2.5 Биосфера и ландшафты Земли

Биосфера - область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В биосфере живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в т. ч. человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создано Вернадским.

Области развития живого вещества на Земле могут ограничиваться пятью параметрами: количеством углекис­лого газа и кислорода; наличием воды в жидкой фазе; термичес­ким режимом; наличием «прожиточного минимума» — элементов минерального питания; сверхсоленостью вод. На поверхности Земли очень мало участков, где бы пе­речисленные факторы препятствовали развитию живых организ­мов. Весь Мировой океан за­селен организмами. Они есть и в Марианской впадине, и подо льда­ми Ледовитого океана и Антарктиды. В атмосфере жизнь выявле­на не только в пределах тропосферы, но и в стратосфере: жизне­способные организмы были обнаружены на высоте около 80 км. Однако активная жизнь большинства организмов проходит в ат­мосфере до высот, где существуют насекомые и пти­цы. Выше встречаются бактерии, дрожжевые грибки, споры гри­бов, мхов и лишайников, вирусы, водоросли и т.д. Большинство из них на таких высотах находятся в состоянии анабиоза. В пределах континентов нижняя граница биосферы проходит по меняющимся глубинам, которые контролируются в основном особенностями подземных вод. Активные и разнообразные формы микрофлоры обнаруже­ны на глубинах свыше 3 км, причем живые бактерии имелись в водах с температурой 100° С.

2.5.1 Геохимическая организация биосферы

Биогенная форма нахождения химических элементов — это эле­менты, содержащиеся в животных и растительных организмах. Несмотря на сравнительно небольшое содержание живых ор­ганизмов в земной коре, без учета их деятельности невозможно пра­вильно представить геохимические процессы, протекающие на по­верхности Земли. Особо отмечая это, Вернадский писал, что живое вещество в биосфере играет основную активную роль и ни с чем, ни с какой геологической силой не может даже быть сравнимо по своей интенсивности и направленности во времени. Живое вещество имеет ряд специфических особенностей:

• Живое вещество биосферы характеризуется огромнейшей сво­бодной энергией. В неорга-ническом мире сопоставимыми с ним могут быть только незастывшие лавовые потоки, но последние, очень быстро остывая, теряют ее.

• В живом веществе скорость протекания химических реакций в тысячи (а иногда в мили-оны) раз выше, чем в неживом. При этом незначительные начальные порции масс и энергии могут вы­звать переработку гораздо больших масс и энергий. Так, опреде­ленные виды гусениц перерабатывают в сутки в 200 раз больше пищи, чем их собственная масса.

• Основные химические соединения, определяющие состав жи­вого вещества (белки, ферменты и др.), устойчивы в природных условиях только в живых организмах.

• Для живых организмов характерны две формы движения: пас­сивная, определяемая их ростом и размножением (характерна для всех организмов), и активная, осу­ществляемая за счет направленного перемещения (характерна в основном для животных). Особенностью пассивного движения организмов является стремление заполнить большинство пространства. Вернадский назвал этот процесс давлением жизни. Его сила (т.е. скорость раз­множения) в целом обратно пропорциональна размерам организ­мов. Очень большим давлением обладают бактерии, вирусы, гри­бы. Отдельные виды бактерий делятся че­рез 22—23 мин. При отсутствии преград к размножению они боль­ше чем за сутки заняли бы всю поверхность Земли. В этих же условиях гриб дождевик (каждый экземпляр дает около 7,5 млрд спор) уже во втором поколении имел бы объем, в 800 раз превышающий размеры нашей планеты. Слонам же для заселения поверхности Зем­ли потребуется более 1000 лет.

Движение второй формы происходит за счет собственного перемещения организмов.

• Для организмов характерно гораздо большее морфологиче­ское и химическое разнооб-разие, чем для неживой природы. Так, размеры вируса и слона отличаются в миллиарды раз. Химический состав жи­вого вещества определяют более 2 млн различных органических соеди-нений, а количество природных минералов составляет около 2000, т.е. в ты­сячу раз меньше.

• При огромном разнообразии химического состава организ­мов они построены в основном из белков, содержащих одни и те же аминокислоты. Передача наследственной информации идет у них по одному пути (ДНК  РНК  белок) с использованием одно­го генетического кода.

• Нормальное развитие организмов в природе возможно толь­ко в их сообществе с другими организмами (биоценоз).

• Живое вещество существует лишь в форме непрерывного че­редования поколений. Поэтому оно генетически связано с орга­низмами прошлых геологических эпох.

• Со сменой поколений идет и эволюция живого вещества. Этот процесс наиболее харак-терен для высших орга­низмов, а чем примитивнее организм, тем он более консервати­вен.

Биоценоз — это группировка взаимозависимых живых организ­мов (продуцентов, консументов и редуцентов), объединенных под воздействием ряда факторов внешней среды; характеризуется оп­ределенным видовым составом.

