Биосфера как сложноорганизованная глобальная система. Компоненты биосферы, уровни жизни. Саморегуляция биосферы. Учение В.И. Вернадского о биосфере

Биосфера – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Термин был введен в 1875г. Эдуардом Зюссом. Атмосфера, гидросфера, литосфера – составляющие биосферы, в которых существует жизнь.

Компоненты биосферы:

• живое вещество (совокупность живых организмов)

• косное вещество (все геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими)

• биокосное вещество (нефть)

• биогенное вещество (геологические породы, созданные живыми организмами).

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев океана. В. И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни». На развитие жизни, а, следовательно, и границы биосферы оказывают влияние многие факторы и прежде всего наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограничивают область распространения жизни и слишком высокие или низкие температуры. Элементы минерального питания также влияют на развитие жизни. К ограничивающему фактору можно отнести и сверхсоленую среду (превышение концентрации солей в морской воде примерно в 10 раз). Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л.

В планетарной биосфере выделяют континентальную и океаническую биосферы, которые отличаются геологическими, географическими, биологическими, физическими и другими условиями. Нижний предел распространения живого ограничивается дном океана (глубина около 11 км) или изотермой в 100 град. C в литосфере (по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове эта цифра составляет около 6 км). Фактически жизнь в литосфере прослеживается до глубины 3-4 км. Таким образом, вертикальная мощность океанической биосферы составляет 17 км, сухопутной до 12 км. Вверх, в атмосферу, биосфера простирается не выше наибольших плотностей озонового экрана, что составляет 22-24 км. Следовательно, предел протяженности биосферы на Земле выражается цифрой 33-35км, хотя теоретически он может быть более широким.

Чаще всего выделяют восемь основных структурных уровней жизни:

• молекулярный,

• клеточный,

• тканевый,

• органный,

• организменный,

• популяционно-видовой,

• биогеоценозный,

• биосферный.

В современном представлении биосфера есть глобальная открытая система со своим «входом и выходом». Ее «вход» — это поток солнечной энергии, поступающий из космоса. Кроме того, биосфера получает некоторое количество вещества из космоса. Общее количество поступающего на Землю метеоритного вещества и пыли ежегодно составляет n×10-6- n×10-9 г/см2, что в пересчете на поверхность Земли дает астрономическую величину — ежегодно 106 – 108 т вещества. Биосфера теряет небольшую часть молекул газов из верхних слоев атмосферы, но основной ее «выход» — образованные в ходе жизнедеятельности организмов вещества, которые ускользнули из биологического круговорота в результате погружения в литосферу (иногда на миллионы лет). Биосферу считают кибернетической системой, обладающей свойствами саморегуляции. Одно из наиболее характерных проявлений организованности биосферы В.И.Вернадский видел в наличии озонового экрана, находящегося за пределами биосферы и поглощающего губительные для жизни ультрафиолетовые лучи. Образование озонового экрана — яркое проявление саморегуляции биосферы.

С.С. Шварц (1976) к адаптациям (саморегуляции) относил разнородность трофических уровней, каждый из которых включает сотни и тысячи видов, состоящих в свою очередь из миллионов и миллиардов особей. Это многообразие повышает вероятность сохранения геохимических и энергетических функций биосферы в случае каких-то катастроф планетарного масштаба.

Другой пример саморегуляции биосферы — Мировой океан. Реки ежегодно приносят в него 1,5 млн т карбоната кальция, а солевой состав воды существенно не меняется. Организмы используют карбонаты для построения своих скелетов, а после их отмирания карбонаты опускаются на дно. Так, путем создания «кальциевых покровов» стабилизируется состав океанических вод. Этот механизм действует в биосфере уже многие миллионы лет и обеспечивается живыми организмами.

Преобразование суши в связи с выходом жизни из воды можно рассматривать также в качестве примера саморегуляции биосферы, так как это стало приспособлением к дальнейшему развитию жизни и биосферы. Выветривание, почвообразование, делювиальные и аллювиальные наносы покрыли органоминеральными покровами мелкозема монолитные бесплодные скалы, создав рыхлые горизонты, благоприятные по физическим и химическим, свойствам для существования растений, особенно их корневых систем, и животных (экологические ниши). Фотосинтез растений явился механизмом накопления активной биохимической энергии в массах органического вещества, в форме почвенного гумуса, в виде ископаемых горючих материалов, как бы гарантирующих удовлетворение запросов организмов на случай стрессовых условий и неблагоприятных периодов.

