Биосфера как глобальная экосистема

Почему биосферу можно рассматривать как уровень организации живой природы?

Становление понятия «биосфера». Биосфера – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются деятельностью живых организмов.

Термин «биосфера» впервые употребил Ж. Б. Ламарк в 1803 г. в своей работе по гидрогеологии Франции для обозначения совокупности организмов, обитающих на планете, – как «область жизни». И только в 1875 г. австрийский геолог 3. Зюсс ввел в науку этот термин. Понятие «биосфера» он объяснял как тонкую пленку земной коры, охваченную жизнью, в основном определяющую «лик Земли».

Но целостное учение о биосфере принадлежит русскому ученому В. И. Вернадскому. В 1926 г. вышла книга В. И. Вернадского «Биосфера», где были сформулированы основные положения концепции биосферы, которая общепринята и в современной науке.

Учение В. И. Вернадского о биосфере заставило ученых всего мира по-новому взглянуть на нашу планету.

Под биосферой В. И. Вернадский понимал область распространения жизни, включающую наряду с живыми организмами и среду их обитания.

Биосфера – глобальный уровень организации живой природы. Биосфера объединяет в себе все биогеоценозы планеты. Она представляет собой открытую систему со своим «входом» и «выходом», ее «вход» – это поток энергии солнечных лучей, «выход» – вещества биогенного происхождения (т. е. произведенные с участием живых организмов).

Обычно в биосфере выделяют три взаимосвязанные геологические оболочки: газовую – атмосферу, водную – гидросферу и твердую – литосферу.

Газовая оболочка Земли – атмосфера (от греч. atmos – пар) состоит из азота (78%), кислорода (21%), аргона (0,9%), углекислого газа (0,03%). Ближе к поверхности Земли (20 – 30 км) в атмосферном воздухе содержатся пары воды. Жизнь охватывает только нижнюю часть атмосферы. Атмосфера оказывает огромное влияние на физико-химические и биологические процессы на поверхности суши и в водной среде. Для дыхания организмам-аэробам необходим кислород, для фотосинтеза и хемосинтеза требуется источник углерода – углекислый газ, для жизнедеятельности азотфиксирующих бактерий нужен газообразный азот.

Водная оболочка – гидросфера занимает 71% площади нашей планеты. Гидросфера заселена организмами, начиная с самого поверхностного слоя воды и до максимальных глубин (11 км) Мирового океана. Гидросфера практически полностью входит в состав биосферы.

Твердая оболочка – литосфера, ее верхний слой образован осадочными породами и гранитом, нижний слой – базальтом. Живые организмы в литосфере в основном сконцентрированы в ее верхнем слое. Особенно богато насыщена живыми организмами почва – поверхностный тонкий, рыхлый слой суши, контактирующий с воздушной средой.

Границы биосферы. Границы биосферы определяются условиями, при которых возможно существование живых организмов.

В атмосфере верхнюю границу биосферы определяет озоновый слой, расположенный на высоте около 16 км на полюсах и до 26 км над экватором. Выше озонового слоя мощный поток ультрафиолетового излучения убивает все живое.

Границы распространения организмов в литосфере определяет высокая температура. Подавляющее большинство организмов не могут существовать при температуре выше 100 °С. Стойкие к высоким температурам бактерии (термофильные) живут в горячих источниках при 90 °С, хотя в последние годы найдены бактерии, выдерживающие температуру 115 °С. Эти бактерии живут в струях горячих так называемых «черных гейзеров», бьющих на дне океана.

Не до конца выяснен вопрос о средовых границах биосферы. Уже давно известны живые организмы, освоившие не только кислородную среду обитания, но и бескислородную. Открыты водородные, метиловые, метановые бактерии, железобактерии, живущие в соответствующих средах. Обитание радиорезистентных бактерий в охладителях ядерных реакторов свидетельствует о способности живого существовать в условиях высокой радиоактивности. Какие среды не могут быть подвергнуты «атаке» живых организмов? Этот вопрос пока остается открытым.

Распространение организмов в биосфере. Живое вещество распределено в биосфере крайне неравномерно. Поскольку источник энергии на Земле – Солнце, то все живые организмы сосредоточены в верхних слоях литосферы и гидросферы.

Чем лучше та или иная земная оболочка пропускает солнечные лучи, тем больше она заселена живыми организмами. Однако распространение живых организмов не кончается там, куда не доходит свет. Благодаря силе тяжести из освещенных слоев в глубину моря непрестанно опускаются отмершие водоросли и трупы животных, экскременты, которые служат основой детритных цепей питания для глубинных гетеротрофных организмов.

В литосфере живые организмы встречаются на относительно небольшой глубине. Основная масса живого вещества сосредоточена в верхнем слое почвы мощностью от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров и редко – до нескольких десятков метров (например, корни растений, бактерии). По трещинам земной коры, колодцам, шахтам и буровым скважинам животные могут опускаться на большую глубину – до 2,3 – 3 км. Различные бактерии встречаются на очень большой глубине и при отсутствии кислорода. С продвижением в недра Земли температура возрастает и на глубине 3 км достигает 100 °С. Можно считать, что высокая температура – это ограничивающий фактор для расселения организмов в литосфере.

С поверхности литосферы живые организмы проникают в нижние слои атмосферы. Кроны деревьев иногда поднимаются на высоту до нескольких десятков метров. На сотни и тысячи метров в атмосферу проникают некоторые виды насекомых и птиц. Восходящие потоки воздуха могут поднимать на километры мелкие семена и споры.
Вещественный состав биосферы. Согласно взглядам В. И. Вернадского, вещество биосферы состоит из нескольких основных типов: живое вещество; биокосное вещество; косное вещество; биогенное вещество; вещество космического происхождения; вещество в радиоактивном распаде (рис. 51).

Биосфера - глобальный уровень организации живой природы
Рис. 51. Биосфера - глобальный уровень организации живой природы

Главное место в концепции В. И. Вернадского о биосфере занимает представление о живом веществе. Он писал: «Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой...»

Косное вещество образуется процессами, в которых живое вещество не принимает участия. К нему относятся горные породы (гранит, базальт и др.), а также породы вулканического происхождения.

Биокосное вещество создается одновременно косными процессами и живыми организмами. Например, почва, все природные воды, известняки, природный ил – примеры биокосного вещества.

Биогенное вещество создается и перерабатывается живыми организмами в процессе их жизнедеятельности. Биогенное вещество представляет собой источник мощной потенциальной энергии (уголь, битумы, природный газ, нефть).

Вопросы и задания

  1. Что включает в себя понятие «биосфера»?
  2. Назовите основные геологические оболочки биосферы. Чем они характеризуются с точки зрения возможностей заселения живыми организмами?
  3. Какими факторами определяются границы биосферы?
  4. Как характеризуется живое вещества?
  5. Как вы думаете, почему жизнь не проникает за пределы озонового экрана?