Строение и свойства биосферы. Биосфера основные понятия о структуре биосферы основные понятия о структуре биосферы Карта биосферы

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.

Если вы заканчивали биофак, то наверняка знаете, что такое биосфера. Для остальных, кто не знает, что называют биосферой, поясним, что биосфера представляет собой оболочку Земли, заселенную растениями, животными, микроорганизмами, людьми и преобразованную ими. Это область существования живых организмов Земли. Такое определение правильным, если верить аксиоме, что монополией на жизнь обладает только наша планета.

Принимая же гипотезу, что живые формы существуют за ее пределами, можно утверждать, что биосфера может располагаться не только на Земле. Учитывая, что, по мнению исследователей, область существования и жизнедеятельности живых организмов присутствует даже в скрытых полостях наподобие подледных океанов, то такое предположение не покажется фантастическим. Например, велика вероятность присутствия живых существ на Европе, спутнике Юпитера.

Быстрая навигация по статье

История возникновения термина

Впервые в биологии термин «биосфера» ввел ученый из Австрии Эдуард Зюсс в 1875 году. Теперь вы знаете, в каком году появился термин. Но задолго до того, как термин «биосфера» был введен Зюссом, его принципы впервые применил и подробно сформулировал французский исследователь Жан Батист Ламарк. Правда, название термина у Ламарка было другим.

Биосфера, что в переводе с греческого языка означает «сфера жизни», рассматривалась как система живых организмов, существующая в тесном контакте с минеральными элементами и подверженная их влиянию. И только советский академик и философ Вернадский учел факторы, оказывающие влияние на формирование всего окружающего мира.

Благодаря этому считается, что этот ученый – автор и создатель функционального учения о сущности биосферы, которое признано сегодня во всем мире. Он впервые ввел в науку многие определения, которыми пользуются ученые всего мира, в том числе и представление об иерархической структуре биосферы. Вернадский писал, что живое вещество оказывает заметное влияние на процесс преобразования планеты и ее строение. Он подробно описал состав и функции биосферы.

Где расположена биосфера

Рассмотрим, что входит в биосферу. Пределы биосферы в глубину поверхности Земли простираются на многие километры. Вся толща вод морей и океанов наполнена живыми организмами вплоть до самых глубоких впадин. Верхняя граница существования живых организмов находится примерно на высоте 45 километров от поверхности и ограничена озоновым слоем. Он играет важную роль в существовании биосферы, защищая земную поверхность от губительного космического излучения, убивающего все живое.

Наука считает, что биосфера состоит из трех оболочек:

литосферы;
гидросферы;
атмосферы.

Литосфера как самая плотная составляющая оболочки биосферы начинается у поверхности Земли и простирается на несколько километров вниз. Это геологическая оболочка в составе биосферы. Зона обитания живых организмов под землей ограничена. С увеличением расстояния от поверхности температура увеличивается. На определенной глубине жизнь невозможна из-за слишком высокой температуры и давления.

Гидросфера как среда, занимающая большую часть земной поверхности, состоит из воды. Вся водная масса, входящая в биосферу, неравномерно насыщена живыми организмами. Больше всего их находится у поверхности, вблизи суши и на дне.

Когда говорят об атмосфере, в основном подразумевают слои от верхушек деревьев до нижнего края озонового слоя. Это оболочка, имеющая самую малую плотность. В состав биосферы не входят слои атмосферы, расположенные выше озонового слоя.

Биосфера и ее составляющие

Биология полагает, что биосфера включает в себя четыре вида вещества. Вот какие виды определяют состав и строение биосферы:

Эти вещества составляют биосферу. Кроме них, биосфера включает в свой состав:

вещества космического происхождения;
радиоактивные элементы;
рассеянные атомы, образующиеся при расщеплении веществ под действием космического излучения.

Под биосферой понимают общность всех живых организмов планеты. Землю населяет около 3 миллионов видов разнообразных живых существ. Попробуйте, охарактеризуйте их! Можно растеряться от такого разнообразия! О существовании многих из них мы даже не представляем. Они обитают в различных условиях, что делает их непохожими друг на друга. Организмы взаимодействуют между собой в границах отдельных биогеоценозов. А схема строения биосферы представляет собой структуру, организованную в виде множества биогеоценозов. Другими словами, в состав биосферы входят биогеоценозы. Их состояние является необходимым условием существования и развития биосферы. Поэтому биогеоценозы называют кирпичиками, из которых состоит биосфера планеты. Биосфера – это совокупность всех биогеоценозов планеты. Все составляющие биосферы важны. Если один из них будет поврежден, то и все здание станет менее устойчивым. На биосферу в целом влияет состояние каждого биогеоценоза.

Происхождение и развитие жизни на Земле

Существует множества версий, откуда появилась живая оболочка Земли. Так как достоверной информации нет, называется великое множество версий. Одни полностью уверены в божественном происхождении. Другие считают, что это, в общем, было редчайшим совпадением, создавшим из набора неживых элементов живой организм. Третьи полагают, что предки всего живого на нашей планете прибыли из космоса.

