Биосфера

Биосфера — это оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности. Биосфера представляет собой глобальную экосистему (экосферу), объединяющую все живые организмы планеты (живое вещество) и среду их обитания, с которой они находятся в непрерывном взаимодействии. Термин введён австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году, а учение о биосфере как целостной системе разработано российским учёным Владимиром Вернадским в первой половине XX века.

Границы и состав

Биосфера не образует самостоятельной геологической оболочки, а является областью пересечения нескольких геосфер — литосферы, гидросферы и атмосферы. Её границы определяются пределами распространения жизни, которые ограничены физико-химическими условиями, прежде всего температурой, давлением и наличием воды в жидкой фазе.

Верхняя граница

Верхняя граница биосферы проходит в атмосфере на высоте 15–20 км, достигая нижних слоёв стратосферы (озонового слоя). Выше озонового экрана (около 20–25 км) жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца делает существование жизни невозможным. Споры бактерий и грибов, а также некоторые микроорганизмы могут переноситься воздушными потоками на высоту до 20–22 км (трансграничный перенос), однако активная жизнедеятельность в этих слоях отсутствует. Основная масса живых организмов сосредоточена в тропосфере (до 8–10 км над уровнем моря).

Нижняя граница

Нижняя граница в литосфере проходит на глубине 2–3 км на континентах (до 4–5 км в нефтеносных районах) и на 0,5–1 км ниже дна океана. Жизнь в земной коре ограничена высокой температурой (свыше 100 °C на глубине около 3,5 км) и давлением. Основная часть организмов литосферы обитает в почвенном слое (до 1–2 м), где сосредоточена корневая система растений, бактерии, грибы и почвенная фауна.

Гидросфера

Гидросфера заселена живыми организмами практически целиком — от поверхности до максимальных глубин (11 км в Марианской впадине). Вода является средой обитания для огромного разнообразия видов, от микроскопического планктона до крупных млекопитающих (китов). Жизнь в гидросфере возможна во всех слоях, включая абиссальные зоны океана, где организмы приспособлены к высокому давлению, низким температурам и отсутствию света.

Структура биосферы

Вернадский выделил в составе биосферы несколько типов веществ, образующих её структуру:

• Живое вещество — совокупность всех живых организмов планеты. Это наиболее активный компонент биосферы, обладающий огромной химической энергией и способностью к биогенной миграции атомов.
• Биогенное вещество — продукты жизнедеятельности организмов (каменный уголь, нефть, природный газ, известняки, торф). Создаётся в процессе метаболизма живых организмов.
• Косное вещество — вещество, образующееся без участия живых организмов (горные породы магматического и метаморфического происхождения, вулканические выбросы, космическая пыль).
• Биокосное вещество — результат совместной деятельности живых организмов и абиогенных процессов (почва, ил (сапропель), кора выветривания, природные воды).
• Вещество, находящееся в радиоактивном распаде — изотопы, постоянно присутствующие в биосфере.
• Рассеянные атомы — элементы, находящиеся в состоянии свободных атомов (например, марганец, кобальт, цинк), непрерывно создаваемые из земного вещества под действием космических излучений.
• Вещество космического происхождения — метеориты, космическая пыль.

Свойства и функции

Биосфера обладает рядом фундаментальных свойств, отличающих её от других оболочек Земли.

Основные свойства

• Целостность и самоорганизация. Биосфера представляет собой единую, динамически устойчивую систему, способную к саморегуляции и поддержанию гомеостаза.
• Наличие жизни. Это главное отличие биосферы от других геосфер. Живое вещество активно преобразует лик планеты.
• Биогеохимические циклы. В биосфере осуществляется круговорот химических элементов (углерода, азота, кислорода, фосфора, серы), поддерживаемый энергией Солнца и активностью живых организмов.
• Открытость. Биосфера получает энергию извне (прежде всего солнечную) и частично рассеивает её в космос.
• Устойчивость. Способность возвращаться в исходное состояние после возмущающих воздействий (в определённых пределах).

Функции живого вещества

Живое вещество выполняет в биосфере несколько ключевых функций:

1. Газовая функция. Организмы поглощают и выделяют газы, поддерживая газовый состав атмосферы (кислород — продукт фотосинтеза растений, углекислый газ — продукт дыхания и разложения).
2. Концентрационная функция. Живые организмы избирательно накапливают в своих телах химические элементы (например, железо — железобактерии, кальций — кораллы и моллюски, кремний — диатомовые водоросли). В результате образуются залежи полезных ископаемых.
3. Окислительно-восстановительная функция. В процессе метаболизма организмы осуществляют окисление и восстановление элементов, что ведёт к образованию многих минералов и изменению химического состава среды.
4. Деструкционная функция. Разложение органических остатков (редуценты — бактерии, грибы) до простых неорганических соединений, возвращающих элементы в круговорот.
5. Средообразующая (биогеохимическая) функция. Преобразование физико-химических параметров среды (почвообразование, формирование климата, химического состава вод).

