Биосфера основные понятия о структуре биосферы основные понятия о структуре биосферы.
Биосфера (от био и сфера) – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу (совокупность водных объектов земного шара) и верхнюю часть литосферы (внешняя сфера твердой Земли, включающая кору и часть верхней мантии — субстрат). В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны, взаимодействуют между собой, образуя целостную динамическую систему.
Как устроена биосфера. Биогеоценоз, как экосистема, является элементом биосферы, как системы, и находится с ней в сложных иерархических отношениях, подобных отношению организма и клеток его тканей, эти отношения имеют несколько иерархических уровней организации (ткани, органы, системы органов и т.д).
Рис.5. Слой биосферы
Слой биосферы (рис.5) достигает толщины в 12-17 км: несколько меньше в области суши и больше в области океана. Эта разница, как и различие среды жизни на материках и в мировом океане, определяет разделение биосферы на три крупнейшие меросферы (греч. meros часть, доля), две из которых — геобиосфера и гидробиосфера (греч. gehyros — влажный). Составной частью является и воздушный океан, который также биологически населен, хотя и спорадически, главным образом микроорганизмами, существующими в капельках воды. Это третья меросфера аэробиосфера (греч. aer воздух).
Меробиосферы распадаются на довольно четко прослеживаемые слои со своими бионтами (греч. biontos — живущий организм). Аэробиосфера, населенная аэробионтами, в свою очередь, делится на тропобиосферу — пределы нижних частей атмосферы (греч. tropos поворот, изменение), включая высоту сохранения положительных температур, и альтобиосферу (лат. altus — высокий) область выше этих пределов, где царствует вечный мороз, но жизнь возможна из-за солнечной инсоляции. Этот слой аналогичен золотой зоне на суше (см. ниже). В атмосферной тропосфере в теоретическом ее вертикальном пределе (граница между тропосферой и стратосферой) лежит альтобиосфера. Выше ее организм жить не в состоянии из-за жесткого ультрафиолетового облучения.
Туда организмы и их споры попадают лишь случайно. Эта парабиосфера (от греч. para возле, при), или надбиосфера, простирается максимум на 40 км над землей. Выше, куда живые организмы уже не попадают, но не исключены биогенные вещества, расположена апобиосфера (греч. apo без). Это место обитания космических кораблей со своим миром биобагажа, захваченного с поверхности Земли. Он называется артебиосферой (от лат. arte искусственно).
Спускаясь по слоям гидросферы в глубины вод, мы столкнемся с явной разницей между живыми субстанциями Мирового океана, континентальных водоемов и водотоков со стоячими и текучими водами. Очевидно, что океанобиосфера, или маринобио-сфера (лат. marinus — морской), включающая маринобионты, и аквабиосфера (лат.akwa — вода) — вода суши, включающая аквабионты, составляют отдельные природные системы. Их вертикальное деление связано с потоками света и тепла. Ближе всего к поверхности лежит хорошо освещаемая и лучше прогреваемая фотобиосфера (греч. photos— свет), ниже слой, куда попадает очень небольшая часть солнечных лучей, но где еще возможен фотосинтез, осуществляемый микроорганизмами (дисфотобиосфера — сфера, противоположная фотосфере). Наконец, еще глубже — мрак и огромное давление (афотобиосфера океана и глубочайших озер мира — сфера без света).
Функционально отличаются воды суши: реобиосфера (греч. rheos течение) водотоки и лимнобиосфера (греч. limne — озеро) стоячие водоемы, или озера. В соответствии с делением озер на пресноводные и солоноватые лимнобиосферу можно разделить на дульцилимнобиосферу (от лат. dulcuo — пресноводный) и галолимнобиосферу (от греч. gals — соль).
Над самой поверхностью суши расположена фитобиосфера — область произрастания растений — фитосреды (греч. phyton растение). Фитосфера, как и верхний слой фотосферы Мирового океана, — наиболее продуктивный слой биосферы. Его называют активной пленкой жизни. Часть биосферы в пределах суши может быть названа террабиосферой, включающей террабионты (от лат. terra — земля, суша).
