Термины и понятия: живое вещество; почва; ноосфера.
Что такое биосфера. Изучение разнообразия форм организации живого и выяснение закономерностей его развития не будет полным без выяснения места и роли живых организмов на планете Земля.
Рис.140. В.И. Вернадский.
Биосфера — экосистема высшего порядка. Её часто называют живой оболочкой Земли — сферой, населённой живыми организмами. Формировалась биосфера в течение миллиардов лет в процессе эволюции живого. В последнее время всё чаще используют и другое определение биосферы — область распространения жизни на любой планете. При этом совсем не обязательно, чтобы жизнь на других космических телах имела такую развитую форму, как сейчас на Земле. Она может напоминать жизнь на Земле в момент её зарождения, то есть 3—4 млрд лет назад и быть представленной какими-то протоорганизмами (от греч. протос — первый и организмы), заселяющими небольшие полости в твёрдом субстрате или прячущимися от солнечной радиации под плотным покровом ледовых океанов (вспомните: всё живое на Земле от губительного излучения защищает озоновый слой атмосферы).
Термин биосфера в научное обращение ввёл французский зоолог и эволюционист Ж. Б. Ламарк ещё в начале XIX века.
К науке о Земле он был в 1875 г. применён Э. Зюссом (1831—1914). Целостное учение о биосфере создал отечественный учёный, первый президент Национальной академии наук Украины Владимир Иванович Вернадский (1863—1945). Он стал основоположником новой науки — биогеохимии, связывающей протекающие на Земле химические процессы с химическими процессами в живых организмах. Именно он доказал роль живых организмов в преобразовании земной поверхности.
Границы биосферы. Биосфера — особая геологическая оболочка, населённая живыми организмами (растениями, животными, микроорганизмами) и человечеством. Именно здесь проявляется их деятельность. Биосфера занимает всю поверхность Земли. В неё входит верхняя часть литосферы (от греч. литос — камень и сфеире), вся гидросфера и нижняя часть атмосферы (от греч. атмос и сфеире) — тропосфера (от греч. тропэ — перемена и сфеире). Границы биосферы определяются условиями, подходящими для жизни. Верхний предел жизни в атмосфере ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей; нижний предел жизни в литосфере — высокой температурой (свыше 100°С). В крайних пределах атмосферы встречаются только наиболее просто устроенные организмы — бактерии. Специальные исследования показали, что споры аэробных бактерий и некоторых грибов заносятся на высоту 20 км, а анаэробные бактерии вместе с водой из месторождений нефти находят на глубине свыше 3 км (рис. 141).
Рис. 141. Границы биосферы простираются от литосферы до стратосферы.
Самая высокая концентрация живой массы в биосфере — в зонах соприкосновения различных геологических слоёв: литосферы и атмосферы, гидросферы и атмосферы, гидросферы и литосферы. Именно у поверхности суши и океана создаются наиболее благоприятные условия для жизни: оптимальная температура, высокая влажность, насыщенность кислородом и другими химическими элементами, необходимыми для питания и жизнедеятельности организмов.
Что такое живое вещество. В составе биосферы различают следующие основные типы веществ.
Живое вещество — совокупность тел живых организмов.
Массу живого вещества оценивают десятками триллионов тонн, что, несмотря на внушительность цифры, составляет не более одной миллионной доли массы других оболочек нашей планеты. Тем не менее, несмотря на свой скромный вклад в общую массу Земли, живое вещество, по словам В. И. Вернадского, является одной «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», так как многие изменения земной коры обусловлены именно деятельностью этого вещества. В пределах биосферы оно распределено очень неравномерно.
Живое вещество обладает огромной свободной энергией, которая в количественном отношении сопоставима с потоками горячей лавы, стекающей по склонам вулканов. Именно поэтому в живом веществе химические реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее, чем в неживом. Основу живого вещества составляют особые органические соединения, в том числе белки, ферменты и нуклеиновые кислоты (вспомните, какие ещё группы органических веществ являются обязательными компонентами клеток).
Ещё одним компонентом биосферы являются биогенные вещества, являющиеся продуктами деятельности живых организмов. К ним относятся природный газ, нефть, каменный и бурый уголь, торф.
Косное вещество — это химические продукты, образующиеся без участия живых организмов (песок, гранит, вода и прочее). Почва на суше и ил на дне водоёмов являются так называемым биокосным веществом. В его создании одновременно принимают участие живые организмы и геологические процессы.
Распределение живого вещества на поверхности Земли. На суше живое вещество распределено очень неравномерно. Его масса от полюсов к экватору увеличивается. Поскольку основную биомассу в экосистемах формируют растения, то не случайно к экватору количество видов этого царства увеличивается в десятки раз. В тундре, где в основном растут мхи и лишайники, растений не более 500 видов, в хвойных, широколиственных лесах и степи их до 2 тыс., в субтропиках — более 3 тысяч. Самое большое разнообразие и, соответственно, биомасса растений во влажных тропических лесах. Здесь численность видов достигает 8 тысяч. Благодаря теплу и влажности, обычная высота деревьев в тропических лесах составляет 110—120 м (сравните: сосны, как правило, достигают 50 м в высоту), что позволяет формировать многоярусные высокопродуктивные экосистемы.
Очевидно, что и численность видов, и биомасса животных, являющихся консументами, Также увеличиваются от полюсов к экватору пропорционально биомассе и численности видов растений. Причём, чем больше видов входит в состав биоценоза, тем более сложными и замысловатыми становятся трофические цепи, тем более специализированными виды и тем более узкими экологические ниши, которые они занимают.