Ограниченность ресурсов азотно-углеродного, водного, воздушного, минерального питания живое вещество преодолело путем создания почвенного покрова. В почвах происходит неосинтез высокодисперсных минералов, обеспечивающих физико-химическую поглотительную способность (сорбция соединений азота, фосфора, кальция, калия и др.). Еще более эффективным путем осуществляется аккумуляция гумусоорганическими соединениями макроэлементов (С, N, P, Ca, S, К) и микроэлементов (I, Zn, Сu, Со, Se и др.), происходящая в прижизненных выделениях организмов, опаде, подстилках, корнях, в поверхностных почвенных горизонтах, подпочвенных, грунтовых, речных водах. Надо иметь в виду, что масса прижизненых выделений в почву в десятки и сотни раз превосходит вес биомассы организмов. По своему биогеохимическому значению в поддержании жизни на планете почвенный покров сравним с озоновым экраном стратосферы. Пищевые цепи, их звенья и последовательная реализация на суше складываются и осуществляются на поверхности почвы и в основном внутри почвы, которая служит как бы главным хранителем биоэнергетических ценностей, созданных фотосинтезом в биосфере системой растения — почвы (В. А. Ковда, 1985).

Сейчас считают, что в биосфере существует более полутора миллионов видов живых организмов, включающих миллионы и миллиарды особей. Палеоботаник О.П.Фисуненко подсчитал, что количество родов высших растений составляло в силуре — 1, в девоне — 36, в карбоне — триасе — 150 – 200, в юре до неогена — 250 – 300. Данные показывают отчетливую тенденцию к возрастанию внутреннего многообразия биосферы на примере высших растений, которая укрепляла механизмы саморегуляции.

Характерной особенностью биосферы является мозаичность строения. Она функционирует в виде отдельных экосистем, представляющих собой комплекс взаимосвязанных организмов разных видов и изменяемой ими абиотической среды, обладающий способностью к саморегуляции и полному самовозобновлению биоты. В природных ненарушенных экосистемах складываются биогеохимический круговорот и последовательность многократного повторного вовлечения в ткани живого вещества главных биофильных элементов и соединений: энергия, вода, органика, углекислота, кислород, азот, фосфор, сера, кальций, калий и т.д. Эти локальные циклические процессы являются «почти замкнутыми», так как экосистема отдает за пределы лишь малую часть (5 —10 %) своего вещества. Пищевые цепи обеспечивают длительное удержание внутри экосистем энергии, связанной фотосинтезом, и резерва биофильных элементов, необходимых для новых поколений живого вещества. На этой основе слагаются главные звенья биогеохимического круговорота суши. Экосистемы находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и все вместе образуют гигантский круговорот веществ в биосфере. Часть энергии и биофильных элементов, вырванных из экосистемы, поступает в биогеохимический цикл вещества бассейна, континента, мигрируя с водными и воздушными потоками. Миграция веществ в горизонтальном направлении (водная или воздушная) является важнейшим звеном в механизме самоуправления биосферы, условиями жизни и элементами питания организмов.

Экосистемы, сложившиеся в процессе длительной эволюции, приспособления видов и популяций между собой и к условиям среды, становятся интегрированными, устойчивыми образованиями, способными путем саморегулирования противостоять изменениям как в среде, так и в количестве компонентов экосистемы. Понятие устойчивости, саморегуляции экосистем распространяется на природные зоны и биосферу в целом.

Г.Л. Шкорбатов (1982) относит к числу биосферных адаптации регуляцию круговоротов биогенных элементов. Основными элементами, участвующими в нем, являются Н, С, N, Са, К, Mg, Si, P, S, Мn, В, Sr, Ba, Zn, Mo, Cu, Co. Биологический круговорот не является замкнутым. Степень воспроизводства циклов – 90 – 98%. В масштабе геологического времени эта незамкнутость приводит к дифференциации элементов и накоплению их в атмосфере, гидросфере или осадочной оболочке. В то же время в биологический круговорот поступают элементы из недр планеты (например, СО2).

Непрерывному круговороту в биосфере подвергаются только вещества. В отношении энергии можно говорить лишь о направленном потоке. Общую картину преобразования энергии в организмах представляют в форме энергетической пирамиды. Солнечная энергия частично расходуется на синтез органического вещества: автотрофные организмы, поглощая энергию, превращают мелкомолекулярные бедные энергией неорганические вещества в крупномолекулярные богатые энергией соединения. Значительная часть этого органического вещества расходуется в процессе жизнедеятельности самих растений, другая часть усваивается организмами, непосредственно поедающими растения.

Следующий этаж энергетической пирамиды характеризует приход энергии от автотрофных растений к животным и гетеротрофным растениям, которые потребляют энергию, заключенную в автотрофных растениях. В среднем не более 10% первоначально усвоенной энергии передается живым организмам, потребляющим энергию автотрофных растений. Эти организмы в ходе своей жизнедеятельности также теряют много энергии, в том числе на дыхание и другие функции. Третий ярус пирамиды соответствует приходу энергии у животных, которые существуют за счет потребления энергии, усвоенной другими животными. В этот ярус входят плотоядные животные. Многие живые организмы, в том числе человек, потребляют часть энергии, непосредственно созданной растениями, и часть энергии, созданной животными. Передаваясь с одного трофического уровня на другой, энергия постепенно рассеивается. После окончательного разложения органических остатков энергия частично накапливается в земной коре в виде алюмосиликатов, которые называются «геохимическими аккумуляторами».