Растения поднимаются в горы до высоты примерно в 5 км. Дальше царствует вечный мороз, но жизнь и здесь теплится. Тут обитают некоторые паукообразные и микроорганизмы, питающиеся частицами растений, их пыльцой и органическими останкам, приносимыми снизу. Как и в вертикальном поясе альтобиосферы, энергетика живого здесь базируется на прямой солнечной инсоляции. Это эоловая зона, или эолобиосфера (Эол — греч. aiolos — в греческой мифологии повелитель ветров).
Корни растений уходят в почву, и она составляет педобиосферу (от греч. pedon — почва). С этого пограничного между атмосферой и литосферой слоя с его педобионтами начинается литобиосфера с ее литобионтами (греч. lithos — камень). До кислородной границы т.е. до тех слоев литосферы, куда проникает атмосферный воздух (глубина от одного до нескольких километров) лежит гипотеррабиосфера (греч. hypo — внизу), т.е. подземная сфера, где жизнь базируется на потоке биогенов (организмов), поступающих из фитосферы, и продукции организмов — хемосинтетиков. Глубже живое очень разрежено, и в основном организмы могут обитать лишь в подземных, глубинных водах. Аэробное дыхание (греч. aer — воздух) из-за отсутствия кислорода здесь исключено, это царство анаэробионтов (анаэробов), составляющих теллуробиосферу (лат. tellus- земля). В пределах гипотерробиосферы существует немало мест обитания живого в подземных водах: пещерных водоемах и пластовых водах. Эти организмы называют стигобионтами, или троглобионтами (от греч. Стикс — мифологическая река подземного царства; и греч. troglese — пещера). Живут организмы в этих водах главным образом благодаря потоку биогенов с поверхности земли. Местной биопродукции им не хватает, и поэтому они зависят от водных потоков под землей.
Глубже под теллуробиосферой расположен слой, куда организмы попадают случайно и часто не по своей воле. Это гипобиосфера (“подбиосфера”) — аналог парабиосферы в атмосфере. Еще глубже, на глубинах 5-6 км, царствует нестерпимая для живого жара и невероятное давление горных пород. Здесь начинается слой метабиосферы, где прослеживаются еще биогенные породы, но жизни как таковой нет (греч. meta — после, за). Наконец, еще глубже лежит абиосфера (греч. a + bios — нежизнь), где не ощущается никакого воздействия жизни — все стерто глубинными процессами литосферы.
Как глубоко проникает жизнь в глубины планеты, пока не совсем ясно: в буровых скважинах, на глубине до 4 км, обнаружены микроорганизмы, а микробиологические останки — до 7 км. С повышением давления вода не кипит при температурах 100° C и выше. Так, в “черных курильщиках” — выходах термальных вод на дне океана — на глубинах в 3 км при давлении около 300 атмосфер есть жизнь при температуре в 250° C. Перегретая жидкая вода в литосфере обнаружена на глубинах до 10,5 км. Теоретически здесь может быть что-то живое. Но глубже 25 км, по расчетам, должна существовать критическая температура в 460° C, при которой в условиях любого давления среды вода неминуемо превращается в пар, а поэтому жизнь невозможна.
Если область современного обитания живых организмов имеет вертикальную протяженность 12 — 17 км, то сфера случайного попадания организмов и осадочных биогенных пород (мегабиосфера — “большая” биосфера) занимает слой примерно в 50 км: от нижних границ парабиосферы (греч. para — возле) до нижних ее границ — метабиосферы (греч. meta — после). Вместе с артебиосферой (лат. arte — искусственно) все пространство проникновения жизни называют панбиосферой (гр. приставка pan со значением: охватывающий все).
