Введение

Сегодняшняя экологическая обстановка на нашей планете оставляет желать лучшего, поэтому прежде всего стоит обратить внимание на взаимоотношения человечества и биосферы. Загрязнение биосферы - первопричина болезней и преждевременных смертей. Основная задача нашего времени - не допустить необратимых изменений, связанных с загрязнением окружающей среды. Общество постоянно развивается, но вместе с прогрессом растёт количественный и качественный характер загрязнения биосферы. Человечество в целом, а не отдельные страны должны позаботиться о создании системы охраны окружающей среды иначе просто придется жить в скафандре.

Понятие «биосфера»

Существенно иное представление о биосфере сформулировал в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс. В монографии «Происхождение Альп» Он говорит о «самостоятельной биосфере» как об особой оболочке Земли, образованной живыми организмами. В заключительной главе большого трехтомного труда «Лик Земли» (1909) этот автор пишет, что понятие «биосфера» возникло как следствие идей Ж. Ламарка и Ч. Дарвина о единстве органического мира.

С работ Зюсса датируется начало биологического представления о биосфере, как о совокупности организмов, населяющих Землю, как о живой оболочке планеты. Такого взгляда придерживались многие русские географы, например Н. М. Сибирцев (1899), Д. Н. Анучин (1902), П. И. Броунов (1910), А. А. Григорьев (1948), английский исследователь и философ Дж. Бернал (1969). Французские учёные Э. Леруа (1927) и П. Тейяр де Шарден (1965, 1969) также взяли за основу определение Зюсса, однако трактуют его в идеалистическом плане. Согласно Тейяру, биосфера - живой пласт планеты - одна из стадий воплощения Бога.

Представление Зюсса о биосфере как об особой оболочке земли использовал и В. И. Вернадский (1926), вложив в него, однако, существенно иное, биогеохимическое, содержание. Биосфера, по Вернадскому, - область распространения жизни, включающая наряду с организмами и среду их обитания. Тейляр де Шарден в Сборнике статей «Будущее человека» (1969) выразил своё несогласие с подобной трактовкой, явно противоречащей его идеалистической концепции эволюции.

Разработка биогеохимического представления о биосфере была тесно связана с практической деятельностью В. И. Вернадского в Комиссии Академии наук по изучению естественных производственных сил России (начало 1915 г.).

Зачатки этого представления можно обнаружить уже в высказываниях ученых XVII и XVIII вв. , в книге «Космос» А. Гумбольдта и Докучаева.

В настоящее время оба понимания биосферы, по Зюссу и по Вернадскому, существуют. Н. В. Тимофеев-Ресовский предлагает говорить о биосфере в узком и широком понимании. Представляется более целесообразным употреблять это понятие, вкладывая в него смысл, приданный Вернадским, - область распространения жизни, используя для биосферы в «узком смысле» выражения: «совокупность организмов», «пленка жизни», «живой покров Земли», «биота», «биос».

Верхняя граница биосферы, по Вернадскому (1965), проходит на высоте 15-20 км, охватывая всю тропосферу и нижнюю часть стратосферы: озон находится у полюсов в слое 8 -30 км., в тропиках 15-35 км. Снизу Биосфера ограниченна отложениями на дне океанов (до глубины свыше 10 км.) и глубиной проникновения в недра Земли организмов и воды в жидком состоянии. Подстилающая литосфера, верхняя стратосфера, ионосфера и космическое пространство служат биосфере средой. Основной энергетический источник, обеспечивающий функционирование биосферы, - лучистая энергия Солнца.

Таким образом, биосфера - это особая термодинамическая открытая оболочка Земли, вещество, энергетика и организация которой и обуславливаются взаимодействием её биотического и абиотического компонентов. Она, следовательно, включает совокупность организмов и их остатки, а также части атмосферы, гидросферы и литосферы, населённые организмами и изменяемые их деятельностью.

Важнейшей функцией биосферы является регулярное, возрастающее во времени воссоздание живого вещества по численности, весу и количеству аккумулированной и удерживаемой энергии. Человек воспринимает эту функцию как биологическую продуктивность биосферы, её частей (океан, почвы, пресные воды) или её отдельных экосистем и биогеоценозов (дельты, луга, тайга, поля зерновых и т.д.).

Понятие о биосфере. Изучение многообразия форм органического мира и закономерностей его развития не будет полным без понимания места и роли живых организмов в целом на всей планете Земля.

Термин «биосфера» предложил в 1875 г. австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831 --1914), однако его точного определения он не дал. Спустя полстолетия русский геохимик В.И. Вернадский (1863--1945) создал учение о биосфере, основные положения которого он изложил в опубликованной в 1926 г. небольшой брошюре под названием «Биосфера». В.И. Вернадский назвал биосферой оболочку Земли, основная роль в формировании которой принадлежит живым организмам.

