Биосфера (от греческого bios - жизнь, sphaira - сфера) - оболочка планеты Земля, в которой присутствует жизнь. Развитие термина «биосфера» связано с английским геологом Эдуардом Зюссе и российским ученым В. И. Вернадским. Биосфера, вместе с литосферой, гидросферой и атмосферой формирует четыре основные оболочки Земли.
Происхождение термина «биосфера»
Термин "биосфера" первым придумал геолог Эдуард Зюсс в 1875 году для обозначения пространства на поверхности Земли, где существует жизнь. Более полное определение понятия "биосфера" было предложено В. И. Вернадским. Он стал первым, кто отвел жизни главенствующую роль трансформирующей силы нашей планеты, беря во внимание жизнедеятельность организмов как в настоящем, так и прошлом. Геохимики раскрывают термин «биосфера» как общая сумма живых организмов («биомасса» или «биота», как называют биологи и экологи).
Границы биосферы
Каждую часть планеты, от полярных льдов до экватора, населяют живые организмы. Последние достижения в области микробиологии показали, что микроорганизмы обитают глубоко под земной поверхностью и возможно их общая биомасса превышает биомассу всего животного и растительного мира на поверхности Земли.
В настоящее время фактические границы биосферы измерить невозможно. Как правило, большинство видов птицы летают на высотах 650 - 1800 метров, а рыбы были обнаружены на глубине - до 8372 метров в океаническом Жёлобе Пуэрто-Рико. Но также есть более экстремальные примеры жизни на планете. Африканский сип, или гриф Рюппеля был замечен на высоте более 11000 метров, горные гуси обычно мигрируют на высоте не менее 8300 метров, дикие яки обитают в горных районах Тибета на высоте около 3200 - 5400 метров над уровнем моря, а горные козлы живут на высотах до 3000 метров.
Микроскопические организмы способны жить в более экстремальных условиях и если брать их во внимания, то толщина биосферы намного больше, чем мы себе представляли. Некоторые микроорганизмы были обнаружены в верхних слоях атмосферы Земли на высоте 41 км. Вряд ли микробы являются активными на таких высотах, где температура и давление воздуха являются чрезвычайно незначительными, а ультрафиолетовое излучение очень интенсивным. Скорее всего, они были доставлены в верхние слои атмосферы ветрами или извержением вулканов. Также одноклеточные формы жизни были найдены в самой глубокой части Марианской впадины на глубине 11034 метров.
Несмотря на все вышеперечисленные примеры крайностей существования жизни, в общем слой биосферы Земли настолько тонкий, что его можно сравнить с кожурой яблока.
Структура биосферы
Биосфера организована в иерархическую структуру, в которой отдельные организмы образуют популяции. Несколько взаимодействующих популяции составляют биоценоз. Общины живых организмов (биоценоз), проживающие в определенных физических средах обитания (биотоп), образует экосистему. - это группа животных, растений и микроорганизмов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой таким образом, чтобы обеспечить свое существование. Поэтому экосистема функциональная единица устойчивости жизни на Земле.
Происхождение биосферы
Биосфера существует уже около 3,5-3,7 миллиарда лет. Первыми формами жизни были прокариоты – одноклеточные живые организмы, которые могли жить без кислорода. Некоторые прокариоты разработали уникальный химический процесс, который известен нам как . Они были в состоянии использовать солнечный свет, чтобы делать простой сахар и кислород из воды и углекислого газа. Эти фотосинтезирующие микроорганизмы были настолько многочисленны, что они кардинально преобразили биосферу. В течение длительного периода времени, сформировалась атмосфера из смеси кислорода и других газов, которая могла поддерживать новую жизнь.
Добавление кислорода в биосферу позволило стремительно развиваться более сложные формам жизни. Появились миллионы различных растений, животные, которые употребляли в пищу растения и других животных. эволюционировали, для того, чтобы разлагать мертвых животных и растения.
Благодаря этой – биосфера сделала огромный скачок в своем развитии. Разложенные останки отмерших растений и животных высвобождали в почву и океан питательные вещества, которые повторно поглощались растениями. Такой обмен энергией позволил биосфере стать самоподдерживающей и саморегулирующейся системой.
Роль фотосинтеза в развитии жизни
Биосфера является уникальной в своем роде. До сих пор не было никаких научных фактов, подтверждающих существования жизни в других местах Вселенной. Жизнь на Земле существует благодаря Солнцу. При воздействии энергии солнечного света осуществляется процесс под названием фотосинтез. В результате фотосинтеза растения, некоторыми виды бактерий и простейших под воздействием света перерабатывают двуокись углерода в кислород и органические соединения, такие как сахар. Подавляющее большинство видов животных, грибов, растений и бактерий непосредственно или косвенно зависят от фотосинтеза.
Факторы влияющие на биосферу
Существуют множество факторов, влияющих на биосферу и нашу жизнь на Земле. Есть глобальные факторы такие, как расстояние между Землей и Солнцем. Если бы наша планета находилась ближе или дальше по отношению к Солнцу, то на Земле было слишком жарко или холодно для зарождения жизни. Угол наклона земной оси также важный фактор, влияющий на климат планеты. Времена года и сезонные климатические изменения являются прямыми результатами наклона Земли.
