Биосфера — оболочка жизни

Планета Земля уникальна среди других планет Солнечной системы. Только на ней в тонком слое, где взаимодействуют вода (гидросфера), земля (литосфера) и воздух (атмосфера), обитают живые организмы, в том числе и человек. Этот слой называется биосферой — от греческих слов «биос» (жизнь) и «сфера» (шар).

Биосфера — это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. В нее входят не только растительный покров и животные, населяющие нашу планету, но и все реки, озера, моря, океаны, весь почвенный слой и самый верхний слой земной коры — зона выветривания, а также значительная часть атмосферы. Верхняя граница биосферы на­ходится на высоте 15—20 км от поверхности земли, в стратосфере. Верхний предел жизни ограничивается ультрафиолетовыми лучами и космическими излучениями. Нижняя граница жизни проходит по ли­тосфере на глубине 2—3 км (здесь в нефтеносных слоях были обна­ружены бактерии) и по дну океана в гидросфере. Жизнь в основном сосредоточена в верхней части литосферы — в почве и на ее поверх­ности — ив верхней части гидросферы. Таким образом, средняя тол­щина биосферы составляет 12—17 км, а максимальная не превышает 33—36 км (рис. 9).

Термин «биосфера» ввел австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г., понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «лик Земли». Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. Основы этого учения он изложил в своей книге «Биосфера», опубликованной в 1926 г. Идеи В. И. Вернадского намного обогнали научный уровень той эпохи, в которой он работал. Он доказал, что совокупность живых организмов, когда-либо обитавших и обитающих на Земле, играет огромную роль в ее геологической эволюции, а также во всех физи­ческих и химических процессах, протекающих на земной поверхности и в толще вод.

89

На первый взгляд, роль «живого вещества» сильно завышена. Ведь доля совокупности всех живых организмов даже в общей массе Земли, но в пределах ее современной биосферы составляет лишь 0,25 %. Кроме того, как уже было сказано, все живое вещество Земли сосре­доточено в очень узкой части пространства, прилегающего к земной поверхности. Однако высказанные великим ученым взгляды о ведущей роли живого вещества в образовании современного химического состава атмосферы, гидросферы и части литосферы получили разностороннее подтверждение.

В. И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, вклю­чающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимосвязанных типов ве­ществ: 1) живое вещество, 2) биогенное вещество (горючие ископаемые, известняки и т. п., создаваемые и перерабатываемые живыми орга­низмами), 3) косное вещество, образованное в результате процессов, в которых живые организмы не участвуют (например, горные породы, возникающие при извержении вулканов), 4) биокосное вещество, со­здаваемое одновременно живыми организмами и процессами неор­ганической природы (например, почва), 5) радиоактивное вещество, 6) рассеянные атомы, 7) вещество космического происхождения (ме­теориты, космическая пыль).

Центральным звеном в концепции В. И. Вернадского является представление о живом веществе. «Живые организмы,— писал Вер­надский,— являются функцией биосферы и теснейшим образом мате­риально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологи­ческой силой, ее определяющей. Для того, чтобы в этом убедиться,

90

мы должны выразить живые организмы как нечто целое и единое. Так выраженные организмы представляют живое вещество, то есть совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в весе, в энергии. Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением».

Живые организмы обладают очень высокой геохимической актив­ностью. Они способны усваивать солнечную энергию в процессе фо­тосинтеза и использовать ее для образования сложных соединений из простых веществ, имеющихся на Земле. Деятельность живых организ­мов дает начало многочисленным цепочкам физико-химических пре­вращений веществ — распаду, трансформации и синтезу, В результате этих превращений формируются «биокосные природные тела», объемы которых вполне позволяют сопоставить биосферу с другими земными оболочками. В течение миллиардов лет живое вещество на Земле использовало и трасформировало в ходе образования биокосных тел колоссальное количество солнечной энергии. Довольно значительная доля этой энергии заключена в недрах Земли в виде полезных иско­паемых органического происхождения (уголь, нефть). Однако еще большее количество на протяжении геологической истории планеты было использовано для формирования различных горных пород био- косного происхождения — от осадочных известняков до значительной части железных руд, а также для накопления огромных масс солей, растворенных в воде океанов, и, наконец, кислорода, входящего в состав земной атмосферы.

