Структура и границы биосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Структура и границы биосферы

1. Структура и границы биосферы

Биосфера - это оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности. В.И. Вернадский называл ее еще «пленкой жизни». Биосфера - это глобальная экосистема Земли.

Современная биосфера включает в себя всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы.

Гидросфера представляет собой прерывистую оболочку планеты, включающую все ее свободные воды, которые могут двигаться под влиянием гравитационной силы, а также под влиянием тепла. Она представлена совокупностью поверхностных (океаны, моря, озера, болота, реки, ледяные покровы) и подземных вод. Гидросфера отличается высокой динамичностью, движущей силой которой служит круговорот воды. Гидросфера Земли находится в тесной взаимосвязи с другими сферами: с литосферой при посредстве подземных вод и с атмосферой через атмосферную влагу (водяной пар). Гораздо сложнее взаимодействие гидросферы с живыми компонентами биосферы. Основную массу живых организмов составляет вода, но ее суммарная масса незначительна относительно объема гидросферы. Вода с биосферой связана также процессом транспирации, который относится к биологическому звену круговорота воды.

Земля уникальна, потому что на ней много воды в жидкой фазе, которая играет очень важную роль в формировании других особенностей планеты. Главнейшей из них является изобилие жизни. Гидросфера необходима для существования биосферы, поскольку жизнь зародилась в гидросфере, и большинство растений и животных состоит в основном из воды. Велика роль гидросферы в поддержании относительно неизменного климата, что позволило жизни воспроизводиться в течение трех с лишним миллиардов лет. Ископаемые останки живых организмов указывают на то, что жизнь, появившись в период раннего докембрия, не прерывалась. Для жизни необходимы температуры в диапазоне от 0 до 100 °С (пределы жидкой фазы воды), значит, температура на протяжении большей части истории планеты отличалась относительным постоянством.

К особенностям гидросферы следует отнести циркуляцию приповерхностных вод океанов, которая вызывается действием ветров. В тропиках вода движется к западу, увлекаемая пассатами, а в средних широтах - к востоку под действием западных ветров. Это порождает круговые течения в субтропиках, характеризующиеся циркуляцией вод по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки - в южном.

Гидросфера занимает около 70,8 % поверхности Земли. Ее общий объем 1400 млн куб км что составляет 1/800 части объема Земли. Масса гидросферы распределена очень неравномерно: 97 % Мировой океан, 2,2 % материковые льды и лишь 0,1 % приходится на континентальные водоемы (Львович, 1974). биосфера оболочка фотосинтез энергетика

Структура пресных вод гидросферы следующая: ледники 85 %, подземные воды 14 %, озера и водохранилища 0,6 %, почвенная влага 0,3 %, пары атмосферы 0,05 %, речные воды 0,004 %.

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, обладающая большой прочностью, переходящая без отчетливой границы в подстилающий слой Земли астеносферу. Вещество астеносферы способно, судя по геофизическим данным, к вязкому или пластичному течению. В связи с этим полагают, что именно в астеносфере происходят процессы, вызывающие гори зонтальные и вертикальные движения больших участков (платформ) земной коры. Мощность литосферы колеблется в пределах 50-200 км. Верхняя часть литосферы образует земную кору, а нижняя верхнюю часть мантии Земли.

Земная кора, хотя и представляет собой, в отличие от гидросферы, сплошную оболочку нашей планеты, очень неоднородна как по горизонтали, так и по вертикали. По вертикали в земной коре на основании геофизических данных об изменении плотности вещества сверху вниз выделяют: 1) осадочный слой, средняя плотность 1,8-2,5 г/см³; 2) гранитный слой, средняя плотность 2,5-2,75 г/см³; 3) базальтовый слой, средняя плотность 2,75-3 г/см³.

Горизонтальная неоднородность земной коры проявляется очень резко. Наибольшие различия наблюдаются в строении земной коры материков и океанов. В связи с этим различают два основных типа земной коры: континентальный и океанический. Континентальная кора характеризуется наличием всех трех названных выше слоев и очень большими мощностями, достигающими 70-75 км, при средней мощности 35 км. Для океанического типа коры характерны отсутствие гранитного слоя и незначительная мощность, обычно около 5-10 км.

Осадочный слой в основном сложен неизмененными или слабоизмененными осадочными породами (глинами, песками, конгломератами, известняками, доломитами, гипсами и т. д.), образовавшимися на поверхности Земли в результате совместного воздействия: 1) переотложения продуктов выветривания и разрушения более древних пород; 2) химического и механического выпадения осадка из воды; 3) жизнедеятельности организмов. Меньшую роль в образовании осадочного слоя играют: 4) современные осадки и 5) породы магматического (глубинного) происхождения, возникшие в результате излияния на поверхность расплавленного вещества из недр Земли. Мощность осадочного слоя очень изменчива. Местами он отсутствует, местами достигает толщины 15- 25 км. Средняя мощность этого слоя значительно больше в пределах материков, чем океанов. Общий объем осадочного слоя составляет примерно 10 % от объема всей земной коры, причем основная часть приходится на материки и окраины океанов.

