9. Биосфера и человек

Термин "биосфера" (от гр. bios– жизнь,sphere– шар, область) введен в научную литературу австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. для обозначения особой оболочки Земли, населенной живыми существами. Целостное учение о биосфере в дальнейшем было разработано академиком В.И. Вернадским (1863–1945). Он распространил понятие биосферы не только на живые организмы, но и на среду их обитания. Биосфера, по Вернадскому – ”это область распространения жизни, включающая наряду с организмами и среду их обитания”.

1. Концептуальные подходы к изучению биосферы

Биосфера– часть геологических оболочек Земли, структура и энергетика которых определяются совокупной деятельностью живых организмов.

Биосфера охватывает частьатмосферыот поверхности Земли до озонового экрана, где на высоте свыше 20 км над уровнем моря встречаются споры бактерий и грибов, поднимаемые вихревыми потоками с поверхности Земли; занимает всюгидросферу(океаны, моря, реки, озера) и частьлитосферы(внешней твердой оболочки Земли), опускаясь на глубину около 3 км ниже уровня суши и около 2 км ниже дна океана, где в водах нефтяных месторождений обитают анаэробные бактерии. В гидросфере жизнь простирается на всю ее глубину (свыше 11 км). Здесь ограничивающими факторами являются давление толщи воды и отсутствие света. Наиболее благоприятные условия для жизни – у поверхности суши и воды, поэтому здесь максимально сконцентрировано живое вещество (рис. 5.5).

Анаэробные бактерии

Нефтяные воды

Донные отложения

Океан

Рис. 5.5. Строение биосферы.

Таким образом, деятельность живых организмов объединяет все геосферы Земли (атмосферу, литосферу и гидросферу) в единую целостную систему, связанную обменом веществ и энергии.

В современной науке выделяют ряд концепций биосферы, определяющих общий подход к изучению роли живых организмов в преобразовании Земли:

0. биогеохимическая концепция биосферы, связанная с рассмотрением сложных преобразований веществ в живых организмах. Практически все вещества земной коры вовлекаются в круговорот веществ в природе, и проходят через живые существа;

1. биогеоценотическая концепция, связанная с тем, что элементарной структурной и функциональной единицей биосферы является биогеоценоз, т.е. сообщество живых организмов, взаимодействующих друг с другом и средой обитания;

2. кибернетическая концепция, связанная с изучением принципов организации и регулирования, осуществляющихся в живой природе в связи с трансформацией вещества, энергии и информации;

3. социально-экономическая концепция, связанная с рассмотрением деятельности человека, изменяющего окружающую природную среду.

2. Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы

Учение Вернадского о биосфере представляет собой систему взглядов на планетарное и космическое значение жизни, на взаимосвязь и взаимодействие живой и неживой природы. Основы этого учения изложены Вернадским в книге “Биосфера” (1926), однако над развитием этого учения Вернадский работал вплоть до конца своей жизни.

В учении Вернадского о биосфере проведено подразделение вещества биосферы на несколько разных, но геологически взаимосвязанных типов (рис. 5.6):

• живое вещество, образованное совокупностью организмов;

• биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, нефть, каменный уголь, известняки и др.);

• косное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты тектонической деятельности, метеориты);

• биокосное вещество, образующееся в результате совместной деятельности организмов и абиогенных процессов (почва, водная среда).

живое вещество

биокосное вещество

биогенное вещество

косное вещество

Рис. 5.6. Классификация вещества биосферы.

Живое вещество представляет собой совокупность всех живых организмов, существующих на Земле в данный момент и образующих ее биомассу, которая равна примерно 2423,2 млрд. т сухого вещества. Биомасса растений суши составляет около 97%, животных и микроорганизмов – около 3 %.

Биомасса на суше увеличивается от полюсов к экватору, в этом же направлении возрастает и количество видов. Так, в тундре насчитывается около 500 видов растений, в лесостепной зоне – до 2000, а во влажных тропических лесах – свыше 8000.

Огромная биомасса сосредоточена в почве. Ее составляют корни растений, почвенные животные (кроты, черви, насекомые и их личинки и др.), водоросли, грибы, бактерии. В некоторых почвах биомасса одних только дождевых червей достигает 1,2 т/га. Количество бактерий в 1 г почвы измеряется сотнями миллионов.

Мировой океан занимает свыше 75 % поверхности Земли. Объем воды в нем в 15 раз больше объема суши, возвышающейся над уровнем моря. Однако биомасса Мирового океана в 1000 раз меньше, чем суши. Она сосредоточена главным образом в поверхностном слое до 100 м. Биологическая продуктивность суши и океана примерно одинакова. Это объясняется тем, что обновление живых организмов в океане происходит во много раз быстрее, чем на суше. Так, одноклеточные водоросли океана обновляются несколько раз за год, а на обновление биомассы суши требуется 10–15 лет. Основную часть биомассы океана составляют животные (93,7%). Поверхность океана заполнена взвешенными микроскопическими организмами, перемещающимися течениями (планктон), основную массу которого составляют одноклеточные водоросли, простейшие и некоторые беспозвоночные. В толще воды находятся и активно плавающие животные, способные преодолевать большие расстояния (нектон). Это рыбы, киты, кальмары и др. Третью группу составляют организмы, обитающие на грунте и в грунте водоемов (бентос). Они представлены придонными растениями, губками, полипами, ракообразными, червями и др.

Живое вещество составляет лишь 0,25 % всего вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря совершающемуся в живых организмах обмену веществ. Деятельностью живых организмов обусловлены химический состав атмосферы и гидросферы, формирование почвенного покрова литосферы.

Живое вещество является наиболее мощным и активным в геологическом отношении веществом нашей планеты, способным совершать грандиозную по масштабам и последствиям геохимическую работу, заключающуюся в таких его функциях:

0. энергетическая функция, проявляющаяся в усвоении живым веществом солнечной энергии и передаче ее по трофической (пищевой) цепи;

1. газовая функция, благодаря которой сформировался современный состав атмосферы, заключающаяся в поглощении и выделении кислорода, углекислого газа и некоторых других газообразных соединений (метан, сероводород);

2. концентрационная функция, проявляющаяся в извлечении и избирательном накоплении живыми организмами химических элементов окружающей среды (азот, фосфор, кремний, кальций, магний), благодаря которому произошло образование залежей полезных ископаемых (известняк, торф, туф, каменный уголь);

3. окислительно-восстановительная функция, проявляющаяся в окислительно-восстановительных реакциях, лежащих в основе любого вида биологического обмена веществ, например, восстановление диоксида углерода до углеводов в процессе фотосинтеза и окисление их до диоксида углерода при дыхании;

4. деструкционная функция, в результате которой происходит разрушение отмершего органического вещества до минеральных соединений.