Биосфера

Все живое представляет неразрывное целое,

закономерно связанное не только между собою,

но и с окружающей косной средой биосферы.

В. И. Вернадский

Биосфера как глобальная экосистема. Биосфера представляет собой высший иерархический уровень организации жизни на планете – это экосистема первого порядка или глобальная экосистема. В ее состав входят все экосистемы Земли, вместе с их биотическими и абиотическими компонентами, потоками вещества и энергии. Стабильное же существование любой экосистмы, как мы уже осуждали, возможно только в том случае, если все ее компоненты строго сбалансированы. Поэтому, для поддержания стабильности глобальной экосистемы необходимо, чтобы в ее состав входили сбалансированные экосистемы более низкого иерархического уровня. Иными словами, на Земле должно быть необходимое количество лесов, тундр, пустынь, болот и т. д., а внутри них должно сохраняться оптимальное число экосистем более низкого уровня вплоть до самых мелких (например, экосистема трухлявого дерева в лесу или небольшого озерца в тундре). В этом залог стабильного существования биосферы и человека, который является ее неотъемной частью и вне пределов которой жить не может.

Биогеохимический круговорот веществ. Понятие о биосфере, как о совокупности живого на поверхности Земли, было введено в научный обиход австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 г. Однако только в трудах русского ученого-геохимика Владимира Ивановича Вернадского учение о биосфере приобрело вид стройной концепции.

В представлении Владимира Ивановича Вернадского биосфера – это особая оболочка Земли, в формировании которой живые организмы играли в прошлом и играют в настоящее время основную роль. Границы биосферы и сам ее характер многократно менялись в истории нашей планеты, следуя за прогрессивным развитием жизни.

Достаточно вспомнить, что весь кислород, имеющийся в современной атмосфере, имеет биогенную природу, т. е. вырабатывается фотосинтезирующими организмами. До их появления кислорода в атмосфере древней Земли не было. То же относится и к почве, в образовании которой первостепенная роль принадлежит живым существам. Многие другие параметры окружающей среды подвержены трансформирующему влиянию живых организмов.

Между окружающей средой и живыми существами постоянно происходит обмен веществами – биогеохимический круговорот. Этот процесс имеет планетарный масштаб, поскольку все химические элементы вовлекаются в общий поток превращений, проходя в обязательном порядке биогеохимическое звено. Исходный импульс биогеохимическому круговороту дает энергия солнца, благодаря которой в процессе фотосинтеза происходит формирование органического вещества – первичной биомассы. Связанные в ней химические элементы и энергия передаются по трофическим цепям вплоть до редуцентов, взаимодействуя на разных этапах с окружающей средой.

Распределение неорганических веществ и живых организмов в биосфере неравномерно, поэтому и процессы, связанные с биогеохимическим круговоротом в разных ее частях различны как по характеру, так и скорости протекания. В последнее время на характер биогеохимического круговорота все активнее оказывает влияние деятельность человека. Это может приводить к целому ряду неблагоприятных последствий.

Вместе со смываемыми с полей удобрениями, промышленными и бытовыми стоками в водоемы может попадать большое количество азота и фосфора, многократно превышающее естественный фон. Азот и фосфор необходимы для развития растений и их высокая концентрация провоцирует бурную вспышку размножения продуцентов, в первую очередь цианобактерий. Происходит так называемое цветение воды. Образуется такое количество первичной биомассы, что его не в состоянии утилизировать имеющиеся в водоеме консументы I порядка. Огромная масса продуцентов отмирает, что приводит к такому интенсивному размножению редуцентов – аэробных бактерий, что вода полностью лишается кислорода. Происходит гибель рыбы и других населяющих водоем животных и растений.

Живые организмы способны существовать в достаточно широком диапазоне параметров среды. Факторы, ограничивающие распространение жизни, получили название лимитирующих. Для биосферы в целом главными лимитирующими факторами можно считать солнечный свет и воду. В связи с этим основная масса живых организмов распределяется в большей степени в двух земных оболочках – литосфере и гидросфере. При этом гидросфера, хотя и с уменьшающейся плотностью, заселена на всю глубину, т. е. гораздо ниже границы проникновения солнечного света. На больших глубинах преобладают трофические цепи, начало которым дают животные, поедающие отмершие живые организмы, погружающиеся из верхних слоев воды.

На дне океана существуют и экосистемы, в которых роль продуцентов играют хемосинтезирующие серобактерии. Формируются они в районах гидротермальных источников – выходов подземных горячих вод и газов на дне океана на глубинах в несколько километров. Роль солнечного света здесь играют соединения серы, окисляя которые, серобактерии получают энергию, необходимую для синтеза органических соединений. За серобактериями выстраивается цепочка консументов и редуцентов. В состав таких гидротермальных экосистем, открытых только в 70-х гг. XX в., формируются вполне процветающие экосистемы, состоящие из бактерий, полихет, моллюсков и других беспозвоночных.

В литосфере организмы преимущественно сосредоточены только на небольшой глубине, несколько сантиметров и редко метров. Хотя бактерии обнаружены и в нефти, залегающей глубоко от поверхности земли. Лимитирующими факторами, препятствующими проникновению жизни вглубь литосферы служат, помимо солнечного света, и механические свойства горных пород, и повышение температуры с продвижением в недра Земли (на глубине 3 км температура достигает 100 °С, верхний температурный порог существования жизни).

В отличие от гидросферы и литосферы, атмосфера не имеет своего постоянного населения, все встречающиеся здесь существа связаны с поверхностью планеты. Они в большинстве своем проникают только в нижние слои атмосферы. Кроны деревьев иногда возносятся на несколько десятков метров, а летающие насекомые, летучие мыши и птицы встречаются на высоте в сотни метров. В горах зеленые растения распространяются до высоты примерно 6 км. Лимитирующими факторами здесь выступают низкие температуры и связанное с этим отсутствие жидкой воды, а так же слабое парциальное давление CO₂. Выше в горах обнаруживаются единичные насекомые, которые питаются органическими частичками, заносимыми сюда ветром. Наконец, покоящиеся стадии (споры, цисты, семена) обнаруживаются в атмосфере на высоте в несколько километров.

Неравномерно распределяется в биосфере и биомасса. Несмотря на то, что океан занимает примерно 70% поверхности планеты, первичная биомасса, которую производят населяющие его растения, в два раза меньше, чем производимая растительностью суши. Общая же биомасса растений суши почти в 500 раз превосходит биомассу растительности морей. Определяется это многими факторами, в том числе и тем, что необходимые растениям элементы концентрируются в узкой прибрежной зоне, куда их смывает береговым стоком, в местах выноса на поверхность обогащенных минералами глубинных вод, в районах мелководий. Здесь и продуцируется значительная часть первичной биомассы Мирового Океана, тогда как открытые его части малопродуктивны.

Живые существа оказывают трансформирующее воздействие на планету, формируя ее особую сферу – биосферу. Между биотической и абиотической частями биосферы происходит постоянный обмен химическими элементами – биогеохимический круговорот. Стабильность биосферы прямо связана со стабильностью составляющих ее экосистем. В эволюции биосферы первостепенную роль играет деятельность живых организмов.