Биосфера

Понятие биосферы возникло более ста лет назад. В 1875 г. австрийский геолог Эдуард Зюсс, говоря о о различных оболочках земного шара, впервые употребил этот термин. В 1926 году были опубликованы лекции русского минералога В.И. Вернадского. Под биосферой ученый понимал те слои земной коры, которые подвергались в течение всей геологической истории влиянию живых организмов.

В верхних слоях двух земных оболочек: литосферы и гидросферы распределены все живые организмы.

Однако биосфера не кончается там, куда не доходит свет. Благодаря силе тяжести поток энергии распространяется еще дальше: из освещенных слоев в глубину моря непрестанно падают комочки экскрементов, мертвые и живые организмы.

В литосферу живые организмы проникают на ничтожную глубину. Основная их масса сосредоточена в верхнем слое почвы мощностью в несколько десятков сантиметров и редко кто проникает на несколько метров или десятков метров вглубь (корни растений, дождевые черви). По трещинам земной коры, колодцам, шахтам и буровым скважинам животные и бактерии могут опускаться на гораздо большую глубину - до 2,5-3 км. Нефть, часто залегающая глубоко от поверхности земли, имеет своеобразную бактериальную флору. Проникновение зеленых растений в глубь литосферы невозможно из-за отсутствия света. Животные не находят там питания. Механические свойства горных пород, слагающих литосферу, также препятствуют распространению в них жизни. Наконец, с продвижением в недра Земли температура возрастает и на глубине 3 км достигает 100°С. Значит, на глубине более 3 км от земной поверхности живые организмы существовать не могут.

С поверхности литосферы живые организмы проникают в нижние слои атмосферы - на высоту от нескольких сантиметров до нескольких метров. А растения возносят свои зеленые кроны иногда на несколько десятков метров. На несколько сотен метров в атмосферу проникают насекомые, летучие мыши и птицы. Восходящие токи воздуха могут поднимать на несколько километров покоящиеся стадии (споры, цисты, семена) животных и растений. Однако организмы, проводящие всю свою жизнь в воздухе, т. е. связанные с ним как с основной средой обитания, не известны.

Гидросфера, в отличие от атмосферы и литосферы, заполнена жизнью по всей своей толще. Повсюду, куда проникали орудия сбора, исследователи находили живые организмы. Из этого мы можем заключить, что жидкая вода является более важным лимитирующим фактором в расселении организмов, чем свет.

Протяженность биосферы ввысь ограничена в основном недостатком жидкой воды и низким парциальным давлением углекислого газа. В горах хлорофиллсодержащие растения, видимо, не могут жить на высоте более 6200 м (Гималаи). Высокогорную область биосферы называют эоловой зоной.

Если лимитирующими факторами биосферы являются жидкая вода и солнечный свет, то оптимум жизни приходится на поверхность раздела сред. Исследования фотосинтеза показали, что часто наибольший выход органических веществ дают растения, способные использовать все три фазы: твердую, жидкую и газообразную. Предпринимались многочисленные попытки оценить первичную продукцию биосферы. Обширные пространства Земли попадают в категорию низкопродуктивных из-за таких лимитирующих факторов, как вода (в пустынях) или питательные вещества (в открытом море). Хотя площадь суши составляет всего около 1/4 общей площади планеты, суша превосходит океаны по своей продуктивности, так как большая часть океанских вод в основном "пустынна" (таблица). В Мировом океане значения первичной продукции в разных районах существенно различаются. Наиболее продуктивны коралловые рифы, не уступающие даже тропическим лесам. Продуктивность открытых океанических зон ниже продуктивности зон апвеллинга и прибрежных районов и близка к таковой для тундры. Анализ оценок средних величин для больших площадей показывает, что продуктивность колеблется в пределах двух порядков - от 200 до 20 000 ккал на 1 м2 в год, а общая валовая продукция Земли имеет величину порядка 1018 ккал в год.

Чтобы биосфера продолжала существовать, не должен прекращаться круговорот основных химических элементов. Скорость этих процессов может быть различной. Дно океана медленно перемещается к поясам горообразования на окраинах материков, и кальций возвращается на сушу. Круговорот завершается, по-видимому, за несколько сотен миллионов лет. Фосфор, как мы знаем, по характеру своего круговорота схож с кальцием, а азот имеет больше сходства с углеродом, хотя его содержание в атмосфере гораздо выше.

В разных участках биосферы развитие жизни лимитируется разными веществами. Можно сказать, что в пустыне жизнь ограничена недостаточным количеством водорода и кислорода в форме воды. В открытом океане лимитирующим фактором часто служит железо, обычно присутствующее в форме труднодоступной для организмов гидроокиси. В иных средах, например в почвах влажных районов, в озерах, окраинных морях, лимитирующим фактором чаще всего является фосфор.

Мы уже говорили, что биосфера - экосистема первого порядка, или глобальная. А в экосистеме должны быть сбалансированы все компоненты, от потока энергии, субстрата, атмосферы, вод до биотической совокупности. Последняя является управляющей системой по отношению к абиотической совокупности. В биотической системе управляющей подсистемой служат консументы, так как от них зависит степень использования первичной продукции и в конечном итоге стабильность системы в целом. По правилу Эшби, управляющая подсистема или управляющая система должна быть организована не менее сложно, чем управляемая; возможно, в этом лежит разгадка тайны, почему на Земле так много животных, особенно насекомых. Поэтому глобальная экологическая пирамида имеет вид волчка (см. рис.).Принцип построения глобальной экологической пирамиды следующий: каждый из основных уровней (продуценты - консументы - редуценты) изображается в форме цилиндра, высота которого - биомасса, а диаметр - количество видов.

Соотношения диаметров острия, маховика и стержня "волчка жизни" могут быть в разных экосистемах различными, но чтобы волчок не падал, они не могут быть произвольными.

Внутри биосферы должны быть территориально сбалансированы экосистемы более низкого порядка.

Значительные преобразования внутри биомов и смещение в них равновесия между экосистемами низшего порядка неминуемо вызывают саморегуляцию на высшем уровне. Это отражается на многих природных процессах - от изменения глубины залегания грунтовых вод до перераспределения воздушных потоков. Аналогичное явление наблюдается и на уровне очень крупных систем биосферы при изменении соотношения между территориями биомов. В ходе освоения земель, в самом широком понимании этого слова, нарушается и компонентное, и территориальное равновесие. До определенной степени это допустимо и даже необходимо, ибо только в неравновесном состоянии экосистемы способны давать полезную продукцию. Но, не зная меры, человек стремится получить больше, чем может дать природа, забывая, что запасы имеют фундамент из великого множества элементов, пока не входящих в понятие "ресурсы".

Современное потребление продукции биосферы достигло 7% чистой первичной продукции суши, и это уже привело к нарушению биохимического круговорота в биосфере, замкнутость которого может поддерживаться биотой только для биологически накапливаемых биогенов. По расчетам ученых такая ситуация будет продолжаться до тех пор, пока потребление первичной продукции не станет превышать 1%. Однако для возвращения биосферы в стационарное состояние человечеству придется затрачивать энергию и труд, так как необходимо будет взять на себя те функции, которые раньше выполняла биосфера. При этом следует помнить, что КПД природных экосистем низок и не превышает 10%. Отсюда становится понятным, что необходимое для возвращения биосферы в устойчивое состояние количество энергии должно быть огромным. Человечеству пора оценить свои энергетические и прочие возможности для собственного спасения.