• Биоценоз включает в себя всю массу живых (как макро-, так и микро-) организмов. Это де­лает практически невозможным изучение всех его компонен­тов.

• Все виды живых организмов, составляющие биоценоз, вза­имозависимы; изменения одного из них могут сказаться на всей группировке или даже привести к распаду би­оценоза.

• Биоценоз - относительно устойчивое со­общество, находящееся в стабильном равновесии. Его изменения и даже исчезновение обычно связаны с изменениями внеш­них факторов. В последнее время все большее значение приобретают антропогенные факторы.

• Особи биоценоза размножаются в пределах биотопа.

Биотоп — пространство, занимаемое биоценозом и имею­щее относительно четкие границы. Его размеры изменяются в очень широких пределах: от одного трупа животного или ство­ла погибшего дерева до такой громадной системы, как океан. В за­висимости от размеров биоценозов биотопы разделяются на микро- (например, упавший ствол дерева), мезо; (лес, озеро) и макро- (океан). Природа биотопов может быть ор­ганической и неорганической. Мезо- и макробиотопы относятся к биокосным системам.

Все основные виды антропогенных изменений в природе не выходят за пределы биосферы. Однако практически невоз­можно связать такое глобальное понятие, как биосфера, с влия­нием на изменение процессов миграции и концентрации различ­ных веществ (в частности, токсичных) отдельных предприятий и да­же крупных промышленных и аграрных комплексов. Поэтому геохимическую (и биогеохимическую) роль ан­тропогенных процессов удобнее рассматривать на более низком уровне организации материи - ландшафтно-геохимическом. Он включает два основных типа биокосных систем: элементарный и геохимический ландшафты.

Одинаковые элементарные ланд­шафты – участки биосферы, у которых в аналогичных геоморфологических условиях на аналогичных почвообразующих (подстилающих) корах выветривания (горных породах) развиты одинаковые разности почв, покрытые одинако­выми растительными сообществами. Одинаковые элементарные ландшафты должны также характеризоваться: аналогичным хими­ческим составом подземных вод; аналогичными особенностями ми­грации (концентрации) химических элементов, переносимых в ат­мосфере; одинаковыми условиями развития (отсутствия) много­летней мерзлоты и распространения по вертикальному профилю свободного кислорода. Кроме того, должны отсутствовать внутрен­ние причины, ограничивающие площадь распространения этих элементарных ландшафтов.

Геохимические ландшафты, по определению Перельмана, — «парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ланд­шафтов, связанных между собой миграцией элементов».

Геохимическое сопряжение - закономерное для каждого геохимического ландшафта сочетание образующих его элементарных ландшафтов. Наи­большее значение для осуществления связей между элементарны­ми ландшафтами, составляющими один геохимический ланд­шафт, имеют поверхностный и подземный стоки.

Экосистемы объединяют биоценозы с биотопами и близки к понятию «геохимический ланд­шафт». Важнейшие показатели, характеризующие экосистемы — би­омасса (совокупность всех животных, растительных и микроорганизмов, выраженная в единицах массы) и продуктивность (биомасса, производимая биоценозом на единице площади). Большая часть биомассы в экосистемах обычно приходится на долю растительности. На ее же долю приходится и большая часть химических элементов (их соединений), участвующих в биогеохимическом цикле миграции. Поэтому при изучении процессов миграции и концентрации элементов в эко­системах основное внимание уделя­ется растительности. Экосистемы довольно неоднородны, обычно отмечается их вер­тикальная зональность с выделением отдельных ярусов. На­пример, в лесах выделяются ярусы древесные, кустарниковые и травянистые. Экосистемы, не разделя­ющиеся на ярусы - консоции (труп жи­вотного, мертвое дерево).

Экосистемы и геохимические ландшафты являются не толь­ко отдельными частями биосферы, они представляют собой как бы отдельные относительно самостоятельные «кирпичики», из которых и состоит сложная биокосная постройка, называемая биосферой.

• Обе выделяемые природные системы имеют очень много об­щего, хотя понятие экосистемы более обширно, т.к. гораздо полнее учитывает обилие живых организмов.

• Геохимические ландшафты имеют, в отличие от экосистем, довольно четкие границы.

Геохимический цикл миграции элементов (кристаллизация расплавов  выветривание с поступлением части элементов в атмосферу и гидросферу  седиментация и диагенез  эпигенетические изменения, вплоть до плавления пород) является основным путем осуществления круговорота большинства элементов в земной коре. Но в процессе миграции возникают и мелкие второстепенные циклы. В соответствии с законом Вернадского, все элементы биосферы или «прошли» через живые организмы, или перемещаются в среде, свойства которой обусловлены этими организмами. Это позволило особо выделить биологический круговорот химических элементов (БИК) – поступление в живые организмы элементов из почв, вод и атмосферы с последующим опадом части органического вещества или его полным отмиранием и переводом снова в почвы, воду, атмосферу. При этом часть элементов всегда уходит за пределы рассматриваемой системы.