Локальные факторы также оказывают важное воздействие на биосферу. Если посмотреть на определённый участок Земли, можно увидеть, влияние климата, ежедневной погоды, эрозии и самой жизни. Эти мелкие факторы постоянно меняют пространство и живые организмы должна реагировать соответствующим образом, адаптируясь к изменению среды обитания. Несмотря на то, что люди могут контролировать большую часть своего ближайшего окружения, они по-прежнему уязвимы природным катаклизмам.
Наименьший из факторов, влияющих на облик биосферы – это изменения, происходящие на молекулярном уровне. Реакции окисления и восстановления способны менять состав горных пород и органических веществ. Существует также биологическое разрушение. Крошечные организмы, такие как бактерии и грибки, способны перерабатывать, как органические, так и неорганические материалы.
Биосферные заповедники
Люди играют важную роль в поддержании энергообмена биосферы. К сожалению, наше воздействие на биосферу часто оказывается негативным. Например, уровень кислорода в атмосфере уменьшается, а уровень углекислого газа растет из-за того, что люди чрезмерно сжигают ископаемое топливо, а разливы нефти выбросы промышленных отходов в океан наносят огромный ущерб гидросфере. Будущее биосферы зависит от того, как люди будут взаимодействовать с другими живыми существами.
В начале 1970-х годов, Организация Объединенных Наций учредила проект под названием «Человек и биосфера» (MAB), который способствует устойчивому развитию сбалансированных . В настоящее время существует сотни биосферных резерватов по всему миру. Первый биосферный заповедник был создан в Янгамби, Демократическая Республика Конго. Янгамби расположен, в плодородном бассейне реки Конго и насчитывает около 32000 видов деревьев и животных, среди которых присутствуют такие эндемичные виды, как лесной слон и кистеухая свинья. Биосферный резерват Янгамби поддерживает такие важные мероприятия, как развитие рационального сельского хозяйства, охоты и добычи.
Внеземные биосферы
До сих пор, биосфера не была обнаружена за пределами Земли. Поэтому существование внеземных биосфер остается гипотетическим. С одной стороны, многие ученые считают, что жизнь на других планетах маловероятна, а если где-то она существует, то скорей всего в форме микроорганизмов. С другой стороны аналогов Земли может быть очень много, даже в нашей галактике - Млечный Путь. Учитывая ограниченные возможности наших технологий, в настоящее время неизвестно, какой процент из этих планет способен иметь биосферу. Также нельзя исключить вариант, что искусственные биосферы будут созданы человеком в будущем, например, на Марсе.
Биосфера – это очень хрупкая система, в которой каждый живой организм является важным звеном в огромной цепи жизни. Мы должны осознать, что человек, как самое разумное существо на планете несет ответственность за сохранение чуда жизни на нашей планете.
) и твёрдую (лито-сфера ) оболочки Земли (рис. 74).
Верхняя граница
Верхняя граница биосферы распо-ложена на высоте 15—25 км над уровнем моря (и в разных регионах Земли различна) в нижнем слое атмосферы — тропо-сфере (рис. 75).
В этих пределах био-сферы под влиянием энер-гии солнечных лучей кис-лород превращается в озон и образуется озоновый эк-ран. Он не пропускает ос-новную часть космических и ультрафиолетовых лучей, оказывающих вредное воздействие на живые орга-низмы, поэтому они не достигают земной поверх-ности.
В самых верхних слоях биосферы встречаются споры очень устойчивых к неблагоприятным условиям бактерий, грибов , мхов и папоротников (их называют аэропланктоном ). Некоторые птицы , бабочки и пауки могут подниматься на высоту 6—7 км.
Нижняя граница в гидросфере
Состав биосферы многообразен и подраз-деляется на четыре части.
- Живое вещество.
- Биогенные вещества.
- Твёрдые тела.
- Вещества биогенного и абиогенного происхождения.
Живое вещество
Совокупность всех живых организмов, обитающих на нашей планете , составляет живое вещество биосферы. Несмотря на то, что живое вещество по своей массе представляет весьма незначительную часть биосферы, его деятельность в течение геологических эпох оказывала огромное влияние на развитие Земли .
По утверждению В. И. Вернадского, жизнь зародилась на Земле некоторое время спустя после её появления и явилась одним из основных факторов, изменивших облик нашей планеты.
Биогенные вещества
Биогенные вещества есть результат деятельности живых организмов. К ним можно отнести нефть, каменный уголь, известняк и атмосферные газы.
Твёрдые тела
Общая масса живых организмов в биосфере называется био-массой, 93% которой приходится на сушу, а 7% — на водную среду. Живые организмы своей деятельностью оказывают большое влияние на биосферные процессы и обусловливают изменения биосферы.
Биосфера непрерывно развивается. Её развитие обусловливают такие факторы, как геологические и климатические изменения на нашей планете, воздействие живых организмов и человеческая деятельность.
Первый этап эволюции биосферы называется биогенезом, а второй — ноогенезом. В настоящее время в связи с тем, что основное влияние на биосферу оказывает
Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.
Биосфера - оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».
Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX в. впервые предложил по сути дела концепцию биосферы, ещё не введя даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.
Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.
Существует и другое, более широкое определение: Биосфера - область распространения жизни на космическом теле. При том, что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается, что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы.
Местоположение биосферы
Биосфера включает в себя верхние слои литосферы, в которых ещё живут организмы, гидросферу и нижние слои атмосферы.
Границы биосферы
- Верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.
- Нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
- Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10-11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.
Состав биосферы
Структура биосферы:
- Живое вещество - вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (ок. 3·1018 т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.
- Биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.
- Косное вещество - продукты, образующиеся без участия живых организмов.
- Биокосное вещество - вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.
- Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.
- Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.
- Вещество космического происхождения.
Слои биосферы
Весь слой воздействия жизни на неживую природу называется мегабиосферой, а вместе с артебиосферой - пространством человекообразной экспансии в околоземном пространстве - панбиосферой.
Аэробиосфера
Субстратом для жизни в атмосфере микроорганизмов (аэробионтов) служат водные капельки - атмосферная влага, источником энергии - солнечная энергия и аэрозоли. Примерно от верхушек деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами; это пространство - более тонкий слой, чем тропосфера). Выше простирается слой крайне разреженной микробиоты - альтобиосфера (с альтобионтами). Выше простирается пространство, куда организмы проникают случайно и не часто и не размножаются - парабиосфера. Выше расположена апобиосфера.
Геобиосфера
Геобиосферу населяют геобионты, субстратом, а отчасти и средой жизни для которых служит земная твердь. Геобиосфера состоит из области жизни на поверхности суши - террабиосфера (с террабионтами), разделяемую на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и подпочвы; иногда сюда включают всю кору выветривания) и жизнь в глубинах Земли - литобиосфера (с литобионтами, живущими в порах горных пород, главным образом в подземных водах). На больших высотах в горах, где уже невозможна жизнь высших растений, расположена высотная часть террабиосферы - эоловая зона (с эолобионтами). Литобиосфера распадается на слой, где возможна жизнь аэробов - гипотеррабиосфера и слой, где возможно лишь обитание анаэробов - теллуробиосфера. Жизнь в неактивной форме может проникать глубже - в гипобиосферу. Метабиосфера - все биогенные и биокосные породы. Глубже расположена абиосфера.
В глубинах литосферы есть 2 теоретических уровня распространения жизни - изотерма 100 °C, ниже которой вода при нормальном атмосферном давлении кипит, и изотерма 460 °C, где при любом давлении вода превращается в пар, то есть в жидком состоянии быть не может.
Гидробиосфера
Гидробиосфера - весь глобальный слой воды (без подземных вод), населённый гидробионтами - распадается на слой континентальных вод - аквабиосфера (с аквабионтами) и область морей и океанов - маринобиосфера (с маринобионтами). Выделяют 3 слоя - относительно ярко освещённую фотосферу, всегда очень сумеречную дисфотосферу (до 1 % солнечной инсоляции) и слой абсолютной темноты - афотосфера.
Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы лежит собственно биосфера - эубиосфера.
История развития биосферы
Развитие наблюдается лишь в живом веществе и связанным с ним биокосном. В косном веществе нашей планеты эволюционный процесс не проявляется.
Зарождение жизни
Жизнь на Земле зародилась ещё в архее - примерно 3,5 млрд лет назад в гидросфере. Такой возраст имеют найденные палеонтологами древнейшие органические остатки. Возраст Земли как самостоятельной планеты Солнечной системы оценивается в 4,5 млрд лет. Таким образом, можно считать, что жизнь зародилась ещё в юношескую стадию жизни планеты. В архее появляются первые эукариоты - одноклеточные водоросли и простейшие организмы. Начался процесс почвообразования на суше. В конце архея появился половой процесс и многоклеточность у животных организмов.
Будущее биосферы
С течением времени биосфера становится всё более неустойчивой. Существует несколько трагичных для человечества преждевременных изменений состояния биосферы, некоторые из них связаны с деятельностью человечества.
Некоторые философы, например, Дэвид Пирс, выступают за модификацию биосферы с целью избавления от страданий всех живых существ и создание в буквальном смысле рая на земле (см. одно из значений слова аболиционизм).
Искусственная биосфера
Человек не может существовать вне биосферы, однако стремится исследовать космическое пространство. Ещё К. Э. Циолковский связывал освоение космоса с созданием искусственной биосферы.
В настоящее время идея её создания вновь становится актуальной в связи с планами освоения Луны и Марса. Однако на данный момент попытка создания полностью автономной искусственной биосферы не увенчалась успехом.
Рассматривается возможность создания (пока в далёком будущем) внеземной биосферы на других планетах при помощи терраформирования.
(Visited 389 times, 1 visits today)
Биосфера (от био и сфера) – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу (совокупность водных объектов земного шара) и верхнюю часть литосферы (внешняя сфера твердой Земли, включающая кору и часть верхней мантии - субстрат). В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны, взаимодействуют между собой, образуя целостную динамическую систему.
