Характеристика биосферы

(1) Формирование представлений о биосфере

Термин биосфера (от греч. bios – жизнь, spharia – шар) был введен в науку в 1875 году австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом. В буквальном переводе этот термин обозначает сферу жизни, но его содержание было недостаточно определенным, в частности по вопросу взаимоотношений живой и неживой природы. Между тем еще раньше идея целостной картины живой природы рассматривалась под иными названиями: “пространство жизни”, “картина природы”, “живая оболочка Земли” и т.п. Первым из биологов, который ясно указал на роль организмов в образовании земной коры, был Жан Батист Ламарк (1809 год), более известный как автор первой теории эволюции. Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земли, сформировались благодаря деятельности живых организмов. Но, к сожалению, эта идея в свое время не вызвала интереса и подверглась забвению.

Факты и обобщения о биосфере накапливались в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии, геологии и других наук. Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов на окружающие их геологические структуры и процессы все настойчивее проникала в умы ученых. В итоге на рубеже XIX–XX вв. в науке зарождается целостный подход к изучению природы, который в наше время сформировался в системный метод ее изучения (см. раздел 1.5).

Точное геологическое определение биосферы было дано выдающимся российским академиком Владимиром Ивановичем Вернадским (1863–1945). Основы учения о биосфере изложены в ряде его трудов по геохимии и в специальной книге “Биосфера”, вышедшей в 1926 году. Да и все последующие годы ученый занимался этой проблемой. Под биосферой Вернадский понимал область, концентрическую оболочку Земли, занятую “живым веществом”, которая охватывает часть литосферы, атмосферы и всю гидросферу. “Живым веществом” Вернадский условно обозначал совокупность органических и неорганических веществ, входящих в состав всех живых организмов на Земле, включая человечество. Все перечисленные компоненты биосферы тесно связаны кругооборотом веществ и энергии, при этом пределы биосферы обусловлены физико-химическими параметрами возможности существования жизни вообще. Таким образом, Вернадский создал комплексное учение о биосфере, в котором живое вещество планеты выступает в роли системообразующего фактора, связывающего все компоненты биосферы в единое целое.

На современном этапе, ввиду неугасающего интереса к биосферным процессам, в литературе появилось много определений биосферы, довольно отличающихся от представлений Вернадского. Некоторые из них включают в пределы биосферы не только непосредственно сферу распространения жизни, но и сферу биогенных продуктов, произведенных как современными, так и предшествующими поколениями организмов. У подобных определений есть и приверженцы, и критики, однако справедливости ради отметим, что современные вариации определения биосферы ни в коем случае не умаляют самого учения Вернадского.

(2) В.И. Вернадский о биогеохимической целостности биосферы

Исходя из основных закономерностей развития живых и неживых систем, Вернадский выдвинул принцип целостности – неразрывной связи живого и неживого в биосфере. Мы уже касались этой проблемы в главе 3 в связи с глобальным обменом веществ и энергии в природе, но вернемся к ней в ином контексте, подразумевая далее перейти к вопросам экологической безопасности.

Живое вещество по объему и по весу составляет незначительную часть биосферы, однако оно специфическим образом организовано в единую систему с минеральными компонентами планеты. Взаимодействие между ними проявляется в биогеохимических потоках вещества и энергии, реализующихся изначально за счет энергии солнечного излучения (см. раздел 3.4, рис. 3.4.). Поскольку живое вещество является неотъемлемой частью биосферы, оно может существовать и развиваться только в ее пределах. Таким образом, два ключевых понятия составляют принцип целостности Вернадского: 1) биосферный круговорот веществ и энергии и 2) первичная роль Солнца как космического тела в этих процессах.

Во-первых, все организмы существуют “в потоке” атомов и молекул (обмен веществ как состояние живой материи). Здесь срабатывает “закон бережливости” в использовании организмами простых химических элементов, сформулированный еще в XIX веке русским ученым Карлом Бэром.

Этот принцип гласит, что элемент (атом), раз вошедший в живую систему, проходит длинный ряд состояний, при этом организм расходует созданное им вещество с величайшей бережливостью. Организм не только не тратит его даром, но и по возможности вообще не выпускает из себя. Освобождаясь, рано или поздно, из-под “опеки” организма, атомы переходят в минеральное вещество неживой части природы. Так, углерод (С) из состава органических веществ (белков, жиров, углеводов) после их окисления в процессе дыхания переходит в углекислый газ (СО₂) и выделяется в атмосферу. Но через какое-то время (это может случиться тотчас или через много веков) молекулы СО₂ могут быть использованы растениями для фотосинтеза и углерод вновь войдет в состав живого вещества – глюкозы. По пищевой цепи этот углерод перейдет к животным, от них к бактериям, далее снова в атмосферу. Аналогично циркулируют между живой и неживой природой кислород, азот и другие элементы, так что круговорот веществ замыкается в биогеохимические циклы.

