Учение о биосфере В. И Вернадского

      В строении и морфологии биосферы исключительно важное значение для развития живого вещества имеют следующие ее элементы (сверху вниз):

•             слой живого вещества, так называемая «пленка жизни»;
• педосфера, или почвенный покров;
• ландшафтно-экологические системы – функциональные системы, включающие живые организмы и среду их обитания;
• кора выветривания, т. е. зона разрушения и преобразования горных пород, их минерально-геохимических изменений в верхней части земной коры под воздействием различных факторов;
• древняя биосфера (палеобиосфера) – комплекс горных пород, рельефа и других ландшафтных компонентов, залегающих ниже современной биосферы и погребенных под ее новейшими образованиями. Это горные породы, рудные и нерудные минералы, химические элементы, широко используемые в промышленности;
• многочисленные минералы верхней части земной коры и биосферы: глины, известняки, бокситы и т. д.;
• природные воды осадочной оболочки;
• миллионы органических и органоминеральных соединений: уголь, графит, гумусовые вещества, нефть, природные газы;
• минеральные ресурсы биосферы и земной коры, распространенные в форме свободных элементов: меди, серебра, золота, висмута, платины и т. д. Все они – главный источник сырья для металлургии, химической промышленности и многих других отраслей. Их добыча и использование в экономике растут год от года.

      Из  сказанного вытекает, что биосфера является результатом  сложнейшего  механизма геологического и биологического развития косного и биогенного вещества. С одной стороны, это среда  жизни, а с другой – результат  жизнедеятельности. Главная специфика  современной биосферы – это четко  направленные потоки энергии и биогенный (связанный с деятельностью живых  существ) круговорот веществ.

      Разрабатывая  учение о биосфере, В.И. Вернадский пришел к выводу, что главным трансформатором  космической энергии является зеленое  вещество растений. Только они способны поглощать энергию солнечного излучения  и синтезировать первичные органические соединения . Для объяснения большой  суммарной энергии биосферы ученый произвел расчеты, которые действительно показали огромное значение фотосинтезирующих растений в создании общей органической массы. Ученый подсчитал, что поверхность Земли составляет меньше одной десятитысячной поверхности Солнца. Общая же площадь трансформационного аппарата зеленых растений в зависимости от времени года составляет уже от 0,86 до 4,2% площади поверхности Солнца. Разница колоссальная. Этот зеленый энергетический потенциал и лежит в основе сохранения и поддержания всего живого на нашей планете.

      В.И. Вернадский так же, как и Ламарк 140 лет назад попытался дать главные  исчерпывающие признаки каждого  царства живого. И чем больше он вникал в проблему, тем более ясно становилось, что вырисовывается новый  разрез мира. В.И. Вернадский составил таблицу из 16-ти пунктов, где рассмотрел несходство живого и неживого в физическом, химическом и термодинамическом  смысле.

      Анализ  таблицы показывал, что в природе  нет никаких переходов от неживого к живому: они настолько противоречивы, что живое ни при каких условиях не может происходить от неживого. Организм и косную материю разделяет  непроходимая стена. Принцип итальянского естествоиспытателя и врача Франческо  Реди, гласящий, что живое происходит только от живого, между живым и  неживым веществом проходит резкая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие, - получил свое подтверждение . 

Структура и функции биосферы

     Атмосфера. Это воздушная оболочка,  состоящая в основном из азота и кислорода; достигает мощности до 20000 км. В меньших концентрациях она содержит углекислый газ и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и особенно биологические процессы на земной поверхности и в водной среде. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего органического вещества, углекислый газ, расходуемый при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Вне атмосферы существование живых организмов невозможно. Это видно на примере лишенной жизни Луны, у которой нет атмосферы. Исторически развитие атмосферы связано с геохимическими процессами, а также жизнедеятельностью организмов. Так, азот, углекислый газ, пары воды образовались в процессе эволюции планеты благодаря (в значительной мере) вулканической активности, а кислород – в результате фотосинтеза.

      Гидросфера. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) заключена в Мировом океане, который занимает примерно 70% поверхности Земного шара. Общая масса океанических вод составляет свыше 1300 млн. км³. Около 24 млн. км³ воды содержится в ледниках, причем 90% этого объема приходится на ледяной покров Антарктиды. Столько же воды содержится под землей. Поверхностные воды озер составляют приблизительно 0,18 млн. км³ (из них половина соленые), а рек – 0,002 млн. км³.

      Количество  воды в телах живых организмов составляет примерно 0,001 млн. км³. Из газов, растворенных в воде, наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в океанических водах изменяется в широких пределах в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа также варьирует. А общее количество его в океане в 60 раз превышает его содержание в атмосфере.

      Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого обычно не превышает нескольких метров. Почвы представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими веществами – продуктами жизнедеятельности организмов.

      Биотический круговорот. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органическое вещество, которое другими живыми существами – гетеротрофами – разрушается, с тем, чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов.

      Важная  роль в глобальном круговороте веществ  принадлежит циркуляции воды между  океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на многие километры. Выпадая на поверхность  суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный  слой и уходит вместе с растворенными  в ней химическими соединениями и взвешенными органическими  частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. т воды. Энергия, затрачиваемая на испарение  воды, возвращается в атмосферу. Циркуляция воды между Мировым океаном и  сушей представляет собой важнейшее  звено в поддержании жизни  на Земле и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой  природой.