Как устроена биосфера. Биогеоценоз, как экосистема, является элементом биосферы, как системы, и находится с ней в сложных иерархических отношениях, подобных отношению организма и клеток его тканей, эти отношения имеют несколько иерархических уровней организации (ткани, органы, системы органов и т.д).
Рис.5. Слой биосферы
Слой биосферы (рис.5) достигает толщины в 12-17 км: несколько меньше в области суши и больше в области океана. Эта разница, как и различие среды жизни на материках и в мировом океане, определяет разделение биосферы на три крупнейшие меросферы (греч. meros часть, доля), две из которых - геобиосфера и гидробиосфера (греч. gehyros - влажный). Составной частью является и воздушный океан, который также биологически населен, хотя и спорадически, главным образом микроорганизмами, существующими в капельках воды. Это третья меросфера аэробиосфера (греч. aer воздух ).
Меробиосферы распадаются на довольно четко прослеживаемые слои со своими бионтами (греч. biontos - живущий организм). Аэробиосфера, населенная аэробионтами, в свою очередь, делится на тропобиосферу - пределы нижних частей атмосферы (греч. tropos поворот, изменение), включая высоту сохранения положительных температур, и альтобиосферу (лат. altus - высокий) область выше этих пределов, где царствует вечный мороз, но жизнь возможна из-за солнечной инсоляции. Этот слой аналогичен золотой зоне на суше (см. ниже). В атмосферной тропосфере в теоретическом ее вертикальном пределе (граница между тропосферой и стратосферой) лежит альтобиосфера. Выше ее организм жить не в состоянии из-за жесткого ультрафиолетового облучения.
Туда организмы и их споры попадают лишь случайно. Эта парабиосфера (от греч. para возле, при), или надбиосфера, простирается максимум на 40 км над землей. Выше, куда живые организмы уже не попадают, но не исключены биогенные вещества, расположена апобиосфера (греч. apo без). Это место обитания космических кораблей со своим миром биобагажа, захваченного с поверхности Земли. Он называется артебиосферой (от лат. arte искусственно).
Спускаясь по слоям гидросферы в глубины вод, мы столкнемся с явной разницей между живыми субстанциями Мирового океана, континентальных водоемов и водотоков со стоячими и текучими водами. Очевидно, что океанобиосфера, или маринобио-сфера (лат. marinus - морской), включающая маринобионты, и аквабиосфера (лат. akwa - вода) - вода суши, включающая аквабионты, составляют отдельные природные системы. Их вертикальное деление связано с потоками света и тепла. Ближе всего к поверхности лежит хорошо освещаемая и лучше прогреваемая фотобиосфера (греч. photos - свет), ниже слой, куда попадает очень небольшая часть солнечных лучей, но где еще возможен фотосинтез , осуществляемый микроорганизмами (дисфотобиосфера - сфера, противоположная фотосфере). Наконец, еще глубже - мрак и огромное давление (афотобиосфера океана и глубочайших озер мира - сфера без света).
Функционально отличаются воды суши: реобиосфера (греч. rheos течение) водотоки и лимнобиосфера (греч. limne - озеро) стоячие водоемы, или озера. В соответствии с делением озер на пресноводные и солоноватые лимнобиосферу можно разделить на дульцилимнобиосферу (от лат. dulcuo - пресноводный) и галолимнобиосферу (от греч. gals - соль).
Над самой поверхностью суши расположена фитобиосфера - область произрастания растений - фитосреды (греч. phyton растение). Фитосфера, как и верхний слой фотосферы Мирового океана, - наиболее продуктивный слой биосферы. Его называют активной пленкой жизни. Часть биосферы в пределах суши может быть названа террабиосферой, включающей террабионты (от лат. terra - земля, суша).
Растения поднимаются в горы до высоты примерно в 5 км. Дальше царствует вечный мороз, но жизнь и здесь теплится. Тут обитают некоторые паукообразные и микроорганизмы, питающиеся частицами растений, их пыльцой и органическими останкам, приносимыми снизу. Как и в вертикальном поясе альтобиосферы, энергетика живого здесь базируется на прямой солнечной инсоляции. Это эоловая зона, или эолобиосфера (Эол - греч. aiolos - в греческой мифологии повелитель ветров).
Корни растений уходят в почву, и она составляет педобиосферу (от греч. pedon - почва). С этого пограничного между атмосферой и литосферой слоя с его педобионтами начинается литобиосфера с ее литобионтами (греч. lithos - камень). До кислородной границы т.е. до тех слоев литосферы, куда проникает атмосферный воздух (глубина от одного до нескольких километров) лежит гипотеррабиосфера (греч. hypo - внизу), т.е. подземная сфера, где жизнь базируется на потоке биогенов (организмов), поступающих из фитосферы, и продукции организмов - хемосинтетиков. Глубже живое очень разрежено, и в основном организмы могут обитать лишь в подземных, глубинных водах. Аэробное дыхание (греч. aer - воздух) из-за отсутствия кислорода здесь исключено, это царство анаэробионтов (анаэробов), составляющих теллуробиосферу (лат. tellus - земля). В пределах гипотерробиосферы существует немало мест обитания живого в подземных водах: пещерных водоемах и пластовых водах. Эти организмы называют стигобионтами, или троглобионтами (от греч. Стикс - мифологическая река подземного царства; и греч. troglese - пещера). Живут организмы в этих водах главным образом благодаря потоку биогенов с поверхности земли. Местной биопродукции им не хватает, и поэтому они зависят от водных потоков под землей.