Гранитный слой состоит главным образом из магматических пород группы гранита (богатых кремнеземом) и метаморфических пород, образовавшихся за счет сильного изменения под действием высокой температуры и давления осадочных и магматических пород. Мощность слоя достигает 25-30 км.

Базальтовый слой, вероятно, сложен преимущественно основными, т. е. относительно бедными кремнеземом, породами типа базальтов и метаморфическими породами. Мощность его, как и предыдущих слоев, очень изменчива. Под материками толщина слоя достигает 30 км, в то время как под океаном она колеблется от 2-3 до 10-15 км.

В биосферу входит только самая верхняя часть земной коры, причем нижняя граница биосферы имеет нечеткий, расплывчатый характер, поскольку распространение живых организмов от границы литосферы с атмосферой и гидросферой в глубь Земли резко уменьшается. Отчетливое распространение жизни отмечается лишь до глубины в несколько десятков метров, однако с подземными водами микроорганизмы распространяются и на значительно большие глубины (до 2-3 км). Известны единичные случаи находок микроорганизмов в нефтеносных водах и нефти, добытых при бурении с глубин более 4,5 км. Нижняя граница может меняться в зависимости от геологического строения местности, гидрогеологических условий и геотермического градиента (геотермический градиент это прирост температуры горных пород земной коры при углублении на каждые 100 м). В различных местах он неодинаков и колеблется от 0,5 до 20 °С, составляя в среднем 3 °С. Основным физическим фактором, определяющим границы распространения микроорганизмов в земной коре, является температура. Подавляющее большинство микроорганизмов не выдерживает длительного пребывания при температуре, близкой к 100 °С, поэтому нижней границей биосферы считают именно глубину распространения температуры в 100 °С. В действительности же распространение живых организмов ограничено не только температурными условиями, но и другими факторами, и не всегда достигает предела, обусловленного возрастанием температуры. Поэтому реальное положение границы биосферы обычно не может быть точно определено.

Атмосфера - это газовая оболочка Земли, состоящая в основном из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), аргона (0,93 %), углекислого газа (0,03 %) и остальных газов 0,01%.

Нижняя граница атмосферы - это поверхность суши и гидросферы, резкой верхней границы атмосферы по существу нет. При отдалении от поверхности Земли постепенно уменьшается плотность атмосферы и она незаметно исчезает. Около половины массы всей атмосферы сосредоточено в приземном 5-километровом слое, а 99 % в 30-километровом. Масса воздуха выше 30 км составляет лишь 1 %. Верхней границей атмосферы обычно условно принимают высоту над Землей, равной примерно 3 тыс. км. Это высота, где плотность атмосферы и межпланетного пространства уравниваются.

Общая масса атмосферы равна 5,2х10¹⁵ т. Атмосферное давление на уровне моря примерно соответствует давлению ртутного столба в 760 мм или столба воды высотой 10 м.

Атмосферу делят на ряд слоев. Наиболее распространено деление по характеру изменения температуры в зависимости от высоты. По этому принципу снизу вверх выделяют тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера нижний, прилегающий к земной поверхности слой атмосферы, в пределах которого температура равномерно уменьшается с высотой. Верхняя граница тропосферы проходит по тропопаузе, высота которой изменяется в зависимости от широты местности, времени года и даже суток. При движении от полюсов к экватору она повышается, и следовательно изменяется и высота тропосферы, в среднем от 9 до 17 км.

Основная причина изменения высоты тропосферы колебания температуры. В средних широтах часто отмечаются разрывы тропопаузы в связи с резким изменением ее высоты.

В тропосфере заключено около 80 % всей массы атмосферы и практически весь водяной пар, в ней происходят интенсивные горизонтальные перемещения воздушных масс, обусловливающие погоду, образуются облака, выпадают осадки. Температура в пределах тропосферы сильно изменяется как в пространстве, так и во времени, однако в среднем она уменьшается с высотой примерно на 0,6 °С на каждые 100 м. Уменьшение температуры с высотой вызвано тем, что тропосфера прогревается преимущественно за счет тепла, излучаемого земной поверхностью. У верхней границы тропосферы температура снижается до -56 °С.

Стратосфера - это воздушная оболочка, расположенная над тропосферой. Для стратосферы характерны относительно постоянная температура в нижней части (примерно до высоты 25 км) и постепенное возрастание ее в верхней части, а также, в отличие от тропосферы, исключительная сухость воздуха. Верхняя граница стратосферы расположена на высоте в среднем около 50 км. У верхней границы стратосферы температура воздуха достигает 0 ... +10 °С.