Живое вещество -- главная биогеохимическая сила в биосфере. Главным компонентом биосферы является живое вещество -- совокупность всех живых организмов планеты, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе, энергии. Это вещество геохимически чрезвычайно активно, так как при осуществлении процессов питания, дыхания, выделения, размножения оно тесно связано с окружающей средой, благодаря чему почти все химические элементы проходят в общей цепи превращений через биогеохимическое звено. Таким образом, жизнедеятельность организмов -- это глубокий и мощный геологический процесс планетарного характера. Миграция химических элементов из организма в среду и обратно не прекращается ни на секунду. Эта миграция была бы невозможной, если бы элементарный химический состав организмов не был близок к химическому составу земной коры. В,И. Вернадский писал: «Организм имеет дело со средой, к которой не только он приспособлен, но которая приспособлена и к нему».

Благодаря зеленым растениям, осуществляющим процесс фотосинтеза, в биосфере создаются сложные по строению молекулы органических веществ. Заключенную в них энергию используют для процессов жизнедеятельности гетеротрофные организмы. В этом состоит космическая функция зеленых растений биосферы. Без живого вещества работа солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твердых тел по поверхности планеты и к временному их нагреванию. Живое вещество выступает в качестве гигантского аккумулятора и уникального трансформатора связанной лучистой энергии Солнца. Солнечная энергия без живого вещества не совершала бы на Земле созидательной деятельности, так как не могла бы ни удержаться на ней, ни преобразоваться в необходимую для этого энергию.

Улавливание солнечной энергии осуществляется преимущественно растениями. Но в удержании и преобразовании заключенной в них энергии Солнца, перемещении ее по поверхности, а также из внешнего в более глубокие слои планеты принимает участие все живое вещество. Этот процесс осуществляется благодаря размножению, последующему росту и перемещению организмов. Скорость размножения, по В.И. Вернадскому, -- это скорость передачи в биосфере геохимической энергии.

Элементарной структурной и функциональной единицей биосферы является биогеоценоз. Именно в биогеоценозе организмы и среда их обитания тесно взаимно приспособлены друг к другу и благодаря этому осуще-ствяется биологический круговорот веществ -- основа бесконечности жизни

на планете. В ходе осуществления биологического круговорота ограниченные запасы химических веществ приобретают свойство бесконечных, так как находятся в непрерывном круговом обращении. Поэтому круговорот веществ в виде биогеохимических цикловявляется необходимым условием существования биосферы. Весь круговорот веществ в биосфере происходит благодаря одному источнику энергии -- Солнцу. Между величиной поступающей на планету солнечной энергии и количеством образуемого живого вещества установилась тесная зависимость. Так, в результате многолетних исследований ученых разных стран удалось подсчитать, что ежегодно в биосфере образуется примерно 150--200 млрд т сухого органического вещества.

Таким образом, создание учения о биосфере явилось важным достижением человечества. Впервые живая природа стала рассматриваться как целостная система, тесно взаимодействующая с абиотической средой. В.И. Вернадский заложил основы современных научных представлений о планетарном и космическом значении жизни, о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы.

Протяженность биосферы. На планете Земля различают несколько геосфер, в пределах которых существует жизнь (рис. 7.2).

Атмосфера -- воздушная оболочка Земли. С высотой плотность воздуха быстро убывает: 75% массы атмосферы сосредоточено в слое до 10 км, 90% -- до 15 км, 99% -- до 30 км, 99,9% -- до 50 км. Воздух, лишенный влаги и твердых примесей, состоит из азота (78,1%), кислорода (21%), аргона (0,9 %), углекислого газа (около 0,03%) и незначительного количества некоторых других газов.

Большое влияние на состояние атмосферы, т.е. на формирование погоды и климата, играют различные примеси -- переменные составные части атмосферы. К важнейшим из них относится вода, которая в виде водяного пара содержится в нижнем 20-километровом слое атмосферы. Водяной пар вместе с углекислым газом, метаном и некоторыми другими примесями участвует в нагревании внутренних слоев атмосферы (так называемый парниковый эффект). Это обусловлено способностью атмосферы пропускать солнечную радиацию к поверхности Земли и поглощать отраженное от нее тепловое излучение. Благодаря парниковому эффекту температура в атмосфере растет с понижением высоты, и ее нижние слои оказываются теплыми.

Область биосферы простирается лишь в нижнем слое атмосферы -- тропосфере (от греч. tropos -- перемена). Высота тропосферы изменяется от 8--10 км в полярных широтах до 16--18 км на экваторе. Над тропосферой располагается стратосфера (от лат. stratum-- слой) высотой 100 км. В ней на высоте 15--25 км свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращается в озон (О 2-> О 3), который, образуя экран, поглощает губительное для живых организмов коротковолновое ультрафиолетовое излучение.

