Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.
Биосфера - оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».
Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX в. впервые предложил по сути дела концепцию биосферы, ещё не введя даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.
Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.
Существует и другое, более широкое определение: Биосфера - область распространения жизни на космическом теле. При том, что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается, что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы.
Местоположение биосферы
Биосфера включает в себя верхние слои литосферы, в которых ещё живут организмы, гидросферу и нижние слои атмосферы.
Границы биосферы
- Верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.
- Нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
- Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10-11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.
Состав биосферы
Структура биосферы:
- Живое вещество - вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (ок. 3·1018 т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.
- Биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.
- Косное вещество - продукты, образующиеся без участия живых организмов.
- Биокосное вещество - вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.
- Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.
- Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.
- Вещество космического происхождения.
Слои биосферы
Весь слой воздействия жизни на неживую природу называется мегабиосферой, а вместе с артебиосферой - пространством человекообразной экспансии в околоземном пространстве - панбиосферой.
Аэробиосфера
Субстратом для жизни в атмосфере микроорганизмов (аэробионтов) служат водные капельки - атмосферная влага, источником энергии - солнечная энергия и аэрозоли. Примерно от верхушек деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами; это пространство - более тонкий слой, чем тропосфера). Выше простирается слой крайне разреженной микробиоты - альтобиосфера (с альтобионтами). Выше простирается пространство, куда организмы проникают случайно и не часто и не размножаются - парабиосфера. Выше расположена апобиосфера.
Геобиосфера
Геобиосферу населяют геобионты, субстратом, а отчасти и средой жизни для которых служит земная твердь. Геобиосфера состоит из области жизни на поверхности суши - террабиосфера (с террабионтами), разделяемую на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и подпочвы; иногда сюда включают всю кору выветривания) и жизнь в глубинах Земли - литобиосфера (с литобионтами, живущими в порах горных пород, главным образом в подземных водах). На больших высотах в горах, где уже невозможна жизнь высших растений, расположена высотная часть террабиосферы - эоловая зона (с эолобионтами). Литобиосфера распадается на слой, где возможна жизнь аэробов - гипотеррабиосфера и слой, где возможно лишь обитание анаэробов - теллуробиосфера. Жизнь в неактивной форме может проникать глубже - в гипобиосферу. Метабиосфера - все биогенные и биокосные породы. Глубже расположена абиосфера.
В глубинах литосферы есть 2 теоретических уровня распространения жизни - изотерма 100 °C, ниже которой вода при нормальном атмосферном давлении кипит, и изотерма 460 °C, где при любом давлении вода превращается в пар, то есть в жидком состоянии быть не может.
Гидробиосфера
Гидробиосфера - весь глобальный слой воды (без подземных вод), населённый гидробионтами - распадается на слой континентальных вод - аквабиосфера (с аквабионтами) и область морей и океанов - маринобиосфера (с маринобионтами). Выделяют 3 слоя - относительно ярко освещённую фотосферу, всегда очень сумеречную дисфотосферу (до 1 % солнечной инсоляции) и слой абсолютной темноты - афотосфера.
Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы лежит собственно биосфера - эубиосфера.
История развития биосферы
Развитие наблюдается лишь в живом веществе и связанным с ним биокосном. В косном веществе нашей планеты эволюционный процесс не проявляется.
Зарождение жизни
Жизнь на Земле зародилась ещё в архее - примерно 3,5 млрд лет назад в гидросфере. Такой возраст имеют найденные палеонтологами древнейшие органические остатки. Возраст Земли как самостоятельной планеты Солнечной системы оценивается в 4,5 млрд лет. Таким образом, можно считать, что жизнь зародилась ещё в юношескую стадию жизни планеты. В архее появляются первые эукариоты - одноклеточные водоросли и простейшие организмы. Начался процесс почвообразования на суше. В конце архея появился половой процесс и многоклеточность у животных организмов.
Будущее биосферы
С течением времени биосфера становится всё более неустойчивой. Существует несколько трагичных для человечества преждевременных изменений состояния биосферы, некоторые из них связаны с деятельностью человечества.
Некоторые философы, например, Дэвид Пирс, выступают за модификацию биосферы с целью избавления от страданий всех живых существ и создание в буквальном смысле рая на земле (см. одно из значений слова аболиционизм).
Искусственная биосфера
Человек не может существовать вне биосферы, однако стремится исследовать космическое пространство. Ещё К. Э. Циолковский связывал освоение космоса с созданием искусственной биосферы.
В настоящее время идея её создания вновь становится актуальной в связи с планами освоения Луны и Марса. Однако на данный момент попытка создания полностью автономной искусственной биосферы не увенчалась успехом.
Рассматривается возможность создания (пока в далёком будущем) внеземной биосферы на других планетах при помощи терраформирования.
(Visited 389 times, 1 visits today)
Биосфера – место обитания живых существ. Зарождение жизни тесно связано с развитием оболочек земли. Она начала свое формирование около 4 миллиардов лет назад, затем появились первые признаки жизни на нашей планете.
Становление биосферы и ее поэтапное формирование обусловлено влиянием ряда факторов: действием на Землю космической энергии, развитием живых организмов и человечества.
Термин биосфера ввел австрийский ученый Зюсс еще в 19 столетии, он выделил все оболочки Земли, но подробное их описание совершил в 20 ст. отечественный ученый В.И. Вернадский (первый президент Украинской Академии Наук). Он описал границы биосферы, разработал единое учение о биосфере.
Свойства биосферы необходимые для возникновения и продолжения жизни
- Наличие CO 2 и кислорода;
- вода – источник жизни на земле, присутствие, как пресных водоемов, так и соленых;
- регуляция температуры: отсутствие резких перепадов, сверхвысоких и низких показателей;
- обеспечение всего живого продуктами питания;
До сих пор нет единого определения. Существует три версии, что такое биосфера:
- Общая масса всех живых существ, которые обитают в оболочках земли, является биосферой.
