5.2. Строение биосферы

Все этажи этого огромного здания под названием биосфера заселены. Некоторые этажи отличаются очень большим количеством обитателей, другие заселены не столь плотно. И архитектура здания, и стройматериалы, и распределение в нем жителей – все имеет общие закономерности построения.

Биосфера – это жизнь, а жизнь пронизывает различные сферы Земли: нижнюю часть атмосферы (тропосферу), всю водную оболочку (гидросферу) и верхнюю часть литосферы (кору выветривания). Наибольшее «сгущение» жизни наблюдается на границах сред обитания: воздуха и почвы, в прибрежной зоне контакта моря, воздуха и атмосферы, в приповерхностных слоях океана, т.е. в зоне проникновения солнечной радиации. Эти зоны контакта В. И. Вернадский образно назвал «пленками жизни».

Соответственно, границы биосферы совпадают с границами жизнедеятельности организмов: нижний предел жизни на Земле – дно океана или глубинные слои литосферы; верхний предел ограничен жестким излучением ультрафиолетовых лучей.

В атмосфере граница биосферы простирается примерно на высоту 15–20 км – фактически до озонового экрана (у полюсов границы озонового слоя находятся на высотах 8–30 км, в тропиках – 15–35 км). Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать его под нормальным давлением, то в результате получился бы слой, покрывающий поверхность Земли, шириной всего 3 мм (сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км). Но именно благодаря способности озонового экрана поглощать опасные ультрафиолетовые лучи жизнь на Земле и существует. Другим условием, определяющим верхние границы биосферы, является понижение с высотой давления и уменьшение температур.

Например, критический порог кратковременного пребывания человека без кислородного прибора ограничивается высотой 6 тыс. – 7 тыс. м над уровнем моря. А верхней границей растений является высота около 6200 м. Насекомые могут прожить и выше, питаясь заносимой на высоты пыльцой и другой органикой. Так, пространства на высоте 7 – 8 км над уровнем моря, несмотря на низкое атмосферное давление и холод, сильно ограничивающие возможности существования для большинства организмов, заселены пауками, клещами, ногохвостками. Таким образом, если не иметь в виду случаи рекордных подъемов (птиц до 13–14 км, простейших до 15 км, бактерий до 75–85 км), верхней границей реального распространения жизни следует считать высоту около 8–10 км.

В течение длительного времени исследователи спорили: до какой глубины простирается жизнь в океане? Так, английский натуралист Э. Форбс в 1841 г. категорически заявил, что ниже 540 м на глубине морей жизни нет, обосновывая свою уверенность результатами наблюдений в Средиземном море. Но через 20 лет с глубины 2160 м в этом море был поднят кабель, усеянный ракушками и устрицами. И по современным представлениям, вся толща Мирового океана, в том числе и самая глубокая Марианская впадина (11 022 м), пронизана жизнью. Так, в пробе грунта, взятого японским автоматическим батискафом «Кайко» осенью 2002 г. на глубине 10 900 м японские исследователи обнаружили 13 видов неведомых науке одноклеточных организ­мов круглой или удлиненной формы размером 0,5–0,7 мм, существующих в неизменном виде уже почти миллиард лет [http://news.gala.net/?cat=14&id=181 135].

Изменение привычных границ существования живых организмов обусловлено возможностью некоторых из них приспосабливаться к жизни в экстремальных условиях. Наиболее легко приспосабливаются бактерии: чем проще устроен организм, тем проще ему адаптироваться к окружающему миру. Среди этих одноклеточных организмов встречаются бактерии, живущие в горячих источниках, кислых средах, солевых концентрированных растворах. Ранее, например, считалось, что жизнедеятельность живых организмов ограничена температурой около 100°С, поскольку при более высоких температурах происходит потеря белковыми веществами их естественных свойств вследствие нарушения структуры молекул, но в срединно–океанических хребтах океанического дна в местах выхода гидротермальных источников были найдены хемосинтезирующие бактерии, живущие при температурах 350°С. Эти гидротермальные источники, названные «черными курильщиками» и «белыми курильщиками», на глубинах более 2,5 км при полном отсутствии света дают начало богатейшего всплеска жизни – уникального оазиса среди пустынных экосистем морских глубин. В литосфере на глубине 4500 м в нефтеносных водах найдены также микроорганизмы. Но на «пределах» биосферы можно найти лишь отдельные проявления жизни (споры, бактерии, мицелии грибов), а основная концентрация жизни наблюдается в местах со­прикосновения различных геосфер.

Кроме этого, в пределах биосферы существуют холодные полярные безжизненные пространства или жаркие и сухие безводные пустыни, в пределах которых активная жизнь «замирает», но и там существуют живые организмы. Совокупность этих областей называется парабиосфера.

Атмосфера (от греч. – пар и шар) – самая легкая газовая оболочка, окружающая планету. Масса атмосферы примерно в 1 млн. раз меньше массы планеты. Часто атмосферу образно называют воздушным океаном, внутренняя поверхность которого покрывает гидросферу и литосферу, а внешняя плавно переходит в межпланетное пространство.

