Происходят изменения рельефа суши. Теплые течения согревают атмосферу в тех местах, где они протекают; холодные наоборот — охлаждают. В виде пара и облаков вода постоянно находится в атмосфере. От рельефа местности зависит скорость и направление течения рек. В процессе извержении в атмосферу выбрасываются различные газы и вулканический пепел. От ветра зависит направление морских течений. Он также влияет на рельеф местности, особенно пустынь, покрытых песками. Количество осадков влияет на полноводность рек. Итак, между оболочками Земли существует постоянная связь. Они объединяются в целостную систему и создают условия, подходящие для .

Живые организмы, в свою очередь, также оказывают влияние на оболочки Земли.

Первые живые существа возникли в воде и были гораздо проще по сравнению даже с простейшими существами, которые живут в настоящее время. Водоросли обогатили воду и кислородом. Постепенно выходя на сушу, во влажных местах бактерии, одноклеточные животные и растения принимали участие в создании почвы. Таким образом создавались условия для жизни растений на суше. Растения обогатили воздух кислородом, способствовали созданию озонового экрана; используя солнечные лучи, создавали органические вещества, необходимые для животных. Постепенно живые организмы освоили все оболочки Земли. Они существенно изменили облик планеты: превратили верхнюю часть литосферы, создав почву; способствовали изменению состава атмосферы и гидросферы.

Живые организмы создают особую оболочку, которая проникает в другие сферы Земли и связывает все компоненты в крупнейшую экосистему — биосферу.

Биосфера — это оболочка Земли, которую образуют и на развитие которой влияют все живые организмы.

Верхняя граница биосферы находится в атмосфере, заселенной только до озонового экрана, так как низкие температуры и ультрафиолетовое излучение губительно действует на живых существ. Даже на высоте 20-25 км встречаются споры грибов, бактерии.

Гидросфера заселена полностью, но большее разнообразие организмов наблюдается в толще воды, куда проникает солнечный свет.

Нижняя граница биосферы проходит в литосфере. На глубинах 0,5 — 2 м от поверхности количество живых организмов быстро уменьшается. На глубине свыше 10 м. живые существа не встречаются, поскольку большая плотность среды и повышение температуры ограничивают возможность их существования. Но и здесь бывают исключения. В нефтяных месторождениях на глубине примерно 2-3 км были найдены бактерии.

Наибольшая плотность живых организмов на суше, поверхности воды океана и на его дне до глубины 200 м, куда еще поступают солнечные лучи. Именно на границе атмосферы, гидросферы и литосферы благоприятные условия для жизни.

Основные функции биосферы

Современная наука выделяет пять важнейших функций биосферы:

1. энергетическую функцию , которая выполняется за счет использования растениями энергии солнца в процессе фотосинтеза. На собственные нужды организма в среднем расходуется 10-12% ассимилированной ими энергии. Остальная ее часть перераспределяется внутри экосистемы: частично распределяется между остальными компонентами биосферы, частично накапливается в отмершей органике, образуя залежи биогенного вещества (торфа, угля, ), а частично рассеивается в атмосфере.
2. газовую функцию , которая обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.
3. концентрационную функцию , которая заключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных из окружающей среды. Благодаря этой функции живые организмы могут служить для человека источником как полезных (витаминов, аминокислот), так и опасных для здоровья веществ (тяжелых , радиоактивных элементов, ядохимикатов).
4. деструктивную функцию , которая состоит в разложении, минерализации мертвого вещества, в химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот. Специальная группа организмов (редуцентов) деструкторов разлагает мертвое органическое вещество до простых неорганических соединений: углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака, которые затем вновь используются в начальном звене круговорота.
5. средообразующую функцию , которая заключается в преобразовании физикохимических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия, максимально подходящие для существования живыхорганизмов. С известной долей условности можно утверждать, что эта функция является результатом совместного действия всех рассмотренных выше функций биосферы. В результате именно средообразующей функции образовался покров осадочных пород, был преобразован газовый состав атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, возник почвенный покров на поверхности суши.