История развития учения

Представления о биосфере как особой оболочке Земли развивались постепенно. В античности и Средневековье господствовали идеи о божественном происхождении жизни и её неизменности. В XVIII–XIX веках с развитием естествознания (труды Ж. Бюффона, Ж.Б. Ламарка, А. Гумбольдта) возникло понимание взаимосвязи организмов и среды.

Вклад Эдуарда Зюсса

В 1875 году австрийский геолог Эдуард Зюсс в книге «Происхождение Альп» впервые использовал термин «биосфера» для обозначения области, где обитают живые существа. Зюсс понимал биосферу как одну из земных оболочек, наряду с литосферой, гидросферой и атмосферой, но не дал ей развёрнутого научного обоснования.

Учение Вернадского

Основоположником современного учения о биосфере является Владимир Иванович Вернадский (1863–1945). В своих трудах («Биосфера», 1926; «Химическое строение биосферы Земли и её окружения», 1965, опубликован посмертно) он разработал целостную концепцию биосферы как планетарного геологического и биологического явления.

Вернадский показал, что живое вещество является мощной геологической силой, преобразующей лик Земли. Он ввёл понятия «живое вещество», «биогенная миграция атомов», «биогеохимические принципы». Вернадский утверждал, что биосфера — это не просто совокупность организмов, а сложная, самоорганизующаяся система, где живое и косное вещество находятся в непрерывном взаимодействии. Он также предсказал неизбежность перехода биосферы в новое состояние — ноосферу (сферу разума), где разумная деятельность человека станет главным фактором развития планеты.

Эволюция биосферы

Биосфера прошла длительный путь эволюции, который можно разделить на несколько этапов:

1. Возникновение жизни (около 3,8–4 млрд лет назад). Появление первых прокариотических клеток (бактерий, архей) в первичном океане. Начало формирования биогеохимических циклов.
2. Кислородная революция (около 2,4 млрд лет назад). Возникновение фотосинтеза у цианобактерий привело к накоплению свободного кислорода в атмосфере, что изменило её состав и сделало возможным развитие аэробных организмов.
3. Возникновение эукариот (около 1,5–2 млрд лет назад). Появление сложных клеток с ядром и органеллами, что дало толчок к многоклеточности.
4. Кембрийский взрыв (около 540 млн лет назад). Массовое появление многоклеточных животных с твёрдым скелетом, резкое увеличение биоразнообразия.
5. Выход жизни на сушу (около 450–400 млн лет назад). Заселение суши растениями (псилофиты) и членистоногими, формирование почвенного покрова.
6. Мезозойская и кайнозойская эры. Доминирование рептилий, затем млекопитающих и птиц. Формирование современных экосистем.
7. Антропоцен (современный этап, с середины XX века). Эпоха, когда деятельность человека (антропогенный фактор) становится главным фактором, определяющим состояние биосферы. Наблюдается глобальное потепление, сокращение биоразнообразия, загрязнение среды.

Современное состояние и антропогенное воздействие

В настоящее время биосфера испытывает мощное антропогенное давление. Основные проблемы включают:

• Изменение климата. Выбросы парниковых газов (CO₂, метана) приводят к глобальному потеплению, таянию ледников, повышению уровня моря и изменению экосистем.
• Утрата биоразнообразия. Вымирание видов происходит темпами, в 100–1000 раз превышающими естественный фоновый уровень. Основные причины — разрушение местообитаний, инвазивные виды, загрязнение, охота.
• Загрязнение. Химическое (тяжёлые металлы, пестициды, нефтепродукты), радиоактивное, пластиковое загрязнение охватывает все среды — атмосферу, гидросферу, литосферу.
• Истощение ресурсов. Невозобновляемые ресурсы (нефть, газ, руды) исчерпываются, а возобновляемые (леса, плодородные почвы, чистая вода) деградируют быстрее, чем восстанавливаются.
• Нарушение биогеохимических циклов. Внесение азотных и фосфорных удобрений нарушает естественный круговорот этих элементов, вызывая эвтрофикацию водоёмов и образование «мёртвых зон» в океане.

Ноосфера

Концепция ноосферы, развитая Вернадским, а также французскими учёными Э. Леруа и П. Тейяром де Шарденом, предполагает, что разумная деятельность человека должна стать главным фактором, направляющим эволюцию биосферы. Вернадский считал, что человечество, овладев наукой и техникой, способно взять на себя ответственность за состояние биосферы, перевести её в новое качественное состояние — ноосферу, где будет обеспечено гармоничное сосуществование человека и природы. Однако на современном этапе, в условиях глобального экологического кризиса, переход к ноосфере остаётся скорее идеалом, чем реальностью.

Источники

• Вернадский В.И. Биосфера. — М.: Наука, 1967.
• Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её окружения. — М.: Наука, 1987.
• Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экология почв. Учение об экологических функциях почв. — М.: Изд-во МГУ, 2006.
• Одум Ю. Экология: в 2 т. — М.: Мир, 1986.
• Реймерс Н.Ф. Природопользование: словарь-справочник. — М.: Мысль, 1990.
• Тейяр де Шарден П. Феномен человека. — М.: Наука, 1987.