Сейчас очевидно, что современный состав атмосферы планеты возник благодаря эволюции живых организмов Земли. Первичная атмосфера, образованная в результате вулканических извержений, отличалась от современной отсутствием кислорода и преобладанием двуокиси углерода. Возникновение кислородной атмосферы, приведшее к всплеску жизни на планете, было обусловлено процессами фотосинтеза в сине–зеленых водорослях и продолжает поддерживаться с помощью фотосинтезирующей растительности.

В истории планеты было два переломных периода. Первый из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% современного уровня (так называемая первая точка Пастера). В этот переломный момент появились первые аэробные организмы, способные жить только в среде, содержащей кислород. Второй период связывают со временем, когда концентрация О₂ достигла примерно 10% (вторая точка Пастера). В этот период появился озоновый слой, организмы начали мигрировать и активно осваивать сушу.

Так, по мере эволюции жизни на Земле, в атмосфере постепенно уменьшалось содержание углерода и его соединений: с десятков процентов до современных величин – 0,03%. Одновременно происходили процессы накопления кислорода и синтеза озона. После выхода растений на сушу уровень содержания кислорода быстро достиг современных значений – 21%.

Большая часть атмосферы состоит из химически чистых газов: одни из них нейтральны для обитателей планеты (инертные газы, азот); другие необходимы настолько, что без них большая часть жизни угасла бы (кислород); третьи могут привести к негативным последствиям (окись углерода). Весь химизм атмосферы необыкновенно тонко устроен: без постоянного производства кислорода растительностью, кислород мгновенно вошел бы в соединение с углеродом и водородом органических соединений, с серой и азотом вулканических выбросов и навсегда исчез из атмосферы, остановив жизнь на Земле. Но и небольшое повышение его содержания тоже губительно: жизнь может «сгореть». Поэтому, содержание основных компонентов атмосферы благодаря «запрограммированным» процессам в биосфере поддерживается в узком диапазоне.

Мы привыкли к наличию кислорода, но не всегда осознаем, насколько много воздуха потребляем, чтобы обеспечить организм его необходимым количеством. Например, в среднем человек за одни сутки делает около 20 тыс. вдохов и выдохов, пропуская через организм 3,5 л воздуха ежеминутно и около 15 кг в день. И если без пищи мы можем прожить в течение 5 недель, без воды – 5 дней, то без воздуха жизнь прекращается на 5–й минуте.

Как любая смесь газов, воздух, удерживаемый силой тяжести, занимает все свободное пространство около поверхности Земли. По мере увеличения высоты, он становится все более разреженным, начинают преобладать легкие газы, и на высоте 1 тыс. км остается менее одной миллионной доли общей массы атмосферы. Помимо этого, под действием ультрафиолетовой радиации на высоте начинается расщепление молекул кислорода и газовых примесей на атомы, и с высоты 800 км преобладают водород и гелий.

Кроме этого, земная атмосфера имеет целый ряд других важных функций. Так, она насквозь пронизывается радиацией Солнца, определяя климатические и погодные условия Земли. Она защищает поверхность планеты от жесткого космического излучения. Без столь мощного щита, которым является озоновый экран, жизнь на планете остановилась бы.

По характеру изменения температуры с высотой, по газовому составу и другим характерным особенностям атмосфера разделена на слои. По характеру изменения температуры воздуха с высотой последовательно выделяется тропосфера (от земной поверхности до 16 км), выше которой расположена стратосфера (до 50 км), мезосфера (до 80–95 км) и, наконец, термосфера, где на высотах 200–300 км температура воздуха достигает + 1500°С и далее остается постоянной.

Гидросфера (от греч. – вода и шар) – водная оболочка Земли. Именно в гидросфере впервые зародилась жизнь на планете. Гидросфера, благодаря способности воды быть в жидком, твердом или газообразном состоянии, пронизывает все другие оболочки Земли: формирует бесконечные океанические просторы, просачивается в литосферу, образуя подземные воды, испаряется в атмосферу, перемещаясь с воздушными массами, «застывает» на вершинах гор в виде снега и льда.

Водная поверхность планеты составляет 71%. Иногда даже говорят, что нашу планету скорее надо было бы назвать «Океан», а не «Земля», учитывая соотношение воды и суши. В действительности, гидросфера еще больше. Если прибавить к покрытой водой поверхности земного шара ледники и снежный покров, то площадь, занятая гидросферой, будет составлять 86% общей поверхности планеты.

Также частичка гидросферы представлена и в атмосфере – в виде облаков и водяного пара (1,3 х10¹³ т, что соответствует слою воды толщиной 2,5 см). Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на земном шаре. Из газов, растворенных в воде, наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ.

