Тема 10. Биосфера, экосфера, ноосфера

10.1. Общие сведения. Биосфера − это совокупность частей земных оболочек (литосферы, гидросферы и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием, занята продуктами их жизнедеятельности.

10.2. История становления учения о биосфере. На основе наблюдений природных явлений представление о том, что живые существа взаимодействуют с внешней средой и влияет на её изменение, возникло давно. В начале 17 века появились первые представления о биосфере голландских и французских учёных. Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б. Ламарк (1744−1829). Он определил основные элементы современной концепции биосферы. В 1875 г. Определение же “БИОСФЕРА” впервые было введено австрийским геологом Э.Зюссом в 1875 году, который наряду с атмосферой, гидросферой и литосферой выделил в качестве самостоятельной оболочки Земли биосферу — сферу жизни. Однако подробного освещения роли биосферы у Зюсса нет. Значительно более широкое представление о биосфере мы встречаем у В.И.Вернадского (1863−1945), который стал первым исследовать жизнь как единое целое, как геологически своеобразное живое вещество, характеризующееся весом, химическим составом, энергией и геохимической активностью. Он рассматривал биосферу как особое геологическое тело, строение и функции которого определяются особенностями Земли и Космоса. А живые организмы, популяции, виды и все живое вещество – это формы, уровни организации биосферы.

10.3. Биогеохимические принципы. Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных положения, которые Владимир Иванович Вернадский называл «биогеохимическими принципами».

В формулировке В.И. Вернадского они звучат следующим образом:

1 принцип: «Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению».

2 принцип: «Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы» (или в другой формулировке: «При эволюции видов выживают теорганизмы, которые своею жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию»).

3 принцип: «В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало».

Для Вернадского 1-й биогеохимический принцип был тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях.

2-й биогеохимический принцип, по существу, затрагивает кардинальную проблему современной биологической теории − вопрос о направленности эволюции организмов. По мысли Вернадского, преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или «научились» полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах.

3-й биогеохимический принцип также связан со «всюдностью» или «давлением» жизни. Этот фактор обеспечивает безостановочный захват живым веществом любой территории, где возможно нормальное функционирование живых организмов.

10.4. Три способа питания живых организмов. Очень важным для понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845−1920) трех способов питания живых организмов:

− автотрофное − построение организма за счет использования веществ неорганической природы;

− гетеротрофное − построение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

− миксотрофное смешанный тип построения организма (автотрофно−гетеротрофный).

10.5. Современные представления о биосфере. Биосфера − глобальная экосистема. Она не образует сплошного слоя с четкими границами, а как бы «пропитывает» другие геосферы планеты. Биосфера – это совокупность частей земных оболочек (нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхние горизонты литосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием, занята продуктами их жизнедеятельности.

Элементы (структура) биосферы: атмосфера, гидросфера, литосфера, флора (растения), фауна (животные) и микроорганизмы.

Состав биосферы:

−живое вещество – биомассы современных живых организмов;

−биогенное вещество – все формы детрита, а также торфа, угля, нефти и газа биогенного происхождения;

−биокосное вещество – смесь биогенных веществ с минеральными породами не биогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо− и нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных карбонатов);

−косное вещество – горные породы, минералы, осадки, не затронутые прямым биогеохимическим воздействием организмов.

По данным, основанным на содержании энергии или углерода, количества живого, биогенного и биокосного вещества в биосфере, соотносятся как 1:20:4000.

10.6. Роль живого вещества. По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:

химической (биохимической) −1 род геологической деятельности;

механической − 2 род такой деятельности.

Геологическая деятельность 1 рода − построение тела организмов и переваривание пищи, − конечно, является более значительной. Классическим стало функциональное определение жизни, данное Фридрихом Энгельсом: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем, с прекращением этого обмена веществ, прекращается и жизнь».

Сейчас появилась возможность вычислить скорость этого обмена. По данным Л.Н. Тюрюканова, у пшеницы, например, полная смена атомов происходит для фосфора за 15 суток, а для кальция − в 10 раз быстрее: за 1,5 суток. По подсчетам биолога П.Б. Гофмана-Кадашникова, в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеводов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов − бактерий и цианобактерий.