Глубже под теллуробиосферой расположен слой, куда организмы попадают случайно и часто не по своей воле. Это гипобиосфера (“подбиосфера”) - аналог парабиосферы в атмосфере. Еще глубже, на глубинах 5-6 км, царствует нестерпимая для живого жара и невероятное давление горных пород. Здесь начинается слой метабиосферы, где прослеживаются еще биогенные породы, но жизни как таковой нет (греч. meta - после, за). Наконец, еще глубже лежит абиосфера (греч. a + bios - нежизнь), где не ощущается никакого воздействия жизни - все стерто глубинными процессами литосферы.
Как глубоко проникает жизнь в глубины планеты, пока не совсем ясно: в буровых скважинах, на глубине до 4 км, обнаружены микроорганизмы, а микробиологические останки - до 7 км. С повышением давления вода не кипит при температурах 100° C и выше. Так, в “черных курильщиках” - выходах термальных вод на дне океана - на глубинах в 3 км при давлении около 300 атмосфер есть жизнь при температуре в 250° C. Перегретая жидкая вода в литосфере обнаружена на глубинах до 10,5 км. Теоретически здесь может быть что-то живое. Но глубже 25 км, по расчетам, должна существовать критическая температура в 460° C, при которой в условиях любого давления среды вода неминуемо превращается в пар, а поэтому жизнь невозможна.
Если область современного обитания живых организмов имеет вертикальную протяженность 12 - 17 км, то сфера случайного попадания организмов и осадочных биогенных пород (мегабиосфера - “большая” биосфера) занимает слой примерно в 50 км: от нижних границ парабиосферы (греч. para - возле) до нижних ее границ - метабиосферы (греч. meta - после). Вместе с артебиосферой (лат. arte - искусственно) все пространство проникновения жизни называют панбиосферой (гр. приставка pan со значением: охватывающий все).
Области биосферы на земле можно рассматривать в процессе ее изменений по мере эволюции жизни на земле, т.е. рассматривать хронобиосферу (греч. chronos - время). В процессе эволюции биосфера земли непрерывно расширялась, охватывая все более широкие земные сферы и даже покидая их пределы, например, в результате высадки людей на Луне. По наиболее распространенной гипотезе жизнь возникла и начала распространятся только в первичном океане (возможно, и в литосфере), затем она заселила речные воды и континентальные водоемы и вышла на сушу. Возможно, одновременно с поселением в океане живое оказалось и в литосфере, поначалу там, где смыкалась водная стихия и земная твердь, а затем и повсеместно. Наконец, микроскопические существа начали осваивать самую негостеприимную среду атмосферы: капельки воды (тумана) и затем частицы твердого вещества (аэрозоля) в ней.
Все поле жизни не может не иметь и горизонтальной структуры, функционального членения на просторах Земли. Это, конечно, не разделение на плоскости, потому что все экосистемы планеты - объемные образования, имеющие три измерения, но распространение жизни и ее изменение идет как по вертикали, так и по горизонтали земных пространств. Это усвоило еще совсем древнее человечество, люди кочевавшие, как и звери, в поисках обильной пищи.
Сначала на уровне практического, а затем и научного знания было подмечено, что мир живого меняется с продвижением от экватора к полюсам с юга на север или наоборот с севера на юг. На этой основе учеными, прежде всего географами, было предложено множество схем деления лика планеты. К этим географическим членениям мы еще вернемся позже, когда будем говорить о мозаике жизни, а сейчас попробуем пройти ступеньками лестницы организации экологических систем - “кубиков” построения биосферы Земли.
Здесь, забегая далеко вперед, необходимо определить, что под экосистемой, являющейся подсистемой биогеценоза (биосферы), мы понимаем функциональное целое, состоящее из находящихся в тесном единстве организмов и среды их обитания. При этом количество и качество энергии, газов, воды, твердого или жидкого субстрата и населяющих экосистему организмов, в силу тесных связей внутри ее, заметно отличается от таких же показателей в соседней экосистеме. Одна экосистема, если не зримо, морфологически, то функционально отчленена от соседней. Обычно границы между экосистемами составлены более или менее широкими переходными полосами.
Сфера жизни с населяющими ее микроорганизмами, грибами, растениями и животными аналогична, как система, организму, состоящему из клеток, тканей, органов. И, как в организме, чем крупнее образование, тем четче его границы. Печень не спутаешь с сердцем, но на клеточном уровне эта дифференциация меньше: мышечные клетки (ткани) в разных органах аналогичны. Хотя в определенном порядке, но все же перемежаются клетки жировые, соединительнотканевые, гладких мышц, поперечно-полосатых мышц и т.д.
Организм сравнительно легко обозрим, но биосфера огромна, единым взглядом ее не окинешь, лишь с высоты космического полета. Но оттуда уже мало что видно. Приходится мысленно нарезать “пирог” огромного “сверхорганизма” биосферы, состоящего из живого вещества и среды его обитания. А сделать это по естественным границам непросто.