В нижней части стратосферы располагается озоновый слой, для которого характерно повышенное содержание озона. Общая доля озона составляет менее одной миллионной части от общей массы атмосферы. Однако в связи с тем, что содержание озона в атмосфере при удалении от поверхности Земли примерно на границе тропосферы и стратосферы резко увеличивается, а затем на высоте 30 км также резко падает, создается слой, обогащенный этим газом. В озоновом слое, несмотря на то, что он составляет незначительную часть атмосферы, содержится основная часть всего озона, причем его концентрация на высоте 15-26 км более чем в 100 раз превышает концентрацию у поверхности Земли. Под влиянием магнитного поля Земли озоновый слой над полюсами находится на меньшей высоте и содержит больше озона, чем над экватором.

Значение озонового слоя очень велико. Он поглощает 13 % солнечной радиации, идущей к Земле, в то время как вся атмосфера Земли поглощает 20 %. Поэтому температура воздуха в стратосфере снизу вверх возрастает от -56 до + 10 °С. Однако главное значение озонового слоя заключается в том, что он почти полностью поглощает ультрафиолетовые лучи, губительные для всего живого. Эти лучи на границе с атмосферой составляют около 7 % от всего потока солнечной радиации. Благодаря озону атмосферы до поверхности Земли доходят лишь сотые доли процента ультрафиолетовых лучей. Именно поэтому озоновый слой часто называют озоновым экраном, защищающим жизнь на Земле.

Мезосфера. Выше стратосферы располагается мезосфера, для которой характерно уменьшение температуры с высотой. Верхняя граница ее проходит по слою, обладающему минимальной для атмосферы температурой (около -90°С), располагающемуся в среднем на высоте около 85 км.

Термосфера. Мезосфера переходит в термосферу, характеризующуюся быстрым возрастанием температуры до 1000-2000°С. Однако непосредственно измерить температуру в атмосфере можно лишь до высоты 6070 км. Выше же в связи с чрезвычайной разреженностью газа этого сделать нельзя. В термосфере температура не может ощущаться физически как степень нагретости тела. Для столь разреженного газа она может быть лишь рассчитана как мера средней кинетической энергии хаотического движения частиц газа. Такую рассчитанную температуру называют кинетической. Граница термосферы с самой внешней оболочкой земной атмосферы (экзосферой) располагается выше 800-1000 км. В пределах термосферы температура и плотность воздуха очень сильно зависят от времени года и суток. Так, плотность воздуха и температура значительно больше днем, чем ночью. Температура и плотность воздуха термосферы резко возрастают в годы с повышенной солнечной активностью. В пределах термосферы возникают полярные сияния. Из-за воздействия ультрафиолетовых и космических лучей частицы воздуха в термосфере и'выше ее ионизированы. Поэтому иногда всю часть атмосферы выше 80 км выделяют как ионосферу оболочку, в которой воздух сильно ионизирован. Часто не выделяют отдельно стратосферу и мезосферу, а объединяют обе эти части в стратосферу. В таких случаях деление атмосферы становится трехчленным (тропосфера, стратосфера и ионосфера).

В биосферу входит самая нижняя часть атмосферы - тропосфера. Физическим пределом распространения жизни в атмосфере является озоновый слой. Поэтому нижнюю границу его можно рассматривать как верхнюю границу биосферы. Озоновый слой ограничивает распространение жизни, так как выше его концентрация содержащегося в нем озона губительна для живого.

Жизнь в атмосфере не может существовать без непосредственной связи с литосферой или гидросферой. Тропосфера лишь место временного нахождения способных летать организмов или подхваченных воздушными потоками с поверхности Земли бактерий, спор, пыльцы Т.е. у атмосферы нет своих постоянных жителей, а имеются только «временные пришельцы» из других областей биосферы. В этом заключается своеобразие проявления жизни в тропосфере, определяющее некоторую условность отнесения всей этой оболочки к биосфере.

Действительно, 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 есть места слишком жаркие, слишком холодные или слишком сухие, для того чтобы там могли существовать организмы с активным метаболизмом (не считая, конечно, людей, снабженных соответствующим оборудованием). Но и в таких местах всегда можно найти споры. Таким образом, оболочка Земли, называемая биосферой, имеет неправильную форму.

2. Особенности биосферы как живой оболочки земного шара

В. И. Вернадский в своих работах дал неск ко определений биосферы, везде подчеркивая две ее отличительные особенности. Первая особенность: «биосфера представляет оболочку оль жизни -- область существования живого вещества», вторая: «биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию -- электрическую, химическую, механическую, тепловую».