Литосфера (от греч. lithos -- камень) -- внешняя твердая оболочка планеты. В ней различают два слоя: верхний -- слой осадочных пород с гранитом и нижний -- базальтовый. Слои расположены неравномерно, поэтому в некоторых местах гранит выходит на поверхность. Граница распространения живого вещества в литосфере не опускается ниже 3--4 км. На такой глубине можно встретить лишь анаэробных бактерий. Наибольшая плотность живого вещества в литосфере отмечается в поверхностном слое земной коры -- почве.

Гидрьсфера представляет собой совокупность вод океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледяных покровов. Гидросфера образует прерывистую водную оболочку планеты. Основная масса вод сосредоточена в Мировом океане, средняя глубина которого составляет 3,8 км, максимальная (Мариинская впадина Тихого океана) -- 11,034 км. Незначительная часть гидросферы представлена пресными водами.

Живые организмы населяют всю толщу гидросферы вплоть до максимальных ее глубин, однако наибольшая их плотность приходится на поверхностные слои и прибрежье, прогреваемые и освещаемые солнцем. Зоны непосредственного контакта и активного взаимодействия литосферы, атмосферы и гидросферы плотнее всего заселены живыми организмами, так как в этих местах создаются наиболее благоприятные условия для жизни -- оптимальные температура, влажность, наличие кислорода и необходимых для жизнедеятельности организмов химических элементов.

Пространственная неоднородность биосферы. Условия для жизни организмов в биосфере чрезвычайно разнообразны. Особенно они различаются в наземной и водной средах. Поэтому выделяют континентальную и океаническую части биосферы.

Континентальная часть биосферы -- суша -- занимает 148 млн км 2 , или 29% всей площади планеты. Особенностью ее является крайняя неоднородность, выражающаяся в наличии широтной и высотной зональности.

Широтная зональность обусловлена шарообразностью нашей планеты и наклоном ее оси вращения, вследствие чего земная поверхность неодинаково обеспечивается теплом и влагой. Наибольшее количество тепла получают тропические и субтропические пояса, наименьшее -- полярные. Наблюдается большое различие и в обеспеченности разных областей влагой. Например, для тундры характерен избыток, а для пустынь -- недостаток атмосферных осадков, области умеренных широт характеризуются средними величинами водообеспечения.

Высотная ландшафтная зональность континентальной части биосферы формируется в связи с тем, что с увеличением высоты местности воздух становится более разреженным, с меньшим содержанием кислорода, углекислого газа и водяных паров, а температура его понижается. Из-за недостатка углекислого газа и влаги нарушается нормальный ход фотосинтеза, поэтому на высотах более 6 тыс. м высшие растения не произрастают.

Океаническая часть биосферы занимает 361 млн км 2, или 71% площади планеты. Определяющими факторами жизни организмов в ней являются солевой и газовый состав воды, содержание биогенных элементов, глубина, подвижность вод. Для этой части биосферы также характерна зональность. По условиям жизни особенно различаются между собой полярные и экваториально-тропические зоны гидросферы, а также поверхностная ее часть, освещаемая солнцем, и глубинная зона, куда солнечный свет не проникает. Наиболее благоприятна для развития жизни в гидросфере небольшая по площади (8%) прибрежная зона -- шельф, которая хорошо освещена и обогрета солнечными лучами, обеспечена достаточным количеством элементов минерального питания, поступающих из донных отложений и поверхности суши. Большая часть площади дна Мирового океана расположена на глубинах более 4000 м и около четверти площади -- на глубинах более 5000 м. Температура здесь низкая (от 0,5 до 4°С) и довольно постоянная. Свет в эту зону не проникает. На морском дне происходит накопление органических остатков в виде ила и других отложений.

Распределение живого вещества в биосфере. Биомасса живого вещества продуцентов (зеленых растений) и консументов (животных и микроорганизмов) в океанической и континентальной частях биосферы приведена в таблице 7.1.

Представленные в таблице данные свидетельствуют о том, что основная масса живого вещества биосферы (свыше 99,8%) сосредоточена на континентах. Вклад океаносферы в общую биомассу составляет только 0,13%.

Биомасса организмов Земли (сухое вещество)

Биомасса живого вещества

Организмы континентальной части, океанической частимлрд т % млрд т %

Зеленые растения 2400,0 99,2 0,2 6,3

Животные и микроорганизмы 20,0 0,8 3,0 93,7

Всего: 2420,0 100,0 3,2 100,0

На континентах преобладает живое вещество растений (99,2%), в океане -- животных (93,7%). Однако сопоставляя их абсолютные величины (соответственно 2400 млрд т и 3 млрд т), можно сказать, что живое вещество планеты преимущественно представлено зелеными растениями суши. Биомасса организмов, не способных к фотосинтезу, составляет менее 1% .