Еще Чарльз Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год. Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1м дождевые черви полностью пропускают через свой кишечник за 200 лет. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 м , чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20−30 см ежегодно проходил через кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами.

Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ, при участии живых организмов.

Биогенная миграция атомов 2 рода − механическая − отчетливо проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почтенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2-4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Биогенная миграция атомов 2 рода распространена не только в наземных, но и в морских экосистемах, и здесь ее роль может быть еще более значительна. Олигохеты и полихеты углубляются в грунт на 40 см и более. Сверлящая деятельность моллюсков фолад вызывает иногда катастрофические последствия. Когда в районе Сочи в результате непродуманного строительства берег обнажился от гальки, он начал отступать со скоростью до 4 м в год. Главным виновником разрушений были фолады, которые заселили каждый метр скального берега, сложенного глинистыми сланцами, и принялись дружно сверлить себе подводные норки. К счастью, был найден выход: берег стали укреплять поперечными стенками, а между ними засыпать гальку. В результате сверлильщики были уничтожены, движущаяся под ударами волн галька перемолола их, А в Западной Европе не менее опасную деятельность проводит случайно завезенный из Китая мохнаторукий краб − он проник во многие реки, и, строя свои норы, подрывает берега и разрушает плотины.

К биогенной миграции 2 рода можно отнести и перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно., что все эти разнообразные формы движения живого вызывают и транспортировку небиогенного вещества.

Особую роль в биосфере играют биологические круговороты, где важнейшим процессом является фотосинтез, осуществляемый растительностью планеты, которая оказывает влияние на все компоненты природного комплекса биосферы – атмосферу, гидросферу, почву, животный мир. Велика роль растений в жизни человеческого общества. Они создают необходимую среду существования и снабжают её различными веществами. Перенос вещества и энергии осуществляется затем посредством пищевых цепей.

К своеобразной разновидности круговоротов в биосфере относятся её ритмические изменения. Ритмикой называется повторяемость во времени комплекса процессов, которые каждый раз развиваются в одном направлении. При этом различают две её формы: периодическую – это ритмы одинаковой длительности (время оборота Земли вокруг оси) и циклическую – ритмы переменной длительности. Периодичность в биосфере проявляется во многих процессах: тектонических, осадконакоплении, климатических, биологических и многих других. Ритмы бывают разной продолжительности: геологические, вековые, внутривековые, годовые, суточные и т.д.

Ритмичность – это форма своеобразной пульсации биосферы как целостной системы, причём ритмы, как и круговороты веществ, замкнуты в себе. Знание и учёт ритмических явлений необходимы при рациональном природопользовании и охране естественных ресурсов нашей планеты.

10.7. Теория биосферы. Эксперимент с компьютерными моделями, имитирующими динамику биосферы (по количественной проверке гипотезы К.Сагана о возможной ядерной зиме и ядерной ночи) после крупномасштабного обмена ударами водородными бомбами показал, что во всех тех случаях, когда интенсивность воздействия превосходила некоторый порог (энергия воздействия порядка 2-3 тысяч мегатонн), биосфера никогда не возвращалась в исходное состояние. Совершенно иной становилась циркуляция атмосферы, менялась структура океанических течений, структура осадков и, конечно, распределение температур, а значит, и распределение биоты (если она сохранится после катаклизма). Другими словами, Земля после столь мощного воздействия переставала быть похожей на ту Землю, которую мы знаем в четвертичном периоде. И эта новая Земля уже не могла служить ойкуменой человечества: биота сохранится очень обедненной и, самое главное, без людей!

Итак, возникает новая фундаментальная наука. И она носит прикладной характер, поскольку эта дисциплина сделается научной базой судьбоносных решений для человечества. Переход биосферы из одного состояния в другое вовсе не обязательно требует мгновенных сверхнагрузок, как при атомных взрывах и последующих пожарах. Катастрофа может подкрасться и незаметно. И стратегия развития человечества не просто должна быть согласована с развитием биосферы, но должна быть такой, чтобы развитие биосферы происходило в нужном для человечества эволюционном канале.