Строение биосферы

Биосфера – это своеобразная оболочка Земли (сфера жизни) со всей совокупностью живых организмов, содержащая ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Она охватывает нижнюю часть атмосферы (ниже озонового экрана), гидросферу и верхние горизонты литосферы (каменной оболочки Земли, называемой земной корой), где когда-то существовала жизнь, где возможно ее существование, где осуществляется обмен вещества литосферы с живым веществом (биотой).

Атмосфера. Наиболее легкая газовая оболочка Земли, граничащая с космическим пространством. Через нее осуществляется обмен вещества нашей планеты с Космосом. Атмосфера пронизывается насквозь излучением Солнца (кроме жесткого g-излучения, задерживаемого озоновым слоем и обеспечивающим развитие живых организмов ). Именно Солнце определяет энергетический режим поверхности планеты и живого вещества на Земле.

Большая часть массы атмосферы состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%) и инертного газа аргона (0,93%). На долю углекислого газа приходится всего 0,034%. Следовательно, в целом атмосфера Земли является аргоново-кислородно-азотной. На долю остальных газов приходится менее 0,01% объема! Это инертные газы, метан, диоксид азота, пары воды, водород, гелий, озон.

И все же одним из важнейших компонентов атмосферы является озон – О₃. Его образование и разложение связано с поглощением ультрафиолетовой радиации Солнца, которая губительна для живых организмов. Поэтому на ранних этапах геологической истории жизнь на Земле развивалась в толще воды, защищающая ее от неблагоприятного воздействия солнечной радиации и только после (на рубеже ордовика и силура), когда парциальное давление кислорода в атмосфере достигло величины, при которой стало возможно образования озона, жизнь вышла на сушу. Принципиальная схема образования и разрушения озона в атмосфере по сбалансированному циклу приведена ниже:

О + О₂ ®О₃ + g ® О₂ + О

Основная же масса озона располагается на высотах 10-50 км с максимальной его концентрацией на высоте 20 – 25 км.

Газовая оболочка Земли сбалансирована круговоротом вещества с гидросферой и литосферой. Гидросфера определяет влажность атмосферы. Последняя обеспечивает круговорот воды в рамках гидросферы. Литосфера поставляет не только СО, СО₂ , SО₂ , СН₄ , NH₃ , но и инертные газы, включая наиболее распространенный аргон. Помимо этого литосфера является источником элементов в гидросфере и почве.

Гидросфера. Водная оболочка Земли. Вода в силу своей подвижности, способности универсального растворителя проникает в различные природные образования, неся с собой жизнь. Он находится в виде паров и облаков в земной атмосфере, формирует океаны, моря, реки, озера, существует в замороженном состоянии в высокоширотных и высокогорных районах, включая многолетнюю мерзлоту, проникающую в глубь земли на несколько сотен метров, а в Антарктиде – на километры. Вода входит в структуру многих минеральных видов и в этом смысле может существовать в связанном состоянии на достаточно больших глубинах в земной коре. Предельная глубина существования воды в свободном состоянии определяется критической температурой 374°С и давлением 220 атмосфер. Под материками она может быть обнаружена на глубинах около 12 – 15 км.

Вода существует в форме почвенной влаги, подземных и ювенильных вод, гидратированных минералов. Она способна растворять в себе многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов разной степени концентрации. Даже наиболее чистые атмосферные воды содержат 10 – 50 мг/л растворенных веществ. Отсюда ясно, что если атмосфера загрязнена, то концентрация веществ в атмосферных осадках за счет реакций газов и паров воды, проходящих по схеме:

(CO)+CO₂ + H₂O→H₂CO₃

SO₂+O+ H₂O→H₂SO₄

NO_x+ H₂O →HNO₃

будет возрастать и непременно повышать кислотность осадков, которые будут попадать не только в водоемы, но и почву, подкисляя последнюю.

Подкисленные воды попадают не только в почву, но и влияют на формирование подземного стока. Таким образом, вода находится в тесной взаимосвязи с литосферой и атмосферой и входит в них в качестве обязательного компонента за счет ее круговорота, таблица 1.2.1.

Существует баланс между атмосферными, поверхностными и подземными водами, который регулируется естественными процессами круговорота воды и вещества на Земле. Нарушение этого круговорота чревато для экосистем глубокими потрясениями, связанными с обезвоживанием отдельных регионов и, напротив, обводнением, подтоплением, заболачиванием других, а также засолением почв в результате, например, несбалансированного поливного земледелия.