Несмотря на то, что биомасса растений суши по абсолютной величине на три порядка больше, чем растений океана, скорость прироста биомассы за единицу времени у океанических растений (водорослей) намного выше (табл. 7.2).

Отношение суммарной годовой продукции (П) к величине биомассы (Б) в некоторых растительных сообществах суши и океана

Растительные сообщества П/Б за год

Древесная растительность лесов 0,018

Растительность лугов, степей, пашни 0, 670

Комплекс растений озер и рек 14,0

Морской фитопланктон 150,0

Интенсивное деление микроскопических клеток фитопланктона, быстрый их рост и кратковременность существования способствуют быстрому обороту фитомассы океана, который в среднем происходит за 1--3 суток, тогда как полное обновление растительности суши осуществляется за 50 лет и более. Поэтому несмотря на небольшую величину фитомассы океана, образуемая ею годовая суммарная продукция сопоставима с продукцией растений суши.

Ежегодно в биосфере в процессе фотосинтеза образуется около 150 млрд т сухого органического вещества. В континентальной части биосферы самыми продуктивными являются тропические и субтропические леса, в океанической -- эстуарии (расширяющиеся в сторону моря устья рек) и рифы, а также зоны подъема глубинных вод -- апвеллинга. Низкая продуктивность растений характерна для открытого океана, пустынь и тундры.

Биосфера -- область распространения живых организмов на планете Земля. Жизнедеятельность организмов сопровождается вовлечением в состав их тела разнообразных химических элементов, необходимых им для построения собственных органических молекул. В результате формируется мощный поток химических элементов между всем живым веществом планеты и средой его обитания. После гибели организмов и разложения их тел до минеральных элементов вещество возвращается во внешнюю среду. Так осуществляется непрерывный круговорот веществ -- необходимое условие для поддержания непрерывности жизни. Наибольшая масса живых организмов сосредоточена на границе соприкосновения литосферы, атмосферы и гидросферы. По биомассе в океане преобладают консументы, на суше -- продуценты. На нашей планете нет более активного и мощного в геохимическом отношении вещества, чем живое вещество.

Показатели современной экологической обстановки на планете оставляют желать лучшего, и сегодня особенное внимание уделяется взаимоотношению человечества и биосферы. Засорение биосферы давно стало первопричиной многочисленных болезней, преждевременного старения и смерти. Основной задачей современного общества является воспрепятствование необратимым изменениям, связанным с загрязнением внешней среды. Постоянное развитие общества и прогресс стимулирует количественный и качественный рост загрязнения биосферы.

Представлением о биосфере человечество обязано австрийскому учёному геологу Эдуарду Зюссу, которой ввёл это понятие в 1875 году.

Положение о биосфере характеризуется наличием двух аспектов: с одной точки зрения биосфера представляет собой специфическую оболочку всего земного пространства, а с другой биосфера является глобальной экосистемой.

Совокупность компонентов характеризует биосферу как нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Все составляющие населены живыми организмами, или исходя из выражения В. И. Вернадского являют собой область распространения живого вещества.

Состав, строение, слои и границы биосферы

Возникшая почти четыре миллиарда лет назад сегодняшняя биосфера охватывает около трёх миллионов видов живых организмов; их остатки; атмосферные зоны; гидросферу и литосферу, которые населены и видоизменены этими живыми организмами. Вся совокупность живых организмов на нашей планете названа В. И. Вернадским живым веществом и рассматривается как его основные характеристики суммарной массы, химического состава и энергии.

Состав биосферы кроме живого вещества включает

• биогенное вещество, состоящее из продуктов жизнедеятельности всех живых организмов;
• биокосное вещество, объединяющее продукты распада, а также почву, кору выветривания и природную воду;
• косное вещество как совокупность веществ, образованных без участия живых организмов.

Исходя из вышеперечисленного, биосфера является областью Земли, охваченной влиянием живого вещества. Места, где наблюдается наибольшая концентрация организмов в биосфере, были названы плёнками жизни.

Распространение современной жизни охватывает верхнюю часть земной коры, или литосферу; нижние слои воздушной оболочки, или атмосферу; водную оболочку, или гидросферу.

Артебиосфера является пространством экспансии человека в околоземное пространство.

Мегабиосфера представляет общий слой по воздействию жизни на всю неживую природу.

Панбиосфера - совокупность мегабиосферы и артебиосферы.

Биосфера включает в себя следующие слои:

1. аэробиосфера,
2. геобиосфера,
3. гидробиосфера.

Показатели верхней границы в атмосфере равны 15–20 км. В атмосфере граница жизни определяется показателем ультрафиолетового излучения - радиации .

Показатели нижней границы в литосфере равны 3,5–7,5 км. Жизнь в литосфере ограничивается температурой подземных вод и горных пород.

