Основы учения о биосфере

Термин «биосфера» введен в научную литературу австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. для обозначения особой оболочки Земли, населенной живыми существами. Углубленное учение о биосфере в дальнейшем было разработано академиком В. И. Вернадским (1863 — 1945). Он распространил понятие биосферы не только на живые организмы, но и на среду их обитания. Биосфера, по Вернадскому, — «это область распространения жизни, включающая наряду с организмами и среду их обитания». Деятельность живых организмов объединяет все геосферы Земли (атмосферу, литосферу и гидросферу) в единую целостную систему, связанную обменом веществ и энергии. Вернадский отмечал, что биосфера является термодинамической оболочкой с температурой от +50 до -50 °С и давлением около 1 атм.

Биосфера занимает лишь часть геологической оболочки земного шара. Она включает нижнюю часть атмосферы, гидросферу (океаны, моря, озера, реки) и верхнюю часть литосферы (твердой оболочки Земли).

В литосфере жизнь сконцентрирована ближе к поверхности, обычно на глубине до 8 — 10 м (иногда находят бактерий в водах нефтеносных слоев на глубине 2 — 5 км). Проникновение живых организмов вглубь ограничивается высокой температурой и давлением, отсутствием света. В гидросфере жизнь простирается на всю ее глубину (свыше 11 км). Здесь ограничивающими факторами являются давление толщи воды и отсутствие света. В пределах атмосферы жизнь возможна на высоте до 20-25 км, где обнаруживаются лишь бактерии и их споры, поднимаемые вихревыми потоками с поверхности Земли. Ограничивающими факторами могут быть излучения, низкая температура, дефицит кислорода и воды. Наиболее благоприятные условия для жизни — у поверхности суши и воды, поэтому здесь максимально сконцентрировано живое вещество.

Биосфера включает:

  • живое вещество, образованное совокупностью организмов;
  • биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, нефть, каменный уголь, известняки и пр.);
  • костное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты тектонической деятельности, метеориты);
  • биокостное вещество, образующееся в результате совместной деятельности организмов и абиогенных процессов (почва).

Вся масса живого вещества Земли составляет ее биомассу, которая равна примерно 2423,2 млрд т сухого вещества. Биомасса растений суши составляет около 97 %, животных и микроорганизмов — около 3 %. Биомасса на суше увеличивается от полюсов к экватору, в этом же направлении возрастает и количество видов. Так, в тундре насчитывается около 500 видов растений, в лесостепной зоне — до 2000, а во влажных тропических лесах — свыше 8000.

Огромная биомасса сосредоточена в почве. Ее составляют корни растений, почвенные животные (кроты, черви, насекомые и их личинки и др.), водоросли, грибы, бактерии. В некоторых почвах биомасса одних только дождевых червей достигает 1,2 т/га. Количество бактерий в 1 г почвы измеряется сотнями миллионов.

Мировой океан занимает свыше 75 % поверхности Земли. Объем воды в нем в 15 раз больше объема суши, возвышающейся над уровнем моря. Однако биомасса Мирового океана в 1000 раз меньше, чем суши. Она сосредоточена главным образом в поверхностном слое до 100 м. Биологическая продуктивность суши и океана примерно одинакова. Это объясняется тем, что обновление живых организмов в океане происходит во много раз быстрее, чем на суше. Так, одноклеточные водоросли океана обновляются несколько раз за год, а на обновление биомассы суши требуется 10-15 лет. Основную часть биомассы океана составляют животные (93,7 %).

Поверхность океана заполнена взвешенными микроскопическими организмами, перемещаемыми течениями (планктон). Основную массу планктона составляют одноклеточные водоросли, простейшие и некоторые беспозвоночные. В толще воды находятся и активно плавающие животные, способные преодолевать большие расстояния (нектон). Это рыбы, киты, кальмары и пр. Третью группу составляют организмы, обитающие на грунте и в грунте водоемов (бентос). Они представлены придонными растениями, губками, полипами, ракообразными, червями и пр.

Живое вещество составляет лишь 0,25 % всего вещества биосферы, однако оно играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря совершающемуся в живых организмах обмену веществ. Деятельностью живых организмов обусловлены химический состав атмосферы и гидросферы, формирование почвенного покрова литосферы. Живое вещество играет ведущую роль в круговороте веществ в природе и осуществляет важнейшие биогеохимические функции.

Газовая функция заключается в поглощении растениями диоксида углерода и выделении кислорода в процессе фотосинтеза (при дыхании растений и животных наоборот, поглощение кислорода и выделение диоксида углерода), в восстановлении азота, сероводорода и других газов, т. е. в поддержании постоянства газового состава атмосферы.

Концентрационная функция заключается в поглощении и накоплении в живых организмах различных химических элементов — углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы, йода, железа и др. Благодаря этой функции на определенном этапе развития биосферы растения обогатили атмосферу кислородом и значительно снизили концентрацию диоксида углерода; на местах массовой гибели животных и растений мы обнаруживаем отложения мела, известняка, нефти, угля и других полезных ископаемых.

Окислительно-восстановительная функция заключается в восстановлении и окислении веществ в живых организмах (например, восстановление диоксида углерода до углеводов в процессе фотосинтеза и окисление их до диоксида углерода при дыхании).