции Земли, ее биосферы, включая и человечество. Многочисленные результаты современных астрофизических исследований все более подтверждают эту мысль Вернадского. Имеет место некое установившееся динамическое равновесие – материально-энергетический обмен планеты с окружающей ее космической средой.

Таким образом, биосфера, по В.И. Вернадскому, представляет собой одну из геологических оболочек земного шара, глобальную экосистему Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов - живого вещества.

Основу биосферы составляет живое вещество планеты – это совокупность живых организмов, которые, взятые вместе, выступают как один тип вещества, характеризующийся массой, средним химическим составом, запасом свободной энергии и характерными функциями в биосфере.

Предложенная Вернадским новая мерка изучения жизни, совершенно отличная от обычной, позволила «внести меру и число в систематическое изучение капризного явления жизни» (Б.Л. Лисичков). Это дало возможность количественного учета биомассы и биологической продуктивности различных экосистем и обобщений на базе не качественных зависимостей биологии, а на основе точных количественных наблюдений. Интересно, что количественный учет живого вещества биосферы проводился по Международной биологической программе, проводится в настоящее время по программе «Человек и биосфера», он стал достоянием экологов, и это одно из крупнейших достижений современной науки.

Вернадский рассматривал биосферу как оболочку Земли, населенную живыми организмами и продукты их жизнедеятельности, подчеркивая также, что состав биосферы определяется деятельностью живых организмов, является результатом их совокупной химической активности в настоящем и прошлом.

Вернадским были определены основные компоненты, слагающие биосферу.

• Живое вещество – совокупность организмов растительного, животного мира и микроорганизмов. Распределение живого вещества на планете неравномерно. «Сгущение жизни» (биомасса) наиболее велико в приземном слое и не превышает несколько десятков метров в высоту, а по горизонтали наиболее велико в экваториальных тропических лесах и наименьшее в пустынях и зонах полюсов. Человечество входит в эту систему как ее составная часть: "Человечество как живое вещество непрерывно связано с материально-энергетическими процессами определенной геологической оболочки Земли - с ее биосферой. Оно не может физически быть от нее независимым ни на одну минуту" (В.И.Вернадский, 1944).

• Биогенное вещество – геологические породы, созданные деятельностью живого вещества. Они подразделяются на фитогенные, состоящие в основном из растительных остатков (напр., каменный уголь), и зоогенные породы, состоящие из остатков животных организмов (напр., меловые отложения). Вернадский считал, что земная кора представляет собой остатки былых биосфер.

• Косное вещество – геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими (горные породы, в основном магматического неорганического происхождения, слагающие земную кору). Различные специфические компоненты косного вещества и энергетические потоки (планетарные и космические) включаются в многокомпонентную иерархическую организованность биосферы, определяемую живым веществом

• Биокосное вещество – новый класс природных систем, в которых живое вещество и неорганическая материя тесно между собой связаны, взаимообусловлены и образуют единое целое. Впервые идея биокосного вещества была выдвинута во второй половине ХХ столетия известным геохимиком и основателем почвоведения В.В. Докучаевым. Классическим примером биокосной системы является почва – поверхностный слой земной коры, которому присущи свойства как живой, так и неживой (косной) природы, продукт преобразования материнской породы (литосферы) под воздействием воздуха, воды и живого вещества, в первую очередь растений и микроорганизмов. Развивая идеи Докучаева, Вернадский сформулировал понятие о биокосных системах («телах» по Вернадскому). Биокосные тела различаются по уровням организации: к более низкому относятся почвы, илы, коры выветривания, водоносные горизонты, к более высокому – ландшафты, к еще более высокому – артезианские бассейны, моря и океаны, к наивысшему – биосфера в целом.

• К компонентам, слагающим биосферу, Вернадский относит также радиоактивное вещество (поступающее в результате естественных ядерных превращений и при извержении вулканов), рассеянные атомы, активно вовлекаемые в процессы миграции вещества, и вещества космического происхождения (космическая пыль, метеориты), оказывающее существенное влияние на тепловой режим планеты и прохождение солнечных лучей к поверхности Земли.