Как уже было сказано, эти границы функциональны и не везде видны на глаз. Во многих местах они стерты человеческой деятельностью, да и от природы нечетки: жестких граней природа почти не терпит. Суша, вода и воздушная среда плавно не переходят друг в друга, но их обитатели: земноводные, растения, животные, летающие организмы - “нарушают” эти границы. Четкость границ леса и его опушки, как правило, свойственна естественному образованию. Резкий характер границ обусловлен антропогенным воздействием: выкашиванием травы, выпасом скота, вытаптыванием и т.п.
Некоторые ученые, совершенно справедливо обращая внимание на единство живого покрова Земли, отрицают наличие экосистем и их иерархии. Они говорят о континууме (лат. continuum - непрерывное, сплошное) жизни, постепенном изменении свойств ее проявления. Эта точка зрения верна и в то же самое время слишком абсолютна. Жизнь есть функциональное единство одновременно непрерывности и дискретности. Например, каждый индивид самостоятелен, но вместе с тем входит во множество групп, без которых он не в состоянии либо существовать, либо дать потомство.
Трудности структуризации жизни велики, но попробуем сложить “кубики” биосферы в самом простом и лучше всего изученном месте, на суше.
Еловый и сосновый лес, липняк и дубрава, если они составлены из одной лесной породы, луг и соседствующий с ним лесной колок легко отличить друг от друга. Это элементарные экосистемы, “клеточки” биосферы на суше, биогеоценозы.
Озеро, лужок вокруг него и окаймляющий их лесок - это обычное сочетание биогеоценозов в равнинной Западной Сибири. Или расположенные рядом луга, кустарники, а кое-где ельники в речной долине связаны с водой, ее деятельностью. Подобное явное единство можно назвать биокомплексом .
Если плыть по большой реке, например по Волге, Енисею или Амуру, можно подметить, что меняются виды ив, составляющих прибрежные кустарники, иными становятся луга. И для этого не нужно перемещаться из зоны лесов в степи или тундру, изменения происходят в пределах и одной ландшафтной зоны лесов. Леса Мещеры или Полесья отличаются от лесов верховий Волги. Биокомплексы тут различны, хотя внешне сходны и в совокупности составляют индивидуальные образования. В географии эти однородные природные подсистемы называют ландшафтами , в науке о биосфере их называют биолокусами (лат. localis - местный, локальный, отнесенный к определенному месту).
Северная тайга явно отличается от южной и тем более от тропических лесов. Поэтому говорят: биом хвойных (северных) лесов, биом широколиственных лесов и т.д. Каждый биом состоит из многих биолокусов, а группа биомов слагает биозону, или природный пояс лесов, лугостепей, пустынь.
Биозоны степей южной России и Украины явно отличаются от биозон степей Северной Америки, леса Канады не спутаешь с сибирскими. И степи, и леса формировались в сходных природных условиях, но вдалеке друг от друга, и эволюционная история у них была разная. Соседствовали степи и леса в каждом месте по-своему. Назовем такие естественноисторические образования биорбисами или биоорбисами (лат. orbis - область распространения).
У жизни в Австралии, Южной Америке, Северной Евразии и в Южно-Африканской, Южно-Азиатской частях суши особая эволюционная судьба и пространственное сложение.
Все огромное здание биосферы - это большой дом, населенный то густо, то редко, но всюду пронизанный жизнью. И не может ни этот дом, ни его обитатели, ни весь живой мир Земли и космоса не иметь каких-то общих закономерностей построения. Д.И.Менделеев был уверен, что химические элементы - не хаотичное нагромождение и поэтому открыл периодическую систему элементов. Великий генетик и географ Н.И.Вавилов искал и нашел периодические закономерности в эволюции видов. Какая-то системная закономерность должна быть и в построении мира в целом и биосферы (рис 6) в частности.
Материальный мир един, его элементарные частицы: электроны, позитроны и т.п. - составляют атом, атомы образуют молекулы, те, в свою очередь, формируют агрегаты, дающие в своей совокупности два вида веществ - неживое и живое (“живое вещество” - выражение В.И.Вернадского). Живое вещество, как и неживое, структуризируется. Минимальные структуры живого, состоящие из молекул, - органеллы.
Те, в свою очередь, формируют клетки, клетка формирует ткани, а ткани - системы органов.
Рис.6. Иерархическая структура биосферы
Далее путь конструирования живого расходится: одна ветвь - к формированию целого индивида - генетического потомка его предков, другая - к возникновению новой особи. Особь уже не просто индивид, как совокупность органов и их систем, она включает и неотрывных спутников индивида, например микроорганизмы, живущие в кишечнике. Индивиды некоторых видов, например термитов, совершенно не могут существовать без своих спутников. Без деятельности микроорганизмов кишечника у них не переваривается пища. А продолжение рода у высших организмов невозможно без встречи особей разных полов, составляющих “семью” хотя бы на период оплодотворения. Эта группа организмов (“семья”) живет в составе большого скопления особей своего вида, т.е. в популяционной парцелле (части популяции) и составляет совокупность сходных по требованиям к среде и своему генетическому составу особей, т.е. популяцию . Каждая популяция одновременно входит в две структуры: в экологическую пирамиду: растениями питаются травоядные, травоядными - хищники и т.д.; и одновременно в группу экологически сходных популяций, составляющих биотическое сообщество, например, устриц устричной банки или злаков на лугу. Вместе со своими неизменными спутниками: микроорганизмами, насекомыми, грибами - такие сообщества дают собрания как “по горизонтали” - синузии , например синузия мхов в лесу, так и одновременно “по вертикали”, на всю толщину слоя жизни в населяемой среде - консорции. Сложение синузий, например деревьев, кустарников, трав, мхов, и их консорций дает новый вид парцелл, биогеоценотических.