В. И. Вернадский показал, что важнейшей особенностью биосферы является жизнь, преобразующая лик Земли. Интенсивность воздействия живого вещества на поверхностные оболочки планеты целиком и полностью определяется особыми, только живым организмам присущими, свойствами. В течение всего геологического времени живое вещество в биосфере выполняет ряд функций: газовую, окислительно-восстановительную, концентрационную (для различных химических элементов), разрушения органических соединений, метаболизма и дыхания, транспортную, энергетическую. Функции живого вещества в биосфере многообразны, но это многообразие имеет единую сущность. Биосфера неразрывно связана с Космосом, в наибольшей степени с Солнцем. Существует постоянный энергетический обмен биосферы с Космосом. Жизнь на Земле определяется Солнцем.

В своем глобальном, космическом проявлении «сфера жизни» выступает как гигантский аккумулятор и уникальный трансформатор лучистой энергии Солнца. Именно биосфера -- приемник космического излучения на нашей планете -- осуществляет активную связь Земли с Космосом. Если бы на Земле не было жизни, не было биосферы, работа солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твердых, тел по поверхности планеты и к временному их нагреванию. Сол-нечная энергия не совершала бы на Земле созидательной дея-тельность так как не могла бы ни удержаться на поверхности планеты, ни преобразоваться в необходимую для этого форму.. Зеленые хлорофилловые растения создают в биосфере органические вещества, характеризующиеся высокой сложностью химического строения и большими запасами заключенной в них энергии. Явление фотосинтеза было открыто задолго до В. И] Вернадского. Однако исследователи фотосинтеза, в том числе I и К. А. Тимирязев, обращали внимание прежде всего лишь на биологическую сторону процесса: самоподдержание жизни в ре-) зультате усвоения энергии излучений. В. И. Вернадский показал, что роль фотосинтеза еще больше: он служит причиной изменения всего облика Земли. Преобразуя космическую (главным образом солнечную) энергию з свободную земную (химическую, механическую, тепловую, электрическую и пр.), живое вещество постоянно нарушает то относительное химическое равновесие, которое присуще поверхности планеты. Усвоение солнечной энергии осуществляется только растительным миром. Но удерживает и преобразует ее все живое вещество планеты. Количество солнечной энергии, поглощаемой живым веществом, колоссально: ежегодно в процессе фотосинтеза растения связывают 1,7 * 10¹⁸ ккал энергии, хотя живое вещество составляет лишь ничтожную часть массы биосферы, около 0,0001 % (Н. Ф. Реймерс, 1990).

Поглощая постоянно из окружающей среды энергию (зеленые растения непосредственно в форме квантов солнечного света, другие организмы в форме подготовленного растениями органического материала), живые существа накапливают ее, в результате количество энергии в биосфере увеличивается. Поэтому общее направление природных процессов в поверхностной оболочке планеты противоположно тому, которое следовало бы из второго начала термодинамики. Энтропия биосферы уменьшается, упорядоченность ее соответственно возрастает неуклонно с ходом геологического времени. Организованность биосферы -- удивительная, тончайшая слаженность, гармония стихийных сил и всего живого на планете -- наиболее ярко проявляется во взаимной приспособляемости организма и среды, их взаимосогласованности и взаимовлияния. Одна часть этого взаимодействия -- зависимость организма от среды обитания -- была полно раскрыта биологами от Ж- Б. Ламарка и Ч. Дарвина до К. А. Тимирязева и И. В. Мичурина. Но обратное явление -- влияние жизни на среду -- почти не привлекало внимание исследователей до В. И. Вернадского. Раскрывая глубочайшее влияние живого вещества на ход химических превращений в биосфере, В. И. Вернадский и его последователи (Я. В. Самойлов, А. П. Виноградов) указывают, что связь живого и неживого в биосфере взаимна, организм имеет дело со средой, к которой не только он приспособлен, но которая также приспособлена к нему. Конечно, речь идет не об отдельном организме, а о совокупности больших комплексов живых существ или даже обо всем; живом веществе планеты.

В геохимической эволюции биосферы первостепенную роль играет живое вещество. Этот вывод, считал В.И. Вернадский,, должен лечь в основу современного естествознания, привести к новому пониманию природы и существенно изменить старое ньютоновское представление о мироздании (как о господстве одних лишь физико-механических закономерностей), где жизни и сознанию отведена ничтожная роль.

Биосфера -- своеобразный «механизм», в котором связь и соотношение между живым и неживым веществом подчиняются точным математическим закономерностям, таким же непреложным, как законы движения небесных светил или же перемещений в системах атомов. Точное количественное выражение явлений жизни становится возможным тогда, когда от рассмотрения' отдельных особей мы переходим к целым биоценозам, а затем и ко всему живому веществу планеты. Материально-энергетический «напор жизни» на среду подобен напору газа--живое вещество стремится занять максимальный объем, распространиться на вою свободную территорию. Растекаясь по земной поверхности, оно переносит вместе с собой энергию, полученную от Солнца. Такое растекание жизни по поверхности планеты осуществляется благодаря процессу размножения. Размножение-- главное и основное свойство жизни, посредством которого осуществляется постоянный обмен веществом и энергией между организмом и средой.

