Биосфера

БИОСФЕРА (от био... и греческого σφα?ρα - шар), оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Впервые представление о биосфере как «области жизни» сформулировал Ж. Б. Ламарк, который обратил внимание на то, что практически все минеральные вещества в поверхностных слоях Земли являются продуктами жизнедеятельности организмов. В 1875 году Э. Зюсс выделил несколько оболочек Земли, среди которых наряду с земной корой (литосферой) и гидросферой назвал биосферу - как оболочку, в пределах которой существует жизнь. Именно так, как тонкую плёнку на земной поверхности, находящейся в данный момент в сфере жизнедеятельности организмов, понимают биосферу многие зарубежные учёные. Наиболее полно представления о биосфере разработал В. И. Вернадский. Основные идеи он изложил в 1926 году в книге «Биосфера», а затем на протяжении всей жизни обращался к анализу связанных с этим термином понятий и закономерностей. По мнению Вернадского и его последователей, в состав биосферы следует включать не только те участки земной поверхности, в которых активно развиваются живые организмы, но и часть других оболочек Земли, в которых обнаруживаются следы жизнедеятельности совокупности живых существ. Исходя из этого, биосфера охватывает часть атмосферы до высоты озонового слоя (20-25 км), часть литосферы (особенно кору выветривания) и всю гидросферу. Нижняя её граница опускается в среднем на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана.

Живое вещество и его роль в биосфере. В учении о биосфере центральное место принадлежит понятию «живое вещество», под которым В. И. Вернадский понимал совокупность всех живых организмов (животных, растений, микроорганизмов), численно выраженную в их элементарном химическом составе, массе и энергии. Наиболее важная функция биосферы - регулярное воссоздание живого вещества, накапливающегося и удерживающего энергию. Все вместе взятые живые организмы почти за 2,5 миллиарда лет истории биосферы, аккумулируя энергию Солнца и трансформируя её в земную химическую энергию (ту свободную энергию, которая способна производить огромную работу по перераспределению вещества земной коры и созданию новых химических соединений), представляют планетарное явление космического масштаба. «На земной поверхности, - писал Вернадский, - нет силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. И чем более мы изучаем химические явления биосферы, тем больше убеждаемся, что на ней нет случаев, где бы они были независимы от жизни. И так длилось в течение всей геологического истории». Биосфера охватывает участки земной коры, которые в течение всей геологической истории во все этапы эволюции жизни подвергались воздействию живого вещества. В них наряду с живым веществом и минеральными веществами, в образовании которых живые организмы не принимают участия («косное вещество»), обязательно присутствуют биогенные и биокосные вещества. К биогенным относятся, например, известняки, угли, нефть, кислород атмосферы, которые создавались и перерабатывались живыми организмами. Биокосные компоненты биосферы создаются при участии и организмов, и абиотических факторов. Таковы почва, природные воды, тропосфера. Таким образом, биосфера представляется как единая динамическая система, в которой живое вещество неотделимо от окружающей неживой (косной) среды. Идеям Вернадского созвучна популярная в 1970-90-е годы концепция «Гайи» (английский инженер Дж. Лавлок и американский микробиолог Л. Маргулис, 1975), в соответствии с которой жизнь на Земле можно представить как сложную саморегулирующуюся единую систему.