- Организмы и места их жизнедеятельности вместе составляют биосферу.
- Это следствие продолжительной жизни существ, обитавших задолго до наших дней.
Ученые-геологи считают правильной первую точку зрения, так как другие не имеют теоретического подкрепления.
Биосфера простилается по всей поверхности Земли (горы, поля, реки, моря, океаны) и создает условия для жизнедеятельности всех организмов. Человек также является составляющим звеном.
Границы
Границы биосферы в км
Чем определяются границы распространения биосферы?
Поскольку Живое — главная составляющая биосферы, ее границы определяются возможностью выживать отдельных индивидуумов в условиях окружающей среды. В верхних слоях ультрафиолетовое излечение не дает развиваться живым организмам – это определяет верхнюю границу биосферы. Высокие температуры в земных глубинах устанавливают нижнюю черту жизни.
Атмосфера – воздушный слой земного шара, состоит из азота, кислорода, диоксида углерода и др. Она защищает Землю от перегрева, действия космической радиации, ультрафиолета, метеоритов. В составе атмосферы выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу.
Тропосфера (озоновый слой земли) является верхней границей биосферы, находится на высоте 20 км.
Стратосфера – располагается на высоте 50 км над уровнем моря, воздух разжижается, нагревается, увеличивается концентрация озона, условия становятся непригодными для жизни.
Ионосфера – поверхностный слой атмосферы, поддается воздействию космического излучения, поэтому сильно ионизированный.
Литосфера – земная кора, твердый слой, который уходит на глубину 200км. К биосфере относится верхний шар, населенный живыми организмами. Нижняя граница по литосфере достигает 4км, глубина где были найдены бактерии. Опускаясь ниже, температура возрастает, достигая 100 градусов, что несовместимо с существованием живых организмов, происходит денатурация белка, все живое – гибнет.
Гидросфера – совокупность наземных и подземных вод. Это одна из оболочек нашей планеты, которая окружает материки и острова, составляет 70% поверхности земного шара. Нижняя граница биосферы расположена на глубине около 11 км. (в области Тихого океана).
Слои биосферы
Эубиосфера – основная прослойка биосфера. 99,9% живых существ постоянно населяют данный слой. Ширина эубиосферы 12-17км.
Парабиосфера, метабиосфера – соответственно верхний и нижний слои бисоферы, куда жизнь попадет случайно, заносится из эубиосферы.
Апобиосфера и абиосфера — самый верхний и самый нижний слои, куда жизнь не может попасть даже случайно.
В зависимости от среды обитания живых организмов выделяют:
- Аэробиосферу (жизнь осуществляется за счет атмосферной влаги и солнечной энергии, от верхушек деревьев до стратосферы);
- геобиосферу (организмы населяют почву, поверхность суши, деревья);
- гидробиосферу (все водные структуры заселенные гидробионтами, исключая подземные воды).
Структура биосферы и ее состав
Живое вещество Вернадский описывал как общее число всех живых организмов населяющих планету в данный период времени.
Основные свойства:
- В нем сосредоточено огромное количество энергии;
- скорость течения реакций в живом организме быстрее, чем в искусственно созданных условиях;
- составляющие живого вещества стабильны только в жизнеспособном организме;
- возможность существовать в разных условиях, заполняя все пространство. Это явление Вернадский назвал «всюдностью жизни»;
- отдельные особи всегда являются частью экосистемы;
- живое вещество эволюционирует, приобретает новые свойства, адаптируется к изменчивости внешней среды.
Биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живого. В процессе жизни организмы пропускают через себя многократно все составляющие биосферы, так образуются залежи нефти, газа, угля, торфа и др.
Косное вещество – формируется без участия живой материи (небиогенные горные породы, минералы).
Биокосное вещество – создается при взаимодействии живого и неживого (вода, приземная атмосфера, почва).
Живое вещество распределено не равномерно на просторах земли, ее концентрация увеличивается возле экваториальной плоскости, на полюсах планеты жизни мало.
Скопление живых организмов находятся на границах слоев биосферы: на дне океана – проходит граница между литосферой и гидросферой, в поверхностных водах Мирового океана – рубеж между гидросферой и атмосферой, на границе литосферы и атмосферы находится почва – место обитания микроорганизмов, насекомых, других животных. В этих местах создаются благоприятные условия для существования: высокая концентрация кислорода, доступ к солнечному свету, влага, питательные вещества.
Соотношение видов живых организмов показывает преобладание растительности, она занимает 99% от всего живого, животные – 1%, люди – 0,0002%.
Функции биосферы
Энергетическая – аккумуляция солнечного излучения в процессе фотосинтеза (переход энергии солнечного света с помощью пигментов растений в органические связи) и ее трансформация, с последующим распределением между всеми живыми организмами.
Газообразующая – поддержание стабильного газового состава атмосферы (выделение кислорода, поглощение диоксида углерода).
Концетрационная – сосредотачивают в теле химические вещества, образуя в дальнейшем полезные ископаемые.
Круговорот вещества в биосфере
Растения в процессе роста и развития используют минеральные вещества из почвы, адсорбируют воду с помощью корня, перерабатывают энергию Солнца, образуют органические вещества из неорганических, из атмосферного воздуха листьями поглощается диоксид углерода и выделяется кислород посредством фотосинтеза.
Животные и человек дышат кислородом, используют органические вещества образованные растениями. После смерти, скопление органических веществ растений и животных разлагается под действием микроорганизмов, и переходят в неорганическое состояние.