Это, с одной стороны, функциональные родоначальники биоценозов , как сообществ организмов, совершающих в потоке энергии весь цикл превращения вещества: от усвоения химических элементов и простых неорганических веществ растениями до разложения сложных органических молекул вновь на простейшие минеральные составляющие. С другой стороны, они в совокупности с факторами среды дают начало биогеоценозам, которые, в свою очередь, слагают биокомплексы, и так далее по лестнице иерархии.
В систему мира, представленную в табл.1, вписываются все открытые человеком закономерности, в том числе и такие обобщения, как периодическая система элементов Д.И.Менделеева. В одних системах мы видим весьма разветвленные схемы, в других - сравнительно простые, но всегда они будут содержать в себе некое повторение структур в их иерархии, природа не так расточительна, чтобы каждый раз создавать нечто принципиально новое построение. Могут быть и уникальные, единственные в известном нам мире образования, но теоретически это маловероятно. Вероятнее всего, и биосфера Земли как бы повторяется в бесконечной Вселенной.
Узнает ли когда-либо человечество периодическую систему населенных планет бескрайнего космоса, представить трудно, но такая система весьма вероятна.
Пока периодических систем разработано немного для элементов это система Д.И.Менделеева. Для популяций, составляющих виды и другие систематические категории, Н.И.Вавилов предложил аналог - закон гомологических родов и наследственной изменчивости, по которому родственные виды, роды, семейства и т.д. обладают гомологическими генами и порядками генов в хромосомах, сходство которых тем полнее, чем эволюционно ближе таксоны (таксон - это группа объектов, связанных общностью свойств и признаков). Гомология генов (гомология - гр. homologia - сходство органов, имеющих общий план строения) у родственных видов проявляется в сходстве рядов их наследственной изменчивости.
А.А.Григорьев и М.И.Будыко сформулировали закон географической зональности , в соответствии с которым со сменой природных поясов аналогичные ландшафтные зоны и их некоторые общие свойства периодически повторяются. К периодическим законам относится и закон динамики экосистем , которые в своем развитии проходят физиологически и функционально сходные фазы. Вообще, видимо, существует общий системопериодический и системогенетический закон (вспомним из курса общей биологии биогенетический закон Э.Геккеля - Ф.Мюллера: онтогенез - индивидуальное развитие организма - есть краткое и быстрое повторение филогенеза - эволюционного развития вида): вся совокупность систем мира построена по периодическому принципу и каждая из них в индивидуальном развитии кратко и видоизмененно повторяет ряд эволюции своих предшественников.
Система систем дает большой простор для дальнейших исследований. Предстоит разработать и новые законы периодичности для большинства структур, обозначенных в вышеприведенной таблице. Далее мы обратимся к развитию человечества в его единстве со средой обитания, всей биосферой Земли.
Биосфера (от греч. bios - жизнь и sphaira - шар) - оболочка Земли, состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов.
Термин «биосфера» впервые применил австрийский геолог Э. Зюсс (1875), понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «Лик Земли». Однако заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому, так как именно он развил представление о живом веществе как огромной геологической (биогеохимической) силе, преобразующей свою среду обитания. Большое влияние на В.И. Вернадского оказали работы В.В. Докучаева о почве как о естественно-историческом теле. Основы учения о биосфере, изложенные В.И. Вернадским в 1926 г. в книге «Биосфера» и разрабатывавшиеся им до конца жизни, сохраняют свое значение в современной науке.
Биосфера имеет определенные границы. Она занимает нижнюю часть атмосферы, верхние слои литосферы и всю гидросферу. Границы биосферы в большой степени условны.
Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы (рис. 46): геобиосфера - верхняя часть литосферы, населенная геобионтами; гидробиосфера - гидросфера без подземных вод, населенная гидробион- тами; аэробиосфера - нижняя часть атмосферы, населенная аэробион- тами.
Геобиосфера состоит из террабиосферы (с террабионтами) - поверхность суши, и литобиосферы (с литобионтами) - глубокие слои земной коры. Террабиосфера разделяется на фитосферу - пространство от поверхности земли до верхушек деревьев (0-150 м) и педосферу (с педобионтами) - почвенный покров (до 2-3 м), нередко сюда
Рис. 46. Структура биосферы (по Н.Ф. Реймерсу, 1990, с изменениями) включают всю кору выветривания. Литобиосфера (до 2-3, максимум до 6 км) включает гипотеррабиосферу (подтеррабиосферу) - слой, где возможна жизнь аэробов (до 1-1,5 км), ее нижняя граница совпадает с нижней границей подземной тропосферы (почвенным и подпочвенным воздухом), и теллуробиосферу (глубинобиосферу) - слой, где возможно обитание анаэробов (до 2-3, максимум до 6 км). Живые организмы в толще литобиосферы обитают в основном в порах горных пород, заполненных подземными водами.
