Состав, строение и границы биосферы

Возникшая 3,5—4,0 млрд лет назад, современная биосфера включает живые организмы (около 3 млн видов), их остатки. Зоны атмосферы, гидросферы и литосферы населены и видоизменены этими организмами.

Напомним, что всю совокупность организмов на планете В.И. Вер­надский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. В состав биосферы, кроме живого вещества (растительного, животного и микроор­ганизмов), входят:

- биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов, каменный уголь, битумы, нефть);

- биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и оса­дочных пород живыми организмами почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества);

- и косное вещество — совокупность тех образований в биосфере, в соз­дании которых, как считается, живые организмы не участвуют (гор­ные породы магматического, неорганического происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).

Следовательно, биосфера — это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматри­вают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую пла­нетарный круговорот веществ.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (ли­тосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и в вод­ной оболочке Земли (гидросфере):

- вглубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает, прежде всего, температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5—15 км превышает 100°С. Наибольшая глубина, на ко­торой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, со­ставляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2—2,5 км бак­терии регистрируются в значительном количестве;

- в горах граница распространения наземной жизни — около 6 км над уровнем моря;

- в океане жизнь распространена до более значительных глубин и встреча­ется даже на дне океанических впадин в 10—11 км от поверхности. Кон­центрация и активность жизни неравномерно распределены по всей толщине, со сгущением у поверхности и у дна. Выделяются своим бо­гатством прибрежные и мелководные участки;

- верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем ультра­фиолетовой радиации. На высоте 20—30 км большую часть ультра­фиолетового излучения Солнца поглощает находящейся здесь относи­тельно тонкий слой озона — озоновый экран. Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают. Атмосфера над поверхностью Земли насыщена многообразными живыми организ­мами, которые передвигаются в воздухе активным или пассивным спосо­бом. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20—22 км, и основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1—1,5 км.

- Более 99%. суммарного живого вещества, или биомассы, сосредоточено в слое, захватывающем несколько метров вглубь и несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Следовательно, жизнь со­ с редоточена в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные про­цессы взаимодействия живой и неживой (косной) природы. Этот тонкий деятельностный слой нередко называют биогеосферой, биогеценическим покровом, ландшафтной, оболочкой. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В.И. Вернадский назвал "пленками жизни".

- Крайние пределы температур, которые выносят некоторые формы жизни (в латентном виде) — от практически абсолютного нуля до 180°С. Давление, при котором существует жизнь, — от малых долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верхние критические точки давления лежат в области 12 тыс. атм. Споры бактерий, конидии, мицелий некоторых грибов не теряют жизнеспособности в условиях высокого вакуума, достигающего 10—13 мм рт. ст. (вакуум космического пространства составляет 10— 16 мм рт. ст.). Бактерии обнаружены в водах атомных реакторов, некото­рые из них выдерживают облучение порядка 2—3 млн рад. При темпера­турах жидкого воздуха (—192°С), водорода (—256,ГС) ряд бактерий оста­ются живыми.

- На основании приведенных данных можно сделать важный вывод: выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапа­зонов тех условий, которые существуют в границах современной биосферы. Следовательно, жизнь обладает значительным "запасом прочности", ус­тойчивости к воздействию среды и потенциальной способностью к еще большему распространению.

 

Динамика биосферы

Термин "динамика биосферы" означает систему закономерных измене­ний состояния среды обитания живых организмов и соответственно со­стояние самих этих организмов_, а также непрерывных нарушений последнего. Как известно, к границам биосферы подходят различные виды космиче­ских и прежде всего — солнечных потоков вещества и энергии (видимый свет, тепловые инфракрасные лучи, ультрафиолетовые и радиоактивные и рентгеновские лучи). Большая их часть задерживается в высоких слоях атмосферы и на границе ее с космическим пространством. При этом пер­вопричиной динамики биосферы является поток поступающей на Землю солнечной энергии. Проходя через атмосферу и попутно взаимодействуя с ней, он определяет совокупность климатических процессов. Конкретное состояние климатических процессов в каждом месте в каждый момент времени называют погодой.

- Именно постоянное изменение погодных условий служит главной причиной разнообразных изменений в биосфере. Как известно, атмосфера нагре­вается неравномерно, что в свою очередь заставляет воздух постоянно перемешиваться, при этом неоднородность земной поверхности весьма усложняет указанное перемешивание.