Человек и биосфера

Появившись на Земле, человек получил от природы все необходимое для жизни: воздух, воду, пищу, почву, пригодную для земледелия, природные материалы для изготовления орудий труда и предметов быта.

За время своего существования на Земле человек очень долго была потребителем природных благ. Ему хватало чистой воды, чистого воздуха, плодородной почвы, рыбы в водоемах, зверей в лесах и степях; природных материалов было вполне достаточно для удовлетворения разнообразных потребностей. В то же время и самих людей на планете было сравнительно немного.

Но уже давно люди начали вмешиваться в жизнь естественных экосистем, разрушая их. Опустошив место жительства, люди кочевали в поисках новых, плодородных земель, богатых животными лесов. Убытки природы от деятельности человека все увеличивались.

Экосистемы сравнительно быстро преодолевали эти проблемы, восстанавливая и возрождая природные комплексы. Со временем численность человеческого населения на Земле росло. Появилась мощная техника, которую человек применял для удовлетворения своих потребностей, увеличилось влияние людей на окружающую среду. В результате деятельности человека изменяется состав атмосферы, гидросферы, литосферы. Любое вмешательство в биосферу меняет среду обитания, сказывается на жизнедеятельности организмов. Сейчас вред, который наносит человечество биосфере, может оказаться необратимым и непоправимым.

Человек давно заметил, что на бережное отношение природа всегда откликается. Примером положительной деятельности человека может быть создание парков, лесопарков, садов, скверов.

Карьеры, образовавшиеся после открытой разработки месторождений полезных ископаемых, существенно влияют на изменения рельефа. Но если засыпать их сначала шлаком, остающейся после сгорания угля на электростанциях, сверху покрыть слоем пустой шахтной породы и засыпать тонким слоем почвы, смешанным с золой из фильтров теплоэлектростанций, то на таком месте можно выращивать различные культурные растения.

Очистка воды в океане от загрязнения нефтью можно проводить с использованием бактерий, уменьшает вредное воздействие.

Для очистки пресных водоемов используются растения-санитары: водяной гиацинт, рогоз, хвощ болотный и другие.

Также важным вопросом на сегодня остается строительство очистных сооружений на производствах с вредными выбросами в атмосферу.

Человек может существовать только при использовании ресурсов биосферы. Мы должны познавать законы природы и использовать эти знания разумно. Человечество уже осознало необходимость научно обоснованного природопользования, когда достижения науки согласовывают деятельность человека и жизни природы. Это необходимые условия сохранения жизни на планете.

Охрана биосферы. Красная книга

Человек и биосфера неотделимы друг от друга. Функции биосферы обеспечивают человека необходимыми для жизни веществами и энергией. Человек заботится о биосфере: проявляет заботу о ее жителях, охраняет среду их обитания. Сейчас вопросы охраны биосферы волнует всех людей на Земле.

Международное сотрудничество по охране биосферы проявляется в создании таких организаций, как Гринпис, Общества по охране природы, Всемирного фонда охраны природы и других. Ученые обнаруживают виды и группировки организмов, которым угрожает опасность, выясняют, сколько их осталось в природе и где, разрабатывают мероприятия по охране окружающей среды. В 1948 при ООН была создана Комиссия по охране видов растений и животных, которые исчезают, а впоследствии — Международная Красная книга, в которую вошли данные о живых существах, которые оказались на грани вымирания.

В России первую Красную книгу выпустили в 1983 г. — это был том «Животные», а в 1988 г. к нему добавился том «Растения». Позже книга была переиздана в 2001 и в 2017 гг., каждый раз дополняясь. В Красную книгу занесено 8 видов земноводных, 21 вид пресмыкающихся, 128 видов птиц и 74 вида млекопитающих, всего вместе с беспозвоночными животными — 434 вида. Красная книга является государственным документом, который содержит сведения об исчезающих видах растений, животных, грибов и советы по приумножению их популяции.

