Основные понятия и свойства биосферы

На  высшей ступени иерархии биосистем  находится глобальная экосистема –биосфера – совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты.

Общая характеристика биосферы

К понятию «биосфера» близко подошел  французский биолог Ж.Б. Ламарк (1802).

Биосфера (греч. bios — жизнь, sphaira —  шар) — область жизни на Земле. Существование на нашей планете  особой естественной реальности —  сферы жизни — отмечалось в  науке уже в конце 18 — начале 19 вв. (например, Ламарком), но впервые  термин Б. был использован в 1873(1875) австрийским геологом Э. Зюссом для обозначения всех живых организмов, населяющих Землю. Он же выделил биосферу как отдельную оболочку Земли, охваченную жизнью, которая включает части атмосферы, гидросферы и литосферы.

Выдающаяся роль в развитии учения о биосфере принадлежит русскому ученому В.И. Вернадскому. В своем классическом труде «Биосфера» (1926 г.) он по существу переоткрыл это понятие, придав ему смысл и статус глобальной системы, в которой все живые организмы так взаимодействуют между собой и с окружающей средой, что оказывает изменения на геологические оболочки Земли и создает биосферу.

Биосфера – это  часть земного шара, в пределах которой существует жизнь. Она представляет собой оболочку Земли, состоящую  из атмосферы, гидросферы и верхней части литосферы, которые взаимно связаны сложными биохимическими циклами миграции вещества и энергии.

Выдающийся русский  учёный В.И. Вернадский (1868-1945), один из создателей современного взгляда на биосферу, определил её как наружную оболочку Земли, область распространения жизни, основа которой - взаимодействие живого и косного вещества.

Согласно современным  представлениям, биосфера – это  своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера – система с прямыми и обратными (отрицательными и положительными) связями, которые, в конечном счёте, обеспечивают механизмы её функционирования и устойчивости.

Биосфера – централизованная система. Центральным звеном её выступают живые организмы (живое вещество). Это свойство всесторонне раскрыто В.И.Вернадским, но, к сожалению, часто недооценивается и в настоящее время: в центр биосферы или её звеньев ставится только один вид – человек.

Биосфера – открытая система. Её существование немыслимо без поступления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности.

Биосфера – саморегулирующаяся система, для которой, как отмечал В.И.Вернадский, характерна организованность.  В настоящее время это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым веществом. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были значительными по масштабам (извержния вулканов, встречи с астероидами, землетрясения, горообразоваие и т.п.), но справлялась с ними благодаря действию гомеостатических механизмов и, в частности, принципа, который в настоящее время носит название Ле Шателье-Брауна: при действии на систему сил, выводящих её из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

Опасность современной экологической ситуации связана прежде всего с тем, что  нарушаются многие механизмы гомеостаза и принцип Ле Шателье-Брауна если не в планетарном, то в региональных масштабах. Их следствие – региональные кризисы. В стадию глобального кризиса биосфера, к счастью, ещё, по-видимому, не вступила. Но отдельные крупные возмущения она уже гасить не в силах. Результатом этого является либо распад экосистем (например, расширяющиеся площади опустыненых земель), либо появление неустойчивых, практически лишённых свойств гомеостаза систем типа агроценозов или урбанизированных (городских) комплексов. Человечеству, к сожалению, отпущен крайне малый промежуток времени для недопущения глобального кризиса и следующей за ним катастрофы и коллапса (полного и необратимого распада системы).

Биосфера – система, характеризующаяся большим разнообразием.Последнее обусловливается многими причинами и факторами. Это и разные среды жизни (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная); и разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; и наличие регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); и, самое главное, объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем со свойственным им видовым разнообразием.

Разнообразие  биосферы за счёт элементарных экосистем  по вертикали обусловливается ярусностью или экогоризонтами растительного  покрова и связанных с ними животных организмов, а в горизонтальном направлении неравномерностью распределения организмов и их группировок и связанных с ними факторов (увлажнение, микрорельеф, обеспеченность элементами питания и т.п.).

Для любой  природной системы разнообразие – одно из важнейших её свойств. С ним связана возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев другими (например, на видовом или популяционном уровнях), степень сложности и прочности пищевых и других связей. Поэтому разнообразие рассматривают как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом. Это свойство настолько универсально, что сформулировано в качестве закона (автор его У.Р.Эшби).

К сожалению, практически вся без исключения деятельность человека подчинена упрощению  экосистем любого ранга. Сюда следует  отнести и уничтожение отдельных видов или резкое уменьшение их численности, и создание агроценозов на месте сложных природных систем. Например, полностью исчезли с лица земли степи как тип экосистем и ландшафтов, резко уменьшились площади лесов (до появления человека они занимали примерно 70% суши, а сейчас – не более 20-23%). В настоящее время идёт невиданное по масштабам уничтожение лесных экосистем, особенно наиболее ценных и сложных тропических, спрямление русел рек, создание промышленных районов и т.п.

Простые экосистемы с малым разнообразием удобны для эксплуатации, они позволяют в короткое время получить значительный объём нужной продукции (например, с сельскохозяйственных полей), но за это приходится рассчитываться снижением устойчивости экосистем, их распадом и деградацией среды.

Не  случайно, что биологическое разнообразие отнесено Конференцией ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.) к числу  трёх важнейших экологических проблем, по которым приняты специальные  Конвенции.

Важное свойство биосферы – наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной “строительный материал” живого – углерод, который практически единственный способен образовывать межэлементные (углерод-углеродные) связи и создавать огромное количество органических соединений. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов в биосфере.