В морской воде, в отличие от пресных поверхностных вод, растворено большое количество различных солей. В среднем соленость Мирового океана составляет около 3,5%. Это значит, что в каждом литре морской воды растворено 35 г солей (в основном это хлорид натрия). В процентном соотношении в морской воде содержится: 85,7% – кислорода; 10,8% – водорода; 1,9% – хлора; 1,05%– натрия; 1,35% – магния; 0,09% – серы и т.д. При пересчете на граммы и тонны, учитывая объемы Мирового океана, значения содержания солей получаются более внушительные. Например, йод столь необходимый для человеческого организма, содержится в морской воде в ничтожных концентрациях: 5×10^-5 г в 1 л морской воды. Но суммарное содержание йода в океане составляет внушительное число: 87 860 млн. т.

Земная кора (литосфера) – наиболее неоднородная твердая оболочка Земли, сложенная различными породами. В 1909 г. югославский физик Андрей Мохоровичич обнаружил резкое увеличение сейсмических волн на глубине около 40 км. Даная граница была названа в его честь «граница Мохо». Слой, лежащий выше границы Мохо, и называется земной корой.

В настоящий момент выявлено, что планета Земля состоит из трех главных слоев:

1) твердой земной коры (0–40 км);

2) твердой оболочки, или мантии (40–2900 км),

3) жидкого ядра (2900–6370 км).

Некоторые исследователи предполагают, что внутри жидкого ядра расположено еще внутреннее более плотное ядро. Масса земной коры близка 24,6 х 10¹⁸ т.

Исходя из состава, строения и мощности, можно выделить кон­тинентальную и океаническую кору. На континентах кора вглубь простирается до 70 км и состоит из трех основных слоев (сверху вниз):

1) осадочного;

2)гранитного

3) базальтового. Под океанами гранитный слой выклинивается, а осадочный и базальтовый уменьшаются в мощности, и толщина океанической коры составляет 5–10 км. Иногда выделяется кора промежуточного типа.

Земную кору формируют горные породы, которые подразделяются на:

1) изверженные,

2) метаморфические,

3) осадочные.

Изверженные (магматические) породы образованы при охлаждении и затвердевании магмы.

Метаморфические породы – это преобразованные осадочные и магматические породы под действием высокой температуры, давления и глубинных активных флюидов (горячих газов и растворов).

Осадочные породы образовались в результате накопления осадков. Иногда сложно представить, но многие высочайшие вершины мира сформированы из осадочных пород, поскольку в прошлые геологические эпохи эти территории находились под океаном.

В середине 60–х годов прошлого века появилось много научных проектов, разработанных для выяснения строения земной коры. Самым известным и успешным проектом подобного рода является разработка Кольской сверхглубокой скважины, бурение которой началось в 1970 г, а закончилось через 24 года – в 1994 г. Максимальная глубина скважины составляет 12 262 м. Результаты бурения выявили, что по мере увеличения глубины и давления породы становятся все более пористыми, а на глубине 5500–5700 м были об­наружены 14 видов микрофасилий – окаменевших остатков древних живых организмов. Эта находка позволила изменить сроки существования жизни на нашей планете с 1,5 млрд. до 3 млрд. лет. Во время бурения на глубинах, где уже нет осадочных пород, был обнаружен метан в концентрациях, сопоставимых с Бакинскими нефтяными залежами. Так была поставлена под сомнение длительное время существовавшая теория биологического происхождения углеводородов. На глубине 11 400 м были обнаружены залежи разнообразных полезных ископаемых, в том числе высокие концентрации золота [http://www.oilru.сom/nr/91/1104/oilru.com].

В биосферу, как отмечалось ранее, входит верхняя часть литосферы – кора выветривания, которая образовалась в результате Процессов окисления, гидратации, выщелачивания и гидролиза горных пород различного состава. Преобразование литосферы ж иными организмами началось, по всей видимости, после выхода организмов на сушу (около 450 млн. лет назад) и привело к появлению на границе атмосферы и литосферы почв и соответственно повой оболочки планеты – педосферы. В.И. Вернадский назвал почвенный покров планеты «благородной ржавчиной Земли». Мощность почвы зависит от климата, особенностей рельефа, времени развития почвы, особенностей слагающих ее пород, произрастающей на ней растительности и активности населяющих ее организмов. В среднем толщина педосферы составляет около 1 м.

Почвы и живые организмы содержат почти все элементы, входящие в Периодическую систему элементов Д.И. Менделеева, за исключением искусственно полученных человеком элементов. Но по количественным уровням диапазон их колебаний содержания очень велик. Каждый элемент земной коры имеет свой кларк – среднее содержание в земной коре. Самым распространенным элементом коры является кислород, имеющий кларк 47,0%. На втором месте стоит кремний (29,5%), на третьем – алюминий (8,05%). В сумме эти три элемента составляют 84,55%. Если к данным элементам прибавить железо (4,65%), кальций (2,96%), натрий (2,50%), калий (2,50%), магний (1,87%), титан (0,45%), то их сумма составит 99,48%. Таким образом, из перечисленных элементов преимущественно и состоит земная кора. На остальные 80 элементов соответственно приходится чуть более 0,5%.