Важный шаг на пути защиты и спасения природы — выделение территорий, где растения и животные сохраняются в неприкосновенности. Это создание заповедников, заказников, национальных парков. Сегодня в мире существует около 350 биосферных заповедников, 37 из которых расположены в России, крупнейшие это: Алтайский государственный природный биосферный заповедник, Кавказский государственный биосферный заповедник, Байкальский заповедник, Баргузинский заповедник, Брянский лес — государственный природный биосферный заповедник.

Заповедники — это территории, на которых запрещена любая хозяйственная деятельность человека; в них охраняются не только живые организмы, но и условия их существования.

Национальные природные парки — территории, которые охраняет государство, но здесь разрешен организованный туризм и учебные экскурсии.

Заказники — территории, на которых охраняются определенные виды животных и растений. Они создаются на определенный срок, пока не исчезнет угроза для организмов, взятых под охрану.

Образование в области окружающей среды рассматривается ныне педагогической общественностью как непрерывный процесс, охватывающий все возрастные, социальные и профессиональные группы населения. Однако ее центральным звеном является школа, так как именно в школьные годы формирования личности происходит наиболее интенсивно.

В книге представлены разнообразные материалы, отражающие характер взаимосвязи между современным состоянием биосферы и экономической политикой. На основании обобщения данных, имеющихся в зарубежной и отечественной литературе, а также используя материалы собственных исследований, авторы показывают реальное положение дел в этой области. Это позволяет им присоединиться к предупреждениям специалистов о том, что возможности биотической регуляции окружающей нас среды близки к исчерпанию.

Книга предназначена для тех, кто серьезно обеспокоен проблемами в области экологии и экологической политики. Материалы книги могут быть использованы в качестве пособия для студентов биологических факультетов вузов, преподавателей биологии, экологии, а также для исследовательских проектов аспирантов и ученых, занимающихся биосферными явлениями.

В составе биосферы присутствуют вещества, которые различаются между собой по ряду признаков: природные вещества, живое вещество, биогенное вещество, косное вещество, биокосное вещество, органическое вещество, биологически активное вещество, антропогенное и вредное вещества .

Особую значимость для живых систем имеют следующие компоненты:

1) живое вещество;

2) биогенное вещество;

3) косное вещество;

4) биокосное вещество;

5) радиоактивное вещество;

6) рассеянные атомы;

7) вещество космического происхождения.

Здесь необходимо понимать, что «…биосфера – это понятие планетарное, широкое, намного превосходящее по объему поле исследования биолога, почвоведа и т. д., которое ограничивается «областью жизни». Вот почему при всей яркости термина «биосфера», при всей оригинальности и глубине общего учения о биосфере его нельзя полностью отождествлять ни с «областью жизни», ни с дисциплинами, ее изучающими» (Тюрюканов, 1990). Просто непостижимо, но факты свидетельствуют о том, что все атомы подавляющего числа элементов таблицы Менделеева прошли в своей истории через состояние живого вещества. Кроме этих величин, важной характеристикой биосферы являются: ее биомасса, видовое разнообразие растительного и животного мира, скорость продуцирования, т. е. способность видовых популяций создавать органическое вещество. По разным оценкам в наше время на Земле существует около 3,5 млн биологических видов, из них на долю растений приходится около 500 000 видов. Остальная часть биоразнообразия представлена животными и микроорганизмами, а среди первых больше всего видов насчитывает класс насекомых.

Какие же функции выполняет биосфера ?

1. Газовая функция . Она заключается в том, что метаболизм организмов, их дыхание и обмен с внешней средой охватывает обширную совокупность разнообразных газовых реакций, ведущих в конечном итоге к поглощению кислорода и выделению углекислого газа, парообразной воды и т. д. Подсчитано, что для полного оборота углекислого газа атмосферы через фотосинтез достаточно 300 лет, а кислорода – 2000–2500 лет, воды через испарение – около 1 млн лет. Ясно, что эта функция в настоящее время может быть изменена за счет интенсивной вырубки лесов и распахивания степей. Роль человека в изменении облика биосферы значительна, что подтверждают данные табл. 2.