Биогенные и биокосные образования в масштабах геологического времени частично выходят за пределы биосферы и образуют области (фации) других биосфер – таковы, например, мраморовидные известняки, парагнейсы, а возможно и граниты.

Каждая из геологических оболочек планеты имеет свои специфические свойства, определяющие не только набор форм живых организмов, обитающих в данной части биосферы, но и их основные морфофизиологические особенности, формируя своим влиянием принципиальные пути эволюции и становление фундаментальных черт жизненных форм наземных, водных и почвенных организмов. Таким образом, воздушная, водная и почвенная оболочки земного шара представляют собой не просто пространство, заполненное жизнью, но выступают как основные среды жизни, активно формирующие ее состав и биологические свойства.

На границах трех сред: гидросферы, атмосферы и литосферы - происходит интенсивный обмен веществ, причем здесь часто обитает больше видов, чем в близлежащих участках отдельных сред.

Границы биосферы в большей степени условны.

Различают три среды:

1. Аэробиосфера, населенная аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха - специфический слой образованный микроорганизмами.

2. Гидробиосфера - населенный гидробионтами мировой океан и моря.

3. Геобиосфера - населенный геобионтами слой Земли – литосфера.

Верхняя граница биосферы, по Вернадскому, проходит на высоте 15-20 км, охватывая всю тропосферу и нижнюю часть стратосферы, и соответствует озоновому слою планеты, который находится у полюсов в слое 8-30 км, в тропиках – 15-30 км. Основные лимитирующие факторы проникновения жизни в верхние слои атмосферы - наличие капель воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности Земли и космическое излучение (коротковолновые, ультрафиолетовые лучи, губительные для ДНК).

Жизнь в океанах достигает их дна. Живые организмы встречаются и на глубине более 11 км. Нижняя граница биосферы определяется не столь однозначно. Она ограничена областью, в которой по условиям температуры, химической активности, физического состояния вещества явления жизни иметь место не могут - эта граница определяется отложениями на дне океанов (до глубины свыше 10 км) и глубиной проникновения в недра Земли организмов и воды в жидком состоянии, то есть литосфера до слоев с температурой, ограничивающей деятельность бактерий. Считается что это сейсмогенный слой Мохоровичича (слой Мохо или МО).

Вернадский выделяет три явления, которые проявляются с углублением внутрь планеты: 1) повышение температуры по направлению к центру планеты, геотермическая ступень которого в разных местах планеты на одном и том же уровне резко различна в зависимости прежде всего от характера пород; 2) переход воды в газообразное состояние и 3) исчезновение трех физических состояний химических соединений и замена их единым глубинно-планетарным состоянием материи. Он писал, что все эти три процесса наблюдаются повсюду на суше в биосфере по мере углубления и вызываются одной и той причиной. Уже на небольшой относительно глубине температура приближается к 100^оС, при которой живое вещество неизбежно отсутствует.

Нижняя граница биосферы на суше не опускается обычно глубже 3-4 км (максимум 6-7 км) от поверхности земной коры, в Мировом океане - до дна самых глубоких впадин (самая глубокая впадина (11022 м) – Марианская), как правило, не более 1-2 км ниже дна океана.

В работах последнего десятилетия жизни Вернадский не считал границы биосферы постоянными. Он подчеркивал расширение их в прошлом как итог выхода живого вещества на сушу, появления высокоствольной растительности, летающих насекомых, а позднее летающих ящеров и птиц.

Иногда в границы биосферы включают также и области былых биосфер, «стратосферу и стратисферу» - как область распространения живых организмов и продуктов их деятельности и область планеты, где проявляется влияние живого вещества.

Тем не менее, следует согласиться с тем, что живое вещество, будучи лишь частью более сложного, может существовать только в этом целом, только в определенной области Земли - биосфере, а влияние живого вещества и распространение продуктов его деятельности в геологическом времени могут выходить за пределы биосферы, т.е. в ее окружение.

Общая мощность биосферы оценивается от 12 до 16 км.

В биосфере встречаются во взаимодействии космические и планетарно-геологические потоки вещества и энергии. В биосфере эти потоки регулируются и направляются наполняющим ее живым веществом.