Подавляющая часть массы гидросферы сосредоточена в Мировом Океане, который представляет собой уникальную природную экосистему. Здесь происходит грандиозный обмен и трансформация тепловой энергии и вещества нашей планеты с древнейших времен.

Таблица 1.2.1

Распределение водных масс в гидросфере Земли относительно мирового океана

Форма нахождения	Объем воды, тыс. куб. м	% от общего объема
Подземные воды	60000	4,0
Подземные воды активного обмена	4000	0,3
Ледники	24000	1,7
Озера	280	0,02
Почвенная влага	85	0,01
Пары атмосферы	14	0,001
Речные воды	1,2	0,0001
В т.ч. пресной воды		0,03

Морская (океаническая) вода представляет собой раствор, содержащий в среднем в 1 кг 35 г вещества, что соответствует концентрации его 35 промилле.

В морской воде находятся практически все элементы таблицы Д.И. Менделеева. Но самыми распространенными элементами морской воды являются: кислород (85,7%), водород (10,8%), хлор (1,9%), натрий (1,05%), магний (0,13%), сера (0,088), кальций (0,04%), калий (0,0038%), бром (0,0065%). В сумме они составляют 99,7183%.

Элементы в воде находятся в форме катионов натрия, магния, кальция, и анионов – хлора, сульфата, гидрокарбоната, карбоната.

Следует особо подчеркнуть одну удивительную особенность океанической воды – главные ионы в ней характеризуются постоянным соотношением во всем объеме Мирового Океана. Это указывает на устойчивость динамического равновесия между количеством растворенных веществ, поступающих с поверхности континентов в океан и их осаждением.

Вода – главный компонент живого вещества и от того, что и в каких количествах она содержит в своем составе – зависит способность к развитию и выживанию различных видов.

Наконец, жизнь возможна только в условиях существования воды в жидком состоянии, способной осуществлять ионнообменные реакции в живых организмах. В планетарных системах, в которых вода существует только в твердом состоянии, жизнь невозможна. Например, под поверхностью Марса выявлено наличие твердой фазы воды (льда). В жидком состоянии она там длительное время находиться не может, поэтому ожидать высокоорганизованных форм на поверхности Марса в настоящее время не приходится. Как полагают некоторые ученые, в прошлом простейшие преджизненные и жизненные формы могли существовать. Поэтому так пристально ученые изучают эту планету.

Литосфера (земна кора) – это наиболее неоднородная часть биосферы, сложенная различными минеральными видами, входящими в состав осадочных, изверженных и метаморфических пород, прошедших через цикл участия в эволюции живого вещества планеты. Возраст наиболее древнейших осадочных образований, в которых зафиксированы органические остатки, достигает 3,1 – 4,1 миллиарда лет. Граница жизни в литосфере, таким образом, зафиксирована на рубеже 4,1 миллиарда лет. Другими словами, с учетом возраста Земли 4,6 млрд. лет, жизнь на нашей планете весьма древнее образование, как и земная кора. Она возникла почти сразу с возникновением Земли. Уникальность нашей планеты заключается в том, что это единственное образование в Солнечной системе, где есть жизнь. Вероятность существования форм жизни в обозримой части Вселенной весьма мала. И это самый веский аргумент в пользу того, чтобы бережно относиться к колыбели жизни, возможно даже единственного образования в такой форме во Вселенной.

В твердой оболочке биосферы, которой является земная кора, наиболее распространенными элементами являются: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий, углерод, сера. На долю этих элементов приходится более 99% вещества. Кислород составляет около 47,3% общей массы земной коры или 92% ее объема.

Континентальная кора первоначально была выплавлена из базитов верхней мантии на рубеже 4,1 – 4,3 миллиардов лет назад. Затем ее вещество несколько раз было переработано под влиянием атмосферы, гидросферы, живого вещества. Так что большая часть земной коры – это неоднократно переработанное вещество былых биосфер, о которых мы пока имеем весьма смутное представление. Этой проблемой занимаются науки о Земле: геология, палеонтология, геохимия.