Подобным образом живое вещество распределено и в Мировом океане. Ближе к экватору, особенно на коралловых рифах, наблюдается самое большое разнообразие живых организмов.
Рис. 142. Почти вся земная суша покрыта живым веществом
Живое вещество суши. Поверхностный рыхлый плодородный слой земли, в котором растут растения и обитает множество животных, грибов и бактерий, называют почвой.
Вода дождей и тающих снегов обогащает почву кислородом и растворяет находящиеся в ней минеральные соли. Часть растворённых веществ удерживается в почве, часть выносится в реки, а затем в Мировой океан. Почва испаряет поднимающуюся по капиллярам грунтовую воду. Благодаря этому, происходит движение воды по капиллярам почвы и выпадение солей в разных её слоях.
Рис. 143. Рыбы, кораллы, губки, водоросли и многие другие организмы образуют живое вещество Мирового океана.
В почве идёт газообмен. Ночью при охлаждении в неё проникает воздух. Кислород воздуха поглощают почвенные животные и корни растений, а проникший в почву с воздухом азот улавливают азотфиксирующие бактерии.
Днём при нагревании почвы происходит обратный процесс: выделяются углекислый газ, сероводород и аммиак.
Именно в почве и на её поверхности происходит образование живого вещества суши (рис. 142). Особое значение для плодородия почвы имеет наличие в ней перегноя. В бедных подзолистых почвах его толщина составляет примерно 5—10 см, а в чернозёмных достигает 1—1,5 метра.
Почва густо заселена живыми организмами. Биомасса одних дождевых червей, например, в глинистых почвах достигает 1,2 т на 1 га, или 2,5 млн особей. Количество бактерий в 1 г почвы измеряется сотнями миллионов.
Все процессы, происходящие в почве, входят в круговорот веществ биосферы.
Живое вещество Мирового океана. Основным веществом любого организма является вода. Не случайно водная среда очень благоприятна для жизни и, как считается, стала её колыбелью (рис. 143). В состав воды Мирового океана входят минеральные соли, содержащие около 60 химических элементов, в ней растворяются поступающие из воздуха кислород и углекислый газ. Кроме того, водные животные при дыхании также выделяют в воду углекислый газ, а водоросли в процессе фотосинтеза обогащают её кислородом.
Мировой океан занимает более 2/3 поверхности нашей планеты. Тем не менее водные продуценты синтезируют только 1/3 всего органического вещества планеты. В Мировом океане биомассы в 1000 раз меньше, чем на суше. Использование энергии солнечного излучения на площади океана составляет всего 0,04 %, тогда как на суше — 0,1 %. Фотосинтез происходит главным образом в верхнем слое воды — до 100 метров. Его осуществляют микроскопические водоросли, образующие фитопланктон (как вы помните, он является основой цепей выедания). Водорослями и простейшими питаются различные рачки, которых поедают рыбы. Они же, в свою очередь, идут в пищу хищным рыбам и рыбоядным птицам. Планктоном питаются и самые большие животные на планете — усатые киты.
В океане, кроме планктона и свободноплавающих животных, много организмов, прикреплённых ко дну и ползающих по нему. Это донное сообщество организмов, как вы помните, называется бентосом. Поскольку умершие организмы оседают на дно, то на дне океана так же, как и на поверхности суши, образуется детрит, в котором живут бактерии, превращающие органические остатки в неорганические вещества. В свою очередь, они сами служат основой цепей питания, которые получили название цепи разложения.
Что такое ноосфера. Биосфера постоянно развивается. В период зарождения жизни она была представлена живым веществом микроорганизмов и биогенным веществом — результатом их жизнедеятельности. Затем по мере возникновения многоклеточных организмов живая оболочка стала значительно мощнее. В этот период она включила в себя все живые организмы, обитающие в Мировом океане. Около 600 млн лет назад, когда жизнь проникла на сушу, биосфера распространилась на всю поверхность Земли. Но на этом её развитие не прекратилось. Следующей, как считают, высшей стадией эволюции биосферы, связанной с развитием человеческого общества, станет ноосфера (от греч. ноос — разум и сфеире) — часть планеты и околопланетного пространства со следами деятельности человека. Когда разумная человеческая деятельность приобретает планетарное значение, она становится определяющим фактором существования и развития биосферы. В. И. Вернадский считал, что человеческий разум — это сила геологического и даже космического уровней. Термин ноосфера предложил профессор математики Эдуард Леруа (1870—1954).
Биосфера — живая оболочка Земли — является глобальной экологической системой, части которой точно так же зависят друг от друга, как компоненты одного биогеоценоза. Ключевым понятием в учении о биосфере является понятие живого вещества — всех организмов, живущих на нашей планете.
Биосфере, как и любому другому биологическому объекту, свойственно развитие. Вершиной развития биосферы является становление ноосферы — части планетного и околопланетного пространства, определяющим фактором существования и развития которой является разумная человеческая деятельность.
Проверьте себя
1. Почему биосферу называют глобальной экосистемой? 2. Где проходят границы биосферы и в каких местах биосферы концентрируется самая большая масса живого вещества? 3 Какие части земной поверхности более продуктивны? 4. Где выше эффективность усвоения солнечной энергии: растениями в Мировом океане или на суше? 5. Какое содержание вкладывают в понятие биосфера?
Как вы считаете?
1. Почему на суше продуцируется гораздо больше органического вещества, чем в Мировом океане? 2. Можно ли считать результаты деятельности человека в планетарном масштабе свидетельством прихода эры разума?