Необходимо также учитывать и воздействие материков и океанов:

- материки усиливают температурные контрасты — зимой вблизи полюсов они сильнее охлаждаются, а летом в тропиках сильнее нагреваются;

- океаны, напротив, эти контрасты ослабляют.

Над материками и океанами циркуляция атмосферы протекает в ос­новном в форме перемещения воздушных масс. Последние представляют собой объемы тропосферного воздуха, они соизмеримы по площадям с материками и океанами и характеризуются сравнительно однородными внутренними свойствами (температурой, влажностью, запыленностью), которые тем не менее отличаются от других воздушных масс.

Такие свойства воздушные массы приобретает, когда находятся над поверхностью очагов их формирования, северной или тропической Атлан­тикой, Арктическим морским бассейном, пустынями, умеренными ши­ротами Евразии и т. д.

Отметим, что распределение природно-климатических зон поверхно­сти суши в существенной степени определяется постоянными движения­ми воздушных масс и скоростью их трансформации. В результате зона смешанных и широколиственных лесов Европы есть следствие наиболее мощных воздействий атлантического воздуха, а пустыни — порождение очага формирования континентального тропического воздуха и т. д.

Воздушные потоки в жизни биосферы играют большую роль. Благодаря им доставляются сотни миллиардов тонн воды из океанов, которые далее увлажняют сушу, они же приносят почти весь необходимый для жизне­деятельных процессов йод. Однако в результате воздействия многих фак­торов траектории воздушных потоков периодически отклоняются от средних положений. Из-за этого в различных местах земли наступают заморозки или оттепели, засухи или дожди, стихийные бедствия или, напротив, периоды устойчивости природных факторов.

Обязателен учет роли геологических факторов, которые преломляют и кон­кретизируют влияние изменений погодных процессов на природу, в частности:

- действие заморозков ослабевает в положительных (выступающих) и уси­ливается в отрицательных (углубленных) формах рельефа;

- засуха сильнее проявляется не только на южных, но и на глинистых склонах.

Наконец, при прогнозировании последствий изменения погоды нель­зя не учитывать роль почвенного покрова и прежде всего его замедленную реакцию на изменения погодных условий. Она, в свою очередь, тормозит реакцию растительности на изменения последних, что определенным образом стабилизирует состояние всего живого покрова. Указанное явле­ние торможения проявляется, в частности, в том, что атмосферная засуха может быть весьма сильной, но в почве, тем не менее, имеются запасы влаги, которые остались в ней от предыдущих лет. Поэтому дефицит вла­ги проявляется не так остро.

Вышеизложенное следует увязывать с тем, что скорость реакции раз­личных видов живых существ на изменения погоды (при наличии взаи­мосвязи между ними) обусловливает непрямолинейность влияния погод­ных условий на экологические системы. Поэтому биотические факторы служат одновременно источником как автоколебаний ценозов, так и их стабилизации.

Огромную роль в динамике биосферы играют геокосмические ритмы. Их значение было раскрыто русским ученым А.А. Чижевским. Очевидно, что всякое количественное или качественное изменение космической энергии сказывается на состоянии чувствительных к кратковременным изменениям систем Земли (атмосферы, гидросферы, педосферы), и в первую очередь на существующей почти исключительно за счет энергии космоса биосфере. В частности, была установлена связь колебаний числен­ности видов живых существ, урожаев, динамики заболеваемости населения с солнечными процессами.

Однако следует иметь в виду, что космические ритмы очень разнооб­разны. Так, наряду с хорошо изученными 11,5-летними солнечными циклами существует множество других - от одномесячных лунных до длящихся миллиарды лет галактических ритмов. Налагаясь друг на друга, эти ритмы оказывают сложные интегральные воздействия на живые ор­ганизмы, характер которых до сих пор до конца не известен.

Ныне на динамику биосферы огромное влияние оказывает человече­ская деятельность. При этом она, согласно Ю.Н. Куражавскому, в отли­чие от естественных экологических факторов обусловливает не колеба­тельные, а преимущественно поступательные изменения природы. Так, развитие водного транспорта влечет за собой создание каналов, соеди­няющих различные речные системы, и, соответственно, развитие обме­нов элементами флоры и фауны между водными бассейнами.

Что касается колебательных явлений в природе, связанных с челове­ческой деятельностью, то они весьма редки. Это либо ритмические, час­то многолетние процессы смены культурных растений в севообороте, либо аномальные явления.