7. Биосфера

7.1. Что такое биосфера*?

Первые следы своего пребывания примитивные формы жизни оставили 2,5–3 млрд. лет назад. Но, возможно, что они появились еще раньше. С этого времени произошли коренные изменения поверхности планеты, и сформировалось до 3 млн. видов животных, растений и микроорганизмов. На Земле возникло живое вещество, заметно отличающееся от

неживой материи. Особое место среди живых организмов заняли растения, потому что они обладают способностью к фотосинтезу. Они продуцируют практически все органическое вещество на планете (растений насчитывается почти 300 тыс. видов).

О возникновении жизни ученые сформулировали два основных предположения – гипотеза заноса (панспермии) и гипотеза зарождения из неорганических веществ.

_______________

* Происхождение Вселенной 20–12 млрд. лет назад. Возникновение жизни на Земле – 4–3,6 млрд. лет назад

Развитие жизни привело к появлению новой общепланетной структурной оболочки – биосферы. Биосфера – это наружная часть Земного шара, в которой развилась жизнь в форме большого числа живых организмов. Они населяют поверхность суши, нижние слои атмосферы, гидросферу и почву. Почва по своему составу является продуктом взаимодействия живой и неживой природы. У этой оболочки имеется планетарная функция, она состоит в том, что благодаря деятельности растений, биосфера служит своеобразным экраном. Он аккумулирует энергию, приходящую из Космоса на нашу планету.

Как же действует этот экран? Растения-автотрофы и микроорганизмы-хемотрофы создают органическое вещество. Все остальные организмы планеты – гетеротрофы. Они используют созданное органическое вещество в пищу, что приводит к возникновению сложных последовательностей синтеза и распада органических веществ. Это-то и является основой биологического круговорота химических элементов в биосфере. Стало быть, живые организмы есть важнейшая биохимическая сила, преобразующая земную кору. Миграция и разделение химических элементов на земной поверхности, в почве, в осадочных породах, атмосфере и гидросфере, осуществляются при непосредственном участие живого вещества. Поэтому в геологическом разрезе живое вещество, атмосфера, гидросфера и литосфера – это не независимые природные объекты. Они взаимосвязанные части единой, непрерывно развивающейся планетарной оболочки - биосферы.

Впервые о биосфере, как об области жизни и наружной оболочке Земли, дал представление Ж.Б.Ламарк. В геологии понятие «биосфера» было введено профессором Венского университета Э. Зюссом, выделившим ее среди земных оболочек в 1875 году. Развил и углубил это понятие В.И.Вернадский, создав целое учение о биосфере.

Величина биосферы. Нижняя температурная граница биосферы находится на изотерме 100 градусов. Это критическая температура для развития большинства бактерий. Глубина границы определяется тектоническими условиями. В Европе это примерно 10-15 тыс. метров.

Верхняя граница проходит на высоте 7-8 тыс. метров. Там низкие температуры и низкое давление ограничивает возможности существования высших растений и животных.

Определение биосферы только как области жизни недостаточно и не полно. Она включает в себя Своеобразные вещества, имеет определенный состав. Прежде всего, это «живое вещество». Кроме него – «биогенное вещество», то есть органические продукты, созданные живым веществом (каменный уголь, нефть, битумы, горючие газы, торф, сапропель, почвенный гумус). Третий компонент биосферы – «биокосное вещество». Оно создано живыми организмами совместно с неживой природой. Это почва, вода, подземная атмосфера, осадочные породы, глинные минералы. Следовательно, то, без чего немыслимо существование человека: почва, вода, воздух, – являются составными частями биокосного вещества.

Особенности биосферы. Биосфера производит громадную геохимическую работу на нашей планете. Как планетарная оболочка она сложилась на той стадии истории Земли, когда возникла и развилась жизнь. Эволюция жизни и планеты в целом состоит в том, что различные организмы и их популяции приспосабливаются к условиям среды. Сама же среда ими преобразовывается. Видовое и численное разнообразие живых организмов, оформившееся к настоящему времени, представляет собой одно из важнейших условий устойчивости биосферы. Живые организмы в природе всегда находятся во взаимодействиях между собой. Если человек неправильно использует природные ресурсы, то это ведет к обеднению биоценозов по числу особей и видов. В результате снижается устойчивость природных сообществ. Происходит ослабление биохимической работы и неожиданные, непредсказуемые изменения в биосфере.