Есть даже полуфантастическая версия, что исследователи из другой галактики прибыли на Землю, выбирая место для основания новой колонии. Они решили, что планета малопригодна, и, улетая, оставили мусор. Биологические остатки, присутствующие в нем, послужили основой для зарождения жизни на Земле.

Если у вас есть свой вариант, того, как протекал этот процесс, опишите и поясните его. Он имеет такое же право на существование, как и предыдущие. Это вопрос философии.

Опишем кратко, как возникла и развивалась жизнь на Земле.

Глобальные процессы, вызвавшие появление и распространение живых организмов, начались в гидросфере. Затем жизнь из этой оболочки биосферы распространилась на сушу. Дальнейшее преобразование довершили процессы, протекающие в биосфере. Появившиеся наземные растения начали активно преобразовывать состав атмосферы и ее строение, делая планету все более пригодной для жизни сложных организмов. Менялся химический состав биосферы. Путем фотосинтеза происходила выработка кислорода, необходимого для дыхания животных. В верхних слоях атмосферы часть кислорода превращалась в озон, который послужил защитой от космической радиации.

В первичной атмосфере планеты, при мощных электрических разрядах, а также под действием утра фиолетового излучения и высокой радиации могли образовываться органические соединения, которые накапливались в океане

Биосфера включает в себя и человечество – венец природы. Роль биосферы для существования людей как биологического вида важна. Люди являются достаточно разумными, чтобы целенаправленно видоизменять окружающую среду, делая ее более пригодной для своего обитания.

Созданная природой система совершенна, но стоит задуматься, вечна ли она?

Активное воздействие на элементы биосферы оказывают антропогенные факторы, далеко не всегда положительно влияющие на окружающую среду. Мы уничтожаем других представителей биосферы на Земле, загрязняем атмосферу и Мировой океан, создаем электромагнитные излучения, меняем климат. Последствия техногенные катастроф, происходящих на планете со второй половины прошлого века, приходится преодолевать десятилетиями. Нарушена экология. Созданное людьми оружие массового поражения, если будет пущено в ход, способно уничтожить жизнь на Земле.

В данный момент человеческая деятельность несет угрозу существованию не только своего вида, но и всего живого. Если не принимать меры, то будущего у человечества нет. Какой же выход есть из этой ситуации?

Выход впервые предложил все тот же В. И. Вернадский. Он предположил, что будущее биосферы определяется человеком. Он создаст новую систему, комфортную для совместного проживания, развития и размножения живых организмов. Для этой новой среды он использовал определение «ноосфера». Для формирования ноосферы необходим ряд условий:

расселение человека разумного по всей территории планеты и его господствующее положение над другими биологическими видами;
революция в развитии средств связи и возможность быстрой коммуникации между любыми точками планеты;
возможность появления и активного использования атомной энергетики;
в мировом сообществе преобладают демократические установки, дающие широким народным массам реальные рычаги управления;
внушительная часть населения планеты вовлечена в научную деятельность.

Возможно, некоторые пункты звучат наивно, но не будем забывать, что данные постулаты были выдвинуты много десятилетий назад человеком, который исследовал глобальные процессы развития человечества и среды его обитания.

Другое направление, в котором движется человечество, это попытки самостоятельного создания биосферы. Известно, что биосфера является открытой системой в экологии, которая требует постоянного притока солнечной энергии, а сама выделяет тепло. И биосфера, что будет создана искусственно, предполагает автономное существование во враждебной для человека среде. И ее строение должно способствовать решению этой задачи.

Значение биосферы для человечества огромно. Мы не способны выжить без нее. К. Э. Циолковский ввел в научную литературу, посвященную освоению космоса, идею их создания. Такой системой является искусственная биосфера. Это понятие впервые употребил Циолковский. Если воссоздать ее на другой планете, толщина биосферы обеспечит условия, позволяющие человеку выжить. Пока получить независимую биосферу не удалось, но исследования в этом направлении продолжаются.

Искусственная биосфера

Каждый человек бережно относится к своему дому, автомобилю, заботится о детях. Биосфера, что нас окружает, – это тоже наш дом. Мы обитаем в нем и пользуемся его благами. Но если его разрушить, нам негде будет жить, из чего делаем вывод, что следует беречь этот дом, чтобы можно было передать его своим потомкам. И он будет чист и прекрасен.

Биосфера — уникальная оболочка нашей планеты. Все предыдущие, рассмотренные нами, оболочки в той или иной степени существуют на других планетах , но только , по всей видимости, нет ни на одной из них, кроме Земли. Возможно, раз жизнь есть на нашей планете, она существует и в других уголках Вселенной, также вероятно, что это весьма распространенное явление, но пока ученые еще только ищут жизнь за пределами нашей планеты и единственной из них, где обнаружена жизнь остается Земля. Кто знает, может, это единственная планета, где каким-то неведомым образом зародилась жизнь?