Со временем часть вещества выводится из оборота в виде угля, известняков, различных руд (Вернадский называет этот компонент биосферы биогенным веществом, т.е. произведенным ранее существовавшими организмами), но основу живущих организмов составляет многократно циклирующая материя....).)стняков, различных руд. чных руд. ментов со временем выводится из биогеохимических циклов

Во-вторых, Вернадский подчеркивал космическую роль биосферы в трансформации энергии, имея в виду, что Солнце является основным источником энергии для существования биосферы. Эту роль еще в середине XIX века образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер, отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча. Солнечная энергия через процесс фотосинтеза фиксируется растениями и фотобактериями (аутотрофы), а далее используется в пищевых цепях гетеротрофами – животными, грибами и многими видами бактерий. Так солнечная энергия превращается в действенную энергию живой природы.

Рассматривая взаимодействие живого вещества Земли и энергии Солнца, Вернадский образно замечает, что космическая энергия вызывает “давление жизни”, которое достигается бесконечным размножением организмов. Жизнь, подобно газу, “растекается” по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются и распространяются быстрее, чем крупные. Здесь находят свое выражение в масштабах биосферы основные законы общей экологии, такие как закон геометрической прогрессии размножения, закон об ограничивающем факторе, законы конкурентных и трофических (пищевых) отношений. Особую роль в “растекании жизни” играют автотрофные организмы – зеленые растения, которые берут нужные им для фотосинтеза химические элементы из окружающей неживой материи. А поскольку энергетическим источником для фотосинтеза является свет, поле существования этих организмов определяется, прежде всего, областью проникновения солнечных лучей. Вслед за аутотрофами распространяются гетеротрофы – грибы и животные. Так все уголки планеты, пригодные для жизни, оказываются ею заселенными. Вернадский назвал этот биосферный феномен “всюдностью жизни”.

Наконец, рассматривая принцип целостности биосферы, Вернадский подчеркивает ее гармонию и организованность. Напомним, что биосфера как система представляет иерархическую совокупность всех отдельных биогеоценозов Земли – от биогеоценоза ручья или рощи до материковых и океанических биогеоценозов. При этом каждый локальный биогеоценоз и вся биосфера в целом образуют неразрывное единство сообществ живых организмов (биоценозов) и заселенных ими геологических структур (биотопов). Таким образом, благодаря живому веществу биосфера представляет глобальную экосистему Земли. Принципиально важно то, что живое вещество определяет и со временем радикально изменяет весь геофизический облик нашей планеты как космического тела.

(3) Геофизические границы биосферы

Биосфера Земли распространяется в пределах трех геологических оболочек: твердой – литосферы (от греч. lithos – камень), водной – гидросферы (hydor – вода) и граничащей с ними воздушной – атмосферы (atmos – пар). Однако лишь гидросфера полностью заселена живыми организмами, чего нельзя сказать о литосфере и атмосфере.

В.И. Вернадский отмечал, что границы биосферы определяются “полем устойчивости” организмов. Максимальное “поле жизни” определяется крайними пределами выживания, которые, в свою очередь, зависят от физико-химических свойств живых молекул (главным образом, белков), от их устойчивости в определенных условиях среды.

В свете вышесказанного, верхняя граница биосферы проходит в нижнем слое стратосферы, на высоте около 20 км. Здесь, в пределах 15–30 км от поверхности земли, находится озоновый слой – кислород в трехатомном состоянии (О₃). Озон в высоких концентрациях не поддерживает жизнь, так как является сильнейшим окислителем органических молекул. Выше озонового слоя, в стратосфере, жизнь также невозможна, поскольку ультрафиолетовый свет солнечного излучения разрушает живые клетки. Озон берет ультрафиолетовый удар на себя (поглощает коротковолновую часть солнечного спектра), и только под этим экраном, ниже 20 км, возможна жизнь.

Нижний литосферный предел биосферы раньше связывали с температурами, превышающими 100⁰С, однако экспериментальные данные показали, что жизнь может существовать даже при 180⁰С. Современные нижние границы биосферы опускаются под земную поверхность в среднем на 2–3 км на суше и на 1–2 км ниже дна океана. В нефтеносных водах земной коры живые одноклеточные организмы встречаются еще глубже – на 4–5 км. Но, поскольку большинство организмов нашей планеты потребляют кислород, реальные границы биосферы для них более узкие. Конкуренция за кислород привязывает большинство живых форм к тропосфере (от 0 до 15 км над уровнем моря) и сравнительно небольшим глубинам в гидросфере и литосфере. Наибольшая концентрация жизни наблюдается у поверхности суши и океана.