Процесс преобразования энергии и вещества начинается сначала – это и есть жизненный круговорот.
Крупнейшим обобщением в комплексе наук о Земле (геология, география, геохимия, биология) стало учение о биосфере, созданное русским ученым В. И. Вернадским. Начав свою научную деятельность (как геолог) с изучения осадочных пород земной коры, В. И. Вернадский выявил огромную роль живых организмов в сложных геохимических процессах нашей планеты. В 1926 г. вышла его книга «Биосфера». В этом произведении глубоко анализируются сложные взаимоотношения живых организмов и неживой природы Земли. Его работа несколько опередила время. Лишь во второй половине ХХ в., на фоне обострения экологических проблем, его учение о биосфере получило широкое распространение.
Важным элементом учения В. И. Вернадского о биосфере является идея тесной зависимости биосферы от деятельности человека и сохранности ее в результате разумного отношения человека к природе. Ученый писал:
Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера. 1
В настоящее время учение о биосфере представляет собой важнейшую часть экологии, непосредственно связанную с проблемами регулирования взаимодействия человека и природы.
Впервые термин «биосфера» был употреблен Ж. Б. Ламарком в начале XIX в. Позднее он был упомянут в работе австрийского геолога Э. Зюсса в 1875 г. Однако это понятие не было детально разработано названными учеными, а использовано вскользь для обозначения области жизни на Земле. Лишь в работах В. И. Вернадского оно анализируется детально и тщательно и под ним понимается «оболочка жизни» на нашей планете.
Биосферой называют совокупность всех живых организмов нашей планеты и те области геологических оболочек Земли, которые заселены живыми существами и подвергались в течение геологической истории их воздействию.
Границы биосферы. Живые организмы неравномерно распространены в геологических оболочках Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере (рис. 1). Поэтому биосфера сейчас включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.
Рис. 1. Область распространения организмов в биосфере: 1 - уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение; 2 - граница снегов; 3 - почва; 4 - животные, обитающие в пещерах; 5 - бактерии в нефтяных скважинах
Литосфера это верхняя твердая оболочка Земли. Ее толщина колеблется в пределах 50–200 км. Распространение жизни в ней ограниченно и резко уменьшается с глубиной. Подавляющее количество видов сосредоточено в верхнем слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиметров. Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров или десятков метров (роющие животные - кроты, черви; бактерии; корни растений). Наибольшая глубина, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий, составляет 3–4 км (в подземных водах и нефтеносных горизонтах). Распространению жизни в глубь литосферы препятствуют различные факторы. Проникновение растений невозможно из-за отсутствия света. Для всех форм жизни существенными препонами служат и возрастающие с глубиной плотность среды и температура. В среднем температурный прирост составляет около 3 °С на каждые 100 м. Именно поэтому нижней границей распространения жизни в литосфере считают трехкилометровую глубину, (где температура достигает около +100 °С).
Гидросфера - водная оболочка Земли, представляет собой совокупность океанов, морей, озер и рек. В отличие от литосферы и атмосферы она полностью освоена живыми организмами. Даже на дне Мирового океана, на глубинах около 12 км, были обнаружены разнообразные виды живых существ (животные, бактерии). Однако основная масса видов обитает в гидросфере в пределах 150–200 м от поверхности. Это связано с тем, что до такой глубины проникает свет. А следовательно, в более низких горизонтах невозможно существование растений и многих видов, зависящих в питании от растений. Распространение организмов на больших глубинах обеспечивается за счет постоянного «дождя» экскрементов, остатков мертвых организмов, падающих из верхних слоев, а также хищничества. Гидробионты обитают как в пресной, так и в соленой воде и по месту обитания делятся на 3 группы:
1) планктон - организмы, живущие на поверхности водоемов и пассивно передвигающиеся за счет движения воды;
2) нектон - активно передвигающиеся в толще воды;
3) бентос - организмы, обитающие на дне водоемов или зарывающиеся в ил.
Атмосфера - газовая оболочка Земли, имеющая определенный химический состав: около 78 % азота, 21 - кислорода, 1 - аргона и 0,03 % углекислого газа. В биосферу входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь в них не может существовать без непосредственной связи с литосферой и гидросферой. Крупные древесные растения достигают нескольких десятков метров в высоту, располагая вверх свои кроны. На сотни метров поднимаются летающие животные - насекомые, птицы, летучие мыши. Некоторые виды хищных птиц поднимаются на 3–5 км над поверхностью Земли, высматривая свою добычу. Наконец, восходящими воздушными потоками пассивно заносятся на десятки километров вверх бактерии, споры растений, грибов, семена. Однако все перечисленные летающие организмы или занесенные бактерии лишь временно находятся в атмосфере. Нет организмов, постоянно живущих в воздухе.
Верхней границей биосферы принято считать озоновый слой, располагающийся на высоте от 30 до 50 км над поверхностью Земли. Он защищает все живое на нашей планете от мощного ультрафиолетового солнечного излучения, в значительной мере поглощая эти лучи. Выше озонового слоя существование жизни невозможно.
Таким образом, основная часть видов живых организмов сосредоточена на границах атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы, образуя относительно «тонкую пленку жизни» на поверхности нашей планеты.
Строение и функционирование биосферы. Биосфера - это глобальная экологическая система , состоящая из множества экосистем более низкого ранга, биогеоценозов, взаимодействием которых друг с другом и обусловлена ее целостность. Действительно, биогеоценозы существуют не изолированно - между ними существуют непосредственные связи и отношения. Например, в водные биогеоценозы ветром, дождями, талыми водами выносятся из наземных экосистем минеральные и органические вещества. Может происходить перемещение организмов из одного биогеоценоза в другой (например, сезонные миграции животных). И наконец, всех объединяет атмосфера Земли, служащая общим резервуаром для живых существ. В нее поступают кислород (выделяемый растениями в процессе фотосинтеза) и углекислый газ (образуемый в процессе дыхания аэробных организмов). Из атмосферы же растения всех экосистем черпают углекислый газ, необходимый им в процессе фотосинтеза, а все дышащие организмы получают кислород.