Откуда она возникла на Земле, действительно никто пока не имеет представления. Жизнь — слишком сложное явление, чтобы она возникла случайно, и о процессах, которые могут привести к её появлению мы пока ничего не знаем. Но факт остается фактом — на Земле существует и процветает жизнь. Всю историю существования нашей планеты, длящуюся 4,5 миллиарда лет, ученые разделили на две большие части — два эона: Криптозой и Фанерозой. Криптозойский эон — это эон «скрытой жизни». В геологических слоях этого периода в не находят никаких следов жизни на планете. Это не может однозначно указывать на то, что её не было в это время вовсе, но никаких свидетельств её наличия не отмечается, возможно, она была долгое время слишком примитивной — на уровне одноклеточных организмов, не сохраняющихся в виде окаменелостей. Фанерозойский эон начался 570 миллионов лет назад, ознаменовавшись так называемым «Кембрийским взрывом». В этот период заканчивается Докембрийская или Архейская геологическая эпоха и начинается Палеозой. Палеозойская эра — это эра «древней жизни». В этот момент появляются практически все типы живых существ: моллюски, брахиоподы, черви, иглокожие, членистоногие, хордовые и другие — поэтому данный момент и был назван «взрывом». Уже через 100 миллионов лет появляются первые позвоночные, а 400 миллионов лет назад жизнь начинает выбираться на сушу — возникают земноводные. Хотелось бы заметить, что жизнь возникла в океане и долгое время не могла выбраться на сушу, так как пока не сформировалась кислородная и озоновый слой, защищающие все живое от смертельной солнечной радиации, суша была непригодна для жизни. В этот же период начинается расцвет наземных растений — появляются плауны, хвощи, папоротники, вслед за растениями появилась почва. Палеозой заканчивается 251 миллион лет назад крупнейшим массовым вымиранием живых существ, за всю её историю. Что произошло в этот период остается неизвестным, очевидно, на планете произошли колоссальные климатические изменения. Некоторые палеонтологи считают, что на Земле случился сильнейший период, охвативший всю планету. Однако, после Палеозоя наступил Мезозой, и жизнь на планете восстановилась вновь. Мезозой стал эпохой динозавров, которые царствовали на планете около 200 миллионов лет. Но 65 миллионов лет назад снова произошло массовое вымирание видов. Все динозавры исчезли с лица планеты. Предположительно, в Землю врезался крупный метеорит, радикально изменивший её климат. С этого момента началась Кайнозойская эра, которая длится до сегодняшнего дня. Кайнозой стал эпохой , а около 2 миллионов лет назад среди них выделился человек.

Сегодня жизнь проникла во все уголки Земного шара, она есть на самом , в горячих источниках, на самых высоких горах, в жерлах вулканов и подо льдом . Она проникла повсеместно, там где жизнь исчезает по каким-то причинам вскоре она восстанавливается вновь, приспосабливаясь к все более новым и тяжелым условиям окружающей среды. Многообразие живых организмов на планете огромно, оно насчитывает миллионы животных, растений, грибов и микроорганизмов. Сама биосфера — это по сути непрерывное пространство, на котором расположились все эти виды. Они взаимодействуют между собой за счет огромного количества биологических связей, образуя единую, глобальную экосистему. Разумеется, разные живые организмы приспособились к разным природным условиям, потому на Земле сформировалось несколько природных зон, характеризующихся особыми природными условиями и видами, населяющими их.

Биосфера (от био и сфера) – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу (совокупность водных объектов земного шара) и верхнюю часть литосферы (внешняя сфера твердой Земли, включающая кору и часть верхней мантии - субстрат). В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны, взаимодействуют между собой, образуя целостную динамическую систему.

Как устроена биосфера. Биогеоценоз, как экосистема, является элементом биосферы, как системы, и находится с ней в сложных иерархических отношениях, подобных отношению организма и клеток его тканей, эти отношения имеют несколько иерархических уровней организации (ткани, органы, системы органов и т.д).

Рис.5. Слой биосферы

Слой биосферы (рис.5) достигает толщины в 12-17 км: несколько меньше в области суши и больше в области океана. Эта разница, как и различие среды жизни на материках и в мировом океане, определяет разделение биосферы на три крупнейшие меросферы (греч. meros часть, доля), две из которых - геобиосфера и гидробиосфера (греч. gehyros - влажный). Составной частью является и воздушный океан, который также биологически населен, хотя и спорадически, главным образом микроорганизмами, существующими в капельках воды. Это третья меросфера аэробиосфера (греч. aer воздух ).

Меробиосферы распадаются на довольно четко прослеживаемые слои со своими бионтами (греч. biontos - живущий организм). Аэробиосфера, населенная аэробионтами, в свою очередь, делится на тропобиосферу - пределы нижних частей атмосферы (греч. tropos поворот, изменение), включая высоту сохранения положительных температур, и альтобиосферу (лат. altus - высокий) область выше этих пределов, где царствует вечный мороз, но жизнь возможна из-за солнечной инсоляции. Этот слой аналогичен золотой зоне на суше (см. ниже). В атмосферной тропосфере в теоретическом ее вертикальном пределе (граница между тропосферой и стратосферой) лежит альтобиосфера. Выше ее организм жить не в состоянии из-за жесткого ультрафиолетового облучения.