Области биосферы на земле можно рассматривать в процессе ее изменений по мере эволюции жизни на земле, т.е. рассматривать хронобиосферу (греч. chronos — время). В процессе эволюции биосфера земли непрерывно расширялась, охватывая все более широкие земные сферы и даже покидая их пределы, например, в результате высадки людей на Луне. По наиболее распространенной гипотезе жизнь возникла и начала распространятся только в первичном океане (возможно, и в литосфере), затем она заселила речные воды и континентальные водоемы и вышла на сушу. Возможно, одновременно с поселением в океане живое оказалось и в литосфере, поначалу там, где смыкалась водная стихия и земная твердь, а затем и повсеместно. Наконец, микроскопические существа начали осваивать самую негостеприимную среду атмосферы: капельки воды (тумана) и затем частицы твердого вещества (аэрозоля) в ней.
Все поле жизни не может не иметь и горизонтальной структуры, функционального членения на просторах Земли. Это, конечно, не разделение на плоскости, потому что все экосистемы планеты — объемные образования, имеющие три измерения, но распространение жизни и ее изменение идет как по вертикали, так и по горизонтали земных пространств. Это усвоило еще совсем древнее человечество, люди кочевавшие, как и звери, в поисках обильной пищи.
Сначала на уровне практического, а затем и научного знания было подмечено, что мир живого меняется с продвижением от экватора к полюсам с юга на север или наоборот с севера на юг. На этой основе учеными, прежде всего географами, было предложено множество схем деления лика планеты. К этим географическим членениям мы еще вернемся позже, когда будем говорить о мозаике жизни, а сейчас попробуем пройти ступеньками лестницы организации экологических систем — “кубиков” построения биосферы Земли.
Здесь, забегая далеко вперед, необходимо определить, что под экосистемой, являющейся подсистемой биогеценоза (биосферы), мы понимаем функциональное целое, состоящее из находящихся в тесном единстве организмов и среды их обитания. При этом количество и качество энергии, газов, воды, твердого или жидкого субстрата и населяющих экосистему организмов, в силу тесных связей внутри ее, заметно отличается от таких же показателей в соседней экосистеме. Одна экосистема, если не зримо, морфологически, то функционально отчленена от соседней. Обычно границы между экосистемами составлены более или менее широкими переходными полосами.
Сфера жизни с населяющими ее микроорганизмами, грибами, растениями и животными аналогична, как система, организму, состоящему из клеток, тканей, органов. И, как в организме, чем крупнее образование, тем четче его границы. Печень не спутаешь с сердцем, но на клеточном уровне эта дифференциация меньше: мышечные клетки (ткани) в разных органах аналогичны. Хотя в определенном порядке, но все же перемежаются клетки жировые, соединительнотканевые, гладких мышц, поперечно-полосатых мышц и т.д.
Организм сравнительно легко обозрим, но биосфера огромна, единым взглядом ее не окинешь, лишь с высоты космического полета. Но оттуда уже мало что видно. Приходится мысленно нарезать “пирог” огромного “сверхорганизма” биосферы, состоящего из живого вещества и среды его обитания. А сделать это по естественным границам непросто.
Как уже было сказано, эти границы функциональны и не везде видны на глаз. Во многих местах они стерты человеческой деятельностью, да и от природы нечетки: жестких граней природа почти не терпит. Суша, вода и воздушная среда плавно не переходят друг в друга, но их обитатели: земноводные, растения, животные, летающие организмы — “нарушают” эти границы. Четкость границ леса и его опушки, как правило, свойственна естественному образованию. Резкий характер границ обусловлен антропогенным воздействием: выкашиванием травы, выпасом скота, вытаптыванием и т.п.
Некоторые ученые, совершенно справедливо обращая внимание на единство живого покрова Земли, отрицают наличие экосистем и их иерархии. Они говорят о континууме(лат. continuum — непрерывное, сплошное) жизни, постепенном изменении свойств ее проявления. Эта точка зрения верна и в то же самое время слишком абсолютна. Жизнь есть функциональное единство одновременно непрерывности и дискретности. Например, каждый индивид самостоятелен, но вместе с тем входит во множество групп, без которых он не в состоянии либо существовать, либо дать потомство.