Таблица 2

Размеры основных экосистем суши, полученные по данным спутниковых наблюдений (по Лосеву, 1985, с. 57)

2. Окислительно-восстановительная функция . Живое вещество определяет большой спектр химических превращений веществ, включающих атомы элементов с переменной валентностью, – соединений железа, марганца, микроэлементов и т. д. В качестве примера можно привести процесс круговорота азота.

Напомним, что включение азота в соединения, могущие использоваться организмами, называется фиксацией. Среди азотфиксаторов наибольшее практическое значение имеют микроорганизмы, живущие в симбиозе с растениями. Известно 200 видов растений, на корнях которых могут развиваться клубеньковые бактерии, усваивающие азот из воздуха. Бактерии Bact. Radicicola обитают на корнях бобовых культур – клевера, люцерны, гороха, сои, люпина. Выяснено, что количество азота, поступающего в растения от клубеньковых бактерий, составляет в некоторых случаях до 50–80 % от общего количества азота, усвоенного растениями. В гидросфере ежегодно фиксируется около 10 млн т азота.

Цепь реакций, с помощью которых организмы окисляют ион аммония до нитратного, или нитритного, или нитритный до нитратного состояния, называется нитрификацией. Эти процессы осуществляются с помощью бактерий Nitrosomonas, Nitrobacter. Первоначально окисляется аммиак до азотистой кислоты: NH 3 + + 3O > HNO 2 + 66 ккал/моль. Далее происходит реакция кисления нитритов до нитратов: KNO 2 + O > KNO 3 + 15, 5 ккал/моль.

Денитрификация имеет место, когда в анаэробных условиях микроорганизмы используют для окисления различных веществ кислород нитратов с высвобождением из них азота. Наибольшая роль в денитрификации принадлежит бактериям Pseudomonas. В пресных, загрязненных водах, эту роль выполняет кишечная палочка Escherichia coli. Известно, что «денитрификация почти не идет в аэробных условиях, т. к. в присутствии свободного кислорода организмам энергетически выгоднее использовать его в качестве акцептора электронов при окислении органических веществ, а не кислород, связанный в нитратах. Однако в гидросфере имеются обширные области с анаэробными условиями, благоприятствующие денитрификации, – они наблюдаются всюду, где органических веществ поступает больше, чем кислорода, необходимого для их биологического окисления. К таким областям относятся гипо-лимнион эвтрофных озер, болота и те места, где идет великий приток органики» (Константинов, 1979, с. 336–337).

Аммонификация – это разложение органического вещества до аммиачных соединений азота. Этот процесс происходит, например, в почве под действием аммонифицирующих бактерий по схеме: Белки, гуминовые вещества > Аминокислоты > Амиды > Аммиак.

Аммонификация осуществляется аэробными и анаэробными бактериями. При аммонификации получаются органические кислоты, спирты, оксид углерода и аммиак. Затем эти вещества превращаются в воду, водород, метан. Аммиак частично вступает в реакцию с органическими и минеральными кислотами (угольной, азотной, уксусной и др.).

3. Концентрационная функция . Проявляется в способности живых организмов аккумулировать разные химические элементы, в том числе микроэлементы, из внешней среды (почва, вода, атмосфера). Обычно наибольшая доля в составе живого вещества приходится на кислород (65–70 %) и водород (10 %). Остальные 2025 % представлены разнообразными элементами общим числом более 70. Существуют организмы, обладающие способностью преимущественного накопления отдельных химических элементов в бпольшем количестве по сравнению с составом земной коры и литосферы. Кроме этого в составе животных организмов обнаруживается гораздо более высокое, чем в растениях, содержание Na, Ca, P, N, S, F, Cl, Zn. Следовательно, геохимическая роль растительного и животного мира имеет свой специфический характер. Имеются химические элементы – биофилы, без которых невозможна жизнедеятельность организмов. Это C, H, O, N, P, S, Cl, J, B, Cs, Mg, K, Na, V, Mn, Fe, Cu, Zn, Mo, Co, Se.

4. Деструкционная функция . Борьба за пищу как источник энергии и питательных веществ не ограничивается признаком живого.