Туда организмы и их споры попадают лишь случайно. Эта парабиосфера (от греч. para возле, при), или надбиосфера, простирается максимум на 40 км над землей. Выше, куда живые организмы уже не попадают, но не исключены биогенные вещества, расположена апобиосфера (греч. apo без). Это место обитания космических кораблей со своим миром биобагажа, захваченного с поверхности Земли. Он называется артебиосферой (от лат. arte искусственно).

Спускаясь по слоям гидросферы в глубины вод, мы столкнемся с явной разницей между живыми субстанциями Мирового океана, континентальных водоемов и водотоков со стоячими и текучими водами. Очевидно, что океанобиосфера, или маринобио-сфера (лат. marinus - морской), включающая маринобионты, и аквабиосфера (лат. akwa - вода) - вода суши, включающая аквабионты, составляют отдельные природные системы. Их вертикальное деление связано с потоками света и тепла. Ближе всего к поверхности лежит хорошо освещаемая и лучше прогреваемая фотобиосфера (греч. photos - свет), ниже слой, куда попадает очень небольшая часть солнечных лучей, но где еще возможен фотосинтез , осуществляемый микроорганизмами (дисфотобиосфера - сфера, противоположная фотосфере). Наконец, еще глубже - мрак и огромное давление (афотобиосфера океана и глубочайших озер мира - сфера без света).

Функционально отличаются воды суши: реобиосфера (греч. rheos течение) водотоки и лимнобиосфера (греч. limne - озеро) стоячие водоемы, или озера. В соответствии с делением озер на пресноводные и солоноватые лимнобиосферу можно разделить на дульцилимнобиосферу (от лат. dulcuo - пресноводный) и галолимнобиосферу (от греч. gals - соль).

Над самой поверхностью суши расположена фитобиосфера - область произрастания растений - фитосреды (греч. phyton растение). Фитосфера, как и верхний слой фотосферы Мирового океана, - наиболее продуктивный слой биосферы. Его называют активной пленкой жизни. Часть биосферы в пределах суши может быть названа террабиосферой, включающей террабионты (от лат. terra - земля, суша).

Растения поднимаются в горы до высоты примерно в 5 км. Дальше царствует вечный мороз, но жизнь и здесь теплится. Тут обитают некоторые паукообразные и микроорганизмы, питающиеся частицами растений, их пыльцой и органическими останкам, приносимыми снизу. Как и в вертикальном поясе альтобиосферы, энергетика живого здесь базируется на прямой солнечной инсоляции. Это эоловая зона, или эолобиосфера (Эол - греч. aiolos - в греческой мифологии повелитель ветров).

Корни растений уходят в почву, и она составляет педобиосферу (от греч. pedon - почва). С этого пограничного между атмосферой и литосферой слоя с его педобионтами начинается литобиосфера с ее литобионтами (греч. lithos - камень). До кислородной границы т.е. до тех слоев литосферы, куда проникает атмосферный воздух (глубина от одного до нескольких километров) лежит гипотеррабиосфера (греч. hypo - внизу), т.е. подземная сфера, где жизнь базируется на потоке биогенов (организмов), поступающих из фитосферы, и продукции организмов - хемосинтетиков. Глубже живое очень разрежено, и в основном организмы могут обитать лишь в подземных, глубинных водах. Аэробное дыхание (греч. aer - воздух) из-за отсутствия кислорода здесь исключено, это царство анаэробионтов (анаэробов), составляющих теллуробиосферу (лат. tellus - земля). В пределах гипотерробиосферы существует немало мест обитания живого в подземных водах: пещерных водоемах и пластовых водах. Эти организмы называют стигобионтами, или троглобионтами (от греч. Стикс - мифологическая река подземного царства; и греч. troglese - пещера). Живут организмы в этих водах главным образом благодаря потоку биогенов с поверхности земли. Местной биопродукции им не хватает, и поэтому они зависят от водных потоков под землей.

Глубже под теллуробиосферой расположен слой, куда организмы попадают случайно и часто не по своей воле. Это гипобиосфера (“подбиосфера”) - аналог парабиосферы в атмосфере. Еще глубже, на глубинах 5-6 км, царствует нестерпимая для живого жара и невероятное давление горных пород. Здесь начинается слой метабиосферы, где прослеживаются еще биогенные породы, но жизни как таковой нет (греч. meta - после, за). Наконец, еще глубже лежит абиосфера (греч. a + bios - нежизнь), где не ощущается никакого воздействия жизни - все стерто глубинными процессами литосферы.

Как глубоко проникает жизнь в глубины планеты, пока не совсем ясно: в буровых скважинах, на глубине до 4 км, обнаружены микроорганизмы, а микробиологические останки - до 7 км. С повышением давления вода не кипит при температурах 100° C и выше. Так, в “черных курильщиках” - выходах термальных вод на дне океана - на глубинах в 3 км при давлении около 300 атмосфер есть жизнь при температуре в 250° C. Перегретая жидкая вода в литосфере обнаружена на глубинах до 10,5 км. Теоретически здесь может быть что-то живое. Но глубже 25 км, по расчетам, должна существовать критическая температура в 460° C, при которой в условиях любого давления среды вода неминуемо превращается в пар, а поэтому жизнь невозможна.

