192

Ч еловек и биосфера

Глава 15. Человек и биосфера

15.1. Понятие о биосфере. Современные концепции биосферы

Биосфера - оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Термин «биосфера» ввёл австралийский геолог Э. Зюсс в 1875 году, который понимал её как тонкую плёнку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «лик Земли». Первые представления о наружной оболочке Земли как «области жизни» восходят к Ж.Ламарку. Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит известному отечественному естествоиспытателю, основоположнику геохимии, биогеохимии и учения о биосфере В.И. Вернадскому (1863-1945). На формирование его биосферного мышления большое влияние оказали работы В.В. Докучаева о почве как о естественно-историческом теле. Основы учения о биосфере изложены В.И. Вернадским в книге «Биосфера» (1926) и сохраняют своё значение до настоящего времени.

В

Владимир Иванович Вернадский (1863-1945)

.И. Вернадский придал концепции биосферы биогеохимический смысл, понимая под биосферой не только живые организмы, но и среду их обитания.Он выделил в биосфере 7 разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ: 1) живое вещество (совокупность организмов); 2) биогенное вещество (результат деятельности живых организмов - горючие ископаемые, извест­няки и т.п.); 3) косное вещество (образуемое про­цессами, в которых живые организмы не участ­вуют, например, изверженные горные породы); 4) биокосное вещество (создаётся одновременно живыми организмами и абиогенными процессами неживой природы, например, почва); 5) радиоак­тивное вещество; 6) рассеянные атомы; 7) вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Центральное звено в концепции В.И. Вернадского о биосфере - представление о живом веществе: «Живые организмы, - писал он, - являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, её определяющей». С именем В.И. Вернадского связано также формирование социально-экономической концепции биосферы, суть которой - в превращении биосферы в ноосферу вследствие деятельности новой геологической силы.

Исходя из того, что биосфера организована по системному принципу, а также того, что в основе её функционирования лежат круговороты веществ и энергии, сформулированы несколько современных концепций биосферы: биохимическая, биогеоценотическая, кибернетическая, термодинамическая. Биогеоценотическая концепция, например, рассматривает биосферу как сложноорганизованную систему биогеоценозов (динамическую целостную систему организмов разных видов, тесно связанных со средой их обитания), биохимическая концепция - как систему моделей геохимических циклов биогенных элементов.

Биосфера охватывает часть атмосферы до озонового слоя (20-25 км) и часть литосферы, особенно кору выветривания и всю гидросферу. В литосфере область распространения жизни во многом определяется уровнем проникновения воды в жидком состоянии: живые организмы обнаружены до глубины 7,5 км.

15.2. Живое вещество и функции биосферы

Живое вещество распределено в биосфере крайне неравномерно. Максимум его приходится на приповерхностные участки суши (особенно велика биомасса тропических лесов) и гидросферы, где особенно интенсивно развиваются зелёные растения и живущие за их счёт гетеротрофные организмы. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого обычно не превышает нескольких метров. Более 90% всего живого вещества, образованного главным образом углеродом, кислородом, азотом и водородом, приходится на наземную растительность (97-98% биомассы суши). Общая масса живого вещества в биосфере оценивается в 1,8-2,5 х 10¹⁸ г (в пересчёте на сухое вещество) и составляет лишь незначительную часть массы биосферы (3 х 10²⁴ г). Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99,2% зелёными растениями и лишь на 0,8% - животными и микроорганизмами. В океане, наоборот, уже около 93,7% совокупной биомассы приходится на долю животных и микроорганизмов. В океане содержится лишь 0,13% биомассы живых существ, обитающих на Земле, хотя океан и покрывает 70% поверхности планеты. Среди животных 96% приходится на долю беспозвоночных и лишь 4% - на долю позвоночных.

Несмотря на то, что масса живого вещества составляет 1/1000000 часть массы биосферы, оно, тем не менее, по заключению В.И. Вернадского, является наиболее мощным геохимическим и энергетическим фактором, ведущей силой развития планеты Земля. Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии.

Рис. 182. Упрощённая схема круговорота углерода, показывающая прохождение углерода через несколько экосистем. Прерывистыми стрелками обозначены процессы, в которых превращения углерода протекают медленнее, а сплошными – процессы с более быстрыми превращениями углерода

Основной источник биогеохимической активности организмов - солнечная энергия. Она используется в процессе фотосинтеза зелёными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, обеспечивающего пищей и энергией остальные организмы. Благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов около 3 млрд лет назад началось накопление в атмосфере свободного кислорода, затем образовался озоновый слой (экран), защищающий живые организмы от жёсткого космического излучения. Фотосинтез и дыхание растений, поддерживающие современный газовый состав атмосферы, составляют сущность газообменной функции биосферы.

В процессе питания, дыхания, выделения, роста, размножения и смерти живых организмов создаётся, накапливается и распадается органическое вещество, что обеспечивает постоянный круговорот вещества в биосфере. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов (прежде всего биогенных - C, H, O, N, P, Fe, Mg, Mo, Mn, Cu, Zn, Ca, Na, K и др.), их биогеохимические циклы (рис. 182). В ходе последних атомы большинства химических элементов проходили бесчисленное число раз через живое вещество. Так, например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ - за 200-300 лет, а вся

Рис. 183. Упрощённая схема круговорота азота

вода биосферы - за 2 млн лет. В ходе таких биогеохимических циклов (рис. 183) биосферой осуществляется функция синтеза и разложения органического вещества (биохимическая функция).

Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из среды обитания различные элементы, например, железобактерии - железо; фораминиферы, многие моллюски и кишечнополостные - кальций; хвощи, диатомовые водоросли, радиолярии и др. - кремний; губки - йод; асцидии - ванадий и т.д. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Тем самым биосфера реализует свою функцию концентрации рассеянных в геосфере элементов.

Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, Cr, S, P, N, W), создаются их новые соединения. В этом проявляется окислительно-восстановительная функция биосферы.

Наряду с отмеченными выделяют главную функцию биосферы, заключающуюся в обеспечении глобального круговорота химических элементов при участии всех населяющих планету организмов. Совокупная деятельность живого вещества на Земле непрерывно поддерживала и поддерживает режим неорганической среды, необходимой для существования жизни, т.е. относительный гомеостаз в биосфере, одним из характерных свойств которого В.И. Вернадский считал организованность.