Существование биосферы базируется на непрерывно осуществляющемся круговороте веществ, энергетической основой которого является солнечный свет (рис. 2).
Рис. 2. Схема биогеохимической цикличности в биосфере. Справа на схеме разрез дерново-подзолистой почвы под хвойным лесом
Круговорот веществ в природе между живой и неживой материей - одна из наиболее характерных особенностей биосферы. Биологический круговорот - это биогенная миграция атомов из окружающей среды в организмы и из организмов в окружающую среду. Биомасса выполняет и другие функции:
1) газовая - постоянный газообмен с внешней средой за счет дыхания живых организмов и фотосинтеза растений;
2) концентрационная - постоянная биогенная миграция атомов в живые организмы, а после их отмирания - в неживую природу;
3) окислительно-восстановительная - обмен веществом и энергией с внешней средой. При диссимиляции окисляются органические вещества, при ассимиляции используется энергия АТФ;
4) биохимическая - химические превращения веществ, составляющие основу жизнедеятельности организма.
Населенную живыми организмами, которые в процессе своей жизнедеятельности активно ее преобразуют.
История изучения
Понятие биосферы как области жизни ввел в науку Жан Батист де Ламарк в первой половине XIX века. Именно он ближе всех подошел к ее пониманию. Но сам термин был предложен австрийским ученым Эдвардом Зюссом. Он трудился в области геологии и понимал под биосферой совокупность всех организмов. Сейчас же такой смысл вкладывается в термин «биота». Зюсс изложил свои гипотезы и результаты исследований в знаменитом научном труде «Лик Земли», в котором описывал геологию Альп.
Современное понятие биосферы сформулировал русский ученый геохимик, обладающий энциклопедическими знаниями во многих отраслях науки - Владимир Иванович Вернадский. Будучи профессором минералогии в Московском университете, он стал автором великого труда «Биосфера», изданного в 1926 году. Именно в этой работе он впервые дал развернутое определение данному термину.
В. М. Вернадский справедливо считал, что биосфера - это большая концентрическая область Земли, которая играет роль главной геохимической силы. Таким образом, она является пространством, в котором жизнь существует на данный момент или существовала когда-либо, то есть для биосферы характерно наличие живых организмов или продуктов их жизнедеятельности.
Типы веществ в биосфере
В. И. Вернадский выделял несколько типов веществ, составляющих основу биосферы.
- Собственно живое вещество, которое образовано совокупностью организмов.
- Биогенное вещество, которое образуется в ходе и остается после жизнедеятельности организмов. Речь идет о газах атмосферы, каменном угле, нефти и прочем.
- которое образуется без вмешательства организмов.
- - это соединения, являющиеся результатом жизнедеятельности организмов в совокупности с абиогенными процессами.
Границы биосферы определяются в соответствии с наличием совокупности вышеперечисленных веществ в оболочках Земли.
Живое вещество в биосфере
Очевидно, что основные геохимические и энергетические процессы протекают при обязательном участии В. И. Вернадский так сформулировал понятие о нем. Живое вещество - все существующие на данный момент, составляющие единую совокупность, которая выражается в элементарном химическом составе, весе, энергии.
Главным свойством живого вещества является его активность, обусловленная связью с окружающей средой постоянным биогенным потоком. Поток формируется при дыхании, питании, размножении. В этом контексте можно рассматривать жизнедеятельность организмов в качестве мощного геологического процесса планетарного характера.
Постоянные миграции химических элементов между организмом и окружающей средой в обоих направлениях происходят непрерывно. Осуществление этого процесса возможно благодаря близости элементарного химического состава организмов к химическому составу земной коры.
Растения, осуществляя фотосинтез, создают в биосфере сложные органические молекулы, имеющие большой запас энергии. Таким образом, живое вещество аккумулирует и трансформирует связанную лучистую энергию Солнца. Перемещение энергии становится возможным по причине постоянного роста и развития организма. Скоростью размножения, как справедливо считал В. И. Вернадский, это скорость, при которой в биосфере передается геохимическая энергия.
Границы
Часть биосферы, в которой в настоящее время есть живые организмы, принято называть необиосферой. Иначе говоря, современной. А то пространство, которое было местом обитания древних организмов, это палеобиосферы.
Общая масса геосфер планеты равна примерно 2420 миллиардам тонн. Эта величина в 200 раз больше массы атмосферы. Таким образом, можно сделать вывод, что слой живого вещество в общей массе геосфер ничтожно мал.
Диапазон потенциальных возможностей и масштаб приспособляемости организмов обуславливают «всюдность жизни». Живые существа постепенно обосновались в морях и океанах, затем освоились на суше. По мнению Вернадского, состав и границы биосферы меняются и сейчас.
Следует отметить, что, в отличие от других земных оболочек, только биосферу можно считать комплексной. Она выполняет и функцию «покрова» из живой сущности и является средой обитания множества организмов, в число которых входит и человек.
Границы биосферы определяются следующим образом. Она включает в себя нижнюю зону атмосферы, верхнюю зону литосферы и всю гидросферу. И высоты атмосферы, характеризующиеся холодом, низким давлением, и глубины океана, давление в которых может достигать 12 000 атмосфер, - все это биосфера. Границы биосферы настолько широки по причине очень широких пределов температурной толерантности организмов.