Другая особенность биосферы – неравномерность, мозаичность ее структуры, ее абсолютная асимметрия. В мире все асимметрично. Асимметрично распределено соотношение морей и суши на планете. Неравномерно распределено живое вещество на суше и в Мировом океане. Наибольшие его сгущения характерны для мелководий. На суше наибольшая концентрация наблюдается во влажном и умеренном субтропическом и тропическом поясах. Наименьшая концентрация живого вещества обнаруживается в приполярных и полярных областях, высокогорьях, засушливых зонах и в глубинах океана. Атмосфера также крайне мало заселена жизнью.

Континенты также неоднородны по своей структуре, по своей истории и климатическим условиям. На каждом континенте наблюдаются области разрушения и геохимического выноса с бедными кислыми почвами. Но имеются и области переноса и накоплений с очень плодородными почвами. Они располагаются на предгорных равнинах и на склонах плато, на внутренних материковых и приморских низменностях. Здесь, как и на шельфе (затопленная морем окраина материка), при высокой увлажненности создаются наиболее благоприятные условия для процветания жизни и формирования живого вещества.

Элементарной структурной единицей биосферы является биогеоценоз (понятие это введено В. Н. Сукачевым). Он представляет собой однородный в топографическом, микроклиматическом, ботаническом, зоологическом, почвенном, гидрологическом и геохимическом отношении участок территории или акватории. Биогеоценоз включает в себя определенное сообщество организмов, почву, почвенно-грунтовую воду и нижние слои тропосферы. Здесь существует определенной интенсивности кругооборот веществ и энергии. Начальным этапом для него служит фотосинтез растений.

Размеры биогеоценозов варьируются в широких пределах: от нескольких метров (березовые колки, песчаные дюны и пр.), до нескольких километров (солончак, такыр, однородные участки степи, леса). Варьируются и вертикальные размеры биогеоценозов ─ от нескольких миллиметров или сантиметров на скалах до десятков метров в высокоствольном лесу. Биогеоценоз – это термодинамически открытая, но весьма устойчивая система. Она имеет вход энергии из внешней среды (солнечная энергия, грунтовая вода, минеральные элементы горных пород, атмосфера). Она имеет и выход энергии и биогенных веществ:

• в атмосферу (тепло, кислород, углекислота и другие газы);

• в литосферу (гумус, осадочные породы);

• в гидросферу (растворенные вещества биогенного происхождения ─ в почвенные растворы, речные, озерные, морские и другие воды).

Синонимом биогеоценоза чаще всего является понятие «экосистема». Экосистемами называют участки территорий и акваторий, выделенные на основе общности среды (например, совокупности пищевых связей). Чаще же экосистемой называют биологическое сообщество вместе с его физической средой обитания. Экосистемы могут совпадать и не совпадать по величине с биогеоценозами. Как правило, однако, эти названия оказываются синонимами. Экосистемы, сложившиеся в результате длительного взаимодействия популяций, их приспособления друг к другу (коадаптации) являются системами довольно устойчивыми. Механизмы, обеспечивающие этим системам устойчивость, мы рассматривали выше. Это и регуляторные функции хищников по отношению к жертвам, и конкуренция, разделяющая потребителей на массу узких специалистов, чем создается продублированность потребителей любого ресурса, и действие факторов, зависящих от плотности популяции, которые стабилизируют в ней численность особей. Биогеоценозы поэтому весьма устойчивы.

Однако случаются и такие возмущения во внешней среде, с которыми структура сообщества справиться не может. Когда изменения выходят за пределы периодических колебаний, к которым приспособлены популяции, то биоценотическая система может разрушиться. Это происходит как в результате естественных явлений (пожары, вулканическая деятельность, массовые размножения животных), так и от необдуманных действий человека (эрозия почвы, применение пестицидов, постройка глобальных сооружений). В этих случаях происходят катастрофические изменения в биогеоценозах. Такая обстановка может создаться, например, в связи с повышением уровня радиации.