Процесс материально-энергетического обмена в биосфере строго ритмичен. Этот ритм определяется постоянством астрономических явлений -- постоянством периода обращения Земли вокруг своей оси (с суточной периодичностью связано размножение одноклеточных) и Солнца (с годовой периодичностью, как правило, связано размножение многоклеточных). Скорость. размножения зависит также от скорости распространения солнечной энергии в среде обитания организмов, от размеров последних, от количества заключенной в них геохимической энергии.

Постоянный темп размножения живого вещества задается устойчивостью всех химических реакций земной коры. Изменение этой устойчивости означало бы нарушение всех веками установившихся циклов химических превращений на Земном шаре. Среднее количество неделимых живых организмов, появляющееся в биосфере благодаря размножению в единицу времени, представляет собой меру геохимической энергии живого вещества. У различных биологических видов количество присущей им энергии, а следовательно, и производимой ими работы раз лично и служит, отмечал В. И. Вернадский, важнейшим видовым признак

Геохимическую энергию жизни можно представить как кинетическую. Когда вся свободная площадь будет заселена, дальнейшее воспроизведение потомства прекратится, кинетическая энергия размножения перейдет в потенциальную. Таким образом, процесс размножения подчиняется правилу инерции, т. е. может быть задержан только внешними силами (недостатком места для обитания или пищи, неподходящей температурой).

Неразрывная связь планеты и организма имеет, таким образом, не только качественную, но и количественную сторону. Точные представления о геохимической энергии живых организ-мов, выраженные математически, позволяют совершенно по-ино- му взглянуть на органический мир: за видимостью и случайно- стью невообразимого многообразия жн.шейных форм раскрыва-ется их глубокое внутреннее (необходимое и закономерное) взаимодействие. Жизнь строго согласована в своих тончайших проявлениях, это часть одного стройного целого--материального мира.

Биосфера -- закономерный продукт эволюции Земли. К такому выводу В. И. Вернадский пришел, исследовав химический состав и химическую эволюцию земной коры и убедившись в том, что они не могут быть объяснены чисто геологическими причинами без учета роли живого вещества в геохимической миграции атомов.

Биосфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своими «входом» и «выходом». Ее «вход» -- это поток солнечной энергии, поступающий из космоса, «выход» -- те образованные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые в силу каких-либо причин вышли из биогеохимического круговорота иногда на многие миллионы лет, например залежи угля, нефти, горючих сланцев, торфа и т. п.

Сейчас биосферу Земли рассматривают как кибернетическую систему, обладающую свойством саморегуляции. 50 лет назад таких терминов еще не существовало, но В. И. Вернадский говорил об «организованности» биосферы (а в ранних работах -- о ее «механизме»). Одним из наиболее характерных проявлений «организованности», т. е. саморегулирования биосферы как кибернетической системы, Вернадский считал озоновый экран, находящийся за ее пределами и поглощающий губительные для жизни ультрафиолетовые лучи. Состав газовой оболочки нашей планеты полностью регулируется жизнью.

Пример саморегулирующейся системы представляет собой Мировой океан. Реки ежегодно вносят в него 2,5 млн т карбонатов кальция, а солевой состав океанической воды существенно не меняется. Это происходит потому, что водные (морские) обитатели используют большую часть растворимых карбонатов для построения своих скелетов, а после отмирания организмов карбонаты и нерастворимой форме осаждаются на дно. Так, в результате создания кальциевых покровов нашей планеты стабилизируется состав океанских вод. Этот механизм действует в биосфере многие миллионы лет.

Таким образом, саморегулирование биосферы Земли обеспечивается живыми организмами. Это позволяет считать биосферу централизованной кибернетической системой. Под таким названием объединяют системы, в которых один элемент или одна подсистема играет доминирующую роль в обеспечении функционирования системы в целом. Этот элемент называют ведущей частью системы, или ее центром. Живые организмы в биосфере играют роль такого центра. Согласно закону необходимого разнообразия Винера -- Шеннона -- Эшби (основному кибернетическому закону), кибернетическая система только тогда обладает устойчивостью для блокирования внешних и внутренних возмущений, когда она имеет достаточное внутреннее разнообразие.

Биосфера характеризуется значительным разнообразием природных условий, которое определяется широтными и сезонными изменениями интенсивности поступления солнечной энергии, а также рельефом Земли. Разница абсолютных отметок поверхности Земли составляет больше 19 км: от +8848 м (гора Джомолунгма, или Эверест) до --11022 м (Марианская впадина в Тихом океане). Но основное разнообразие биосферы Земли создается живыми организмами.

Между средой и организмами происходит непрерывный обмен веществ, и поэтому в каждый данный момент различные точки среды отличаются друг от друга по физико-химическому составу. Диффузия никогда не может вполне выровнять эти различия, пока существует причина, производящая их.