Если область современного обитания живых организмов имеет вертикальную протяженность 12 - 17 км, то сфера случайного попадания организмов и осадочных биогенных пород (мегабиосфера - “большая” биосфера) занимает слой примерно в 50 км: от нижних границ парабиосферы (греч. para - возле) до нижних ее границ - метабиосферы (греч. meta - после). Вместе с артебиосферой (лат. arte - искусственно) все пространство проникновения жизни называют панбиосферой (гр. приставка pan со значением: охватывающий все).

Области биосферы на земле можно рассматривать в процессе ее изменений по мере эволюции жизни на земле, т.е. рассматривать хронобиосферу (греч. chronos - время). В процессе эволюции биосфера земли непрерывно расширялась, охватывая все более широкие земные сферы и даже покидая их пределы, например, в результате высадки людей на Луне. По наиболее распространенной гипотезе жизнь возникла и начала распространятся только в первичном океане (возможно, и в литосфере), затем она заселила речные воды и континентальные водоемы и вышла на сушу. Возможно, одновременно с поселением в океане живое оказалось и в литосфере, поначалу там, где смыкалась водная стихия и земная твердь, а затем и повсеместно. Наконец, микроскопические существа начали осваивать самую негостеприимную среду атмосферы: капельки воды (тумана) и затем частицы твердого вещества (аэрозоля) в ней.

Все поле жизни не может не иметь и горизонтальной структуры, функционального членения на просторах Земли. Это, конечно, не разделение на плоскости, потому что все экосистемы планеты - объемные образования, имеющие три измерения, но распространение жизни и ее изменение идет как по вертикали, так и по горизонтали земных пространств. Это усвоило еще совсем древнее человечество, люди кочевавшие, как и звери, в поисках обильной пищи.

Сначала на уровне практического, а затем и научного знания было подмечено, что мир живого меняется с продвижением от экватора к полюсам с юга на север или наоборот с севера на юг. На этой основе учеными, прежде всего географами, было предложено множество схем деления лика планеты. К этим географическим членениям мы еще вернемся позже, когда будем говорить о мозаике жизни, а сейчас попробуем пройти ступеньками лестницы организации экологических систем - “кубиков” построения биосферы Земли.

Здесь, забегая далеко вперед, необходимо определить, что под экосистемой, являющейся подсистемой биогеценоза (биосферы), мы понимаем функциональное целое, состоящее из находящихся в тесном единстве организмов и среды их обитания. При этом количество и качество энергии, газов, воды, твердого или жидкого субстрата и населяющих экосистему организмов, в силу тесных связей внутри ее, заметно отличается от таких же показателей в соседней экосистеме. Одна экосистема, если не зримо, морфологически, то функционально отчленена от соседней. Обычно границы между экосистемами составлены более или менее широкими переходными полосами.

Сфера жизни с населяющими ее микроорганизмами, грибами, растениями и животными аналогична, как система, организму, состоящему из клеток, тканей, органов. И, как в организме, чем крупнее образование, тем четче его границы. Печень не спутаешь с сердцем, но на клеточном уровне эта дифференциация меньше: мышечные клетки (ткани) в разных органах аналогичны. Хотя в определенном порядке, но все же перемежаются клетки жировые, соединительнотканевые, гладких мышц, поперечно-полосатых мышц и т.д.

Организм сравнительно легко обозрим, но биосфера огромна, единым взглядом ее не окинешь, лишь с высоты космического полета. Но оттуда уже мало что видно. Приходится мысленно нарезать “пирог” огромного “сверхорганизма” биосферы, состоящего из живого вещества и среды его обитания. А сделать это по естественным границам непросто.

Как уже было сказано, эти границы функциональны и не везде видны на глаз. Во многих местах они стерты человеческой деятельностью, да и от природы нечетки: жестких граней природа почти не терпит. Суша, вода и воздушная среда плавно не переходят друг в друга, но их обитатели: земноводные, растения, животные, летающие организмы - “нарушают” эти границы. Четкость границ леса и его опушки, как правило, свойственна естественному образованию. Резкий характер границ обусловлен антропогенным воздействием: выкашиванием травы, выпасом скота, вытаптыванием и т.п.

Некоторые ученые, совершенно справедливо обращая внимание на единство живого покрова Земли, отрицают наличие экосистем и их иерархии. Они говорят о континууме (лат. continuum - непрерывное, сплошное) жизни, постепенном изменении свойств ее проявления. Эта точка зрения верна и в то же самое время слишком абсолютна. Жизнь есть функциональное единство одновременно непрерывности и дискретности. Например, каждый индивид самостоятелен, но вместе с тем входит во множество групп, без которых он не в состоянии либо существовать, либо дать потомство.

Трудности структуризации жизни велики, но попробуем сложить “кубики” биосферы в самом простом и лучше всего изученном месте, на суше.