Трудности структуризации жизни велики, но попробуем сложить “кубики” биосферы в самом простом и лучше всего изученном месте, на суше.
Еловый и сосновый лес, липняк и дубрава, если они составлены из одной лесной породы, луг и соседствующий с ним лесной колок легко отличить друг от друга. Это элементарные экосистемы, “клеточки” биосферы на суше, биогеоценозы.
Озеро, лужок вокруг него и окаймляющий их лесок — это обычное сочетание биогеоценозов в равнинной Западной Сибири. Или расположенные рядом луга, кустарники, а кое-где ельники в речной долине связаны с водой, ее деятельностью. Подобное явное единство можно назвать биокомплексом.
Если плыть по большой реке, например по Волге, Енисею или Амуру, можно подметить, что меняются виды ив, составляющих прибрежные кустарники, иными становятся луга. И для этого не нужно перемещаться из зоны лесов в степи или тундру, изменения происходят в пределах и одной ландшафтной зоны лесов. Леса Мещеры или Полесья отличаются от лесов верховий Волги. Биокомплексы тут различны, хотя внешне сходны и в совокупности составляют индивидуальные образования. В географии эти однородные природные подсистемы называют ландшафтами, в науке о биосфере их называют биолокусами(лат. localis — местный, локальный, отнесенный к определенному месту).
Северная тайга явно отличается от южной и тем более от тропических лесов. Поэтому говорят: биом хвойных (северных) лесов, биом широколиственных лесов и т.д. Каждый биом состоит из многих биолокусов, а группа биомов слагает биозону, или природный пояс лесов, лугостепей, пустынь.
Биозоны степей южной России и Украины явно отличаются от биозон степей Северной Америки, леса Канады не спутаешь с сибирскими. И степи, и леса формировались в сходных природных условиях, но вдалеке друг от друга, и эволюционная история у них была разная. Соседствовали степи и леса в каждом месте по-своему. Назовем такие естественноисторические образования биорбисами или биоорбисами (лат. orbis — область распространения).
У жизни в Австралии, Южной Америке, Северной Евразии и в Южно-Африканской, Южно-Азиатской частях суши особая эволюционная судьба и пространственное сложение.
Все огромное здание биосферы — это большой дом, населенный то густо, то редко, но всюду пронизанный жизнью. И не может ни этот дом, ни его обитатели, ни весь живой мир Земли и космоса не иметь каких-то общих закономерностей построения. Д.И.Менделеев был уверен, что химические элементы — не хаотичное нагромождение и поэтому открыл периодическую систему элементов. Великий генетик и географ Н.И.Вавилов искал и нашел периодические закономерности в эволюции видов. Какая-то системная закономерность должна быть и в построении мира в целом и биосферы (рис 6) в частности.
Материальный мир един, его элементарные частицы: электроны, позитроны и т.п. — составляют атом, атомы образуют молекулы, те, в свою очередь, формируют агрегаты, дающие в своей совокупности два вида веществ — неживое и живое (“живое вещество” — выражение В.И.Вернадского). Живое вещество, как и неживое, структуризируется. Минимальные структуры живого, состоящие из молекул, — органеллы.
Те, в свою очередь, формируют клетки, клетка формирует ткани, а ткани — системы органов.