Сейчас считают, что в биосфере представлено более 2 млн видов живых организмов, каждый из которых, в свою очередь, включает в себя миллионы и миллиарды особей, дисперсно распределенных в пространстве. Каждый вид по-своему взаимодействует с окружающей средой. Деятельность живых организмов и создает удивительное разнообразие окружающей нас природы -- биосферы, которое служит определенной гарантией сохранения жизни на нашей планете. Несмотря на многочисленные геологические катастрофы, происшедшие в истории биосферы, нигде не обнаружено азойных (лишенных жизни) отложений. В материале, накопленном геологией, отражена непрерывность развития жизни в течение всей геологической истории. Внутреннее разнообразие биосферы обеспечило ее устойчивость даже к самым значительным катастрофическим потрясениям. Число родов высших растений составляло: в силуре--1, в девоне -- 36, в интервале от карбона до триаса-- 150 -- 200, от юры до неогена-- 250 -- 300. Следовательно, даже в небольшом периоде геологической истории на примере высших растений наблюдается отчетливая тенденция к возрастанию внутреннего разнообразия биосферы.

'Итак, биосфера Земли -- саморегулируемая кибернетическая система, обладающая свойствами гомеостата. Такие представления о биосфере сложились на основе развития идей В. И. Вернадского.

Биосфере свойственна мозаичносгь строения. Живое вещество функционирует в пределах отдельных участков биосферы. Английским ученым А. Тэнсли они были названы экосистемами. Сейчас экосистему определяют как комплекс взаимосвязанных -организмов разных видов и изменяемой ими абиотической среды, обладающей способностью к саморегуляции и полному самовозобновлению биоты. Экосистема--это фундаментальная общность живого и среды его обитания. Размеры экосистем могут быть любыми, например экосистема глобального масштаба -- биосфера Земли.

Экосистемы находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и все вместе образуют гигантский круговорот веществ и потоков энергии -в пределах биосферы. В нем участвуют следующие основные элементы: водород, кислород, углерод, азот, кальций, калий, кремний, фосфор, сера, стронций, барий, цинк, молибден, медь и никель. Биогеохимический круговорот веществ в биосфере незамкнут. Степень воспроизводства циклов достигает 90 -- 98%. В масштабе геологического времени неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к дифференциации элементов и накоплению их в атмосфере, гидросфере или осадочной оболочке Земли.

Важнейшая особенность биосферы состоит в том, что авто-трофные организмы, поглощая солнечную энергию, превращают *бедные энергией неорганические вещества в крупномолекулярные богатые энергией органические соединения и снабжают ими все живое. В процессе передачи с одного трофического уровня «а другой энергия постепенно рассеивается. После окончательного разложения органических остатков она частично накапливается в земной коре в виде алюмосиликатов.

Обновление всего живого вещества биосферы Земли осуществляется в среднем за 8 лет. При этом вещество наземных растений (фитомасса суши) обновляется примерно за 14 лет. В океане циркуляция вещества происходит во много раз быстрее: вся масса живого вещества обновляется за 33 дня, в то время как фитомасса океана -- каждый день! Процесс полной смены вод в гидросфере осуществляется за 2800 лет. В атмосфере смела кислорода происходит за несколько тысяч лет, а углекислого газа -- за 6,3 года. Эти цифры блестяще подтверждают основной тезис В. И. Вернадского о ведущей роли живого вещества в Оиогеохимических процессах, причем биогеохимический эффект деятельности живого вещества в биосфере проявляется не толь-ко в течение геологического времени (миллионы и миллиарды лет), но ясно выражен даже в пределах времени исторического ттсячи лет и менее). Наряду с этим некоторые вещества, участвующие в биогеохимическом круговороте, имеют значительно меньшие скорости миграции. Так, время, необходимое для фотосинтетического разложения массы воды Мирового океана, исчисляется 5 -- 6 млн лет. Миллионолетиями измеряется также продолжительность общепланетарных циклов углерода, азота Н фосфора.

Биосферу как динамическую систему отличает неравновесность. Еще в 1935 г. современник Вернадского известный биолог Эрвин Бауэр (1890-- 1942) писал: «... только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях . . .». Этот принцип обозначается как «принцип устойчивого неравновесия живых систем» и называется принципом Бауэра. К неравновесным системам относятся атмосфера и океан в связи с непостоянством их химического состава, который В основном регулируется жизнедеятельностью организмов Земли.

Отличительной особенностью биосферы является ее оводнен-ность. Вода без жизни в биосфере практически не существует. Безжизненны лишь ничтожные по массе воды вулканов, богатые серной или соляной кислотой, и, возможно, некоторые рассолы. В водной среде осуществляются практически все химические процессы, происходящие в биосфере. Именно поэтому химически чистая вода в биосфере представляет собой столь же большую редкость, как и вода, лишенная жизни.