Разграничение между литосферой и атмосферой в гидросфере составляет порядка 10 км.

Граница фиксируется на дне Мирового океана и включает донные отложения.

Динамика и ресурсы биосферы

Закономерные изменения, происходящие в состоянии среды обитания всех живых организмов, а также состояние этих организмов представляют динамику современной биосферы.

Регулярная инверсия погодных условий служит основным источником многочисленных колебательных преобразований в биосфере. Современная динамика биосферы давно находится под влиянием человеческой деятельности. По мнению Ю. Н. Куражковского, отличием от естественных и экологических факторов служит преобладание не колебательных, а преимущественно поступательных изменений, происходящих в природе.

Пример: прогресс в области водного транспорта требует расширения и модернизации каналов, которые соединяют различные системы рек. Такой процесс стимулирует обменные процессы фауны и флоры между разными водными бассейнами. Колебательные явления в природе, основанные на человеческой деятельности, наблюдаются крайне редко. Они представлены либо ритмическими, часто многолетними процессами смены растительных культур в севообороте, либо аномальными явлениями.

Экологические проблемы биосферы

В наше время флора Земли, в частности Северной Америки, нуждается в защите. Иначе растения так и будут вымирать.

Будущее биосферы

Невозобновляемые ресурсы биосферы и сейчас способны образовываться в процессе геохимических явлений, протекающих в условиях недр, океанических глубин и на поверхности земной коры. Скорость их генерирования в условиях земной коры или ландшафтной сферы несравнимо ниже, чем темп потребления человечеством. Значительное видоизменение биосферы наблюдается с момента активного использования человеком в целях удовлетворения индустриальных потребностей внешней для биосферы энергии - невозобновляемой энергии ископаемого топлива.

Допроизводственная эпоха характеризовалась использованием человеком для своей жизнедеятельности исключительно возобновимых ресурсов биосферы в форме её продукции. Со временем биосфера становилась более неустойчивой, и этот процесс прогрессирует с каждым годом. Зафиксировано наличие нескольких трагичных для всего человечества несвоевременных изменений в состоянии биосферы, и значительная часть из них связана с разнообразной деятельностью человечества.

Желание удовлетворить растущие потребности, несмотря на обеднение значительной части ресурсов биосферы, влечёт генетические изменения флоры и фауны, массовое разведение и распространение монокультур и домашних животных. Такие процессы приводят к секвестированию биологического многообразия видов и искажению экосистем.

Сохранение биосферы

В течение последних десятилетий результатом форсированного развития человечества стали существенные искажения естественных параметров биосферы. В огромных масштабах происходит загрязнение природной среды и истощение ресурсов биосферы. Эти процессы должны стать предметом для целостного изучения экологической проблемы. Такая задача является приоритетной для нового направления экологии - социальной экологии, которая определяет безопасную стратегию по преобразованию деятельности общества в соответствующие нормативы человеческой жизнедеятельности.

Решение проблемы должно базироваться на перевороте в человеческих умах, пересмотре духовных, моральных, а также интеллектуальных ценностей. Биосфера должна выступать в качестве основы жизни, а не источника ресурсов . Необходимо использовать экологическое нормирование, основанное на научно обоснованном ограничении влияния любой деятельности на биоресурсы. Такая стратегия учитывает социально-экономические интересы человечества и экологические потребности, она поможет справиться с .

Крупнейшим обобщением в комплексе наук о Земле (геология, география, геохимия, биология) стало учение о биосфере, созданное русским ученым В. И. Вернадским. Начав свою научную деятельность (как геолог) с изучения осадочных пород земной коры, В. И. Вернадский выявил огромную роль живых организмов в сложных геохимических процессах нашей планеты. В 1926 г. вышла его книга «Биосфера». В этом произведении глубоко анализируются сложные взаимоотношения живых организмов и неживой природы Земли. Его работа несколько опередила время. Лишь во второй половине ХХ в., на фоне обострения экологических проблем, его учение о биосфере получило широкое распространение.

Важным элементом учения В. И. Вернадского о биосфере является идея тесной зависимости биосферы от деятельности человека и сохранности ее в результате разумного отношения человека к природе. Ученый писал:

Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера. 1

В настоящее время учение о биосфере представляет собой важнейшую часть экологии, непосредственно связанную с проблемами регулирования взаимодействия человека и природы.

Впервые термин «биосфера» был употреблен Ж. Б. Ламарком в начале XIX в. Позднее он был упомянут в работе австрийского геолога Э. Зюсса в 1875 г. Однако это понятие не было детально разработано названными учеными, а использовано вскользь для обозначения области жизни на Земле. Лишь в работах В. И. Вернадского оно анализируется детально и тщательно и под ним понимается «оболочка жизни» на нашей планете.

Биосферой называют совокупность всех живых организмов нашей планеты и те области геологических оболочек Земли, которые заселены живыми существами и подвергались в течение геологической истории их воздействию.