В.А.Ковда (1985) исходя из учения В.И.Вернадского о биосфере, новых научных фактов и представлений дает определение биосферы Земли как открытой сложной многокомпонентной саморегулирующейся, связанной с космосом системы живого вещества и минеральных соединений, образующей внешнюю оболочку планеты. Главными компонентами биосферы как особой оболочки планеты являются следующие:

• потоки космической энергии, электромагнитные и гравитационные поля, космическое вещество, поступающие на Землю;

• биомасса живой растительности, способной путем фотосинтеза и роста фиксировать и преобразовывать космическую энергию в химическую потенциальную энергию и хранить ее в виде органических соединений;

• почвенный покров, обеспечивающий существование растительности (механическая опора, корнеобитание, водное, углекислое, азотное, минеральное питание, тепловой режим, накопление запасов энергии в виде детрита и гумуса);

• биомасса живущих на почве и в почве консументов (животных, простейших, микроорганизмов), потребляющих фитомассу и доводящих ее до полной минерализации;

• водная оболочка (гидросфера);

• воздушная оболочка (атмосфера);

• оболочка биогенных осадочных пород (литосфера).

О высочайшей эффективности механизмов саморегуляции биосферы свидетельствует скорость воспроизводства живого вещества. Обновление всего живого вещества биосферы осуществляется в среднем за 8 лет, фитомассы суши — за 14 лет, в океане обновление массы живого — за 33 дня, фитомассы океана — каждый день. Благодаря биологическому круговороту в гидросфере процесс всей смены вод осуществляется за 2 800 лет. Смена О2 в атмосфере происходит за несколько тысяч лет, СО2 — за 6,3 года. Эти цифры показывают, что геохимический эффект деятельности живого вещества проявляется в течение не только геологического времени (миллионы и миллиарды лет), но ясно выражен в пределах исторического времени (тысячи лет и менее).

 

Свойства биосферы

Вернадский тщательно изучал свойства биосферы и пришел к выводу, что основой функционирования системы является бесконечный круговорот веществ и энергии. Данные процессы возможны только в результате деятельности живого организма. Живые существа (автотрофы и гетеротрофы) создают необходимые химические элементы в процессе своего существования. Так, с помощью автотрофов происходит преобразование энергии солнечного света в химические соединения. Гетеротрофы, в свою очередь, потребляют созданную энергию и приводят к разрушению органических веществ до минеральных соединений. Последние являются фундаментом для создания новых органических веществ автотрофами. Таким образом, происходит цикличный круговорот веществ.

Именно благодаря биологическому круговороту биосфера представляет собой самоподдерживающуюся систему. Циркуляция химических элементов является основополагающей для живых организмов и существования их в атмосфере, гидросфере и почве.

Основные положения учения о биосфере

Ключевые положения учения Вернадский изложил в работах «Биосфера», «Область жизни», «Биосфера и космос». Ученый обозначил границы биосферы, включив в нее всю гидросферу вместе с океаническими глубинами, земную поверхность (верхний слой литосферы) и часть атмосферы до уровня тропосферы. Биосфера является целостной системой. Если один из ее элементов погибнет, то биосферная оболочка разрушится.

Вернадский первый из ученых, кто стал употреблять понятие «живое вещество». Жизнь он определял как фазу развития материи. Именно живые организмы подчиняют себе другие процессы, которые происходят на планете.

Характеризируя биосферу, Вернадский утверждал следующие положения:

• биосфера является организованной системой;

• живые организмы являются доминирующим фактором на планете, и они сформировали современное состояние нашей планеты;

• на земную жизнь оказывает влияние космическая энергия

Таким образом, Вернадский заложил основы биогеохимии и учений о биосфере. Многие его утверждения актуальны на сегодняшний день. Современные ученые продолжают изучать биосферу, но они также уверенно опираются на учение Вернадского. Жизнь в биосфере распространена везде и всюду обитают живые организмы, которые за пределами биосферы существовать не могут.

Вывод

Работы известного российского ученого распространены по всему миру и используются в наше время. Широкое применение учений Вернадского можно увидеть не только в экологии, но и в географии. Благодаря работам ученого охрана и забота о человечестве стала одной из самых актуальных задач на сегодняшний день. К сожалению, с каждым годом проблем с окружающей средой становится всё больше, что ставит под угрозу полноценное существование биосферы в будущем. В связи с этим, необходимо обеспечить устойчивое развитие системы и минимизировать развитие негативных воздействий на окружающую среду.