Содержание воды в тканях живых организмов примерно в пять раз больше, чем во всех реках Земного шара. Половина поды, содержащейся в корнях растений, обновляется в течение нескольких минут. В результате этого круговорот воды на суше определяется почти исключительно транспирациеи растений: они испаряют большую часть воды, выпавшей на сушу в виде атмосферных осадков, а в океане весь объем воды профильтровывается планктонными ракообразными за полгода, но верхний слой воды (0 -- 500 м) --за 20 дней.

Живое вещество, т. е. совокупность всех живых организмов планеты, глубочайшим образом связано с окружающей средой биогенным током атомов. Известно было и до В. И. Вернадского, что живые организмы участвуют в круговороте многих химических элементов, в образовании так называемых «органогенных» горных пород и минералов. Но только автор «Биосферы» показал, что проявления жизни глубочайшим образом меняют течение всех химических реакций в земной коре. Живое вещество изменяет историю почти всех химических элементов, чуть ли не каждый из них проходит через биохимическое звено. Химические процессы в биосфере протекают или при непосредственном участии живых организмов, или в среде, физико-химические свойства которой во многом обусловлены деятельностью орга-

ниэмов на протяжении всей геологической истории. Масштабы геохимической работы живого вещества таковы, что в течении краткого момента времени через живые организмы может прой| га все вещество биосферы. Так, весь кислород земной атмосфе ры -- продукт процесса фотосинтеза -- обновляется благодаря жизнедеятельности зеленых хлорофилловых растений каждый 2 тыс. лет, а все молекулы углекислоты, участвующие в процесс се фотосинтеза, -- каждые 300 лет. Живое вещество совершения изменяет химию моря. Одной из форм живого вещества явля ется подземная жизнь, идущая на глубине более 3 км, связан ная с водой и каустобиолитами.

После смерти и разрушения живых организмов большая часть составляющих их атомов опять возвращается в живое вея щество. Но некоторая, очень незначительная их часть на дол-гое время выходит из жизненного цикла за пределы биосферы,

«Вся земная кора целиком, на всю доступную нашему наблю-дению глубину изменена этим путем», -- писал В. И. Вернад ский. «И даже неорганическая материя биосферы, -- отмечал он, -- есть в значительной мере создание жизни».

Первый биогеохимический принцип по Вернадскому, обоб-щающий наши знания об особом энергетическом характере яв-леннй жизни, состоит в том, что «биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к макси-мальному своему проявлению». Живое вещество растекается подобно газу по всей свободной территории, оказывая давление на окружающую среду, обходя встречающиеся на его пути преграды, а размножение организмов может быть остановлено лишь действием внешних сил. С первым биогеохимическим принципам тесно связан и второй, указывающий на магистральный путь эволюции видов в биосфере, который, несмотря на всю его неравномерность, кажущуюся случайность, временные зигзаги и отступления, всегда идет в сторону «создания форм, все более усиливающих влияние жизни на окружающую среду». В ходе эволюции выживают те организмы, которые увеличивают биогеохимическую энергию жизни в земной коре, усиливают «давление жизни» на неорганическую природу.

Усиление влияния живого вещества на среду происходило дискретно, -- скачками. В прошлые геологические эпохи такими «скачками» биогенной миграции атомов были: появление скелета у позвоночных в начале кембрия, смена леса тайнобрачных растений лесом явнобрачных в конце мела, появление птиц в мезозое. «Организованность» биосферы возрастала. Но самый большой и самый значительный по своим,последствиям скачок живая природа совершила в четвертичное время, когда из недр природного мира вышел его покоритель и преобразователь -- человек.

Естественной закономерностью дальнейшей эволюции биосферы станет превращение ее в ноорферу. В статье В. И. Вер-надского «Несколько слов о ноосфере» (1944) сформулированы, основные понятия о ноосфере и условиях ее появления. Ноосфера характеризуется прежде всего глобальным заселением Земного шара человечеством. Человек, заселяя планету, преобразует ее облик, становится мощной геологической силой. История человечества неразрывно связана с развитием биосферы. Человек, как всякое живое вещество, есть закономерная часть биосферы. Цивилизация человеческого общества как форма организации новой геологической силы, создавшейся в биосфере, не может прерваться и уничтожиться. Это большое природное явление, отвечающее биологически сложившейся «организованности» биосферы.