5. Выделительная и деструктивная – не менее важные функции живых организмов. Можно сформулировать закон, согласно которому ни один организм не может существовать в среде своих выделений (метаболитов) и трупов предков. Если бы не процессы разложения органических веществ до минеральных, то организмы погибли бы от отравления своими выделениями и от «трупных ядов» своих предков. Именно благодаря огромному биоразнообразию живого вещества эта функция сбалансирована, а там где внедряются монокультуры (агроценозы) эта часть пространства характеризуется крайней неустойчивостью. В силу этого природа отвергает монокультуру. Вот почему сохранение биогеоценозов в первозданном виде является жизненнонеобходимой задачей человека, который, вторгаясь в сообщества (промысел, охота, вырубка леса и т. д.), сдвигает их равновесие не в лучшую сторону. Ясно, что среда освобождается от метаболитов за счет действия других факторов – температур, химических агентов. Часть вымывается из почвы и речным стоком уносится в океан. Однако роль живого вещества в этом процессе первостепенна. Можно полагать, что агрессивное воздействие алкоголя на организм животных и человека объясняется тем, что на заре становления живого единственными элементами выделения микроорганизмов, существующих в анаэробных процессах, был спирт (эффект брожения). Поэтому данные отходы жизнедеятельности первичных организмов не могли в процессе эволюции стать еще одним (необходимым) источником энергии для нашего организма. Следовательно, он (алкоголь) для живых систем является ядом. Кроме вышеупомянутых функций живого вещества следует охарактеризовать еще одну – это скорость его растекания по планете. Что имеется в виду?

Живое вещество характеризуется не только биомассой, видовым разнообразием, но и геохимической энергией, т. е. способностью перемещать химические элементы в биосфере. Возможность оценить эту роль количественно предложил В. И. Вернадский. Он предложил за единицу геохимической энергии считать скорость передачи жизни, определяемую темпами размножения. Итак, скорость растекания жизни (V) можно вычислить по формуле:

V = (13963,3 ?)/ lgN max ,

где? – показатель прогрессии размножения вида, – стационарное число особей вида или другой систематической единицы, при заполнении им земной поверхности (5,1 108 км 2), 13963,3 – величина, полученная при делении стационарного числа на 365.

Кроме этого, необходимо учитывать предельно наибольшее расстояние, по которому может распространяться жизнь, равное земному экватору (40 075 721 м). Следует иметь в виду следующий факт: геохимическая энергия жизни зависит от скорости размножения организмов – не как автономного биологического процесса, а в соответствии со свойствами биосферы – явления планетарного.

Например, потомство одной бактерии способно захватить поверхность всей планеты всего за 1,47 суток, «растекаясь» со скоростью 33,1 м/с. Для индийского слона эта скорость составит 0,09 см/с. Чтобы воспроизвести массу бактерий равной массе земной коры при беспрепятственном размножении бактериям нужно всего 1,6 суток, зеленым водорослям – 24,5 суток, слонам – 1300 лет (Чернова и др., 1997, с. 8–9).

Живое вещество суши представлено биомассами растений, животных, бактерий и грибов. В составе зообиомассы основная доля (90–99,5 %) приходится на беспозвоночных, и может достигать 105 кг/км 2 . Особенно велики биомассы беспозвоночных в черноземных, луговых почвах. Если сравнивать фитомассы древесных и луговых сообществ, то по общей величине доминируют древесные, но по биологической активности, наибольшей продуктивности в течение года наибольший эффект в образовании гумуса и почвенного плодородия принадлежит не многолетним формациям древесной растительности, а формациям травянистой растительности. Именно травянистые сообщества, с их быстро текущими жизненными циклами и мощной корневой системой, обеспечивают образование в почвах высокого содержания перегноя и формирование почв высокого плодородия, таких как черноземные, луговые и пойменные. Механизм данного явления можно объяснить тем, что в биоте сформирована (эволюционным путем) важная закономерность.