Еловый и сосновый лес, липняк и дубрава, если они составлены из одной лесной породы, луг и соседствующий с ним лесной колок легко отличить друг от друга. Это элементарные экосистемы, “клеточки” биосферы на суше, биогеоценозы.

Озеро, лужок вокруг него и окаймляющий их лесок - это обычное сочетание биогеоценозов в равнинной Западной Сибири. Или расположенные рядом луга, кустарники, а кое-где ельники в речной долине связаны с водой, ее деятельностью. Подобное явное единство можно назвать биокомплексом .

Если плыть по большой реке, например по Волге, Енисею или Амуру, можно подметить, что меняются виды ив, составляющих прибрежные кустарники, иными становятся луга. И для этого не нужно перемещаться из зоны лесов в степи или тундру, изменения происходят в пределах и одной ландшафтной зоны лесов. Леса Мещеры или Полесья отличаются от лесов верховий Волги. Биокомплексы тут различны, хотя внешне сходны и в совокупности составляют индивидуальные образования. В географии эти однородные природные подсистемы называют ландшафтами , в науке о биосфере их называют биолокусами (лат. localis - местный, локальный, отнесенный к определенному месту).

Северная тайга явно отличается от южной и тем более от тропических лесов. Поэтому говорят: биом хвойных (северных) лесов, биом широколиственных лесов и т.д. Каждый биом состоит из многих биолокусов, а группа биомов слагает биозону, или природный пояс лесов, лугостепей, пустынь.

Биозоны степей южной России и Украины явно отличаются от биозон степей Северной Америки, леса Канады не спутаешь с сибирскими. И степи, и леса формировались в сходных природных условиях, но вдалеке друг от друга, и эволюционная история у них была разная. Соседствовали степи и леса в каждом месте по-своему. Назовем такие естественноисторические образования биорбисами или биоорбисами (лат. orbis - область распространения).

У жизни в Австралии, Южной Америке, Северной Евразии и в Южно-Африканской, Южно-Азиатской частях суши особая эволюционная судьба и пространственное сложение.

Все огромное здание биосферы - это большой дом, населенный то густо, то редко, но всюду пронизанный жизнью. И не может ни этот дом, ни его обитатели, ни весь живой мир Земли и космоса не иметь каких-то общих закономерностей построения. Д.И.Менделеев был уверен, что химические элементы - не хаотичное нагромождение и поэтому открыл периодическую систему элементов. Великий генетик и географ Н.И.Вавилов искал и нашел периодические закономерности в эволюции видов. Какая-то системная закономерность должна быть и в построении мира в целом и биосферы (рис 6) в частности.

Материальный мир един, его элементарные частицы: электроны, позитроны и т.п. - составляют атом, атомы образуют молекулы, те, в свою очередь, формируют агрегаты, дающие в своей совокупности два вида веществ - неживое и живое (“живое вещество” - выражение В.И.Вернадского). Живое вещество, как и неживое, структуризируется. Минимальные структуры живого, состоящие из молекул, - органеллы.

Те, в свою очередь, формируют клетки, клетка формирует ткани, а ткани - системы органов.

Рис.6. Иерархическая структура биосферы

Далее путь конструирования живого расходится: одна ветвь - к формированию целого индивида - генетического потомка его предков, другая - к возникновению новой особи. Особь уже не просто индивид, как совокупность органов и их систем, она включает и неотрывных спутников индивида, например микроорганизмы, живущие в кишечнике. Индивиды некоторых видов, например термитов, совершенно не могут существовать без своих спутников. Без деятельности микроорганизмов кишечника у них не переваривается пища. А продолжение рода у высших организмов невозможно без встречи особей разных полов, составляющих “семью” хотя бы на период оплодотворения. Эта группа организмов (“семья”) живет в составе большого скопления особей своего вида, т.е. в популяционной парцелле (части популяции) и составляет совокупность сходных по требованиям к среде и своему генетическому составу особей, т.е. популяцию . Каждая популяция одновременно входит в две структуры: в экологическую пирамиду: растениями питаются травоядные, травоядными - хищники и т.д.; и одновременно в группу экологически сходных популяций, составляющих биотическое сообщество, например, устриц устричной банки или злаков на лугу. Вместе со своими неизменными спутниками: микроорганизмами, насекомыми, грибами - такие сообщества дают собрания как “по горизонтали” - синузии , например синузия мхов в лесу, так и одновременно “по вертикали”, на всю толщину слоя жизни в населяемой среде - консорции. Сложение синузий, например деревьев, кустарников, трав, мхов, и их консорций дает новый вид парцелл, биогеоценотических.

Это, с одной стороны, функциональные родоначальники биоценозов , как сообществ организмов, совершающих в потоке энергии весь цикл превращения вещества: от усвоения химических элементов и простых неорганических веществ растениями до разложения сложных органических молекул вновь на простейшие минеральные составляющие. С другой стороны, они в совокупности с факторами среды дают начало биогеоценозам, которые, в свою очередь, слагают биокомплексы, и так далее по лестнице иерархии.