Границы биосферы. Живые организмы неравномерно распространены в геологических оболочках Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере (рис. 1). Поэтому биосфера сейчас включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.

Рис. 1. Область распространения организмов в биосфере: 1 - уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение; 2 - граница снегов; 3 - почва; 4 - животные, обитающие в пещерах; 5 - бактерии в нефтяных скважинах

Литосфера это верхняя твердая оболочка Земли. Ее толщина колеблется в пределах 50–200 км. Распространение жизни в ней ограниченно и резко уменьшается с глубиной. Подавляющее количество видов сосредоточено в верхнем слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиметров. Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров или десятков метров (роющие животные - кроты, черви; бактерии; корни растений). Наибольшая глубина, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий, составляет 3–4 км (в подземных водах и нефтеносных горизонтах). Распространению жизни в глубь литосферы препятствуют различные факторы. Проникновение растений невозможно из-за отсутствия света. Для всех форм жизни существенными препонами служат и возрастающие с глубиной плотность среды и температура. В среднем температурный прирост составляет около 3 °С на каждые 100 м. Именно поэтому нижней границей распространения жизни в литосфере считают трехкилометровую глубину, (где температура достигает около +100 °С).

Гидросфера - водная оболочка Земли, представляет собой совокупность океанов, морей, озер и рек. В отличие от литосферы и атмосферы она полностью освоена живыми организмами. Даже на дне Мирового океана, на глубинах около 12 км, были обнаружены разнообразные виды живых существ (животные, бактерии). Однако основная масса видов обитает в гидросфере в пределах 150–200 м от поверхности. Это связано с тем, что до такой глубины проникает свет. А следовательно, в более низких горизонтах невозможно существование растений и многих видов, зависящих в питании от растений. Распространение организмов на больших глубинах обеспечивается за счет постоянного «дождя» экскрементов, остатков мертвых организмов, падающих из верхних слоев, а также хищничества. Гидробионты обитают как в пресной, так и в соленой воде и по месту обитания делятся на 3 группы:

1) планктон - организмы, живущие на поверхности водоемов и пассивно передвигающиеся за счет движения воды;

2) нектон - активно передвигающиеся в толще воды;

3) бентос - организмы, обитающие на дне водоемов или зарывающиеся в ил.

Атмосфера - газовая оболочка Земли, имеющая определенный химический состав: около 78 % азота, 21 - кислорода, 1 - аргона и 0,03 % углекислого газа. В биосферу входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь в них не может существовать без непосредственной связи с литосферой и гидросферой. Крупные древесные растения достигают нескольких десятков метров в высоту, располагая вверх свои кроны. На сотни метров поднимаются летающие животные - насекомые, птицы, летучие мыши. Некоторые виды хищных птиц поднимаются на 3–5 км над поверхностью Земли, высматривая свою добычу. Наконец, восходящими воздушными потоками пассивно заносятся на десятки километров вверх бактерии, споры растений, грибов, семена. Однако все перечисленные летающие организмы или занесенные бактерии лишь временно находятся в атмосфере. Нет организмов, постоянно живущих в воздухе.

Верхней границей биосферы принято считать озоновый слой, располагающийся на высоте от 30 до 50 км над поверхностью Земли. Он защищает все живое на нашей планете от мощного ультрафиолетового солнечного излучения, в значительной мере поглощая эти лучи. Выше озонового слоя существование жизни невозможно.

Таким образом, основная часть видов живых организмов сосредоточена на границах атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы, образуя относительно «тонкую пленку жизни» на поверхности нашей планеты.

Строение и функционирование биосферы. Биосфера - это глобальная экологическая система , состоящая из множества экосистем более низкого ранга, биогеоценозов, взаимодействием которых друг с другом и обусловлена ее целостность. Действительно, биогеоценозы существуют не изолированно - между ними существуют непосредственные связи и отношения. Например, в водные биогеоценозы ветром, дождями, талыми водами выносятся из наземных экосистем минеральные и органические вещества. Может происходить перемещение организмов из одного биогеоценоза в другой (например, сезонные миграции животных). И наконец, всех объединяет атмосфера Земли, служащая общим резервуаром для живых существ. В нее поступают кислород (выделяемый растениями в процессе фотосинтеза) и углекислый газ (образуемый в процессе дыхания аэробных организмов). Из атмосферы же растения всех экосистем черпают углекислый газ, необходимый им в процессе фотосинтеза, а все дышащие организмы получают кислород.

Существование биосферы базируется на непрерывно осуществляющемся круговороте веществ, энергетической основой которого является солнечный свет (рис. 2).

