Биосфера как специфическая оболочка Земли. Учение В.И.Вернадского о биосфере

                     Функциональные связи в биосфере 

     Три составные части биосферы - гидросфера, атмосфера и литосфера – тесно  взаимосвязаны друг с другом, составляя  вместе единую генеральную саморегулирующуюся экосистему, обеспечивающую устойчивый глобальный круговорот веществ.

     Почва – особое органо-минеральное (биокосное) естественно-историческое природное  образование, возникшее в результате воздействия живых организмов на минеральный субстрат и разложения мёртвых организмов, влияния природных  вод и атмосферного воздуха на поверхностные горизонты горных пород (рис.1.1).

     Функциональная  связь почвы с гидросферой  заключается в выносе почвенных  вод в водоёмы. Переносимые с  водой почвенные соединения участвуют  в формировании биопродуктивности  водоёмов. Сорбционные свойства почвы  образуют «барьер», защищающий водоёмы  от загрязнений.

     Растения  могут извлекать из почвы минеральные  вещества только в виде ионов растворимых  солей. Эти ионы быстро вымывались бы из почвы, если бы не были прочно связаны  со стабильными почвенными частицами. Глина и гумус вступают в тесное взаимодействие, образуя глинисто-гумусовый  комплекс, составленный частицами - мицеллами.

      Поверхность каждой такой сложной частицы имеет  многочисленные отрицательно заряженные участки, притягивающие положительно заряженные ионы - кальций, магний и  калий, - и таким образом удерживающие их в почве (рис. 1.1). Подвижность ионов  в почве и дифференцировка  горизонтов почвенного профиля обусловлены  притоком водородных ионов угольной кислоты, которые в составе угольной кислоты непрерывно поступают с  дождевой водой в верхние слои почвы. Ионы водорода вытесняют из мицеллы  ионы кальция и других элементов, которые затем вымываются из почвы  в грунтовые воды.

Схематическое изображение глинисто-гумусового комплекса (мицеллы), на поверхности которого имеются отрицательные  заряды, притягивающие  ионы водорода и минеральные  ионы (поР.Риклефсу,1979)

     Поглощая  и отражая солнечную энергию, почва выступает как мощный фактор энергетического баланса биосферы и связывается с атмосферными процессами (регулирование влагооборота и газового режима атмосферы).

     С литосферой почва связана наиболее прямым путём: она возникла из верхних  слоев литосферы и своей жизнедеятельностью способствует дальнейшему геохимическому преобразованию этих слоев. В то же время почва служит источником вещества для образования минералов, горных пород, полезных ископаемых и способствует переносу аккумулированной солнечной  энергии в глубокие части литосферы. Все эти процессы можно рассматривать  как глобальные функции почвы, имеющие  общебиосферное значение.

     Таким образом, значение почвы в биосфере можно определить как связующее  звено биологического и геологического круговоротов. 

     Вода  и воздух

     Во-первых, связь гидросферы с атмосферой осуществляется в форме круговорота (осадки - испарение).

     Во-вторых, это энергетические связи как  прямые - через тепловое излучение, так и опосредованные - через процессы фотосинтеза.

     В-третьих, существуют химические связи: растворение  в водах О₂ и CО₂. Этот процесс поддерживает систему динамического равновесия в водной среде по принципу:

     Эта система имеет решающее значение в формировании условий жизни  гидробионтов.

     Особое  положение в качестве планетарной  функции имеют многочисленные и  разнообразные живые организмы (живое  вещество).

     Масса живого вещества в биосфере по некоторым  подсчётам (по И.А.Шилову, 1997) составляет около 2400 млрд. т, что соответствует  всего лишь 1/2100 массы атмосферы  Земли. Общая толщина биосферы –  порядка 1/320 радиуса Земли (1/325 с учётом атмосферы) - характеризует её как  тонкую плёнку на поверхности планеты. Тем не менее, именно биосфера превращает её в уникальное по своим свойствам  небесное тело.

     Это объясняется высокой химической активностью живого вещества.

     Химические (биохимические) реакции, протекающие  в живых организмах, осуществляются с участием мощных биологических  катализаторов - ферментов - и по скорости в тысячи раз превосходят реакции  в неорганическом мире. Кроме того, участие ферментов сдвигает температурные  и иные условия реакций. Жиры и  углеводы, например, окисляются в организмах при температуре до 37°С, тогда  как в абиотических условиях те же реакции требуют высокой температуры (порядка 400-500°С). Промышленный синтез аммиака из молекулярного азота  происходит при температуре 500°С и  давлении 300-500 атм; микроорганизмы реализуют  эту реакцию при нормальных температуре  и давлении. На ферментативных реакциях в живых организмах базируется глобальный биологический круговорот, о масштабах  которого можно судить по темпам оборота  кислорода и углекислого газа в процессе фотосинтеза . 

     Высокая химическая активность живого вещества способствует также постоянному  вовлечению в круговорот элементов, активно извлекаемых из горных пород.

     На  высокой активности живого вещества основываются и регуляторные процессы в биосфере (поддержание озонового  экрана за счёт продукции кислорода, обеспечение постоянства минерального состава океанических вод в результате деятельности организмов и др.).

     Высокая способность биосферы как целостной  системы к саморегуляции лежит  в основе гипотезы «Геи», согласно которой  живой мир Земли рассматривают  как единый сверхорганизм (J.Lovelock, 1986), неразрывно связанный с неживым  окружением и постоянно поддерживающий выгодные условия собственного существования. 

     Общие закономерности организации  экосферы и биосферы

     Биосфера - высший уровень иерархии экосистем  нашей планеты, и естественно, её законы функционирования аналогово  справедливы и для ниже расположенных  уровней в этой иерархии, хотя имеется  и специфика (биосфера более закрытая система, чем её подразделения).