Живое вещество, его состав и функции. Понятие «живое вещество» введено В. И. Вернадским. Под ним понимают совокупность массы всех организмов, населяющих в тот или иной момент времени нашу планету. Количественно живое вещество характеризуется кроме массы, еще составом и геохимической энергией. Иначе говоря, способностью производить перемещение химических элементов в биосфере. Единицей геохимической энергии В. И. Вернадский считал скорость передачи жизни, определяемую темпами размножения. Планета и организм, по мнению В. И. Вернадского, неразрывно численно связаны. Химические элементы все время перемещаются, включаясь в различные организмы, переходя в биокосные системы, возвращаясь в свободное состояние. Большое значение в скорости их миграции имеют: интенсивность обмена веществ, ее периодические суточные и сезонные колебания.

Бесчисленные полчища жуков и многоножек, муравьев и ногохвосток, нематод и клещей, коловраток и простейших, а также личинок и микроорганизмов обеспечивают круговорот углерода на планете. Все они стремятся освободить мир от накапливающихся органических остатков. Остатки эти имеют тенденцию накапливаться в столь грандиозных количествах, что если этому не помешать, то круговорот углерода будет остановлен. Это в свою очередь, остановит жизнь на планете. Финал работы этих организмов редуцентов ─ освобождение углерода, азота, фосфора, калия, магния и серы, перевод их в формы доступные растениям.

Так что основной планетарный круговорот – углеродный зависит только от самых примитивных организмов и зеленых растений. Пока они остаются, на планете сохраняется жизнь. Чтобы лучше осознать это рассмотрим соотношение биомасс организмов.

В природе все время происходит накопление органических остатков ─ мертвых листьев и веток растений, кусков коры. Млекопитающие, рептилии, птицы, а особенно, различные беспозвоночные добавляют к этому экскременты и трупы. В глубине почвы накапливаются выделения корней и их отмершие части. Так в средних широтах ─ в зонах умеренного климата, ежегодная масса растительного спада примерно 3 тонны на гектар, а в пойменных лесах Конго она составляет до 15 тонн. Все это – питание, поступающее в экосистему «почва». Далее его переработка проходит по детритным цепям. Сколько же организмов участвуют в них, питаясь мертвой органикой? Вот их соотношение:

Беспозвоночные в лесной почве составляют приблизительно 700 кг на га,

бактерии в хороших почвах ─ 500-600 кг на га,

а позвоночные ─ всего около 10 кг на гектар.

Отношение же биомассы простейших к массе всей почвы в ризосфере в среднем составляет 1:6, то есть шестая часть массы почвы это живое вещество простейших!

В общем, для биосферы живое вещество суши представлено биомассой бактерий и грибов, биомассой растений (их наземной и подземной частями), и биомассой животных. Суммарная биомасса всей суши составляет величину около 1х10¹³ тонн, при этом масса почвенных микроорганизмов составляет 1х10⁹ тонн. Остальное приходится на животную и растительную биомассы, причем, животные в сумме составляют только 1-3% от растений. В составе животной биомассы основная доля приходится на беспозвоночные организмы. Они могут достигать массы до 10⁵ кг/км². Что касается высших животных, то распределение их биомассы неравномерно и крайне мало.

Продуктивность биосферы. Почвенный покров Земли предоставляет собой продукт воздействия живого вещества на литосферу. Биогенные преобразования привели к тому, что образовалась более или менее непрерывная гумусовая оболочка. Она окутала поверхность суши и мелководий. Ее можно назвать гумосферой. Ничтожная по толщине, она обладает наибольшей активностью в почвенном покрове, определяет уровень и потенциальные возможности его плодородия.

На нашей планете преобладают кислые почвы. Они составляют около 57% поверхности суши. Второе место занимают слабо щелочные и нейтральные почвы (до 30%). В их области вкраплены островки засоленных почв. Наиболее плодородные и высокогумусные почвы занимают менее 10% суши. Эти пространства давно уже полностью распаханы и освоены. В среднем, основные массы вещества, создаваемого фотосинтезом (включая и гумус) существуют лишь несколько сотен лет. Некоторая часть этого вещества исключается из почвообразовательного процесса, уходя в осадочные породы и на формирование торфа и сапропеля (слежавшиеся озерные илы ─ концентрат органического вещества). Поэтому можно говорить о том, что формирование гумусовой оболочки земного шара – это часть общего процесса планетарного углеводородного круговорота. Ежегодный синтез растительной биомассы сопровождается не только переходом углерода, водорода и кислорода в форму органического вещества, но и вовлечение в его состав значительных количеств минеральных веществ.