Рис. 2. Схема биогеохимической цикличности в биосфере. Справа на схеме разрез дерново-подзолистой почвы под хвойным лесом

Круговорот веществ в природе между живой и неживой материей - одна из наиболее характерных особенностей биосферы. Биологический круговорот - это биогенная миграция атомов из окружающей среды в организмы и из организмов в окружающую среду. Биомасса выполняет и другие функции:

1) газовая - постоянный газообмен с внешней средой за счет дыхания живых организмов и фотосинтеза растений;

2) концентрационная - постоянная биогенная миграция атомов в живые организмы, а после их отмирания - в неживую природу;

3) окислительно-восстановительная - обмен веществом и энергией с внешней средой. При диссимиляции окисляются органические вещества, при ассимиляции используется энергия АТФ;

4) биохимическая - химические превращения веществ, составляющие основу жизнедеятельности организма.

Биосфера Земли - это сложная глобальная совокупность, объединяющая все живые организмы и ту часть неживой природы, которая обменивается энергией с живым веществом, влияет на него и сама подвергается его влиянию. Термин «биосфера» появился в науке благодаря Ж. Ламарку и Э. Зюссу еще в XIX веке. Однако учение о биосфере было создано только в начале XX века, и огромный вклад в его разработку принадлежит выдающемуся советскому ученому В. И. Вернадскому. Он впервые рассмотрел функционирование всего живого и взаимодействие его с планетой как комплексный динамический процесс.

Вернадский также уделил внимание эпохе, когда возникла биосфера, то есть наиболее ранним этапам истории Земли.

Границы распространения жизни на Земле

Границы биосферы определяются пригодностью физико-химических условий для существования живых организмов. Нижней границей распространения жизни принято считать изотерму 100 °C в литосфере, расположенную на глубине около 6 км, либо дно океана (около 11 км). Однако эти оценки могут оказаться заниженными, поскольку существуют глубоководные организмы-экстремофилы, переносящие температуры свыше 200 °C (при высоком давлении вода там не кипит). Так что литосфера теоретически может быть населена значительно глубже, но в целом ниже 3-4 км вряд ли возможна активная жизнедеятельность.

Верхние границы биосферы определяются высотой озонового слоя и не поднимаются выше 15-20 км. Фактически же живые организмы могут быть активны на высотах до 8-9 км. В общем, жизнь весьма разнообразна и умеет приспосабливаться к самым разным условиям. Но когда и как возникло все это богатство?

Лаборатория на молодой планете

Первичный органический синтез вполне мог идти в газопылевом протопланетном облаке на ранних этапах формирования Солнечной системы. Так что новорожденная Земля, вероятно, уже имела в своем составе достаточное количество простой органики.

Есть также геологические свидетельства того, что температурный режим Земли с самого начала (возраст нашей планеты составляет 4,5-4,6 млрд лет) позволял существование воды в жидкой фазе. Дегазация недр должна была проходить достаточно активно, поскольку мощной коры планета еще не имела. Вулканы создавали первичную атмосферу и гидросферу, поставляли химически активные вещества. На поверхность выпадали метеориты и кометы. В геохимический круговорот было вовлечено множество веществ, которые непрерывно вступали в реакции, превращались в новые соединения, а те, в свою очередь, реагировали друг с другом.

Автокатализ - двигатель прогресса

Но как все-таки из подобной смеси ингредиентов могла получиться хотя бы самая примитивная живая система? Долгое время поиски ответа на этот вопрос многие ученые вообще считали бесперспективными. Проблема сдвинулась с мертвой точки только в начале 1980-х годов, когда к решению ее подключили теорию самоорганизующихся систем.

Пусть на одном субстрате идет несколько реакций. Тогда более медленные из них станут затухать и прекратятся, то есть будут вытеснены быстротекущими. Так, уже на самых ранних стадиях предбиологической эволюции начинает действовать естественный отбор. Преимущество получают цепные (автокаталитические) реакции, ускоряемые собственными продуктами. На следующих уровнях организации - автокаталитических циклах и гиперциклах - процессы также отбираются на эффективность и сложность, поскольку по достижении определенного уровня сложность системы становится самоподдерживающейся и может возрастать.

Следует заметить, что классическая термодинамика бессильна помочь в вопросе о том, как и когда возникла биосфера, и все эти выводы сделаны учеными в рамках неравновесной, пригожинской термодинамики. В этом контексте жизнь определяется как процесс химической самоорганизации на основе автокатализа высокомолекулярных соединений углерода в неравновесных условиях, и можно считать живой первобытную среду - лужу, в которой протекают упомянутые реакции. Это в буквальном смысле живое вещество - без существ. Такая первичная биосфера - практически ровесница Земли. Во всяком случае, если она моложе нашей планеты, то не намного.

Мир РНК и первые живые существа

Согласно очень перспективной и успешно развиваемой в последнее время теории, первые организмы, обособленные от внешней среды, появились на основе РНК-циклов. Ни ДНК, ни белков они еще не имели.