Следует отметить, что есть и такие бактерии, которые могут существовать в вакууме. Пределы адаптации к химическим условиям также очень широки. Реальным является существование организмов, например, под постоянным воздействием ионизирующей радиации. Исследования показывают, что некоторые живые существа настолько выносливы, что по отдельным критериям их возможности находятся даже за пределами биосферы.
Помимо основных перечисленных условий, жизнь организмов обусловлена постоянством биогенного тока атомов.
Верхняя граница биосферы
В разных частях планеты жизнь в атмосфере существует на разной высоте. В зонах Южного и Северного полюсов эта величина составляет 8-10 км, вблизи экватора - 17-18 км, над всеми остальными территориями - 20-25 км. Таким образом, жизнью наполнена только тропосфера - нижняя часть атмосферы
Физический предел распространения жизни в атмосфере находится на нижней границе
Гидросфера
Гидросфера образована океанами, морями, озерами, реками и ледяными покровами. На всех глубинах есть жизнь. Подавляющее большинство живых организмов заняли поверхностные слои и прибрежье. Но даже на глубине 11 022 м, в самой глубокой впадине Мирового океана (Мариинской), есть обитатели. Необиосфера также включает в себя донные отложения, которые когда-то были местом обитания древних существ.
Нижняя граница биосферы
Если говорить о литосфере, то почва, безусловно, является самым густонаселенным ее слоем, но существование жизни замечено гораздо глубже - примерно 6-7 километров под землей. Это касается, прежде всего, глубоких трещин и пещер.
Организмы, населяющие биосферу
Живые организмы делятся на две группы в зависимости от способа получения энергии, необходимой для жизнедеятельности: автотрофные и гетеротрофные. Местом обитания представителей обеих групп является биосфера. Границы биосферы определяются их распространением.
Представители в своем питании не связаны ни с какими другими живыми существами. Им для этого требуется солнечный свет или энергия химических связей соединений неорганического происхождения. И то, и другое может использоваться в качестве источника энергии, тогда как питание они получают из минеральных веществ.
Автотрофы делятся на две подгруппы. Это фототрофы (зеленые) и хемотрофы (бактерии). Первые способны существовать только в области проникновения солнечных лучей. А вот вторые, за счет использования химических соединений органической природы в качестве источника энергии, распространены намного шире.
Гетеротрофам, напротив, в качестве источников энергии и питания требуются органические вещества, произведенные другими организмами. То есть без предварительной работы автотрофов их существование было бы невозможным. Животные и человек, как житель биосферы, относятся к гетеротрофным организмам.
«Пленки жизни»
Неравномерность распределения жизни - это один из важных признаков, которым характеризуется биосфера. Границы биосферы имеют наименьшую плотность жизни. Наибольшая же наблюдается на стыках сред обитания. В целом же распределение жизни в биосфере носит резко неравномерный характер. В. И. Вернадский ввел термин «Пленки жизни», описывая с его помощью наиболее плотно населенные области биосферы. Граница контакта «почва-воздух» - это первая из таких пленок, ее толщина составляет от 2 до 3 см. Вторая представлена зоной контакта «воздух-почва» -прибрежная полоса и зона апвелинга. Третья представлена эуфотической зоной океана (до 200 м), т. е. областью свободного проникновения солнечного луча.
Таким образом, жизнь, преобразующая «лик Земли», неразрывно связана с понятием «биосфера». Границы биосферы - это границы жизни.
Пространственно-функциональная организация - это механизм, обеспечивающий «геологическую вечность всего живого». Человек, как житель биосферы, наряду с другими гетеротрофными организмами является непосредственным участником энергетического круговорота, обеспечивающего жизнь на Земле.
Биосфера (от био и сфера) – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу (совокупность водных объектов земного шара) и верхнюю часть литосферы (внешняя сфера твердой Земли, включающая кору и часть верхней мантии - субстрат). В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны, взаимодействуют между собой, образуя целостную динамическую систему.
Как устроена биосфера. Биогеоценоз, как экосистема, является элементом биосферы, как системы, и находится с ней в сложных иерархических отношениях, подобных отношению организма и клеток его тканей, эти отношения имеют несколько иерархических уровней организации (ткани, органы, системы органов и т.д).
Рис.5. Слой биосферы
Слой биосферы (рис.5) достигает толщины в 12-17 км: несколько меньше в области суши и больше в области океана. Эта разница, как и различие среды жизни на материках и в мировом океане, определяет разделение биосферы на три крупнейшие меросферы (греч. meros часть, доля), две из которых - геобиосфера и гидробиосфера (греч. gehyros - влажный). Составной частью является и воздушный океан, который также биологически населен, хотя и спорадически, главным образом микроорганизмами, существующими в капельках воды. Это третья меросфера аэробиосфера (греч. aer воздух ).
Меробиосферы распадаются на довольно четко прослеживаемые слои со своими бионтами (греч. biontos - живущий организм). Аэробиосфера, населенная аэробионтами, в свою очередь, делится на тропобиосферу - пределы нижних частей атмосферы (греч. tropos поворот, изменение), включая высоту сохранения положительных температур, и альтобиосферу (лат. altus - высокий) область выше этих пределов, где царствует вечный мороз, но жизнь возможна из-за солнечной инсоляции. Этот слой аналогичен золотой зоне на суше (см. ниже). В атмосферной тропосфере в теоретическом ее вертикальном пределе (граница между тропосферой и стратосферой) лежит альтобиосфера. Выше ее организм жить не в состоянии из-за жесткого ультрафиолетового облучения.
Туда организмы и их споры попадают лишь случайно. Эта парабиосфера (от греч. para возле, при), или надбиосфера, простирается максимум на 40 км над землей. Выше, куда живые организмы уже не попадают, но не исключены биогенные вещества, расположена апобиосфера (греч. apo без). Это место обитания космических кораблей со своим миром биобагажа, захваченного с поверхности Земли. Он называется артебиосферой (от лат. arte искусственно).
