Биосфера как глобальная экосистема

Введение

Сегодня во весь рост поднимается перед людьми одна из сложнейших проблем, независимо от того, живут ли они в Африке или в Европе, в больших городах или в джунглях. Она касается каждого из нас, и избежать её никому не дано. Это - проблема сохранения жизни на планете, выживания человека, как одного из уникальных видов живых существ.

Решение этой проблемы зависит от того, насколько каждый из нас и все человечество вместе осознают «запретную черту», переступить через которую человечество не должно ни при каких обстоятельствах. Такой «запретной чертой» являются законы жизни на планете.

Человек - обитатель биосферы. Именно биосфера - та оболочка Земли, в пределах которой протекает жизнь человечества в целом и каждого из нас.

Термин « биосфера» ввел австралийский геолог Эдуард Зюсс (1881-1914). Современная концепция биосферы связана с именем академика

В.И. Вернадского.

Биосфера - область обитания живых организмов; оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяется совокупной деятельностью живых организмов. Верхняя граница простирается до высоты озонового экрана (20-25 км), нижняя опускается на 1-2км ниже дна океана и в среднем 2-3 км на суше. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу, педосферу (почву), и верхнюю часть литосферы (горные породы).

 

Географическая оболочка Земли. Биосфера

Планета Земля существует около 4,5-5 млрд. лет. Признаки жизни на ней появились примерно 2,5—3 млрд. лет назад. Активное завоевание Земли живыми организмами продолжалось 500-600 млрд. лет. По мнению многих ученых, жизнь зародилась в Мировом океане. Развитие жизни в воде привело к увеличению в ней кислорода. Из воды кислород выделялся в атмосферу, что способствовало заселению суши живыми организмами.

Жизнедеятельность организмов всегда оказывала влияние на все оболочки Земли. Растения за миллиарды лет существования изменили состав атмосферы, обогатив ее кислородом, уменьшив содержание углекислого газа, способствовали отложению углерода в известняках, каменных углях, нефти. Так, в процессе эволюции на Земле образовалась особая земная оболочка — биосфера (от греческого bios — жизнь и sphaira — шар).

Биосфера — одна из оболочек Земли, состав и энергетика которой обусловлены главным образом деятельностью живых организмов. Этот термин ввел в научный оборот австрийский геолог Э. Зюсс в 1875 г.

Он имеет два значения:

1) В широком смысле биосфера — область активной жизни организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, которые взаимосвязаны сложными биохимическими процессами перераспределения вещества и энергии.

2) В узком смысле биосфера  — совокупность всех организмов, населяющих нашу планету.

Учение о биосфере в 1920-х годах разработал русский ученый — академик В.И. Вернадский (1863—1945). Он установил выдающуюся роль живого вещества в преобразовании земной поверхности.

В учении о биосфере речь идет, о той части нашей планеты, которая пронизана солнечными лучами и жизнью. Верхний предел биосферы ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей, нижний — высокой температурой земных недр (свыше 100 °С). Известно, например, что споры бактерий поднимаются на высоту 20 км. Их можно найти на глубине 3 км в водах нефтяных месторождений.

Развивая учение о биосфере, В.И. Вернадский пришел к выводу о том, что биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению. Вовлекая неорганическое вещество в биологический круговорот, жизнь способна со временем проникать в более недоступные ей области планеты и увеличивать свою геологическую активность.

Действительно, палеонтологи, восстанавливая историю живых существ, приводят доказательства увеличения разнообразия видов, появления новых более сложных форм, способствующих еще более полному освоению солнечной энергии, активизации биосферы.

Предки человека появились на Земле всего 2 млн. лет назад. Человеческая деятельность — использование огня, охота, скотоводство, земледелие, а затем развитие промышленности, транспорта — сильно изменили биосферу.

В.И. Вернадский связал учение о биосфере не только с геологической деятельностью человека, но и вообще с многообразными проявлениями человеческой личности и человеческого общества. Он писал, что, в сущности, человек, являясь частью биосферы, только по наблюдаемым в ней явлениям может судить о мироздании, что он висит в тонкой пленке биосферы и лишь мыслью проникает вверх и вниз.

Ноосфера, или сфера разума (от греч. слов разум и шар) — новое состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором ее развития.

Разрабатывая учение о ноосфере, В.И. Вернадский рассматривал ее как новое эволюционное состояние биосферы, преобразуемой в интересах мыслящего человечества.

Познавая законы природы и совершенствуя технику, человек начинает оказывать все возрастающее влияние на ход природных процессов, глубоко изменяя их своей деятельностью.

Развитие человечества сопряжено с постоянным ростом потребностей в природных ресурсах, заменой истощающихся ресурсов на новые и еще более интенсивная их эксплуатация. Хозяйственная деятельность все чаще приводит к нарушению экологических условий, ухудшению качества окружающей среды, наносит непоправимый ущерб природным комплексам.

Природный комплекс (от лат. complexus — связь, сочетание) — территория, обладающая определенным сочетанием и единством географических компонентов природы, общностью происхождения и историей развития, своеобразием географического положения. В природном комплексе все компоненты связаны друг с другом. Формирование природных комплексов происходит в течение длительного времени.

Природные комплексы различны по размерам. Самый большой природный комплекс — географическая оболочка.