      В качестве примеров биотического круговорота  рассмотрим круговороты углерода и  азота в биосфере. Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферного диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся при фотосинтезе углеводов используют сами растения для получения энергии, часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане.

      Круговорот  азота также охватывает все области биосферы. Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после соединения его с водородом или кислородом. Исключительно важную роль в этом процессе играют азотфиксирующие бактерии. При распаде белков этих микроорганизмов азот снова возвращается в атмосферу.

      Показателем масштаба биотического круговорота  служат темпы оборота углекислого  газа, кислорода и воды. Весь кислород атмосферы проходит через организмы  примерно за 2 тыс. лет, углекислый газ  – за 300 лет, а вода полностью разлагается  и восстанавливается в биотическом  круговороте за 2 млн. лет.

Границы биосферы

      Горизонтальных  границ у биосферы нет, и речь следует  вести только о ее вертикальной размерности.

      Верхняя граница распространения жизни  в атмосфере определяется, по всей видимости, не столько низкими температурами, сколько губительным действием  солнечной радиации. Так, пыльца цветковых  и голосеменных растений, споры грибов, мхов, папоротников и лишайников, бактерии и простейшие животные организмы  постоянно или с сезонной ритмикой присутствуют в воздухе. Над сушей  и акваторией в дожде, снеге, в  облаках и туманах кроме пыльцы и спор обнаружены микроорганизмы. Вся воздушная среда представляет собой суспензию жизнеспособных пыльцы, спор и микроорганизмов, содержание которых уменьшается с высотой. Интенсивность радиации, создаваемой  космическими лучами, на высоте 9 км в  десятки раз больше, чем на уровне моря, а на высотах 15-18 км возрастает уже в сотни раз. Высотное распространение  микроорганизмов ограничивается в  основном потоком жесткой ультрафиолетовой радиации Солнца, убивающей все живое.

      Можно утверждать, что вся тропосфера, высота которой 8-10 км в полярных широтах  и 16-18 км у экватора, в большей  или меньшей степени заселена живыми организмами, которые находятся  в ней либо временно, либо постоянно. Уже в тропопаузе резко изменяются физические и температурные характеристики биосферы, в частности прекращается интенсивное турбулентное перемешивание  воздушных масс. Стратосфера, находящаяся  выше тропопаузы, вряд ли пригодна для  существования микроорганизмов. Верхний  предел биосферы, или поля существования  жизни, довольно ясно просматривается  в тропопаузе. Однако верхний предел занесения спор и микроорганизмов, определяющий “поле устойчивости жизни” (живые организмы существуют, но не размножаются), возможен до верхней  границы стратосферы.

        Таким образом, область распространения  живых организмов ограничена  в основном тропосферой. Например, верхняя граница полета орлов  находится на высоте 7 км; растения  в горных системах и насекомые  в воздушной среде не распространены  выше 6 км; верхняя граница постоянного  обитания человека – 5 км, обрабатываемых  земель – 4,5 км, леса в горных  системах тропиков не растут  выше 4 км.

      Тропосфера  представляет собой воздушную среду, в которой осуществляется только передвижение организмов, нередко при  помощи своеобразно приспособленных  для этого органов. Настоящего аэропланктона, постоянно обитающего и размножающего  в воздушной среде, видимо, нет. В  противном случае тропосфера представляла бы собой “кисель”, максимально  насыщенный микроорганизмами. Весь цикл своего развития, включая размножение,  организмы осуществляют только в  литосфере и гидросфере, а также  на границе воздушной среды с  этими оболочками.

      Верхние слои тропосферы и стратосферы, в  которые возможно занесение микроорганизмов, а также наиболее холодные и жаркие районы земного шара, где организмы  могут существовать лишь в покоящемся состоянии, называются парабиосферой.

      В состав биосферы полностью включается гидросфера – озера, реки, моря и  океаны. В морях и океанах наибольшая концентрация жизни приурочена к  эвфотической зоне, куда проникает  солнечный свет. Обычно ее глубина  не превышает 200 м в морях и  континентальных пресноводных бассейнах. Именно в фотобиосфере, где возможен фотосинтез, сосредоточены все фотосинтезирующие  организмы и продуцируется первичная  биологическая продукция.

      Афотическая зона (меланобиосфера), начинающаяся с  глубины 200 м, характеризуется темнотой и отсутствием фотосинтезирующих  растений. Она представляет собой  водную среду обитания активно перемещающихся животных. Вместе с тем через нее  непрерывным потоком опускаются на дно морей и океанов отмершие растения, выделения и трупы животных.

      О нижнем, литосферном, пределе биосферы ясного представления пока нет. В  большинстве работ, посвященных  биосфере, указывается, что ее нижний предел на континентах составляет в  среднем 2-3 км. Здесь в условиях низких, по сравнению с более глубокими  слоями, температуры и давления, но при участии живых организмов (микроорганизмов) и воды, прекращается миграция химических элементов. Микробиологические исследования свидетельствуют о  том, что микроорганизмы присутствуют также в пластовых водах, омывающих  нефть, хотя сама нефть стерильна.