Спускаясь по слоям гидросферы в глубины вод, мы столкнемся с явной разницей между живыми субстанциями Мирового океана, континентальных водоемов и водотоков со стоячими и текучими водами. Очевидно, что океанобиосфера, или маринобио-сфера (лат. marinus - морской), включающая маринобионты, и аквабиосфера (лат. akwa - вода) - вода суши, включающая аквабионты, составляют отдельные природные системы. Их вертикальное деление связано с потоками света и тепла. Ближе всего к поверхности лежит хорошо освещаемая и лучше прогреваемая фотобиосфера (греч. photos - свет), ниже слой, куда попадает очень небольшая часть солнечных лучей, но где еще возможен фотосинтез , осуществляемый микроорганизмами (дисфотобиосфера - сфера, противоположная фотосфере). Наконец, еще глубже - мрак и огромное давление (афотобиосфера океана и глубочайших озер мира - сфера без света).
Функционально отличаются воды суши: реобиосфера (греч. rheos течение) водотоки и лимнобиосфера (греч. limne - озеро) стоячие водоемы, или озера. В соответствии с делением озер на пресноводные и солоноватые лимнобиосферу можно разделить на дульцилимнобиосферу (от лат. dulcuo - пресноводный) и галолимнобиосферу (от греч. gals - соль).
Над самой поверхностью суши расположена фитобиосфера - область произрастания растений - фитосреды (греч. phyton растение). Фитосфера, как и верхний слой фотосферы Мирового океана, - наиболее продуктивный слой биосферы. Его называют активной пленкой жизни. Часть биосферы в пределах суши может быть названа террабиосферой, включающей террабионты (от лат. terra - земля, суша).
Растения поднимаются в горы до высоты примерно в 5 км. Дальше царствует вечный мороз, но жизнь и здесь теплится. Тут обитают некоторые паукообразные и микроорганизмы, питающиеся частицами растений, их пыльцой и органическими останкам, приносимыми снизу. Как и в вертикальном поясе альтобиосферы, энергетика живого здесь базируется на прямой солнечной инсоляции. Это эоловая зона, или эолобиосфера (Эол - греч. aiolos - в греческой мифологии повелитель ветров).
Корни растений уходят в почву, и она составляет педобиосферу (от греч. pedon - почва). С этого пограничного между атмосферой и литосферой слоя с его педобионтами начинается литобиосфера с ее литобионтами (греч. lithos - камень). До кислородной границы т.е. до тех слоев литосферы, куда проникает атмосферный воздух (глубина от одного до нескольких километров) лежит гипотеррабиосфера (греч. hypo - внизу), т.е. подземная сфера, где жизнь базируется на потоке биогенов (организмов), поступающих из фитосферы, и продукции организмов - хемосинтетиков. Глубже живое очень разрежено, и в основном организмы могут обитать лишь в подземных, глубинных водах. Аэробное дыхание (греч. aer - воздух) из-за отсутствия кислорода здесь исключено, это царство анаэробионтов (анаэробов), составляющих теллуробиосферу (лат. tellus - земля). В пределах гипотерробиосферы существует немало мест обитания живого в подземных водах: пещерных водоемах и пластовых водах. Эти организмы называют стигобионтами, или троглобионтами (от греч. Стикс - мифологическая река подземного царства; и греч. troglese - пещера). Живут организмы в этих водах главным образом благодаря потоку биогенов с поверхности земли. Местной биопродукции им не хватает, и поэтому они зависят от водных потоков под землей.
Глубже под теллуробиосферой расположен слой, куда организмы попадают случайно и часто не по своей воле. Это гипобиосфера (“подбиосфера”) - аналог парабиосферы в атмосфере. Еще глубже, на глубинах 5-6 км, царствует нестерпимая для живого жара и невероятное давление горных пород. Здесь начинается слой метабиосферы, где прослеживаются еще биогенные породы, но жизни как таковой нет (греч. meta - после, за). Наконец, еще глубже лежит абиосфера (греч. a + bios - нежизнь), где не ощущается никакого воздействия жизни - все стерто глубинными процессами литосферы.
Как глубоко проникает жизнь в глубины планеты, пока не совсем ясно: в буровых скважинах, на глубине до 4 км, обнаружены микроорганизмы, а микробиологические останки - до 7 км. С повышением давления вода не кипит при температурах 100° C и выше. Так, в “черных курильщиках” - выходах термальных вод на дне океана - на глубинах в 3 км при давлении около 300 атмосфер есть жизнь при температуре в 250° C. Перегретая жидкая вода в литосфере обнаружена на глубинах до 10,5 км. Теоретически здесь может быть что-то живое. Но глубже 25 км, по расчетам, должна существовать критическая температура в 460° C, при которой в условиях любого давления среды вода неминуемо превращается в пар, а поэтому жизнь невозможна.
Если область современного обитания живых организмов имеет вертикальную протяженность 12 - 17 км, то сфера случайного попадания организмов и осадочных биогенных пород (мегабиосфера - “большая” биосфера) занимает слой примерно в 50 км: от нижних границ парабиосферы (греч. para - возле) до нижних ее границ - метабиосферы (греч. meta - после). Вместе с артебиосферой (лат. arte - искусственно) все пространство проникновения жизни называют панбиосферой (гр. приставка pan со значением: охватывающий все).