Таким образом, даже краткое знакомство с биосферой свидетельствует, что её свойства и функции, прежде всего, обусловливаются живым веществом, которое, по выражению В.И.Вернадского, является наиболее могущественной преобразующей силой в биосферных процессах. Это значит, что среда, в которой мы живём, - результат, прежде всего функционирования живых организмов, а последние, в свою очередь, - продукт той среды, которая ими создана, результат их медленной миллионолетней адаптации к изменившейся среде. В связи с этим стабильность и устойчивость биосферы возможна при выполнении условий для сохранения всего многообразия организмов и их деятельности. Это, в свою очередь, требует как исключения прямого уничтожения организмов, так и охраны местообитаний, не допуская их изменений сверх тех пределов, которые выходят за рамки адаптационных возможностей организмов. Эти задачи могут решаться на различных уровнях: от планетарного (например, через решения проблем “парникового эффекта”, “озонового экрана”, глобальных круговоротов веществ и т.п.) до локальных (сохранение отдельных популяций, видов, экосистем и т.п.).

 В очень  сложной по составу, строению  и организованности биосфере  можно выделить сравнительно  небольшое число основных компонентов:

• живое вещество – это совокупность тел живых организмов, населяющих Землю вне зависимости от их систематической принадлежности. Общий вес живого вещества оценивается в 2400 млрд. т (в сухом виде). По определению В.И Вернадского, живое вещество является одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты;
• биогенное вещество – это химические соединения, возникшие в результате жизнедеятельности организмов. При этом образующиеся химические соединения могут и не входить в состав тел организмов (каменный уголь, торф, гумус, мел, известняк, нефть и т. д.);
• косное вещество – это вещество, которое образуется без участия живого вещества (горные породы земной коры неорганического происхождения, вода, компоненты воздуха);
• биокосное вещество – это продукты переработки горных и осадочных пород организмами;
• вещество космического происхождения.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы

Атмосфера – это газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, которая определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Атмосфера имеет  слоистую структуру, которая в первую очередь определяется особенностями  вертикального распределения температуры: тропосфера (до 20 км), стратосфера (10-50 км), мезосфера (47-85 км), термосфера (80-1000 км). На высотах свыше 1000 км находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство.

Заселена  только тропосфера, верхняя граница  жизни проходит на высоте около 20 км, куда восходящие потоки воздуха заносят споры микроорганизмов.

Все структурные  параметры атмосферы (температура, давление и плотность) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью: широтной, годовой, сезонной и суточной.

В состав атмосферы входят: азот (78,08 % по объёму), кислород (20,95 %), аргон (0,93 %), углекислый газ (0,03 %), неон, гелий, метан, криптон, водород, ксенон, водяной пар, озон и др.

Важная переменная составляющая часть атмосферы –  водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации колеблется от 3 %  в тропиках до 2·10^-5 % в Антарктиде (у земной поверхности). Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, и его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах составляет около 15-17 мм «слоя осаждённой воды», то есть такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара.

Одним из важнейших  компонентов атмосферы является озон О₃. Озон в основном сосредоточен в стратосфере, где его образование и разложение связано с поглощением губительной для живых организмов ультрафиолетовой радиации Солнца: О + О₂ = О₃. Основное количество озона сконцентрировано в высотах 20-25 км. Средние месячные значения общего содержания озона изменяются в зависимости от широты и времени года и составляют толщину слоя озона в пределах 2,3-5,2 мм при наземных значениях давления и температуры. Озоновый слой – «экран» имеет исключительно важное значение для сохранения жизни на Земле.

Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности, воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов различной степени концентрации. Наиболее чистые атмосферные воды содержат 10-50 мг/л растворённых веществ, а морская вода – до 35 г/л.

Общее количество воды на планете составляет приблизительно 1,5 - 2,5 х 10²⁴ граммов (от 1,5 до 2,5 млрд км³).

Преобладающие элементы химического  состава гидросферы: Na+, Mg2+, Ca2+, Cl–, S, C. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

Гидросфера  находится в тесной  взаимосвязи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента (человек на 70 % состоит из воды). По выражению В.И. Вернадского, вода стоит особняком в истории нашей планеты, но ей принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли. Вода является одним из факторов формирования физической и химической среды, климата на нашей планете, возникновения жизни на Земле.

Если воду гидросферы равномерно распределить по поверхности планеты, то она покроет её слоем толщиной 3000 м. Но средняя толщина земной коры в десять раз больше средней толщины гидросферы, а радиус нашей планеты – в 2100 раз.

Подавляющая часть природных вод слагает Мировой океан (94 %), который представляет собой уникальную природную систему биосферы. В ней происходит грандиозный процесс обмена и трансформации энергии и вещества нашей планеты. При этом различные физические, химические и биологические процессы объединяются, образуя единую природу океана. Со времени образования океана протекало изменение его природы под воздействием различных природных процессов: солнечного излучения, геологических и геохимических факторов и, что особенно важно, под влиянием биологических процессов. Биологические процессы проявлялись и проявляются в развитии живых организмов, в биологической продуктивности и осадкообразовании на всей площади дна мирового океана, в формировании различного рода органогенных илов.

Морская (океаническая) вода представляет собой природный раствор, содержащий в среднем 35 г растворённых веществ в 1 литре воды. В общем, можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы таблицы Д.И. Менделеева. Однако преобладающая часть растворённых веществ сложена немногими химическими элементами: О, Н, Cl, Na, Mg, S, Са, K, Br, С, Sr, B, F, Si, Rb, Li, N, P, J. Некоторые из элементов, несмотря на низкую концентрацию, играют важную роль в химических процессах океана и в морских организмах. В этом отношении ведущая роль принадлежит азоту, фосфору и кремнию, которые усваиваются живыми организмами, и их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских животных и растений.

Следует отметить одну особенность океанической воды – главные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объёме Мирового океана. Это указывает на устойчивость динамического равновесия между количеством растворённых веществ, поступающих с поверхности континентов в океан, и их осаждением.