Гидробиосфера включает маринобиосферу, или океанобиосферу (с ма- ринобионтами) - моря и океаны, и аквабиосферу (с аквабионтами) - континентальные, главным образом пресные воды, которая, в свою очередь, разделяется на лиманоаквабиосферу - стоячие континентальные воды - и реоаквабиосферу - проточные континентальные воды. Кроме того, гидробиосфера делится на слои, связанные, главным образом, с интенсивностью света: фото(био)сферу - относительно ярко освещенный слой (до 150-200 м), дисфото(био)сферу - всегда сумеречный слой - проникает до 1% солнечной инсоляции (от 200 м до 1,5-2 км), афото(био)сферу - слой абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез (глубже 1,5-2 км).
Аэробиосфера состоит из тропобиосферы (с тропобионтами) - слой от вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков (до 5-6 км), постоянно населенный живыми организмами, более тонкий, чем атмосферная тропосфера, и стратобиосферы (со стратобионтами), или алътобиосферы (с альтобионтами) - слой (от 5-6 до 6-7 км), где могут постоянно существовать микроорганизмы, главным образом в виде спор.
Лимитирующим фактором развития жизни в аэробиосфере служит наличие капель воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности земли. На больших высотах в горах (около 6 км) расположена высотная часть террабиосферы - эоловая зона. Здесь уже невозможна жизнь высших растений и вообще организмов-продуцентов, но ветры приносят сюда с более низких вертикальных поясов органическое вещество и при отрицательных температурах воздуха еще достаточно тепла от прямой солнечной инсоляции для существования жизни. Это царство членистоногих и некоторых микроорганизмов - эолобионтов. Еще одним лимитирующим фактором проникновения жизни вверх является жесткое космическое излучение. На высоте 22-24 км от поверхности Земли наблюдается максимальная концентрация озона - озоновый экран. Озон образуется из кислорода воздуха под действием солнечной радиации (0 2 -» 0 3). Озоновый экран отражает губительные для живых организмов космические излучения (гамма- и рентгеновские лучи) и частично ультрафиолетовые лучи.
Выше аэробиосферы расположена парабиосфера - слой (между 6-7 и 60-80 км), куда жизнь проникает лишь случайно и нечасто, где организмы могут временно существовать, но не могут нормально жить и размножаться. Еще выше расположена апобиосфера, или «надбио- сфера» (выше 60-80 км), куда никогда даже случайно не поднимаются живые организмы, но в незначительном количестве заносятся биогенные вещества (ее верхняя граница трудноуловима).
Жизнь в океанах достигает их дна. Живые организмы встречаются даже на глубине более 11 км, где температура воды около 200 °С, но из- за высокого давления вода не кипит. Ниже, в базальтах, жизнь едва ли возможна.
Проникновение жизни вглубь литосферы ограничено высокими температурами земных недр и наличием жидкой влаги. В глубинах литосферы есть два теоретических предела распространения жизни - изотерма 100 °С, ниже которой при нормальном атмосферном давлении вода кипит, а белки свертываются, и изотерма 460 °С, где при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна (глубина 25 км). Перегретая жидкая вода обнаружена в литосфере до глубин 10,5 км. Нижняя граница жизни по литосфере фактически не опускается глубже 3-4, максимум - 6-7 км на суше и не более 1-2 км ниже дна океана.
Ниже геобиосферы расположена гипобиосфера («подбиосфера» - аналог парабиосферы в атмосфере) - слой, куда жизнь проникает лишь случайно и может здесь временно существовать, но не жить и размножаться. Еще ниже залегает метабиосфера - слой биогенных (преобразованных жизнью) пород, в котором ныне живые организмы не присутствуют (до 10-15 км). Образно выражаясь, это «следы былых биосфер». В ее нижней части процессы метаморфизма горных пород стирают признаки жизни. Под метабиосферой расположена абиосфе- ра («небиосфера») - слои литосферы, не испытывающие сейчас и никогда ранее не подвергавшиеся влиянию живых организмов (глубже 10-15 км).
Кроме того, разделяют такие понятия, как эубиосфера, мегабиосфера и панбиосфера. Эубиосфера (собственно биосфера) - слой между верхней границей гипобиосферы и нижней границей парабиосферы. Это область наиболее активной современной жизни. Мегабиосфера - эубиосфера вместе с гипобиосферой и метабиосферой вглубь и до озонового экрана вверх, то есть область нынешнего и прошлого воздействия жизни. Панбиосфера - мегабиосфера с артебиосферой
(пространством человеческой экспансии в околоземной Космос). Это оболочка Земли, преобразованная нынешней и прошлой жизнью и человеческой деятельностью. Вертикальная мощность эубиосферы в океанической области Земли достигает более 17 км, в сухопутной - 12 км. Мощность мегабиосферы - 33-35 км.