Так, например, чем крупнее размеры организмов, тем меньше число их видов, тем меньше численность их индивидуумов и тем дольше продолжительность их жизни. И наоборот, с уменьшением размеров организмов крайне возрастает численность их видов и число индивидуумов, но весьма сокращается продолжительность жизни отдельных особей.

Действительно, достаточно сравнить среди гидробионотов показатели динамики численности калуги, белуги или анчоуса, хамсы, а среди наземных популяций животных – тигров и мышевидных грызунов и т. д., чтобы убедиться в справедливости этого правила.

Биосфере присущи многие функции, но энергетическая является одной из центральных. Трудно себе представить облик и состав биоты без этих посредников между Солнцем и другими представителями органического мира. Именно растениям принадлежит главная роль в «переизлучении» солнечной энергии до конечных потребителей – гетеротрофных животных. Однако эволюция, а точнее, законы движения материи (термодинамические закономерности) «распорядились» так, что на каждом трофическом уровне (правило десяти процентов) существуют неизбежные потери некоторой ее части.

В чем причина такого явления?

Попробуем ответить на этот вопрос в следующей главе.

Понятие биосферы

Земля сформировалась примерно $5-7$ млрд лет назад. Первоначально она была безжизненным объектом, возникшим из газопылевой туманности. Под воздействием распада радиоактивных элементов ее вещество разогрелось и расплавилось. По мере остывания вещества произошло разделение «смеси» на отдельные оболочки:

• гидросферу,
• атмосферу.

Их химический состав несколько отличался от современного.

Примерно $3,5$ млрд лет назад возникла на нашей планете жизнь. О ее происхождении идут споры по сей день. Но за это время Земля оказалась заселенной разнообразными формами и видами живых организмов. По аналогии с литосферой, атмосферой и гидросферой это образование назвали биосферой.

Определение 1

Биосфера – это часть географической оболочки Земли, которая населенна живыми организмами.

Впервые термин «биосфера» был предложен Э. Зюссом в $1875$ году. А учение о биосфере, как особой части Земли, области распространения живых организмов, создал выдающийся отечественный ученый В.И. Вернадский.

Границы биосферы

По мнению Вернадского, впервые к понятию «биосфера» приблизился в своих идеях знаменитый французский ученый Ж.-Б. Ламарк. В отличии от остальных оболочек нашей планеты - литосферы, атмосферы и гидросферы, биосфера не образует отдельную сплошную оболочку. Она являет собой совокупность всех биогеоценозов Земли, единую экосистему высшего порядка.

Границами биосферы служат границы распространения живых организмов. Поэтому считается, что биосфера занимает практически всю гидросферу , верхние слои литосферы и нижние слои атмосферы.

Точно границы не определены. Известно, что некоторые группы бактерий обитают в толще литосферы на глубине около $4$ км. Проникновению в более глубокие слои литосферы препятствует высокая температура (более $100$°С) горных пород и подземных вод на больших глубинах.

Распространение живых организмов в атмосфере ограничено озоновым экраном. Именно озоновый экран защищает все живое от воздействия космического излучения (особенно – ультрафиолетовых лучей). Споры бактерий и грибов были обнаружены на высоте около $22$ км. Но наличие бактерий на остатках метеоритов подтверждает гипотезы некоторых ученых, что споры некоторых живых организмов могут некоторое время выдерживать влияние открытого космического пространства. Поэтому границы биосферы определены лишь условно. Самая высокая плотность организмов наблюдается там, где самые благоприятные и самые разнообразные условия существования организмов – на стыке земных оболочек.

Свойства биосферы

Всю совокупность живых организмов нашей Земли академик Вернадский назвал живым веществом. Основными характеристиками этого живого вещества он назвал суммарную биомассу, химический состав и энергию.

Энергия живого вещества проявляется в способности всех живых организмов к размножению и распространению. Живым организмам для реакций жизнедеятельности необходимы вещество и энергия. Поэтому главным свойством биосферы является постоянный обмен между организмами и окружающей средой. Из нее живые организмы получают все необходимые вещества. В окружающую среду поступают и продукты обмена веществ. Эти процессы обеспечивают функционирование биосферы как целостной системы.

