Биосфера Земли

1. Стремится к максимальному проявлению – возникает «всюдность» жизни;
2. Приводит к выживанию организмов, увеличивающих биологическую миграцию атомов.

Биосферу мы можем рассматривать как область земной коры, занятую трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию – электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д.

Биосферу обычно определяют как  область жизни. Но ее можно (и, вероятно, даже более точно), рассматривать как оболочку, в которой происходят изменения, вызванные попадающим на Землю солнечным излучением.

В.И. Вернадский указывал на необратимость  процессов жизни, увеличение ее свободной энергии и выраженной дисимметрии в строении живого вещества: «Дисимметрия выражена как особым характером симметрии пространства, занятого живым веществом, так и особенно явным несоответствием, скорее неравенством, – между «правым» и «левым» характером явлений (например, обобщения Пастера)»⁵. Развивая дальше понятие о принципиальном значении явления дисимметрии, В.И. Вернадский пишет: «Необходимо подчеркнуть основной вывод: явления жизни позволяют здесь идти в изучении пространства и Космоса так далеко, как это пока невозможно никаким другим путем. В этом проявляется космичность жизни. Это явно видел Пастер»⁶.

Итак, В.И. Вернадским осуществлен  первый шаг в изменении современной  научной картины Вселенной, который  характеризуется:

• введением живого вещества;
• определением его как явления планетарного или космического.

Вещество, составляющее биосферу, существенно неоднородно. Поэтому различают косное и живое вещества. Косное вещество преобладает по массе и объему. Происходит непрерывная миграция атомов косного вещества биосферы в живое и обратно. Все исследуемые объекты в биосфере следует называть естественными телами биосферы. А среди них можно различать тела живые, а также косные или биокосные, как, например, почва или озерная вода.

В.И. Вернадский подчеркивал принципиальное значение связей живого и косного вещества, фундаментальный характер биологического единства земных естественноприродных процессов: «Между косным и живым веществом есть непрерывная, никогда не прекращающаяся связь, которая может быть выражена как непрерывный биогенный ток атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно. Этот биогенный ток атомов вызывается живым веществом. Он выражается в непрекращающемся никогда дыхании, размножении и т.п.». В этом постоянном обмене, рассматривая взаимодействие живого и косного вещества в космопланетарном аспекте, В.И. Вернадский выделил несколько основополагающих свойств, среди которых – два биохимических принципа:

• Геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению.
• При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию.⁷

Важная сторона естественнонаучных обобщений, сделанных В.И. Вернадским, состояла в том, что он постоянно поддерживал космические, «вселенские» аспекты процессов и явлений, происходящих в живом веществе. Перечисляя планетарные свойства жизни, В.И. Вернадский, наряду с первым и вторым биохимическими принципами, указывал также, что «живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей». Обмен этот проявляется, в частности, в том, что живое вещество «создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца».

Основой биосферы является круговорот органического вещества, осуществляющийся при участии всех населяющих ее организмов. В закономерностях биотического круговорота решена проблема длительного существования и развития жизни. На Земле запасы доступных минеральных элементов, необходимых для осуществления жизненных функций, не могут быть бесконечными. Если бы они только употреблялись, жизнь рано или поздно должна была бы закончиться. Именно для жизнедеятельности образовался круговорот органического вещества.

Каждый вид организмов представляет собой звено в биотическом  круговороте. Используя в качестве средств существования тела или  продукты распада одних организмов, он должен отдавать в среду то, что могут использовать другие. С их помощью осуществляется естественная саморегуляция биосферы, любая форма жизни неизменно будет включаться в биотический круговорот. При этом можно выделить два свойства микроорганизмов, позволяющих им играть столь важную роль:

1. Возможность быстро приспосабливаться к различным условиям среды.
2. Способность использовать в качестве источника углерода самые различные тела.

Солнечная энергия вызывает на Земле  два круговорота веществ:

• Большой, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы.
• Малый, или биологический, круговорот.

Оба круговорота взаимосвязаны  и представляют единый процесс. Биологический круговорот веществ обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.

Растительные организмы, животные и бактерии используют для построения своих тканей многие элементы, такие как, например, водород, кислород, азот, фосфор, серу, кальций, калий, магний и многие другие. Используются также и микроэлементы.

3. Структура биосферы

Биосфера – это сложная по составу, строению и организованности оболочка. Она включает в себя:

• живые организмы;
• биогенное вещество (уголь, нефть, известняки и др.). Огромные запасы топливных ископаемых в виде газа, нефти, угля являются материалами органического характера – продуктами прошлых стадий развития биосферы;
• косное вещество (в его образовании живое не участвует);
• биокосное вещество (создается с помощью живых организмов);
• вещество космического происхождения. ⁸

Биосфера включает в себя все  живые организмы, находящиеся во взаимодействии с физической средой Земли и обитающие в атмосфере, гидросфере и литосфере. Она представляет собой открытую систему, через которую проходит поток энергии от Солнца. Живые организмы аккумулируют солнечную энергию, превращают ее в химическую и создают все многообразие жизни.