     Биосферу, как и любую другую систему, формируют  не только и не столько внешние  факторы, сколько внутренние закономерности.

     Эти закономерности представлены ниже в  соответствии с аксиомой иерархической  организации, или принципа интегративных  уровней – подсистем различного функционального значения.

• Аксиома иерархической организации
• Закон преломления космических воздействий
• Закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского
• Правило незамкнутости биотических (биогеохимических) круговоротов
• Закон константности количества живого вещества В.И. Вернадского
• Закон физико-химического единства живого вещества)
• Закон сохранения структуры биосферы, или первый закон экодинамики Ю.Голдсмита
• Закон стремления к климаксу, или второй закон экодинамики Ю.Голдсмита
• Принцип системной дополнительности
• Правило автоматического поддержания глобальной среды обитания

Закономерности  эволюции биосферы

     Эволюцию  биогеоценозов, или экосистем, называют также экогенезом – совокупностью  процессов и закономерностей  необратимого направленного развития и смены биогеоценозов и биосферы в целом. Сущность экогенеза проявляется  в способности сообществ организмов преобразовывать среду своего обитания и впоследствии изменять свой состав, структуру и продуктивность в  направлении большего соответствия изменившимся условиям среды.

• Принцип Реди./Живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие/.
• Экоисторический (геоисторический) принцип
• Закон глобального замыкания биогеохимического круговорота
• Теорема порога возрастания энтропии в биосфере К.С. Тринчера
• Принцип (правило) катастрофического толчка
• Принцип прерывности и непрерывности развития биосферы
• Правило одного процента
• Правило десяти процентов
• Правило константности числа видов в ходе стационарной эволюции биосферы
• Правило множественности экосистем. Множественность конкурентно взаимодействующих экосистем обязательна для поддержания надёжности биосферы

                                         Биосфера как арена жизни 

     Биосфера  — глобальная экологическая система, особая оболочка Земли, сфера распространения  жизни, состав, структура и энергетика которой обусловлены прошлой  и современной деятельностью  живых организмов, границы которой  определяются наличием пригодных для  организмов абиотических условий: температуры, жидкой воды, состава газов, солёности  вод, элементов минерального питания (Рис.1.2).

     Биосфера - «область жизни», пространство на поверхности  земного шара (охватывающее нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы), включающее всю совокупность живых организмов (живого вещества планеты), а также  область былых биосфер, т.е. сферу  и продукты жизнедеятельности всей совокупности живых организмов за всю  историю существования жизни  на Земле.

     Термин  «Биосфера» был введён в 1875 г. австрийским  геологом Эдуардом Зюссом. Обсуждая особенности  Земли как планеты, он писал: «Одно  кажется чужеродным на этом большом, состоящем из сфер небесном теле, а  именно органическая жизнь... На поверхности  материков можно выделить самостоятельную  биосферу». Э.Зюсс, таким образом, рассматривал биосферу в чисто топологическом смысле - как пространство, заполненное  жизнью. Термин вошёл в обиход, не имея чёткого определения.

     Ещё Ж.Б.Ламарк, в 1802г. не употребляя термина  «биосфера», отметил планетарную  роль жизни в формировании земной коры, как в настоящее время, так  и в прошлые этапы истории  планеты, предвосхитив, таким образом, современный взгляд на это понятие. На рубеже XIX-XX вв. идея о глобальном влиянии жизни на природные явления  была обоснована в трудах учёного - почвоведа В.В. Докучаева.

     Развёрнутое учение о биосфере создано и разработано  акад. В.И.Вернадским, опубликовавшим в 1926г. свой классический труд «Биосфера». Он доказал, что все три оболочки планеты связаны воедино и  приобрели современный облик  и состав благодаря грандиозной  преобразующей работе живых организмов. Они многократно пропустили через  себя весь объём мирового океана, создали  почву, наполнили атмосферу Земли  кислородом, оставили после себя километровые толщи осадочных пород и топливные  богатства недр. По В.И.Вернадскому  в состав биосферы кроме активного  живого вещества - биомассы растений, животных и микроорганизмов - входит биогенное  вещество - остатки организмов на разных стадиях деструкции, органические и  минеральные продукты жизнедеятельности (осадочные породы органического  происхождения, кислород, углекислота, уголь, углеводороды и другие ископаемые биогены) и биокосное вещество - продукты переработки горных и осадочных  пород живыми организмами.

     Суммарная биомасса всех организмов биосферы в  пересчете на сухое вещество оценивается  величиной в 2 трлн. т., причём 98% её представлено биомассой наземных растений. Если мысленно всё живое вещество равномерно распределить по поверхности планеты, то получится слой толщиной около 2 см.

 Рис. 1.2.Структура биосферы (вертикальный срез) 

     К собственно биосфере (эубиосфере) относят  те участки, где есть условия не только для выживания, но и для размножения  живых существ, - это поле существования  жизни. К нему прилегают области, в которых живые существа находятся  в угнетённом состоянии и не могут  размножаться (поле устойчивости жизни).

     Поле  существования жизни определяют, как минимум пять условий:

     1)Достаточное  количество кислорода и углекислого  газа. Живые существа адаптированы  к современному составу и давлению  воздуха.

     Весовая концентрация кислорода на уровне моря составляет 299 г/м3, на высоте 20 км это  уже 15 г/м3, соответственно парциальное  давление 160 мм и 8,7 мм. Поэтому на высоте 20 км при таком низком парциальном  давлении жизнь невозможна, хотя количество кислорода по объёму осталось тем  же, что и на уровне моря - 20,95%. Парциальное  давление углекислого газа на больших  высотах (выше 6 км) меньше, чем необходимо.

     2)Достаточное  количество жидкой воды.