Ноосфера -- высшая стадия развития биосферы, сфера разума. Человек начинает оказывать влияние на ход процессов в охваченной его воздействием сфере Земли, изменяя ее. Однако, будучи частью биосферы, человек зависит от законов природы, хотя благодаря достижениям науки и техники эта зависимость стала несколько меньше. Человек стал мощным, социально организованным фактором природы, эффективность воздействия которого на окружающую природу и самого человека растет в геометрической прогрессии. По мере развития человечества в такой же прогрессии растут побочные эффекты этого развития: истощение невозобновляемых природных ресурсов, загрязнение окружающей среды, разрушение природных экосистем и замена их антропогенными, нарушение исторически сложившихся природных равновесий. Теперь сохранение человечества зависит от наших знаний о природе и разумных действий, направленных на охрану и улучшение окружающей среды. Вступление человечества в новую эру своего развития -- эпоху ноосферы -- не может произойти автоматически. Это будет длительный процесс выработки новых принципов, согласования действий людей; потребуется коренная перестройка всего нашего бытия, смена стандартов и идеалов. Взаимодействие человека с природой должно основываться на научных знаниях связей, существующих между средой и биотой, на основе целесообразности, оптимизации состояния человека и природы. Человек должен научиться создавать способные к самовозобновлению и саморегуляции специфические биогеоценозы -- антропогенные ландшафты, отличающиеся повышенной стабильностью и способностью к биологической очистке; поддерживать общий баланс биосферы на уровне, обеспечивающем оптимальное развитие человеческого общества. Человек должен как можно скорее и полностью перевести промышленное и сельскохозяйственное производство на безотходную технологию и создать замкнутые циклы водопо-требления с целью сокращения и полной ликвидации вредных выбросов и отходов, попадающих в окружающую среду. Эксплуатация естественных ресурсов должна быть рациональной, обеспечивающей их 'восстановление и расширенное воспроизводст-

25во. Для решения этих задач необходимы всесторонние исследования экологических процессов, которые позволят выяснить особенности современных биогеохимических циклов глобальных загрязнений. Осуществление перечисленных работ позволит сделать первый шаг па пути к переходу биосферы в ноосферу.

Выделяют три особенности биосферы. Во-первых, это область, в которой имеется в значительных количествах жидкая вода. Во-вторых, на нее падает мощный поток энергии Солнца. В-третьих, в биосфере имеются поверхности раздела между веществами, находящимися в жидком, твердом и газообразном состояниях.

Все организмы с активным метаболизмом в основном представляют собой сложные системы органических макромолекул, диспергированных в водной среде. Способность организмов приспосабливаться к окружающим условиям так велика, что даже в пустынях или по краям ледяного щита Антарктиды можно найти живые существа. В этих областях только в их телах и содержится вода. Хотя такие ксерофитные организмы могут длительное время сохранять в себе большие запасы воды, им все же нужен временами дождь или роса. Казалось бы самые жаркие пустыни формально можно было отнести к парабиосфере. Однако и в самых сухих, абсолютно безводных пустынях Африки иод слоем сухого песка встречаются насекомые (некоторые жуки-чернотелки), существующие за счет приносимых ветром сухих пылевидных остатков растений, питаясь ими, такие насекомые получают так называемую «метаболическую воду», образующуюся за счет окисления органических веществ пищи.

Источником энергии, от которого зависит вся жизнь на Земле, является Солнце. На современной Земле энергия солнечного излучения включается в круговорот только через фотосинтез, осуществляемый хлорофиллоносными организмами: зелеными растениями, дианобактериями (сине-зелеными водорослями), зелеными и пурпурными серобактериями. Все эти организмы, разумеется, обитают в той части биосферы, которая получает днем солнечную энергию. Это атмосфера, поверхность суши, верхний слой почвы толщиной несколько миллиметров и верхние слои морских и континентальных водоемов. Однако биосфера не кончается там, куда не доходит свет. Благодаря силе тяжести поток энергии распространяется до максимальных глубин мирового океана. Сюда непрерывно падают комочки экскрементов, сброшенные при линьке шкурки, мертвые и живые организмы.

Протяженность биосферы ограничена и ввысь. В горах хлорофиллоносные растения, видимо, не могут жить выше 6200 м. Этот предел частично определяется недостатком жидкой воды, а частичнонизким парциальным давлением двуокиси углерода, которое на такой высоте более чем вдвое ниже, чем на уровне моря. На еще больших высотах можно найти некоторых животных, например пауков. По-видимому, они питаются ногохвостками и, возможно, клещами, а те, в свою очередь, довольствуются зернами пыльцы и другими органическими частицами, заносимыми сюда ветром. Эту область эколог Л. Стоун, изучавший жизнь на больших высотах, назвал эоловой зоной.

Наибольшая плотность жизни в зонах соприкосновения оболочек, особенно между тропосферой и литосферой. Гораздо легче жить на поверхности раздела сред, особенно если одна из них твердая. Но и на границе воздух вода (в стоячих лужах и болотах) довольно обильно развиваются микроорганизмы. Весьма вероятно, что поверхностные свойства твердых тел, соприкасавшихся с водой, имели немаловажное значение для возникновения жизни на Земле и для ее развития на ранних стадиях.

3. Основные свойства биосферы