Области биосферы на земле можно рассматривать в процессе ее изменений по мере эволюции жизни на земле, т.е. рассматривать хронобиосферу (греч. chronos - время). В процессе эволюции биосфера земли непрерывно расширялась, охватывая все более широкие земные сферы и даже покидая их пределы, например, в результате высадки людей на Луне. По наиболее распространенной гипотезе жизнь возникла и начала распространятся только в первичном океане (возможно, и в литосфере), затем она заселила речные воды и континентальные водоемы и вышла на сушу. Возможно, одновременно с поселением в океане живое оказалось и в литосфере, поначалу там, где смыкалась водная стихия и земная твердь, а затем и повсеместно. Наконец, микроскопические существа начали осваивать самую негостеприимную среду атмосферы: капельки воды (тумана) и затем частицы твердого вещества (аэрозоля) в ней.
Все поле жизни не может не иметь и горизонтальной структуры, функционального членения на просторах Земли. Это, конечно, не разделение на плоскости, потому что все экосистемы планеты - объемные образования, имеющие три измерения, но распространение жизни и ее изменение идет как по вертикали, так и по горизонтали земных пространств. Это усвоило еще совсем древнее человечество, люди кочевавшие, как и звери, в поисках обильной пищи.
Сначала на уровне практического, а затем и научного знания было подмечено, что мир живого меняется с продвижением от экватора к полюсам с юга на север или наоборот с севера на юг. На этой основе учеными, прежде всего географами, было предложено множество схем деления лика планеты. К этим географическим членениям мы еще вернемся позже, когда будем говорить о мозаике жизни, а сейчас попробуем пройти ступеньками лестницы организации экологических систем - “кубиков” построения биосферы Земли.
Здесь, забегая далеко вперед, необходимо определить, что под экосистемой, являющейся подсистемой биогеценоза (биосферы), мы понимаем функциональное целое, состоящее из находящихся в тесном единстве организмов и среды их обитания. При этом количество и качество энергии, газов, воды, твердого или жидкого субстрата и населяющих экосистему организмов, в силу тесных связей внутри ее, заметно отличается от таких же показателей в соседней экосистеме. Одна экосистема, если не зримо, морфологически, то функционально отчленена от соседней. Обычно границы между экосистемами составлены более или менее широкими переходными полосами.
Сфера жизни с населяющими ее микроорганизмами, грибами, растениями и животными аналогична, как система, организму, состоящему из клеток, тканей, органов. И, как в организме, чем крупнее образование, тем четче его границы. Печень не спутаешь с сердцем, но на клеточном уровне эта дифференциация меньше: мышечные клетки (ткани) в разных органах аналогичны. Хотя в определенном порядке, но все же перемежаются клетки жировые, соединительнотканевые, гладких мышц, поперечно-полосатых мышц и т.д.
Организм сравнительно легко обозрим, но биосфера огромна, единым взглядом ее не окинешь, лишь с высоты космического полета. Но оттуда уже мало что видно. Приходится мысленно нарезать “пирог” огромного “сверхорганизма” биосферы, состоящего из живого вещества и среды его обитания. А сделать это по естественным границам непросто.
Как уже было сказано, эти границы функциональны и не везде видны на глаз. Во многих местах они стерты человеческой деятельностью, да и от природы нечетки: жестких граней природа почти не терпит. Суша, вода и воздушная среда плавно не переходят друг в друга, но их обитатели: земноводные, растения, животные, летающие организмы - “нарушают” эти границы. Четкость границ леса и его опушки, как правило, свойственна естественному образованию. Резкий характер границ обусловлен антропогенным воздействием: выкашиванием травы, выпасом скота, вытаптыванием и т.п.
Некоторые ученые, совершенно справедливо обращая внимание на единство живого покрова Земли, отрицают наличие экосистем и их иерархии. Они говорят о континууме (лат. continuum - непрерывное, сплошное) жизни, постепенном изменении свойств ее проявления. Эта точка зрения верна и в то же самое время слишком абсолютна. Жизнь есть функциональное единство одновременно непрерывности и дискретности. Например, каждый индивид самостоятелен, но вместе с тем входит во множество групп, без которых он не в состоянии либо существовать, либо дать потомство.
Трудности структуризации жизни велики, но попробуем сложить “кубики” биосферы в самом простом и лучше всего изученном месте, на суше.
Еловый и сосновый лес, липняк и дубрава, если они составлены из одной лесной породы, луг и соседствующий с ним лесной колок легко отличить друг от друга. Это элементарные экосистемы, “клеточки” биосферы на суше, биогеоценозы.
Озеро, лужок вокруг него и окаймляющий их лесок - это обычное сочетание биогеоценозов в равнинной Западной Сибири. Или расположенные рядом луга, кустарники, а кое-где ельники в речной долине связаны с водой, ее деятельностью. Подобное явное единство можно назвать биокомплексом .
Если плыть по большой реке, например по Волге, Енисею или Амуру, можно подметить, что меняются виды ив, составляющих прибрежные кустарники, иными становятся луга. И для этого не нужно перемещаться из зоны лесов в степи или тундру, изменения происходят в пределах и одной ландшафтной зоны лесов. Леса Мещеры или Полесья отличаются от лесов верховий Волги. Биокомплексы тут различны, хотя внешне сходны и в совокупности составляют индивидуальные образования. В географии эти однородные природные подсистемы называют ландшафтами , в науке о биосфере их называют биолокусами (лат. localis - местный, локальный, отнесенный к определенному месту).
Северная тайга явно отличается от южной и тем более от тропических лесов. Поэтому говорят: биом хвойных (северных) лесов, биом широколиственных лесов и т.д. Каждый биом состоит из многих биолокусов, а группа биомов слагает биозону, или природный пояс лесов, лугостепей, пустынь.
