Учение о Биосфере

ПОНЯТИЕ О БИОСФЕРЕ 
 

 Понятие  биосфера вошло в науку до  некоторой степени случайно. Около  ста лет назад, в 1875 году, австрийский  геолог Эдуард Зюсс, говоря о  различных оболочках земного  шара, впервые употребил этот  термин в последней главе своей  небольшой книжке о происхождении Альп. Однако эта концепция не сыграла заметной роли в развитии научной мысли до тех пор, пока в 1926 году не были опубликованы две лекции русского минералога Владимира Ивановича Вернадского. Концепция биосферы, которую мы принимаем сейчас, в основном опирается на идеи Вернадского, развитые им спустя 50 лет после работ Зюсса. Сам Вернадский считал, что впервые к понятию биосферы подошел французский натуралист Жан Батист Ламарк, в чьих работах можно немало геохимических идей, пусть и архаично изложенных. (6) 

 Биосферой  называется та часть земного  шара, в пределах которой существует  жизнь. Однако такое определение  порождает ряд вопросов и требует  уточнений. Пропуская через фильтр  воздух, взятый на больших высотах,  можно найти в нем споры бактерий и грибов. Но этот «аэропланктон», очевидно, не имеет активного метаболизма. Даже на поверхности Земли немало мест, слишком холодных, слишком жарких или слишком сухих, для того чтобы там могли существовать организмы с активным метаболизмом. Но и в таких местах всегда можно найти споры. Таким образом, оболочка Земли, называемая биосферой, имеет неправильную форму, т. к. она окружена некоей «парабиосферной» областью, в которой жизнь присутствует только в покоящемся состоянии. В настоящее время живой организм может, конечно, существовать далеко за пределами естественной биосферы, находясь в космическом корабле или скафандре. Такие искусственные местообитания можно рассматривать как участки биосферы, вырванные из нее и временно заброшенные в космос. (5) 

 Что  же характерно для биосферы  как особой оболочки земного  шара? Во-первых, это область, в  которой имеется в значительных  количествах жидкая вода. Во-вторых, на нее падает мощный поток  энергии от Солнца. Наконец, в-третьих,  в биосфере имеются поверхности раздела между веществами, находящимися в жидком, твердом и газообразном состояниях  

 УЧЕНИЕ  В. И. ВЕРНАДСКОГО  

О БИОСФЕРЕ 
 

Одним из выдающихся естествоиспытателей, который  посвятил себя изучению процессов, протекающих  в биосфере, был академик В. И. Вернадский. Он стал основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере. 

До появления  работ В. И. Вернадского роль живых  организмов на Земле представлялась ученым очень скромной. Действительно, казалось бы, какое может быть сравнение последствий их жизнедеятельности с мощью внутренних сил планеты, вздымающих высочайшие горы, разверзающих океанские пучины, перемещающих целые континенты. (8) 

В. И. Вернадский доказал, что, как бы слаб ни был каждый организм в отдельности, все они, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий существенную роль в жизни нашей планеты. Геологическая деятельность живых организмов проявляется как следствие следующих их особенностей: они теснейшим образом связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в процессе обмена веществом и энергией; обмен веществ организмов со средой осуществляется в процессе биологического круговорота; суммарный эффект результатов деятельности организмов проявляется на протяжении очень длительных (сотен миллионов лет) отрезков времени. Таким образом, приоритет в разработке теоретических основ учения о биосфере принадлежит советским ученым. 

По определениям ученых, возраст Земли равен приблизительно 5 млрд. лет. Наиболее древние следы живых организмов найдены в Южной Африке (Восточный Трансвааль), в толще горных пород, возраст которых равен 3,2 млрд. лет. Эти организмы напоминали современных нитчатых бактерий. Ученые даже дали им название – эобактериум изолятум. Таким образом, можно считать, что биосфера Земли возникла около трех миллиардов лет назад. (7) 

Наземные  организмы появились около 400 млн. лет назад. Это были первые примитивные  растения. С появлением на суше живых  организмов и возникновением растений начинается важнейший этап в истории развития биосферы. С этого периода началось их быстрое распространение по планете, и в настоящее время Землю населяет огромное количество разнообразнейших растительных и животных организмов (см. табл.). 

В 19 веке в России постепенно складывалось представление  о единстве человека и природы, о  тех проблемах, с которыми неизбежно  столкнется человечество при необузданном стремлении всецело подчинить себе природу. Вообще идея цельного знания, основанного на органической полноте жизни, принадлежит русской философии. Она легла в основу направления общественной жизни, получившего название «русский космизм». Именно тогда в научной среде засверкали имена психолога и физиолога И. М. Сеченова, химика Д. И. Менделеева, почвоведа В. В. Докучаева, основоположника космонавтики К. Э. Циолковского. К плеяде этих выдающихся ученых принадлежит и В. И. Вернадский. (13) 

В 1926 году опубликовал в Ленинграде книгу  под названием «Биосфера», которая  ознаменовала рождение новой науки о природе, о взаимосвязи с ней человека. В этой работе биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты. «Биосфера – организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». В работах по биосфере ученый показал, что взаимодействие живого вещества с веществом косным есть часть большого механизма земной коры, благодаря которому происходят разнообразные геохимические и биогенные процессы, миграции атомов, осуществляется их участие в геологических и биологических циклах. 