Судьба этих минеральных веществ совершенно иная, чем у водорода, углерода и кислорода. При разложении органического вещества они поступают в почву, где задерживаются в верхнем горизонте. Поэтому, чем выше гумусность верхних почвенных слоев, тем больше будет там накопление азота, фосфора, серы, калия, кальция. Отсюда следует, чем выше содержание гумуса в почве, тем больше накапливается там микро- и макроэлементов. Так в почвах под травянистой растительностью накапливаются: марганец, кобальт, никель цинк.

Количество минеральных соединений в различных растительных формациях далеко не одинаково. Травянистая растительность лугов и степей ежегодно вовлекает в биологический круговорот 500 ─ 700, а иногда и 1000 ─ 1200 кг/га минеральных веществ. А вот хвойные леса ─ всего лишь 70 ─ 200 кг/га. Растительность полупустынь и пустынь ─ еще меньше.

Нужно помнить, что из всех растительных сообществ наиболее интенсивным биологическим круговоротом и наибольшей аккумулятивной энергией ценных минеральных и физиологически активных веществ для почвенного плодородия обладает травянистая растительность.

Живые организмы вышли на сушу примерно в девонском периоде, то есть 200 ─ 350 млн. лет назад. С этих пор происходят глубокие изменения в физико-географических условиях нашей планеты. Тогда же в девоне началась история почвообразования, как биогенного процесса на суше.

Важнейшей функцией биосферы является регулярное и возрастающее во времени воссоздание живого вещества (по численности, количеству аккумулированной и удерживаемой энергии). Человек воспринимает эту функцию как биологическую продуктивность биосферы. Она складывается из продукции ее частей (океан, почва, пресные водоемы) или отдельных экосистем (луг, тайга, поле зерновых культур). Существуют и подсчеты биомассы, правда, это только приблизительные. Это происходит из-за сложности и изменчивости в пищевых отношениях организмов. Простейшую пищевую цепь можно представить так: фитомасса (в том числе и растительные остатки) ─ травоядные животные ─ хищники (малые и крупные) первого и последующего порядков ─ сапрофиты (деструкторы, минерализаторы, включая микроорганизмы). Эта трофическая цепь может быть осложнена каннибализмом, паразитизмом, сочетанием травоядности и хищничества.

Существует очень важная закономерность в соотношении численности видов, их размеров, скорости размножения и продолжительности жизни.

Чем крупнее размеры организмов, тем меньше число их видов в данном сообществе, меньше численность их индивидуумов, меньше их плодовитость и, соответственно, дольше продолжительность жизни особи. И, наоборот, с уменьшением размеров организмов возрастает численность их видов, число индивидуумов и плодовитость. При этом весьма сильно сокращается продолжительность жизни отдельных особей.

Опираясь на эту закономерность, можно утверждать, что микроорганизмы, черви и насекомые, ─ наиболее многочисленные и по числу видов и по числу особей организмы. Именно они выполняют основную работу на планете по разрушению органического вещества и его последующей минерализации.

Первичная продукция экосистем представляет собой фитобиомассу, ибо является продукцией растительности. Наивысшей величиной запаса ее отличаются влажные тропические вечнозеленые леса. В среднем они дают более 5000 ц/га, а в Бразилии урожаи фитомассы в сельве достигают 15 000 ─ 17 000 ц/га. (Вспомним рекордные урожаи наших полевых культур при уходе и счастливом погодном стечении обстоятельств: картофель или кукуруза могут дать 200, а то и 500 ц/га, пшеница же – 20–30 ц.).