Географическая оболочка — в российской географической науке трактуется как целостная и непрерывная оболочка Земли, среда деятельности человека, где ее составные части — верхние толщи литосферы, нижние слои атмосферы, гидросфера и почти вся биосфера — проникают друг в друга и находятся в тесном взаимодействии. Между ними происходит непрерывный энергетический, минеральный и информационный обмен. Представление о географической оболочке как о «наружной сфере Земли» введено русским метеорологом и географом И. П. Броуновым (1910). Современная трактовка понятия введена в систему географических наук А. А. Григорьевым (1932). Основные закономерности географической оболочки:

— целостность (проявляется во взаимовлиянии и взаимодействии ее компонентов); 
— ритмичность (основные ритмы живой и неживой природы обусловлены движением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, а также ритмами солнечной активности).

Материки и океаны, природные зоны, озеро или отдельный овраг являются природными комплексами разного масштаба.

 

Функционирование биосферы

 

Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей биота биосферы выполняет ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба.

Газовая функция. Кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза, единственный абиогенный источник кислорода – диссоциация воды на больших высотах – незначителен. Накапливание кислорода в атмосфере происходит за счет захоронения углерода в виде органического вещества. Количество кислорода в атмосфере до сих пор неуклонно растет (несмотря на то, что только один современный воздушный лайнер за один час полета сжигает необходимый для образования озона кислород в количестве около 5 тонн). Создание озонового слоя из кислорода в верхних слоях тропосферы – результат деятельности живого вещества. Биохимическая переработка продуцирование и потребление углекислого газа, азота, сероводорода, метана, других летучих веществ (фитонцидов) формирует и поддерживает постоянство состава атмосферы.

Концентрационная функция. Живые организмы пропускают через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов  их соединений: биосинтез органики; строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, толщ осадочных известняков; окисление и восстановление элементов с переменной валентностью микроорганизмами (азот, сера, железо, марганец и др.) Геологические результаты концентрационной функции биосферы – месторождения серы, сульфидов, скопления железомарганцевых конкреций на дне океана и т.п.

Окислительно-восстановительная функция тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Живые клетки располагают эффективными катализаторами – ферментами и способны производить окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиогенной среде.

Информационная функция. С появлением живых существ на планете появилась генетическая информация – активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Живые организмы способны к получению информации путем соединения потока энергии с молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию стала важным экологическим системообразующим фактором. Суммарный запас генетической информации биоты биосферы оценивается в 1015 бит, а общая мощность потока молекулярной информации, связанной с обменом веществ и энергии всех клеток глобальной биоты–1036 бит/с.

Перечисленные функции живого вещества биосферы обращены к внешним факторам существования образуют мощную средообразующую функцию биосферы, тесно связанную со средорегулирующей 
функцией – биотической регуляцией окружающей среды. Биота в глобальном масштабе способна с большой точностью и длительное время поддерживать на постоянном уровне важные параметры окружающей среды.

Функционирование биосферы осуществляется в рамках бесконечного множества круговоротов вещества различного уровня под действием потока энергии от солнца:

1. Круговорот воды (в пределах ландшафтов – испарение – конденсирование – осадки; в пределах планеты – водообмен – океаны - материки).
2. Круговороты (биологические) отдельных ландшафтов  (характеризуются скоростью – количеством живого, образующегося и разлагающегося в единицу времени и ёмкостью – количество химических элементов, находящихся одновременно в составе живого в данной экосистеме).
3. Круговороты отдельных химических элементов – углерода, кислорода, азота и др.

 

Биогеохимическая концепция биосферы

 

Наиболее всеобъемлющей является биогеохимическая концепция биосферы, сформулированная В.И. Вернадским. В этой концепции основу биосферы как геологической оболочки составляет живое вещество, понимаемое как совокупность химических элементов, сосредоточенных во всех живых организмах, вместе взятых.

Три основных биогеохимических принципа эволюции биосферы как целостного образования, сформулированные В.И. Вернадским, состоят в следующем.

Первый принцип вытекает из факта устойчивости геологических процессов в ходе исторического времени и состоит в том, что биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному значению.

Вовлекая неорганическое вещество в биотический круговорот, живое способно со временем проникать в ранее недоступные области и увеличивать перерабатывающую активность. Освоение новых областей осуществляется за счет увеличения разнообразия форм живых организмов. Другим проявлением этого принципа можно считать постоянство среднего химического состава живого вещества с момента формирования по настоящее время, таким образом можно его назвать правилом постоянства химической основы эволюционных процессов органического мира.

Второй принцип связывает воедино эволюцию в целом биосферы и отдельных видов. Он состоит в том, что эволюция видов, приводящая в ходе геологического развития к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию составляющих биосферы. Этот принцип задает правило направленности эволюционных изменений органического мира. Появление человека есть закономерный процесс, так как выделение его из животного мира связано с резким ростом процесса переработки окружающей среды.

Третий биогеохимический принцип основывается на геометрической прогрессии размножения живых организмов. В соответствии с ним в течение всего геологического времени заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества.

Процесс заселения планеты есть одно из следствий геометрической прогрессии размножения живых организмов и размеров планеты.   

В.И. Вернадский предложил рассматривать скорость заселения земной поверхности тем или иным видом как характеристику его геохимической функции. Чем больше скорость заселения, тем сильнее вид перерабатывает окружающую среду. Учитывая исключительно высокие темпы размножения живых организмов, этот принцип можно интерпретировать, как правило, полной заселенности Земли в любое геологическое время.

Живые организмы характеризуются определенной массой. По оценкам, она близка к 5 × 1013 т. Существуют две противоположные точки зрения на вопрос о постоянстве этой массы.

Одна из них, базируясь на предположении о неизменности солнечной энергии, получаемой Землей, считает, что масса живого вещества постоянна (при возможных кратковременных, по геологическим масштабам, отклонениях). Другая утверждает, что масса живого вещества на Земле непрерывно возрастает. Этот процесс связывают с увеличением разнообразия жизни в ходе геологического времени.