Замечание 1

В процессе своей деятельности продуценты накапливают солнечную световую энергию, затем превращают ее в энергию химических связей. Именно суммарная первичная продукция автотрофов определяет суммарную биомассу биосферы в целом.

Функции биосферы

Живое вещество биосферы выполняет несколько важных функций:

1. Газовая функция состоит в том, что живые организмы способны влиять на газовый состав атмосферы, Мирового океана и почвы. Все аэробные организмы поглощают во время дыхания кислород, а выделяют углекислый газ. В процессе фотосинтеза растениями и некоторыми бактериями происходит поглощение углекислого газа и выделение кислорода.
2. Окислительно-восстановительная функция заключается в том, что с помощью живых организмов происходят окислительно-восстановительные реакции в почве, воде, воздухе.
3. Концентрационная функция состоит в том, что живые организмы поглощают определенные вещества из окружающей среды и постепенно накапливают их в своих организмах. Например, фораминиферы, моллюски, десятиногие раки накапливают в своих организмах соединения кальция и фосфора, бурые водоросли – йода.

Крупнейшим обобщением в комплексе наук о Земле (геология, география, геохимия, биология) стало учение о биосфере, созданное русским ученым В. И. Вернадским. Начав свою научную деятельность (как геолог) с изучения осадочных пород земной коры, В. И. Вернадский выявил огромную роль живых организмов в сложных геохимических процессах нашей планеты. В 1926 г. вышла его книга «Биосфера». В этом произведении глубоко анализируются сложные взаимоотношения живых организмов и неживой природы Земли. Его работа несколько опередила время. Лишь во второй половине ХХ в., на фоне обострения экологических проблем, его учение о биосфере получило широкое распространение.

Важным элементом учения В. И. Вернадского о биосфере является идея тесной зависимости биосферы от деятельности человека и сохранности ее в результате разумного отношения человека к природе. Ученый писал:

Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера. 1

В настоящее время учение о биосфере представляет собой важнейшую часть экологии, непосредственно связанную с проблемами регулирования взаимодействия человека и природы.

Впервые термин «биосфера» был употреблен Ж. Б. Ламарком в начале XIX в. Позднее он был упомянут в работе австрийского геолога Э. Зюсса в 1875 г. Однако это понятие не было детально разработано названными учеными, а использовано вскользь для обозначения области жизни на Земле. Лишь в работах В. И. Вернадского оно анализируется детально и тщательно и под ним понимается «оболочка жизни» на нашей планете.

Биосферой называют совокупность всех живых организмов нашей планеты и те области геологических оболочек Земли, которые заселены живыми существами и подвергались в течение геологической истории их воздействию.

Границы биосферы. Живые организмы неравномерно распространены в геологических оболочках Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере (рис. 1). Поэтому биосфера сейчас включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.

Рис. 1. Область распространения организмов в биосфере: 1 - уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение; 2 - граница снегов; 3 - почва; 4 - животные, обитающие в пещерах; 5 - бактерии в нефтяных скважинах

Литосфера это верхняя твердая оболочка Земли. Ее толщина колеблется в пределах 50–200 км. Распространение жизни в ней ограниченно и резко уменьшается с глубиной. Подавляющее количество видов сосредоточено в верхнем слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиметров. Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров или десятков метров (роющие животные - кроты, черви; бактерии; корни растений). Наибольшая глубина, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий, составляет 3–4 км (в подземных водах и нефтеносных горизонтах). Распространению жизни в глубь литосферы препятствуют различные факторы. Проникновение растений невозможно из-за отсутствия света. Для всех форм жизни существенными препонами служат и возрастающие с глубиной плотность среды и температура. В среднем температурный прирост составляет около 3 °С на каждые 100 м. Именно поэтому нижней границей распространения жизни в литосфере считают трехкилометровую глубину, (где температура достигает около +100 °С).