В систему мира, представленную в табл.1, вписываются все открытые человеком закономерности, в том числе и такие обобщения, как периодическая система элементов Д.И.Менделеева. В одних системах мы видим весьма разветвленные схемы, в других - сравнительно простые, но всегда они будут содержать в себе некое повторение структур в их иерархии, природа не так расточительна, чтобы каждый раз создавать нечто принципиально новое построение. Могут быть и уникальные, единственные в известном нам мире образования, но теоретически это маловероятно. Вероятнее всего, и биосфера Земли как бы повторяется в бесконечной Вселенной.

Узнает ли когда-либо человечество периодическую систему населенных планет бескрайнего космоса, представить трудно, но такая система весьма вероятна.

Пока периодических систем разработано немного для элементов это система Д.И.Менделеева. Для популяций, составляющих виды и другие систематические категории, Н.И.Вавилов предложил аналог - закон гомологических родов и наследственной изменчивости, по которому родственные виды, роды, семейства и т.д. обладают гомологическими генами и порядками генов в хромосомах, сходство которых тем полнее, чем эволюционно ближе таксоны (таксон - это группа объектов, связанных общностью свойств и признаков). Гомология генов (гомология - гр. homologia - сходство органов, имеющих общий план строения) у родственных видов проявляется в сходстве рядов их наследственной изменчивости.

А.А.Григорьев и М.И.Будыко сформулировали закон географической зональности , в соответствии с которым со сменой природных поясов аналогичные ландшафтные зоны и их некоторые общие свойства периодически повторяются. К периодическим законам относится и закон динамики экосистем , которые в своем развитии проходят физиологически и функционально сходные фазы. Вообще, видимо, существует общий системопериодический и системогенетический закон (вспомним из курса общей биологии биогенетический закон Э.Геккеля - Ф.Мюллера: онтогенез - индивидуальное развитие организма - есть краткое и быстрое повторение филогенеза - эволюционного развития вида): вся совокупность систем мира построена по периодическому принципу и каждая из них в индивидуальном развитии кратко и видоизмененно повторяет ряд эволюции своих предшественников.

Система систем дает большой простор для дальнейших исследований. Предстоит разработать и новые законы периодичности для большинства структур, обозначенных в вышеприведенной таблице. Далее мы обратимся к развитию человечества в его единстве со средой обитания, всей биосферой Земли.

Населенную живыми организмами, которые в процессе своей жизнедеятельности активно ее преобразуют.

История изучения

Понятие биосферы как области жизни ввел в науку Жан Батист де Ламарк в первой половине XIX века. Именно он ближе всех подошел к ее пониманию. Но сам термин был предложен австрийским ученым Эдвардом Зюссом. Он трудился в области геологии и понимал под биосферой совокупность всех организмов. Сейчас же такой смысл вкладывается в термин «биота». Зюсс изложил свои гипотезы и результаты исследований в знаменитом научном труде «Лик Земли», в котором описывал геологию Альп.

Современное понятие биосферы сформулировал русский ученый геохимик, обладающий энциклопедическими знаниями во многих отраслях науки - Владимир Иванович Вернадский. Будучи профессором минералогии в Московском университете, он стал автором великого труда «Биосфера», изданного в 1926 году. Именно в этой работе он впервые дал развернутое определение данному термину.

В. М. Вернадский справедливо считал, что биосфера - это большая концентрическая область Земли, которая играет роль главной геохимической силы. Таким образом, она является пространством, в котором жизнь существует на данный момент или существовала когда-либо, то есть для биосферы характерно наличие живых организмов или продуктов их жизнедеятельности.

Типы веществ в биосфере

В. И. Вернадский выделял несколько типов веществ, составляющих основу биосферы.

Собственно живое вещество, которое образовано совокупностью организмов.
Биогенное вещество, которое образуется в ходе и остается после жизнедеятельности организмов. Речь идет о газах атмосферы, каменном угле, нефти и прочем.
которое образуется без вмешательства организмов.
- это соединения, являющиеся результатом жизнедеятельности организмов в совокупности с абиогенными процессами.

Границы биосферы определяются в соответствии с наличием совокупности вышеперечисленных веществ в оболочках Земли.

Живое вещество в биосфере

Очевидно, что основные геохимические и энергетические процессы протекают при обязательном участии В. И. Вернадский так сформулировал понятие о нем. Живое вещество - все существующие на данный момент, составляющие единую совокупность, которая выражается в элементарном химическом составе, весе, энергии.

Главным свойством живого вещества является его активность, обусловленная связью с окружающей средой постоянным биогенным потоком. Поток формируется при дыхании, питании, размножении. В этом контексте можно рассматривать жизнедеятельность организмов в качестве мощного геологического процесса планетарного характера.

Постоянные миграции химических элементов между организмом и окружающей средой в обоих направлениях происходят непрерывно. Осуществление этого процесса возможно благодаря близости элементарного химического состава организмов к химическому составу земной коры.

Растения, осуществляя фотосинтез, создают в биосфере сложные органические молекулы, имеющие большой запас энергии. Таким образом, живое вещество аккумулирует и трансформирует связанную лучистую энергию Солнца. Перемещение энергии становится возможным по причине постоянного роста и развития организма. Скоростью размножения, как справедливо считал В. И. Вернадский, это скорость, при которой в биосфере передается геохимическая энергия.