В разных природных условиях биосфера сформирована в виде относительно самостоятельных природных комплексов - экосистем или биогеоценозов. Основным источником энергии для всех происходящих в биосфере процессов является солнечный свет. Поверхности Земли достигает всего около 15% солнечной радиации, поступающей в верхние слои атмосферы, и только 0,1-1% этой энергии используется автотрофными организмами (главным образом зелёными растениями) для создания живого вещества при участии диоксида углерода и воды (так называемой чистой первичной продукции) в процессе фотосинтеза. Величина этой продукции оценивается в пересчёте на углерод примерно в 2,26·10¹⁷ г в год, что соответствует ежегодному поглощению 1,15·10¹⁸ ккал (4,98·10¹⁸ кДж). Именно эта энергия, запасённая в форме химических связей разнообразных химических соединений, определяет жизнедеятельность всех остальных гетеротрофных организмов, обеспечивая их пищей и энергией. Для разрушения вещества пищи, роста и размножения животные используют кислород, выделяемый также зелёными растениями. Отмершие тела растений и животных служат пищей для микроорганизмов (организмов-деструкторов), разлагающих их до минеральных солей, диоксида углерода и воды. В свою очередь, эти простые соединения вновь используются растениями для создания органического вещества (смотри Трофическая цепь). Таким образом, в биосфере происходит круговорот углерода. Его осуществление за счёт использования постоянно поступающей солнечной энергии является условием непрерывного функционирования биосферы как целостной системы. Постоянный обмен веществом и энергией между организмами и окружающей средой в ходе питания, дыхания и размножения и связанных с ними процессов создания, накопления и распада органического вещества обеспечивает непрерывный поток атомов - биогенную миграцию, которая проявляется в форме биогеохимических циклов. Цикл углерода неотделим от круговоротов многих других химических элементов. Основными элементами, входящими в состав любого живого организма (так называемые биогенные элементы), являются кислород (70%), углерод (18%) и водород (10%). Кальций, калий, азот, фосфор, кремний, марганец, сера, хлор, железо и натрий составляют 1,5-4%, а микроэлементы (их содержание определяется тысячными долями процента и ниже) - алюминий, цинк, молибден, кобальт, йод, бром и др. - всего лишь 0,4-0,5%, хотя их роль для организмов очень важна.

Различные организмы способны извлекать из среды обитания практически все элементы периодической системы и избирательно накапливать некоторые из них в количествах, иногда в сотни тысяч раз превышающих их содержание в окружающей среде. Например, железобактерии аккумулируют железо; фораминиферы, многие моллюски и кишечнополостные — кальций; диатомовые водоросли, радиолярии и хвощи - кремний; губки - йод; асцидии - ванадий; фиалки и грибы - цинк, и т. д. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота - в 30 раз превышает их относительное количество в земной коре. Деятельность организмов обусловливает интенсивную миграцию атомов элементов с переменной валентностью - железа, марганца, серы, фосфора, хрома, азота. При этом создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и др.

Живое вещество распределено на Земле чрезвычайно неравномерно. Около 99% представлено растениями на суше; животные и другие организмы составляют менее 1% живого вещества. Масса фотосинтезирующих организмов в Мировом океане примерно в 10000 раз меньше, чем на континентах. При этом скорость оборота биомассы в толще воды в 1000-2000 раз выше, чем растений - на суше. Поэтому биомасса гетеротрофов в океанах в 10-15 раз больше биомассы фитопланктона. Тем не менее, благодаря огромной разнице в массе растительных организмов на суше и в океане, первичная биологическая продукция на континентах, занимающих всего 1/4 поверхности Земли, составляет не менее 50% (по некоторым оценкам - до 60%) всей первичной продукции биосферы. Биомасса всей биосферы оценивается в 1,8·10¹⁸г (в пересчёте на сухое вещество).

В.И. Вернадский предложил различать два типа скоплений живого вещества в биосфере - плёнки и сгущения жизни. Плёнки жизни охватывают большие пространства, как, например, планктон, основная масса которого занимает сравнительно тонкий, но распространяющийся по всей поверхности Мирового океана слой. Такой же плёнкой можно считать и бентос - совокупность организмов, обитающих на дне водоёмов. На суше одна плёнка жизни может быть представлена, например, совокупностью организмов, обитающих в условиях с высокой степенью освещённости. Сгущения жизни связаны с наземной растительностью (дождевые тропические леса, поймы рек) и мелководьями. Так, в прибрежных районах морей, где благодаря малым глубинам солнечный свет достигает дна, развивается мощный пояс водорослей-макрофитов. В этих прибрежных зарослях, называемых иногда морскими лесами, сочетание высокой освещённости с высоким содержанием элементов минерального питания обеспечивает образование первичной продукции в количествах, сопоставимых с наиболее продуктивными экосистемами суши. Особый случай прибрежных сгущений представляют коралловые рифы. В таких сгущениях достигаются максимальные значения первичной продукции и, благодаря этому, обеспечивается наибольшее видовое богатство животного населения. Одним из самых мощных аккумуляторов живого вещества является почва, особенно её плодородный гумусовый горизонт. Для неё характерно обилие организмов, высокая плотность населения (масса животных в почве намного больше, чем на её поверхности).