Еще несколько слов о соотношении и важности для жизни биосферы ее элементов. Как уже говорилось, основную работу по разрушению органических веществ и их минерализации выполняют микроорганизмы, простейшие, грибы, черви и отчасти ─ членистоногие. Первичную продукцию, то есть практически все органические вещества, а планете создают растения и некоторые бактерии. Высшие формы жизни (в том числе позвоночные животные и среди них человек) производят не очень значительную работу по промежуточным этапам переработки органического вещества. И они же, эти сложные структуры требуют для своей жизнедеятельности узкого диапазона благоприятных условий. Малейшие нарушения в среде обитания, которые могут даже «не заметить» низшие формы жизни, заставят вымирать целые виды и более крупных групп сложных хордовых животных. Заметьте, вымерли динозавры, но биосфера осталась и развилась дальше. Видимо, биосфера на любых этапах своей эволюции может без особого ущерба для себя (для своих круговоротов вещества и энергии) отказаться от высокоорганизованных структур. Время жизни ее достаточно велико, и через 500-800 миллионов лет она восстановит такие структуры с помощью эволюции более низко организованных. Эту истину должны знать все люди. Нужно четко понять, что борьба за жизнь на Земле, за жизнь биосферы лишена смысла. Биосфере ничто не угрожает. Под угрозой некоторые ее малозначимые элементы и особенно человек. Вот за свою жизнь он и должен бороться, но не с природой, она ему зла не желает, а со своими неразумными соплеменниками.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что за экосистема биосфера?

2. Чем она отличается от прочих экосистем?

3. Назовите составляющие биосферу вещества по В.И. Вернадскому

4. Какие вы знаете основные кругообороты веществ в биосфере?

5. Какова экологическая пирамида биосферы?

6. Почему эта экосистема так устойчива?

7. Может ли человек уничтожить биосферу?

8. Как адаптируется биосфера к изменениям условий среды?

Литература

Основная

Будыко М.Н. Глобальная экология. М.: 1977

Ердаков Л.Н. Экология. Учебное пособие для 5-8 кл. – Томск: Изд. ООО «ИПЦ» Юпитер».2004.». 243 с.

Ердаков Л.Н. Экология. Учебное пособие для начальной школы. – Томск: 2005 ИПЦ «Юпитер»..– 204 с.

Ердаков Л.Н. Экология. Учебное пособие для дошкольного обучения. – Томск. 2005.– ИПЦ «Юпитер». 64 с.

Ердаков Л.Н., Чубыкина Н.Л. Экология. Учебное пособие для 10-11 классов. Новосибирск: 1996.

Чернова Н.М., Былова А.М. Экология. М.:1988.

Дополнительная

Бигон М., Харпер Дж., Таусенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества. Тт. 1,2. М.: 1989.

Дажо Р. Основы экологии. М.:1975.

Ердаков Л. Как Эколобок путешествовал. Сборник 2. Биоценология. – Новосибирск – 2005. ИПЦ «Юпитер». 103 с.

Ердаков Л. Как Эколобок путешествовал. Сборник 3.Популяционная экология. – Новосибирск – 2005. ИПЦ «Юпитер». 61 с.

Ердаков Л.Н. ,Янушевич Т.А. Экология для детей (приспособления к среде обитания). Учеб-метод. пособие. Новосибирск. Изд. НИПКиПРО, 2001, 84 с.

Ердаков Л.Н., Янушевич Т.А. Приключения Мурзилки Экология для детей) Вып.1,2. Уч.метод. пособие. – Новосибирск. Изд. НИПКиПРО, 2001. 56 с.

Ердаков Л.Н. Янушевич Т.А. Приключения Мурзилки Экология для детей) Вып.3,4. Уч.метод. пособие. – Новосибирск. Изд. НИПКиПРО, 2001. 56 с.

Криксунов Е.А. Пасечник В.В., Сидорин А.П. Экология: 9 класс: Учеб. для общеоразоват. уч. М.:1995

Наумов Н.П. Экология животных. М.:1963.

Одум Ю. Экология. М.:1986.

Пианка Э. Эволюционная экология. М.:1981.

Риклефс Р. Основы общей экологии. М.:1979.

Чернова Н.М., Галушин В.М., Константинов В.М. Основы экологии: Проб. учеб. для 9 кл. общеобразоват. учрежд. М.:1995.