Границы

Часть биосферы, в которой в настоящее время есть живые организмы, принято называть необиосферой. Иначе говоря, современной. А то пространство, которое было местом обитания древних организмов, это палеобиосферы.

Общая масса геосфер планеты равна примерно 2420 миллиардам тонн. Эта величина в 200 раз больше массы атмосферы. Таким образом, можно сделать вывод, что слой живого вещество в общей массе геосфер ничтожно мал.

Диапазон потенциальных возможностей и масштаб приспособляемости организмов обуславливают «всюдность жизни». Живые существа постепенно обосновались в морях и океанах, затем освоились на суше. По мнению Вернадского, состав и границы биосферы меняются и сейчас.

Следует отметить, что, в отличие от других земных оболочек, только биосферу можно считать комплексной. Она выполняет и функцию «покрова» из живой сущности и является средой обитания множества организмов, в число которых входит и человек.

Границы биосферы определяются следующим образом. Она включает в себя нижнюю зону атмосферы, верхнюю зону литосферы и всю гидросферу. И высоты атмосферы, характеризующиеся холодом, низким давлением, и глубины океана, давление в которых может достигать 12 000 атмосфер, - все это биосфера. Границы биосферы настолько широки по причине очень широких пределов температурной толерантности организмов.

Следует отметить, что есть и такие бактерии, которые могут существовать в вакууме. Пределы адаптации к химическим условиям также очень широки. Реальным является существование организмов, например, под постоянным воздействием ионизирующей радиации. Исследования показывают, что некоторые живые существа настолько выносливы, что по отдельным критериям их возможности находятся даже за пределами биосферы.

Помимо основных перечисленных условий, жизнь организмов обусловлена постоянством биогенного тока атомов.

Верхняя граница биосферы

В разных частях планеты жизнь в атмосфере существует на разной высоте. В зонах Южного и Северного полюсов эта величина составляет 8-10 км, вблизи экватора - 17-18 км, над всеми остальными территориями - 20-25 км. Таким образом, жизнью наполнена только тропосфера - нижняя часть атмосферы

Физический предел распространения жизни в атмосфере находится на нижней границе

Гидросфера

Гидросфера образована океанами, морями, озерами, реками и ледяными покровами. На всех глубинах есть жизнь. Подавляющее большинство живых организмов заняли поверхностные слои и прибрежье. Но даже на глубине 11 022 м, в самой глубокой впадине Мирового океана (Мариинской), есть обитатели. Необиосфера также включает в себя донные отложения, которые когда-то были местом обитания древних существ.

Нижняя граница биосферы

Если говорить о литосфере, то почва, безусловно, является самым густонаселенным ее слоем, но существование жизни замечено гораздо глубже - примерно 6-7 километров под землей. Это касается, прежде всего, глубоких трещин и пещер.

Организмы, населяющие биосферу

Живые организмы делятся на две группы в зависимости от способа получения энергии, необходимой для жизнедеятельности: автотрофные и гетеротрофные. Местом обитания представителей обеих групп является биосфера. Границы биосферы определяются их распространением.

Представители в своем питании не связаны ни с какими другими живыми существами. Им для этого требуется солнечный свет или энергия химических связей соединений неорганического происхождения. И то, и другое может использоваться в качестве источника энергии, тогда как питание они получают из минеральных веществ.

Автотрофы делятся на две подгруппы. Это фототрофы (зеленые) и хемотрофы (бактерии). Первые способны существовать только в области проникновения солнечных лучей. А вот вторые, за счет использования химических соединений органической природы в качестве источника энергии, распространены намного шире.

Гетеротрофам, напротив, в качестве источников энергии и питания требуются органические вещества, произведенные другими организмами. То есть без предварительной работы автотрофов их существование было бы невозможным. Животные и человек, как житель биосферы, относятся к гетеротрофным организмам.

«Пленки жизни»

Неравномерность распределения жизни - это один из важных признаков, которым характеризуется биосфера. Границы биосферы имеют наименьшую плотность жизни. Наибольшая же наблюдается на стыках сред обитания. В целом же распределение жизни в биосфере носит резко неравномерный характер. В. И. Вернадский ввел термин «Пленки жизни», описывая с его помощью наиболее плотно населенные области биосферы. Граница контакта «почва-воздух» - это первая из таких пленок, ее толщина составляет от 2 до 3 см. Вторая представлена зоной контакта «воздух-почва» -прибрежная полоса и зона апвелинга. Третья представлена эуфотической зоной океана (до 200 м), т. е. областью свободного проникновения солнечного луча.

Таким образом, жизнь, преобразующая «лик Земли», неразрывно связана с понятием «биосфера». Границы биосферы - это границы жизни.

Пространственно-функциональная организация - это механизм, обеспечивающий «геологическую вечность всего живого». Человек, как житель биосферы, наряду с другими гетеротрофными организмами является непосредственным участником энергетического круговорота, обеспечивающего жизнь на Земле.