Последние научные исследования показали, что некоторые археи способны существовать (или переживать) при температуре –250⁰С, при очень низком давлении и даже в вакууме. Широк диапазон химических условий среды для микроорганизмов, вплоть до жизни в уксусе. Открыты бактерии, обитающие в котлах атомных реакторов, и, следовательно, жизнь возможна даже под действием ионизирующей радиации. Таким образом, выносливость некоторых живых организмов по отношению к отдельным факторам выходит за пределы существования биосферы, то есть у них имеется определенный “запас прочности” и потенциальные возможности распространения. Это позволяет рассматривать биосферу как открытую самоорганизующуюся систему, возникшую на заре геологической эволюции Земли и способную к дальнейшему развитию.

(4) Устойчивость и развитие биосферы

Об устойчивости и развитии биосферы Земли достаточно много было сказано в главах 5 и 6. Но, поскольку далее мы будем рассматривать вопросы развития биосферы в связи с практической деятельностью человека, вернемся вкратце к этим положениям в свете рассмотренных уже проблем.

Устойчивость означает сохранение на протяжении некоторого времени относительно постоянного состава и свойств системы. Устойчивость – это гомеостаз системы, достигаемый в процессе ее саморегуляции. Однако открытая и сложная система, взаимодействуя с внешними источниками энергии и вещества, постоянно претерпевает изменения, находится в процессе развития – гомеокинез системы. В единстве эти два начала: саморегуляция (гомеостаз) и развитие (гомеокинез) – и обуславливают динамическое состояние устойчивого развития. Что означает это для биосферы?

С точки зрения биогеохимии, по крайней мере, последние 600 млн лет характер основных круговоротов веществ и энергии на Земле не менялся. Это не значит, что на Земле ничего не происходило и ее химический состав оставался неизменным. Осуществлялись фундаментальные химические процессы, характерные и для современной эпохи: накопление атмосферного кислорода, осаждение связанного в раковинах и скелетах кальция (отложение известняков), образование кремнистых сланцев и т.д. Общий поток атомов, вовлекаемый в живые организмы, по-видимому, существенно не менялся, но менялись скорости процессов перестройки и накопления новых молекул и кристаллических структур. Какие-то геохимические изменения происходили в результате тектонических, вулканических, космических процессов, но стабильное развитие биосферы было обусловлено, в первую очередь, деятельностью самого живого вещества, обеспечивающего определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Таким образом, жизнь на Земле сама стабилизирует, удерживает в определенном режиме условия своего существования, что дает ей возможность развиваться более или менее постепенно, без резких срывов, устойчиво.

С точки зрения биологической, устойчивое развитие биосферы означает постепенное изменение живых форм от простых к более сложным, иногда упрощенным (паразиты), но всегда более приспособленным к конкретным условиям среды. При этом в течение миллионов лет состав биоценозов сохраняется относительно неизменным, эволюционная динамика малозаметна.

Однако мы уже знаем, что в реальной истории биосферы от одной эры к другой, от периода к периоду происходила смена состава и структуры биоценозов. Причинами могли быть как катастрофические события космического происхождения, резко менявшие климат и структуру земной поверхности, так и собственно планетарные процессы горообразования, трансгрессии и регрессии моря, оледенения, постоянно и ритмично преобразовывавшие среду обитания организмов. В соответствии с этими перестройками менялись и темпы эволюции живых форм: периоды эволюционного “затишья” сменялись “бурями” эволюционных новообразований. Именно состояния спокойного развития в периоды относительных “затиший” в истории биосферы, с общим вектором к адаптивной биологической эволюции, можно назвать устойчивым развитием. Устойчивое развитие биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, отдельные группы которых (продуценты, консументы, редуценты) выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределения энергии.

* * *

Резюмируя вышеизложенное, отметим, что биосфера представляет собой глобальную суперсистему живых организмов и их среды обитания, которая включает не только геологические факторы, но и космические, прежде всего солнечный свет как энергетическую основу существования биоты. Компоненты биосферы непрерывно взаимодействуют между собой на основе обмена веществ и энергии и находятся в динамическом единстве. Локальные системы, объединяющие сообщества совместно эволюционирующих популяций организмов разных видов и всю совокупность абиотических (средовых, геосферных, биотопных) факторов, составляют отдельные биогеоценозы – частные экосистемы. Любой частный биогеоценоз представляет собой естественную модель биосферы в миниатюре, включающую все звенья биотического круговорота, является элементарной ячейкой биосферы.