Наиболее интенсивно биогеохимические процессы идут в сгущениях жизни. В то же время в каждой конкретной экосистеме биологическая активность совокупностей организмов зависит от самых разных факторов. На суше она обусловлена в первую очередь сезонными колебаниями температуры, количеством осадков; в водных экосистемах, кроме света и тепла, важнейшее, часто решающее значение имеют гидрологические особенности водоёма, от которых, в частности, зависит обеспеченность автотрофных организмов биогенными элементами. Распределение жизни на планете определяется, прежде всего, количеством поступающей на поверхность Земли солнечной энергии.

Практически весь кислород и азот атмосферы, диоксид углерода и многие другие природные газы являются производными живого вещества. Весь диоксид углерода атмосферы проходит через фотосинтез растений примерно за 200 лет; в течение одного года жизни живые организмы перемещают (в разной форме) в несколько раз больше газов, чем их содержится в атмосфере. Благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов около 2 миллиардов лет назад началось накопление в атмосфере свободного кислорода, затем образовался озоновый экран; фотосинтез зелёных растений и дыхание аэробных организмов поддерживают современный газовый состав атмосферы.

Человек и биосфера. Человек как биологический вид занимает довольно скромное место в биосфере. Суммарная биомасса людей на Земле сравнима с биомассой дождевых червей в почвах планеты, а количество потребляемой ими растительной пищи составляет не более 1-2% от чистой первичной продукции биосферы. Но с того времени, когда люди перешли от собирательства и охоты к сельскому хозяйству как основному способу производства пищи, воздействие человека на природу приобрело глобальный масштаб и привело к существенному изменению облика биосферы. По некоторым расчётам, биомасса человечества (собственно человека как вида, с культивируемыми растениями и разводимыми животными) в середине 20 века превысила на суше биомассу природных экосистем. На суше появился новый тип экосистемы - агроэкосистемы. Площадь распаханных земель на Земле составляет не менее 10% от всей территории суши. В результате расширения сельскохозяйственных  угодий площадь лесов уже сократилась более чем на 50% и продолжает сокращаться на 0,3-1% в год. Кроме того, сведение лесов сопровождается снижением уровня подпочвенных вод, увеличивает вероятность засух. Распашка степей привела к разрушению структуры почв и к возникновению эрозии; это послужило причиной опустынивания огромных территорий в Северной Америке, Африке и Азии. Развитие промышленности, транспорта, рост городов и другие виды человеческой деятельности требуют затрат энергии, превышающих в 15—20 раз её количество, получаемое в виде пищи. Поскольку основным источником этой дополнительной энергии до сих пор остаётся ископаемое топливо, количество диоксида углерода, выбрасываемое в атмосферу при сжигании нефти, угля и природного газа, примерно во столько же раз должно быть больше того, что выделяет всё человечество в процессе дыхания. Это также отражается на изменении глобального цикла углерода и прежде всего на увеличении содержания диоксида углерода в атмосфере. Т. к. диоксид углерода относится к числу так называемых парниковых газов, повышение его концентрации может быть причиной изменения климата Земли в результате разогрева атмосферы.

Антропогенные воздействия на биосферу, принявшие глобальный характер, ставят под угрозу возможность поддержания гомеостаза природных систем. В связи с этим учение о биосфере как единой, определённым образом организованной динамической системе приобретает исключительно важное значение для всего человечества (смотри «Человек и биосфера»). Оно оказывает огромное влияние на развитие многих наук, на характер мышления и подходов при решении всех сложнейших вопросов, связанных с взаимоотношением природы и общества. В. И. Вернадский развил представление о переходе биосферы в ноосферу, в такое состояние, при котором её развитие будет управляться человеческим разумом. Смотри также Загрязнение окружающей среды, Охрана окружающей среды.

В географических науках понятие «биосферы» традиционно использовалось для обозначения одной из геосфер, входящих в состав географической оболочки.

Лит.: Вернадский В. И. Биосфера. М., 1967; он же. Живое вещество. М., 1978; он же. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. 2-е изд. М., 1987; Будыко М. И. Эволюция биосферы. Л., 1984; Заварзин Г. А. Лекции по природоведческой микробиологии. М., 2004.