ДНК в современных организмах хранит наследственную информацию, белки выполняют в клетке активную работу, РНК в общем случае служит неким посредником - считывает информацию и обеспечивает синтез белка. И ДНК, и белок беспомощны друг без друга и без РНК, а вот она умеет делать все - правда, похуже, чем «узкие специалисты», но поначалу это могло и не быть критическим недостатком. В противном случае придется признать, что на каком-то этапе химическая эволюция создала сразу ДНК, РНК, белки, заключила их в первые клетки и строго распределила функции - вероятность этого действительно исчезающе мала.

Первые примитивные РНК, во всяком случае, гораздо эффективнее синтезировались из низкомолекулярной органики, чем сложная «двойная спираль». Параллельно шел процесс образования коацерватов - водно-липидных капель, предшественников клеточной мембраны. И как только «живой раствор» РНК обернулся коацерватной оболочкой, возник первый автономный организм. Пленка мембраны сохраняла химический градиент между внутренней полостью и средой, не давала живому веществу рассеяться - это стало огромным преимуществом.

В ходе дальнейшего развития биосферы эстафету в деле хранения наследственной информации перехватила ДНК, обеспечивающая большую точность, каталитическую активность взяли на себя белки, наштампованные той же РНК, но последняя без дела не осталась. Ведь без нее клетка мертва.

Следы древней жизни в камне и генах

Ответы на вопросы о том, как и когда возникла биосфера, какова ее ранняя история, ученые вынуждены искать в теоретических моделях и лабораторных экспериментах, поскольку первичная поверхность Земли давно уничтожена последующими геологическими процессами.

Древнейшие на сегодняшний день следы жизни обнаружены в Гренландии, Канаде, Австралии. Наиболее достоверные из них датируются временем 3,7 млрд лет назад и свидетельствуют о том, что уже тогда существовали сложные сообщества микроорганизмов, некоторые из них были фотосинтезирующими (цианобактерии или их предшественники).

Другое направление исследований лежит в области молекулярной биологии. Поскольку все ныне существующие виды - родственники, можно, построив филогенетическое дерево видов, приблизительно установить время, когда существовал «последний универсальный общий предок» (англ. Last Universal Common Ancestor, LUCA). Это не первый организм на Земле, но жил он очень давно - по оценкам ученых, около 4 млрд лет назад. Для этого организма определен набор точно имевшихся у него генов, но не известно, был ли «Лука» отдельным видом микроорганизмов или же сообществом видов, обменивающихся наследственным материалом.

Жизнь преобразует планету

Биосфера и на ранних этапах своего существования активнейшим образом участвовала в эволюции Земли. Самой главной заслугой древних докембрийских одноклеточных является, конечно, создание устойчиво-окислительной атмосферы. Но жизнь оказала огромное влияние также на характер осадконакопления и рудообразования. Например, важнейшие железорудные месторождения, такие как Курская магнитная аномалия, образовались благодаря деятельности фотосинтезирующих бактерий в океанах палеопротерозойской эры 2,5-2 млрд лет назад.

Выйдя на сушу, жизнь принялась за работу над ландшафтами. Собственно, сушу как таковую создала именно биосфера. Ведь пока не возникли почвы и не распространились высшие растения, не существовало четкой границы «суша-водоем», сток воды в океаны был площадным, не было устойчивых русел рек.

Про нефть и уголь знают все. Но вот горные цепи Гималаев, Альп, Кавказа - они сложены известняками, а большая часть этой породы имеет биогенное происхождение. Эти горы когда-то были морскими животными. Их раковины, от мельчайших до крупных, образовали одну из самых распространенных осадочных пород.

Функции биосферы

Мы рассмотрели несколько примеров того, как жизнь меняет лик планеты. Обобщим то, что известно о функциях биосферы.

В-первых, она участвует в изменении и поддержании состава атмосферы и природных вод. Во-вторых, переносит, а также накапливает или рассеивает, то есть перераспределяет различные вещества. В-третьих, исполняет средообразующую функцию. Все это можно суммировать как процесс упорядочения и стабилизации геохимических циклов Земли. Осуществляется он за счет поглощения, преобразования, аккумуляции и высвобождения солнечной энергии структурными составляющими, выделенными еще Вернадским в его учении о биосфере: совокупностью живых организмов, биогенным, биокосным и косным веществом.

Неотделима от Земли

С момента, когда возникла биосфера (хотя точного момента, скорее всего, не было), все компоненты ее тесно взаимодействуют между собой и с остальными геологическими оболочками планеты - атмосферой, гидросферой, литосферой. Система «Земля - биосфера» охвачена множеством положительных и отрицательных обратных связей на самых разных уровнях - от отдельных биогеоценозов до глобальных процессов в масштабах геологического времени.