Раздел 3. Биосфера и человек

Биосфера – это область Земли, охваченная влиянием живого вещества. В настоящее время биосферу рассматривают как самую большую глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ, обладающую определенной структурой и устойчивостью, присущими ей особенностями формирования и развития (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 - Границы биосферы

3.1. Состав, строение и границы биосферы

Академик В.И. Вернадский всю совокупность организмов на планете назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

В состав биосферы входят:

• живое вещество (растения (флора), животные (фауна) и микроорганизмы);

• биогенное вещество (каменный уголь, битумы, нефть);

• биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами почвы, кора выветривания, все природные воды, атмосферные газы и др.);

• косное вещество – совокупность тех образований в биосфере, в создании которых, как считается, живые организмы не участвуют (горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).

Современная биосфера включает более 3 млн. видов живых организмов.

Жизнь распространена в литосфере (верхней части земной коры), в атмосфере (нижних слоях воздушной оболочке Земли) и в гидросфере (воде):

• вглубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной. Наибольшая глубина, на которой были обнаружены живые бактерии, составляет ~ 4 км;

• в горах граница распространения наземной жизни – около 6 км над уровнем моря;

• в океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается практически везде, даже на дне океанических впадин в 10…12 км от поверхности.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем ультрафиолетовой радиации. В слое атмосферы от 20 до 30 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь озоновый слой. Если живые организмы поднимаются выше слоя озона, они погибают. Атмосфера насыщена многообразными живыми организмами, передвигающимися в воздухе активным или пассивным способами. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20…22 км, основная часть их все же сосредоточена в слое до 1…1,5 км.

Более 99 % суммарного живого вещества сосредоточено в слое, захватывающем несколько метров вглубь и несколько десятков метров вверх от поверхности. Поэтому главные процессы взаимодействия живой и неживой природы протекают в тончайшей пленке планеты. Этот слой называют биогеосферой или ландшафтной оболочкой.

Крайние пределы температур, которые выносят некоторые формы жизни – от практически абсолютного нуля (- 270 С) до +180 С. Давление, при которой существует жизнь, - от малых долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верхнее давление приблизительно 12 тыс. атм. Споры бактерий, мицелий некоторых грибов не теряют жизнеспособности в условиях высокого вакуума (10 - 13 мм рт. ст.). Бактерии обнаружены в водах атомных реакторов, некоторые из них выдерживают облучение порядка 2 - 3 млн. рад. При температурах жидкого воздуха (-192С), водорода (-256,1 С) ряд бактерий остаются живыми.

Вывод: выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий, которые существуют в границах современной биосферы. Поэтому, жизнь обладает значительным «запасом прочности», устойчивости к воздействию среды и потенциальной возможностью к еще большему распространению.

Живое вещество суши составляет 10¹²…10¹³ т, биомасса лесов 10¹¹…10¹² т, минеральные вещества и азот - 10¹⁰ т. Около 90 % биомассы биосферы сосредоточено в лесах. Годичный прирост биомассы в тайге равен 4…7 %, в лиственных лесах 10…15 %, прирост травы 30…50 %. Живые организмы аккумулируют солнечную энергию, превращают ее в химическую и создают все многообразие жизни. Живые организмы принимают участие в перераспределении химических элементов, образовании горных пород и минералов, выполняют особые геохимические функции: газообмен, концентрационную, окислительно-восстановительную, созидательную и разрушительную.

Биомассой называют количество живого вещества тех или иных организмов или всего сообщества, приходящееся на единицу площади или объема. Биомасса, производимая популяцией или сообществом (на единицу площади) в единицу времени, называется биологической продуктивностью.

Основную долю биомассы суши составляют зеленые растения – 99,2 %, а в океане только 6,3 %, в то время как масса животных и микроорганизмов суши равна 0,8 %, а в океане – 93,7 %. Масса живого вещества на поверхности материков в 800 раз превышает биомассу океана.

К уникальным особенностям живого вещества можно отнести следующие признаки:

• способность быстро занимать или осваивать все свободное пространство;

• способность к адаптации в различных условиях;

• высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в ~ 200 раз больше веса их тела;

• высокая скорость обновления живого вещества;

• устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти, с сохранением высокой физико-химической активности.

Главными составными элементами живого вещества являются кислород (65…70 %) и водород (10 %). Остальные элементы представлены углеродом, азотом, кальцием (от 1 до 10 %), серой, фосфором, калием, кремнием (от 0,1 до 1 %), железом, натрием, хлором, алюминием и магнием.