Гидросфера - водная оболочка Земли, представляет собой совокупность океанов, морей, озер и рек. В отличие от литосферы и атмосферы она полностью освоена живыми организмами. Даже на дне Мирового океана, на глубинах около 12 км, были обнаружены разнообразные виды живых существ (животные, бактерии). Однако основная масса видов обитает в гидросфере в пределах 150–200 м от поверхности. Это связано с тем, что до такой глубины проникает свет. А следовательно, в более низких горизонтах невозможно существование растений и многих видов, зависящих в питании от растений. Распространение организмов на больших глубинах обеспечивается за счет постоянного «дождя» экскрементов, остатков мертвых организмов, падающих из верхних слоев, а также хищничества. Гидробионты обитают как в пресной, так и в соленой воде и по месту обитания делятся на 3 группы:

1) планктон - организмы, живущие на поверхности водоемов и пассивно передвигающиеся за счет движения воды;

2) нектон - активно передвигающиеся в толще воды;

3) бентос - организмы, обитающие на дне водоемов или зарывающиеся в ил.

Атмосфера - газовая оболочка Земли, имеющая определенный химический состав: около 78 % азота, 21 - кислорода, 1 - аргона и 0,03 % углекислого газа. В биосферу входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь в них не может существовать без непосредственной связи с литосферой и гидросферой. Крупные древесные растения достигают нескольких десятков метров в высоту, располагая вверх свои кроны. На сотни метров поднимаются летающие животные - насекомые, птицы, летучие мыши. Некоторые виды хищных птиц поднимаются на 3–5 км над поверхностью Земли, высматривая свою добычу. Наконец, восходящими воздушными потоками пассивно заносятся на десятки километров вверх бактерии, споры растений, грибов, семена. Однако все перечисленные летающие организмы или занесенные бактерии лишь временно находятся в атмосфере. Нет организмов, постоянно живущих в воздухе.

Верхней границей биосферы принято считать озоновый слой, располагающийся на высоте от 30 до 50 км над поверхностью Земли. Он защищает все живое на нашей планете от мощного ультрафиолетового солнечного излучения, в значительной мере поглощая эти лучи. Выше озонового слоя существование жизни невозможно.

Таким образом, основная часть видов живых организмов сосредоточена на границах атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы, образуя относительно «тонкую пленку жизни» на поверхности нашей планеты.

Строение и функционирование биосферы. Биосфера - это глобальная экологическая система , состоящая из множества экосистем более низкого ранга, биогеоценозов, взаимодействием которых друг с другом и обусловлена ее целостность. Действительно, биогеоценозы существуют не изолированно - между ними существуют непосредственные связи и отношения. Например, в водные биогеоценозы ветром, дождями, талыми водами выносятся из наземных экосистем минеральные и органические вещества. Может происходить перемещение организмов из одного биогеоценоза в другой (например, сезонные миграции животных). И наконец, всех объединяет атмосфера Земли, служащая общим резервуаром для живых существ. В нее поступают кислород (выделяемый растениями в процессе фотосинтеза) и углекислый газ (образуемый в процессе дыхания аэробных организмов). Из атмосферы же растения всех экосистем черпают углекислый газ, необходимый им в процессе фотосинтеза, а все дышащие организмы получают кислород.

Существование биосферы базируется на непрерывно осуществляющемся круговороте веществ, энергетической основой которого является солнечный свет (рис. 2).

Рис. 2. Схема биогеохимической цикличности в биосфере. Справа на схеме разрез дерново-подзолистой почвы под хвойным лесом

Круговорот веществ в природе между живой и неживой материей - одна из наиболее характерных особенностей биосферы. Биологический круговорот - это биогенная миграция атомов из окружающей среды в организмы и из организмов в окружающую среду. Биомасса выполняет и другие функции:

1) газовая - постоянный газообмен с внешней средой за счет дыхания живых организмов и фотосинтеза растений;

2) концентрационная - постоянная биогенная миграция атомов в живые организмы, а после их отмирания - в неживую природу;

3) окислительно-восстановительная - обмен веществом и энергией с внешней средой. При диссимиляции окисляются органические вещества, при ассимиляции используется энергия АТФ;

4) биохимическая - химические превращения веществ, составляющие основу жизнедеятельности организма.