В. И. Вернадский впервые показал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты  всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с деятельностью которых связан великий планетарный процесс – миграция химических элементов в биосфере. Эволюция видов, отмечал ученый, приводящая к созданию форм жизни, устойчива в биосфере 
 
 
 

 и  должна идти в направлении  увеличения биогенной миграции  атомов. 

Биосфера  представляет собой сложнейшую планетарную оболочку жизни, населенную организмами, составляющими в совокупности живое вещество. Это самая крупная (глобальная) экосистема Земли – область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Совокупная деятельность живых организмов в биосфере проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. 

Биосфера  по вертикали разделяется на две  четко обособленные области: верхнюю, освещенную светом, - фотобиосферу, в  которой происходит фотосинтез, и  нижнюю, «темную», - меланобиосферу, в которой фотосинтез невозможен. На суше граница между ними проходит по поверхности Земли. (14) 

Биосфера  охватывает нижнюю часть атмосферы  до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев океана. В. И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни». На развитие жизни, а, следовательно, и границы биосферы оказывают влияние многие факторы и прежде всего наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограничивают область распространения жизни и слишком высокие или низкие температуры. Элементы минерального питания также влияют на развитие жизни. К ограничивающему фактору можно отнести и сверхсоленую среду (превышение концентрации солей в морской воде примерно в 10 раз). Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л. 

В планетарной  биосфере выделяют континентальную  и океаническую биосферы, которые  отличаются геологическими, географическими, биологическими, физическими и другими условиями. Нижний предел распространения живого ограничивается дном океана (глубина около 11 км) или изотермой в 100 град. C в литосфере (по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове эта цифра составляет около 6 км). Фактически жизнь в литосфере прослеживается до глубины 3-4 км. Таким образом, вертикальная мощность океанической биосферы составляет 17 км, сухопутной до 12 км. Вверх, в атмосферу, биосфера простирается не выше наибольших плотностей озонового экрана, что составляет 22-24 км. Следовательно, предел протяженности биосферы на Земле выражается цифрой 33-35км, хотя теоретически он может быть более широким. (1) 

На основе работ В. И. Вернадского и других исследователей, внесших большой  вклад в изучение биосферы планеты, предлагается различать три основные ее формы: 

формы биологической систематики, включающие популяции, виды, роды, семейства и  др., принятые в ботанике и зоологии; 

2. биогеографические  формы – территории, характеризующие  географическое распространение и распределение растений и животных, специфику флоры и фауны. Это биогеографические зоны, области и т.д. Отдельно выделяются ботанико-географические и зоогеографические территории, дающие представление о составе и характере флоры и фауны; 

3. экологические формы, известные под названием экосистем (биогеоценозов), экотопов, биотопов и др. Напомним, что биотоп – это участок с однородными экологическими условиями, занятый определенными биоценозами, экотоп – это место обитания сообщества. В отличие от биотопа, понятие «экотоп» включает внешние по отношению к сообществу факторы среды. Это совокупность абиотических условий неорганической среды данного участка, представляющего собой местообитание конкретного сообщества. Экологические формы определяют специфику изучения биосферы в экологических аспектах. (9) 

 Вещественный  состав биосферы также разнообразен. В. И. Вернадский включает в  него семь глубоко разнородных,  но геологически не случайных  частей: 

живое вещество;  

биогенное вещество – рождаемое и перерабатываемое живыми организмами (горючие ископаемые, известняки и т. д.); 

косное  вещество, образуемое без участия  живых организмов (твердое, жидкое и  газообразное); 

биокосное вещество – косное вещество, преобразованное  живыми организмами (вода, почва, кора выветривания, илы); 

вещество  радиоактивного распада (элементы и  изотопы уранового, ториевого и  актиноуранового ряда); 

рассеянные  атомы земного вещества и космических  излучений; 

вещество  космического происхождения в форме  метеоритов, космической пыли и др. (2) 

В строении и морфологии биосферы исключительно  важное значение для развития живого вещества имеют следующие ее элементы (сверху вниз): 

слой  живого вещества, так называемая «пленка  жизни»; 

педосфера, или почвенный покров; 

ландшафтно-экологические системы – функциональные системы, включающие живые организмы и среду их обитания; 

кора  выветривания, т. е. зона разрушения и  преобразования горных пород, их минерально-геохимических  изменений в верхней части  земной коры под воздействием различных  факторов; 

древняя биосфера (палеобиосфера) – комплекс горных пород, рельефа и других ландшафтных  компонентов, залегающих ниже современной  биосферы и погребенных под ее новейшими образованиями. Это горные породы, рудные и нерудные минералы, химические элементы, широко используемые в промышленности; 

многочисленные  минералы верхней части земной коры и биосферы: глины, известняки, бокситы  и т. д.; 

природные воды осадочной оболочки; 

миллионы  органических и органоминеральных  соединений: уголь, графит, гумусовые  вещества, нефть, природные газы; 

минеральные ресурсы биосферы и земной коры, распространенные в форме свободных  элементов: меди, серебра, золота, висмута, платины и т. д. Все они –  главный источник сырья для металлургии, химической промышленности и многих других отраслей. Их добыча и использование в экономике растут год от года. 

Из сказанного вытекает, что биосфера является результатом  сложнейшего механизма геологического и биологического развития косного  и биогенного вещества . С одной  стороны , это среда жизни , а с другой – результат жизнедеятельности . Главная специфика современной биосферы – это четко направленные потоки энергии и биогенный ( связанный с деятельностью живых существ ) круговорот веществ . (10)