Продукты  жизнедеятельности живых систем относятся к весьма подвижным  веществам, которые перемещаются в  пространстве далеко за пределами обитания организмов, поэтому естественно, что распределение живых организмов в пространстве более ограничено, чем вся биосфера в целом.

Биосфера в главных своих  чертах может быть охарактеризована по отдельным оболочкам, которые она охватывает. Рассмотрим каждую их них.

Атмосфера как составная часть  биосферы. Атмосфера – наиболее легкая оболочка нашей планеты, граничащая с космическим пространством. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы – водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, которая определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Одним из важнейших компонентов атмосферы  является изотоп кислорода – озон (О₃). Его образование и разложение связано с поглощением ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно для живых организмов (вспомним стерилизацию живых организмов кварцем). Озон поглощает ультрафиолетовую радиацию, разлагаясь на атомарный и молекулярный кислород. Основное количество озона располагается на высоте 20—25 км, там его концентрация максимальна. Озоновый слой является «экраном» от ультрафиолетового излучения и играет исключительно важную роль в сохранении жизни на Земле.

Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности воды гидросфера проникает повсеместно в различные природные образования. Она находится в виде паров и облаков в земной атмосфере, формирует океаны и моря, существует в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов, покрывает в виде мощных ледяных панцирей полярные участки Земли. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать как естественные растворы разной степени концентрации.

Гидросфера находится в тесной связи с литосферой (подземные  воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которые она входит как отдельный компонент.

 Литосфера – поверхность твердого тела Земли. Литосфера – это земная кора, наиболее неоднородная оболочка Земли. Горные системы чередуются обширными равнинами на материках. В свою очередь, все материки – это приподнятые над уровнем моря участки земной коры.

Земная кора состоит из различных минеральных ассоциаций в виде осадочных, изверженных и метафорических горных пород различных форм залегания. В настоящее время под земной корой принято понимать верхний слой твердого тела Земли, расположенный выше сейсмической границы. Эта граница проходит на разных уровнях, на разных глубинах и отличается резким скачком сейсмических волн, возникающих при землетрясениях.

В.И. Вернадский выделил дисимметрию планеты. Если разделить земной шар по Тихоокеанскому побережью (краевым частям Восточной Азии, запада Северной и Южной Америки), то он будет состоять из двух полушарий:

• континентального, где сосредоточены все материки совместно с Атлантическим и Индийским океанами;
• океанического, которое займет площадь всего Тихого океана.⁹

Такой характер планетарного рельефа  нашей планеты имеет глубокие корни. Прежде всего он связан со строением и составом земной коры в пределах континентального и океанического полушарий. Континентальная часть земной коры в течение длительное геологической истории находилась в ту или иную эпоху в области биосферы, что наложило свой отпечаток на облик, состав и распространенность осадочных горных пород и сосредоточенных в них месторождений полезных ископаемых в виде угля, нефти, горючих сланцев, кремнистых и карбонатных пород, связанных в прошлом с жизнедеятельностью организмов. Поэтому континентальная земная кора имела и имеет прямое и косвенное отношение к биосфере Земли.

Таким образом, установить границы  биосферы во времена В.И. Вернадского было невозможно. Да и сейчас, когда уже получены научные данные о существовании жизни во всей толще вод мирового океана, а также исследованы на «заселенность» многие области Земли с экстремальными условиями, границы биосферы все еще определяются приближенно.

Косное вещество биосферы. Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов. Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и ограничена слоем озона, который задерживает губительные для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана – до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и условием проникновения воды в жидком состоянии.

Живые организмы (живое вещество). Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43х10¹²т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и 0,8% – животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов – 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03х10 ¹² т, или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.

В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов – беспозвоночные и только 4% – позвоночные, из которых десятая часть – млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы¹⁰.

4. Эволюция биосферы

Живое вещество резко обособлено от окружающей косной среды в форме миллиардов организмов, размеры которых колеблются от сотен метров до 10^-6 см. Они представляют собой автаркические центры энергетических и физико-химических процессов и непрерывно связаны с окружающей средой биогенной миграцией атомов этой среды в них и из них. Законы физики и химии в живом веществе те же самые, которые мы наблюдаем во всей остальной природе, но они не охватывают целиком всех явлений жизни.

Для живого вещества на планете Земля  речь идет не о новой геометрии, а об особом природном явлении, свойственном пока только живому веществу, о явлении пространства – времени, геометрически не совпадающем с пространством, в котором время проявляется не в виде четвертой координаты, а в виде смены поколений. Таким образом, организм сам создает свое вещество и резко отграничен от евклидово-ньютоновского или эйнштейновского понимания его окружения¹¹.

Живое вещество в биосфере играет активную роль и ни с чем, ни с  какой геологической силой не может даже быть сравниваемо по своей  мощности и непрерывности во времени. В сущности, оно определяет все основные химические закономерности в биосфере. Структура биосферы, функционирующая в течение не менее двух миллиардов лет, очень закономерна и резко отличается от механических структур наших приборов и аппаратов. В биосфере в жизненном процессе проявляется то же самое явление, которое в косной среде наблюдается только в условиях высокой температуры и давления¹².