В сбалансированный процесс круговорота вещества атмосферы, гидросферы и литосферы включается биота – совокупность видов растений, микроорганизмов и животных, объединенных не только общностью сосуществования, но и обмена вещества между составляющими элементами биосферы. Биота несет на себе все признаки изменяющегося состава биосферы и выполняет функцию структуризации рассеянного минерального (косного) вещества. Именно благодаря биоте в земной коре происходят процессы направленной химической дифференциации элементов, связанные с рассеянием одних и концентрацией других элементов в различных средах (геохимической обстановке). Именно благодаря жизни на земле мы имеем дело с высокодифференцированным веществом, которого нет ни на одной другой планете, лишенной жизни.

Хозяйственная деятельность человека, связанная с выбросом в атмосферу не только избыточного количества газов, типичных для первичного, безжизненного состояния биосферы за счет сжигания ископаемого топлива (CO, CO₂, SO₂,CH₄), но и NO, NO₂ , NO₃ , а также других газов и компонентов (фтор-хлор-углеводородов), способствующих усилению парникового эффекта, стимулирующих выпадение кислотных осадков и разрушающих озоновый слой планеты.

Сущность сбалансированного сосуществования всех составных частей биосферы с земной корой заключается в обмене (круговороте) ее вещества. Деградация почв за счет опустынивания и нерационального их использования, истощение природных ресурсов (топливно-энергетических, черных, цветных металлов, агрономического сырья и т.д.), ведет к нарушению естественного энергетического баланса, элементов, воды, живого вещества планеты. Как следствие этого деградирует окружающая природная среда в целом.

Живое вещество биосферы. Занимает ничтожную часть объема земного шара, хотя его история образования охватывает громадный интервал времени. Термин "живое вещество" и само его понятие связано с именем В.И. Вернадского. Он показал, что все количество живых организмов образует живое вещество нашей планеты, формируя особую часть Земли – биосферу – часть земного пространства, охваченного жизнью с ее активными химическими проявлениями. Жизнь – это самый выдающийся процесс, который известен во Вселенной и по случайности или воле Природы она дарована Земле. От простейших бактерий до тропических лесов, флоры и фауны мирового океана и континентов и венца жизни – Человека. И хотя живое вещество по своей массе составляет ничтожную долю по сравнению с любой из оболочек Земли (таблица 2), оно проникает почти во всю толщу атмосферы и гидросферы, в твердую оболочку Земли до нескольких тысяч метров. С учетом того, что все породы земной коры когда-то прошли циклы своего преобразования с участием живого вещества, можно утверждать, что оно проникает во всю толщу земной коры.

Таблица 1.2.1-2

Количественные соотношения живого вещества

с другими оболочками Земли

Объекты	Масса в тоннах	Сравнительные величины, относительных единиц
Живое вещество	2,4·1012	1
Атмосфера	5,15·1015	2146
Гидросфера	1,5·1018	602500
Земная кора	2,8·1019	1670000

Оценку среднего химического состава живого вещества дал А.П.Виноградов в 1962 г. Наиболее распространенными элементами живого вещества являются: кислород (70%), углерод (18%), водород (10,5%), кальций (0,5%), калий и натрий по (0,3%), кремний (0,1%), которые в сумме составляют 99,8%. Остальные элементы образуют ничтожную часть живого вещества. То есть, элементами живого вещества являются те же элементы, которые широко распространены в атмосфере, гидросфере, литосфере и Космосе. Здесь в полной мере проявлен принцип унаследованности элементного состава геохимических систем живым веществом планеты. Однако живое вещество избегает накопления тяжелых элементов (металлов) и старается выводить их из клетки. И, тем не менее, в случае избыточного накопления тяжелых металлов или их дефицита в организме развиваются различные патологии[1]. То есть живые организмы и живое вещество являются сбалансированным системами с окружающей их средой.

Таким образом, необходимо отметить главное: ни одна из составляющих биосферу оболочек не может развиваться изолированно от других. Любое качественное изменение одной из них адекватно сказывается на другой. Всеобщий закон сбалансированности биосферы является основным принципом существования всего органического и неорганического мира. Дисбаланс в этот процесс вносят не только (и не столько) любые естественные катастрофические изменения, происходящие на земле, но и хозяйственная деятельность человека, которая может не только быть соизмерима с катастрофически развивающимися природными факторами, но даже превышать уровень их воздействия.

---

[1] Игнатов В.Г., Кокин А.В. Экология. Научно-нормативный справочник.-Ростов-на-Дону: Ростиздат,2000.