Рис.6. Иерархическая структура биосферы
Далее путь конструирования живого расходится: одна ветвь — к формированию целого индивида — генетического потомка его предков, другая — к возникновению новой особи. Особь уже не просто индивид, как совокупность органов и их систем, она включает и неотрывных спутников индивида, например микроорганизмы, живущие в кишечнике. Индивиды некоторых видов, например термитов, совершенно не могут существовать без своих спутников. Без деятельности микроорганизмов кишечника у них не переваривается пища. А продолжение рода у высших организмов невозможно без встречи особей разных полов, составляющих “семью” хотя бы на период оплодотворения. Эта группа организмов (“семья”) живет в составе большого скопления особей своего вида, т.е. в популяционной парцелле (части популяции) и составляет совокупность сходных по требованиям к среде и своему генетическому составу особей, т.е. популяцию. Каждая популяция одновременно входит в две структуры: в экологическую пирамиду: растениями питаются травоядные, травоядными — хищники и т.д.; и одновременно в группу экологически сходных популяций, составляющих биотическое сообщество, например, устриц устричной банки или злаков на лугу. Вместе со своими неизменными спутниками: микроорганизмами, насекомыми, грибами — такие сообщества дают собрания как “по горизонтали” — синузии, например синузия мхов в лесу, так и одновременно “по вертикали”, на всю толщину слоя жизни в населяемой среде — консорции. Сложение синузий, например деревьев, кустарников, трав, мхов, и их консорций дает новый вид парцелл, биогеоценотических.
Это, с одной стороны, функциональные родоначальники биоценозов, как сообществ организмов, совершающих в потоке энергии весь цикл превращения вещества: от усвоения химических элементов и простых неорганических веществ растениями до разложения сложных органических молекул вновь на простейшие минеральные составляющие. С другой стороны, они в совокупности с факторами среды дают начало биогеоценозам, которые, в свою очередь, слагают биокомплексы, и так далее по лестнице иерархии.
В систему мира, представленную в табл.1, вписываются все открытые человеком закономерности, в том числе и такие обобщения, как периодическая система элементов Д.И.Менделеева. В одних системах мы видим весьма разветвленные схемы, в других — сравнительно простые, но всегда они будут содержать в себе некое повторение структур в их иерархии, природа не так расточительна, чтобы каждый раз создавать нечто принципиально новое построение. Могут быть и уникальные, единственные в известном нам мире образования, но теоретически это маловероятно. Вероятнее всего, и биосфера Земли как бы повторяется в бесконечной Вселенной.
Узнает ли когда-либо человечество периодическую систему населенных планет бескрайнего космоса, представить трудно, но такая система весьма вероятна.
Пока периодических систем разработано немного для элементов это система Д.И.Менделеева. Для популяций, составляющих виды и другие систематические категории, Н.И.Вавилов предложил аналог — закон гомологических родов и наследственной изменчивости, по которому родственные виды, роды, семейства и т.д. обладают гомологическими генами и порядками генов в хромосомах, сходство которых тем полнее, чем эволюционно ближе таксоны (таксон — это группа объектов, связанных общностью свойств и признаков). Гомология генов (гомология — гр. homologia — сходство органов, имеющих общий план строения) у родственных видов проявляется в сходстве рядов их наследственной изменчивости.
А.А.Григорьев и М.И.Будыко сформулировали закон географической зональности, в соответствии с которым со сменой природных поясов аналогичные ландшафтные зоны и их некоторые общие свойства периодически повторяются. К периодическим законам относится и закон динамики экосистем, которые в своем развитии проходят физиологически и функционально сходные фазы. Вообще, видимо, существует общий системопериодический и системогенетический закон (вспомним из курса общей биологии биогенетический закон Э.Геккеля — Ф.Мюллера: онтогенез — индивидуальное развитие организма — есть краткое и быстрое повторение филогенеза — эволюционного развития вида): вся совокупность систем мира построена по периодическому принципу и каждая из них в индивидуальном развитии кратко и видоизмененно повторяет ряд эволюции своих предшественников.
Система систем дает большой простор для дальнейших исследований. Предстоит разработать и новые законы периодичности для большинства структур, обозначенных в вышеприведенной таблице. Далее мы обратимся к развитию человечества в его единстве со средой обитания, всей биосферой Земли.