2.1. Учение о биосфере

Автором термина "биосфера" является французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк, который употребил его в 1803 г. в труде по гидрогеологии Франции для обозначения совокупности организмов, обитающих на земном шаре. Затем термин был забыт. В 1875 г. его "воскресил" профессор Венского университета геолог Эдуард Зюсс (1831 – 1914) в работе о строении Альп. Он ввел в науку представление о биосфере как особой оболочке земной коры, охваченной жизнью. В таком общем смысле впервые в 1914 г. использовал этот термин и В. И. Вернадский в статье об истории рубидия в земной коре.

Общее учение о биосфере создано в 20–30-х гг. XX в. В.И. Вернадским, развившем идеи В.В. Докучаева о комплексном естественно-историческом анализе взаимодействующих в природе разнокачественных объектов и явлений (факторов почвообразования) и выявлении самостоятельных природных объектов гетерогенной структуры и состава (почвы, природные зоны). Позднее идеи В.И. Вернадского сыграли ключевую роль в формировании мировоззрения современного человека, в понимании им своего места в природе и ответственности за будущее биосферы, в формировании новой экологической морали.

Человечество как живое вещество неразрывно связано с материально-энергетическими процессами определенной геологической оболочки Земли – ее биосферой. Оно не может физически быть от нее не зависимым ни на одну минуту. Однако и само человечество есть закономерный продукт развития биосферы, развития образующего ее живого вещества как природного тела.

2.1.1. Состав и структура биосферы

Живое вещество биосферы в общем занимает ничтожное пространство в масштабе всего земного шара. В.И. Вернадский показал, что все живые организмы Земли образуют единое целое – живое вещество планеты. Жизнь на Земле – самый выдающийся процесс на ее поверхности, получающий энергию Солнца и приводящий в движение большинство химических элементов Земли. Биосфера есть часть земного пространства, охваченного жизнью с ее активным химическим проявлением.

Биосфера включает не только область жизни (биогеосферу, фитогеосферу, витасферу), но и другие структуры Земли, генетически связанные с живым веществом. По Вернадскому, вещество биосферы состоит из семи разнообразных, но геологически взаимосвязанных частей: живое вещество; биогенное вещество (уголь, нефть, известняки); косное вещество (магматические породы); биокосное вещество (создается с помощью живых организмов); радиоактивное вещество; рассеянные атомы; вещество космического происхождения. В пределах биосферы везде встречается либо живое вещество, либо следы его биогеохимической деятельности. Газы атмосферы (кислород, азот, углекислота), природные воды, равно как и каустобиолиты (нефти, угли), известняки, глины и их метаморфические производные (сланцы, мраморы, граниты и др.) в своей основе созданы живым веществом планеты. Слои земной коры, лишённые в настоящее время живого вещества, но переработанные им в геологическом прошлом, Вернадский относил к области "былых биосфер".

Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической частей.

Абиотическая часть представлена:

– почвой и подстилающими ее породами, где в них обитают живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород;

– атмосферным воздухом до высот, где возможны проявления жизни;

– водной средой океанов, рек и др. водоемов.

Биотическая часть состоит из всей совокупности живых организмов, которые в процессе своей жизнедеятельности, взаимодействуя с абиотической частью, осуществляют биогенный ток атомов.

В биосфере возможно существование организмов в любых возможных концентрациях – от единичных бактерий и спор в 1 см³ атмосферного воздуха и следов жизни в глубинах Мирового океана до мощных тропических лесов экваториальной зоны. По своим требованиям к условиям внешней среды организмы расселяются в разных верхних горизонтах Земли: в нижней атмосфере, в гидросфере, в почвах, в глубинах литосферы, пропитанных природными водами и нефтяными месторождениями.

По оценкам разных источников биосфера возникла 3,5–4,5 млрд лет назад. Область современного обитания живых организмов по вертикали охватывает в среднем 10–20 км; сфера случайного попадания организмов и биогенных элементов колеблется до 40–50 км. Считается, что нижняя граница биосферы в среднем лежит на глубине 3 км от поверхности суши и 0,5 км ниже дна океана, хотя в буровых скважинах живые микроорганизмы обнаружены на глубине 4 км, а микробиологические остатки – до 7 км. В выходах термальных вод на дне океана на глубинах в 3 км при давлении около 300 атм. (3•10⁷ Па) обнаружены живые организмы при температуре 250⁰С. Растения поднимаются в горы до высоты более 5 км. Дальше царствует вечный холод, но и здесь присутствует жизнь – обитают микроорганизмы. Верхняя граница биосферы находится на высоте 20–25 км на уровне озонового слоя, выше случайно залетают только споры бактерий и грибов.

По современным вероятностным оценкам общее количество массы живого вещества в современную эпоху составляет порядка 2420 млрд т. Эту величину можно сравнить с массой оболочек Земли, в той или иной степени охваченных биосферой (табл. 2.1).

Таблица 2.1
Сравнение масс оболочек Земли
Оболочки Земли	Масса, т	Отношение к массе живого вещества
Живое вещество	2,4 • 1012	1
Атмосфера	5,15• 1015	2 146
Гидросфера	1,5 • 1018	625 000
Земная кора	2,8 • 1019	11 670 000

Таким образом, все живое вещество нашей планеты составляет примерно ¹/_10 000 000 часть массы земной коры. Однако в качественном отношении живое вещество представляет собой наиболее высокоорганизованную часть материи Земли. По своему активному воздействию на окружающую среду оно занимает особое место и качественно резко отличается от других оболочек земного шара, так же, как живая материя отличается от мертвой. Оценка среднего химического состава живого вещества была произведена А.П. Виноградовым. Из таблицы 2.2 видно, что главные составные части живого вещества – это элементы, широко распространенные в природе: в атмосфере, гидросфере, литосфере и космосе. Средний элементарный состав живого вещества отличается от состава земной коры высоким содержанием углерода. По содержанию других элементов организмы не повторяют состава среды своего обитания. Они избирательно поглощают элементы, необходимые для построения их тканей. В процессе жизнедеятельности организмы используют наиболее доступные атомы, способные к образованию устойчивых химических связей. Атомы углерода имеют способность создавать длинные цепи соединений с другими атомами, что приводит к построению бесчисленных полимеров и других сложных органических высокомолекулярных соединений.

Таблица 2.2 Средний химический состав живого вещества (по A.П. Виноградову)
Элемент	%	Элемент	%	Элемент	%	Элемент	%
О	70,0	Cl	2•10-2	Zn	5•10-4	As	3•10-5
С	18,0	Fe	1•10-2	Rb	5•10-4	Со	2•10-5
Н	10,5	А1	5•10-3	Сu	2•10-4	Li	2•10-5
Са	5•10-1	Ba	3•10-3	Вг	1,5•10-4	Mo	1•10-5
К	3•10-1	Sr	2•10-3	V	1•10-4	Y	1•10-5
N	3•10-1	Mn	1•10-3	Сг	1•10-4	Cs	1•10-5
Si	2•10-1	В	1•10-3	Ge	1•10-4	Se	1•10-5
Р	7•10-2	Tr	1•10-3	Ni	5•10-5	U	1•10-6
S	5•10-2	Ti	8•10-4	РЬ	5•10-5	Hg	1•10-7
Mg	4•10-2	F	5•10-4	Sn	5•10-5	Ra	1•10-12
Na	2•10-2