Учение о биосфере

Биосфера - (греч . bios - жизнь , sphaira - шар) - это оболочка Земли, включающая область распространения жизни и часть вещества планеты, которое состоит в постоянном обмене с живыми организмами. Впервые представление о биосфере как наружной оболочке нашей планеты было предложено Ж.Б. Ламарком(1744-1829) в начале 19-го века. В научный обиход термин "биосфера" ввел австрийский ученый Э. Зюсс (1875), выделивший ее как одну из земных оболочек.

Основы научного понимания биосферы заложил русский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863-1945). По Вернадскому биосфера - область существования живого вещества, которая включает нижние слои атмосферы (до озонового пояса - на высоте около 25 км), всю гидросферу (до максимальных глубин) и верхнюю часть литосферы. Однако определение биосферы, отмечал В.И. Вернадский, только как области жизни неполно. Биосфера включает:

1) живое вещество;

2) биогенное вещество, т.е. органоминеральные или органические продукты, созданные живым веществом (каменный уголь, нефть, торф, известняк, гумус и т.д.);

3) биокосное вещество, созданное живыми организмами вместе с неживой природой (вода, атмосфера, осадочные породы).

Чем же отличаются живые организмы от остальных (косных) природных веществ? Отвечая на этот вопрос, обычно говорят, что живые существа - это те, которые могут размножаться, двигаться и т.д. Это утверждение не полностью отражает суть отличия живого вещества. Основной отличительной способностью живого от неживого вещества является способ использования энергии.

Живое вещество - это уникальный природный объект, обладающий способностью принимать и использовать энергию, идущую из Космоса. Улавливая энергию, прежде всего в виде солнечного света, живой организм может удерживать ее в качестве энергии сложных органических соединений, передавать или трансформировать в механическую, химическую, электрическую, тепловую и другие виды энергии. Косные (неживые) вещества не обладают возможностями столь сложных преобразований энергии. Обычно они принимают энергию и рассеивают ее в окружающую среду. Вторая особенность живых организмов - их уникальная способность к самовоспроизведению. Производство новых, идентичных по структуре и функционированию поколений является не только копированием, но и характеризуется изменчивостью признаков из поколения в поколение. А это приводит к гибкой адаптивности и способности приспособления живых организмов к условиям обитания в процессе эволюции. Таким образом, можно отметить особые отличия живого вещества по сравнению с косной природой. Они заключаются в присутствии в живом организме химических соединений, обладающих: способностью к самовоспроизведению; способностью создавать полимерные оболочки, служащие защитой и ограждением живого вещества от косного; способностью осуществлять химические реакции в условиях обычных параметров среды и способностью передавать химическую энергию с высокой скоростью.

Живые организмы различаются по массе - от микробов весом тысячные доли грамма до кашалотов весом 100 т и более; по продолжительности жизни - от нескольких часов у бактерий, до 5000 лет и более у японской криптомерии. Самой существенной особенностью биосферы является биогенная миграция атомов химических элементов, стимулируемая солнечной энергией. "При этом организмы связаны, - отмечал В.И.Вернадский, - с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием и размножением".

Биосфера является мощной геологической силой, формирующей равновесие газов, жидкой и твердой фаз Земли и поставляющей огромную часть свободной энергии для усиления техносферы.

Пределы биосферы ограничиваются физическими условиями существования живых организмов. По современным представлениям, существование жизни обусловлено границами температур от +160 до –250°С и давлением от 0,001 до 3000 атм. Нижняя граница жизни в водной среде проходит на глубине 11500 м, в литосфере (в земной коре) - на глубине более 3000 м (на глубине 4500 м в нефтеносных водах обнаружены микроорганизмы). Верхняя граница распространения жизни в атмосфере обусловлена высотой озонового слоя, служащего для живых организмов защитной средой от смертоносного ультрафиолетового излучения Солнца и расположенного на высоте 25-45 км над уровнем моря.

Последнее время в атмосфере обнаружены некоторые виды жизнеспособных микроорганизмов в состоянии покоя на высоте около 80 км. Жизнь встречается и на вершинах высочайших в мире гор на высоте   8839 м выше уровня моря.

Биомасса современной биосферы составляет около 2,5 трлн. т сухого вещества (около 99% этой массы приходится на зеленые растения). Образование нового органического материала, т.е. чистая ежегодная продуктивность биосферы, составляет около 10% (150-200 млрд. т сухого вещества). При этом примерно 1/3 от годового суммарного показателя производства биомассы составляют морские фотосинтезирующие растения и микроорганизмы (хотя они имеют вес примерно в 100 раз меньше, чем наземные виды).

Каков же общий объем биосферы? Жизнь в биосфере сосредоточена примерно в диапазоне нескольких десятков километров выше и ниже поверхности Земли. Поскольку радиус нашей планеты составляет около 6400 км (4000 миль), а толщина слоя атмосферы 288 км (180миль), можно подсчитать, что слой биосферы (тонкий) составляет менее 1% общего объема планеты. А геологический объем биосферы, который определяется с учетом непрерывного отложения части объема производимой ею биомассы, находящейся вне цикла пищевой цепи, составляет, по современным данным, более 4% от общего объема нашей планеты.

Энергия биосферы характеризуется следующим показателем: в умеренных и тропических широтах величина солнечной радиации, достигающей Земли, составляет около 700 Вт/м2. Часть этой энергии теряется при прохождении через атмосферу, облака и т.д. Растениям и микроорганизмам, существующим за счет фотосинтеза, остается энергии примерно 150-200 Вт/м2, из которых они усваивают 0,2-1%, т.е. 0,5-3 Вт/м2. Общая величина энергии за год, получаемой путем биосинтеза в биосфере, составляет 40×1012 Вт. В.И.Вернадский считал наличие фотосинтезирующих организмов решающим фактором активной жизни биосферы, так как именно они осуществляют постоянную связь между нашей планетой и космосом, используя солнечную энергию для получения различных химических элементов. "К сожалению, - писал В.И.Вернадский, - наши современные знания не позволяют учесть, какую часть всего живого вещества составляет зеленый мир растений".

В наше время учеными составлены мировые карты растительности и почв, установлено, что в живом веществе Земли основная роль принадлежит растительным фотосинтезирующим организмам, которые составляют 95-99% всей массы живого вещества. Суммарные запасы фитомассы Земли, по данным ученных, оцениваются в 2402,5×109 т (количества органического вещества измеряется в единицах сухого веса); суммарная годичная продукция фитомассы суши оценивается в 171,54×109 т.