Биозоны степей южной России и Украины явно отличаются от биозон степей Северной Америки, леса Канады не спутаешь с сибирскими. И степи, и леса формировались в сходных природных условиях, но вдалеке друг от друга, и эволюционная история у них была разная. Соседствовали степи и леса в каждом месте по-своему. Назовем такие естественноисторические образования биорбисами или биоорбисами (лат. orbis - область распространения).
У жизни в Австралии, Южной Америке, Северной Евразии и в Южно-Африканской, Южно-Азиатской частях суши особая эволюционная судьба и пространственное сложение.
Все огромное здание биосферы - это большой дом, населенный то густо, то редко, но всюду пронизанный жизнью. И не может ни этот дом, ни его обитатели, ни весь живой мир Земли и космоса не иметь каких-то общих закономерностей построения. Д.И.Менделеев был уверен, что химические элементы - не хаотичное нагромождение и поэтому открыл периодическую систему элементов. Великий генетик и географ Н.И.Вавилов искал и нашел периодические закономерности в эволюции видов. Какая-то системная закономерность должна быть и в построении мира в целом и биосферы (рис 6) в частности.
Материальный мир един, его элементарные частицы: электроны, позитроны и т.п. - составляют атом, атомы образуют молекулы, те, в свою очередь, формируют агрегаты, дающие в своей совокупности два вида веществ - неживое и живое (“живое вещество” - выражение В.И.Вернадского). Живое вещество, как и неживое, структуризируется. Минимальные структуры живого, состоящие из молекул, - органеллы.
Те, в свою очередь, формируют клетки, клетка формирует ткани, а ткани - системы органов.
Рис.6. Иерархическая структура биосферы
Далее путь конструирования живого расходится: одна ветвь - к формированию целого индивида - генетического потомка его предков, другая - к возникновению новой особи. Особь уже не просто индивид, как совокупность органов и их систем, она включает и неотрывных спутников индивида, например микроорганизмы, живущие в кишечнике. Индивиды некоторых видов, например термитов, совершенно не могут существовать без своих спутников. Без деятельности микроорганизмов кишечника у них не переваривается пища. А продолжение рода у высших организмов невозможно без встречи особей разных полов, составляющих “семью” хотя бы на период оплодотворения. Эта группа организмов (“семья”) живет в составе большого скопления особей своего вида, т.е. в популяционной парцелле (части популяции) и составляет совокупность сходных по требованиям к среде и своему генетическому составу особей, т.е. популяцию . Каждая популяция одновременно входит в две структуры: в экологическую пирамиду: растениями питаются травоядные, травоядными - хищники и т.д.; и одновременно в группу экологически сходных популяций, составляющих биотическое сообщество, например, устриц устричной банки или злаков на лугу. Вместе со своими неизменными спутниками: микроорганизмами, насекомыми, грибами - такие сообщества дают собрания как “по горизонтали” - синузии , например синузия мхов в лесу, так и одновременно “по вертикали”, на всю толщину слоя жизни в населяемой среде - консорции. Сложение синузий, например деревьев, кустарников, трав, мхов, и их консорций дает новый вид парцелл, биогеоценотических.
Это, с одной стороны, функциональные родоначальники биоценозов , как сообществ организмов, совершающих в потоке энергии весь цикл превращения вещества: от усвоения химических элементов и простых неорганических веществ растениями до разложения сложных органических молекул вновь на простейшие минеральные составляющие. С другой стороны, они в совокупности с факторами среды дают начало биогеоценозам, которые, в свою очередь, слагают биокомплексы, и так далее по лестнице иерархии.
В систему мира, представленную в табл.1, вписываются все открытые человеком закономерности, в том числе и такие обобщения, как периодическая система элементов Д.И.Менделеева. В одних системах мы видим весьма разветвленные схемы, в других - сравнительно простые, но всегда они будут содержать в себе некое повторение структур в их иерархии, природа не так расточительна, чтобы каждый раз создавать нечто принципиально новое построение. Могут быть и уникальные, единственные в известном нам мире образования, но теоретически это маловероятно. Вероятнее всего, и биосфера Земли как бы повторяется в бесконечной Вселенной.
Узнает ли когда-либо человечество периодическую систему населенных планет бескрайнего космоса, представить трудно, но такая система весьма вероятна.
Пока периодических систем разработано немного для элементов это система Д.И.Менделеева. Для популяций, составляющих виды и другие систематические категории, Н.И.Вавилов предложил аналог - закон гомологических родов и наследственной изменчивости, по которому родственные виды, роды, семейства и т.д. обладают гомологическими генами и порядками генов в хромосомах, сходство которых тем полнее, чем эволюционно ближе таксоны (таксон - это группа объектов, связанных общностью свойств и признаков). Гомология генов (гомология - гр. homologia - сходство органов, имеющих общий план строения) у родственных видов проявляется в сходстве рядов их наследственной изменчивости.
А.А.Григорьев и М.И.Будыко сформулировали закон географической зональности , в соответствии с которым со сменой природных поясов аналогичные ландшафтные зоны и их некоторые общие свойства периодически повторяются. К периодическим законам относится и закон динамики экосистем , которые в своем развитии проходят физиологически и функционально сходные фазы. Вообще, видимо, существует общий системопериодический и системогенетический закон (вспомним из курса общей биологии биогенетический закон Э.Геккеля - Ф.Мюллера: онтогенез - индивидуальное развитие организма - есть краткое и быстрое повторение филогенеза - эволюционного развития вида): вся совокупность систем мира построена по периодическому принципу и каждая из них в индивидуальном развитии кратко и видоизмененно повторяет ряд эволюции своих предшественников.
Система систем дает большой простор для дальнейших исследований. Предстоит разработать и новые законы периодичности для большинства структур, обозначенных в вышеприведенной таблице. Далее мы обратимся к развитию человечества в его единстве со средой обитания, всей биосферой Земли.