«Можно без преувеличения утверждать,— писал В. И. Вернад­ский,— что химическое строение наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни, определяется жи­выми организмами. Несомненно, что энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет космическое происхождение. Она исходит из Солнца в форме лучистой энергии. Но именно живые организмы, совокупность жизни, превращают эту космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Это живые организмы, которые своим дыханием, своим пи­танием, своим метаболизмом, своей смертью и своим размножением, постоянным использованием своего вещества, а главное — длящейся сотни миллионов лет, непрерывной сменой поколений, своим рож­дением и размножением порождают одно из грандиознейших пла­нетных явлений, не существующих нигде, кроме биосферы». Био­сфера, по учению В. И. Вернадского, не просто совокупность живых организмов, а единая термодинамическая оболочка Земли, в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическим миром. Более того, жизнь — это свя­зующее звено между космосом и Землей, которое способно исполь­зовать энергию, приходящую из космоса, трансформировать ми­неральные вещества, создавать новые формы материального мира. Появление жизни — это качественно новый этап эволюции Земли. Пленка жизни, возникшая около 3,5—3,8 миллиарда лет тому назад

91

(что сопоставимо с возникновением Земли — около 4—4,5 миллиарда лет) на поверхности планеты, многократно ускорила все процессы за счет способности поглощать и утилизовать энергию Солнца. Срав­нение ровесниц — Земли и Луны — наглядно демонстрирует эффек­тивность жизни как катализатора процесса развития нашей планеты.

Решающее значение в образовании биосферы имело появление на Земле растений. Ведь это единственная группа организмов, способная синтезировать органическое вещество — первооснову существования и развития живого мира — из минерального, используя углекислый газ, воду и солнечную энергию.

Суммарно реакция фотосинтеза выражается уравнением:

6СО2 + 6Н₂0 + 624 ккал —^ЛК;' СбШгОб + 6О2

хлорофилл

Известен и другой способ создания органического вещества — с использованием не солнечной, а химической энергии (хемосинтез), однако он не существенен для общего уровня биомассы (дает небольшое количество органических веществ), хотя играет важную роль в кру­гообороте азота и ряде других биосферных процессов.

Фотосинтезирующие растения могут быть многоклеточными (рас­тительность суши, часть водорослей) и одноклеточными (большая часть водорослей). Поскольку суша занимает около 29,2 % общей земной поверхности, а более 70 % ее покрыто водой, в гидросфере планеты сосредоточена основная масса фотосинтезирующих растений. Это од­ноклеточные микроскопические зеленые водоросли, которые являются главными трансформаторами световой энергии и поставщиками кис­лорода в атмосферу.

Биосфера — сложная система, осуществляющая улавливание, на­копление и перенос энергии путем обмена веществ между живыми организмами и окружающей их средой. Она способна поддерживать равновесное состояние между всеми своими составляющими. Основой динамического равновесия и устойчивости биосферы является круго­ворот веществ с превращением энергии. Он слагается из множества циклических процессов, отдельные из которых представляют последо­вательный ряд изменений веществ, чередующихся с временным со­стоянием равновесия. Известны глобальные процессы круговорота воды на Земле, круговороты кислорода, углерода, азота, минеральных ве­ществ. Их обеспечивают питание, дыхание, размножение, гибель ор­ганизмов и связанные с ними процессы синтеза, накопления и распада органического вещества. Этими круговоротами вызвана миграция ато­мов химических элементов (прежде всего биогенных — С, Н, О, N. Р, Б и др.) — их биогеохимические циклы, в ходе которых они много раз проходили через живое вещество. Например, весь кислород ат­мосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ — за 200—300 лет, а вся вода биосферы — за 2 млн. лет.

Элементарный состав живого вещества отличается от состава других оболочек Земли прежде всего высоким содержанием углерода (18 %). По содержанию других элементов живые организмы также не повто­

92