Биосфера. 
Экологические основы природопользования

Биосфера — это одна из оболочек земного шара, населенная живыми организмами и активно преобразующаяся ими.

Термин «биосфера» был предложен австралийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. для обозначения оболочки Земли, образованной совокупностью живых организмов, что укладывается в биологическую концепцию биосферы.

Представление о широком влиянии жизни на природные процессы было сформулировано В. В. Докучаевым, который показал зависимость процессов почвообразования не только от климата, но и от совокупного влияния растительных и животных организмов.

В. И. Вернадский развил это направление и разработал учение о биосфере как глобальной системе нашей планеты, в которой основной ход геохимических и энергетических процессов определяется живым веществом. Он распространил понятие биосферы не только на сами организмы, но и на среду их обитания. Это придало концепции биосферы биогеохимический смысл. До этого все явления, меняющие в масштабе геологического времени облик Земли, рассматривались как чисто физические, химические или физико-химические (размыв, растворение, осаждение, выветривание пород и т. д.). В. И. Вернадский создал учение о геологической роли живых организмов и показал, что деятельность последних является важнейшим фактором преобразования минеральных оболочек Земли.

С именем Вернадского связано создание социальноэкономической концепции биосферы, отражающей ее превращение на определенном этапе в ноосферу. Это связано с деятельностью человека, которая приобретает роль самостоятельной геологической силы. Учитывая системный уровень организации биосферы, а также то, что в основе ее функционирования лежат круговороты веществ и энергии, современной наукой сформулированы биохимическая, термодинамическая, биогеоценотическая, кибернетическая концепции биосферы.

Согласно В. И. Вернадскому, биосфера — это такая оболочка, в которой существует и существовала в прошлом жизнь и которая подвергалась и подвергается воздействию живых организмов.

Эта оболочка включает:

• — живое вещество, образованное совокупностью организмов;
• — биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, сланцы, известняки и др.);
• — косное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты тектонической деятельности, метеориты);
• — биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).

Область распространения организмов в биосфере изображена графически на рис. 1.7, а темпы циркуляции веществ в биосфере — на рис. 1.8.

В. И. Вернадский определил биосферу как термодинамическую оболочку с температурой от +50° до -50° С и давлением около 1 а гм. Эти условия составляют границы жизни для большинства организмов. Все живые организмы образуют биомассу планеты и составляют около 0,01% массы земной коры, но, несмотря на незначительную общую биомассу, деятельностью живых организмов обусловлены химический состав атмосферы, концентрация солей в гидросфере, формирование почвенного слоя и горных пород в литосфере. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов и осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Химические вещества циркулируют между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии солнца создают органические вещества, которые другими живыми существами (гетеротрофами и деструкторами) разрушаются с тем, чтобы продукты этого разрушения были использованы растениями для новых органических синтезов.

Рис. 1.7. Область распространения организмов в биосфере.

Рис. 1.8. Темпы циркуляции веществ в биосфере.

Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере, литосфере. Верхняя граница биосферы проходит на высоте 20 км, т. е. живые организмы расселены, в основном, в тропосфере и нижних слоях стратосферы. Лимитирующим фактором расселения в атмосфере является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетовой радиации. Все живое, проникающее выше границы озонового слоя, погибает. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину Мирового океана, что подтверждается обнаружением живых организмов и органических отложений до глубины 10—11 км. В литосфере живые организмы обнаруживаются на глубине примерно 7,5 км.

Литосфера — земная кора, внешняя твердая оболочка земного шара, образованная осадочными и базальтовыми породами. Иными словами — эго верхний плодородный слой почвы, населенный живыми организмами. Общий химический состав земной коры определяют немногие химические элементы. Всего лишь 8 элементов распространены в земной коре в весомом количестве (более 1%) — кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий. Наиболее распространенным элементом является кислород, составляющий почти половину массы земной коры (47,3%). Таким образом, земная кора — это царство кислорода, химически прочно связанного с другими элементами.

Исходным материалом для почвообразования служат поверхностные слои горных пород. Из них под воздействием микроорганизмов, растений и животных формируется почвенный покров. Организмы концентрируют в своем составе биогенные элементы. После отмирания животных и растений и их разложения эти элементы переходят в состав почвы, благодаря чему в ней аккумулируются биогенные элементы, а также могут накапливаться продукты разложения органических веществ. В почве накапливается огромное количество микроорганизмов.

Таким образом, литосфера имеет биогенное происхождение, она состоит из органических и неорганических соединений и живых организмов.

Основная масса живых организмов, обитающих в литосфере, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров.

Гидросфера — водная оболочка Земли, составленная Мировым океаном, который занимает примерно 70,8% поверхности земного шара. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из наиболее необходимых факторов существования живых организмов. Основная часть воды (95%) заключена в Мировом океане. Глубина Мирового океана в среднем около 4 км, наибольшая — 11 км. Вода содержится в виде паров и облаков в земной атмосфере, существует в виде ледников в замороженном состоянии, атмосферные воды проникают в толщу осадочных пород, формируя подземные воды.

Химический состав природных вод формируется под воздействием живых организмов непосредственно и косвенно. Живые организмы и продукты их жизнедеятельности способствуют разрушению горных пород и вымыванию из них различных веществ. С речным стоком эти вещества попадают в Мировой океан. В пресных и морских водах растворенные вещества концентрируются многими живыми организмами. Из газов, растворенных в воде, наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в гидросфере значительно варьирует в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа также различна, но в целом количество его в океане приблизительно в 60 раз больше, чем в атмосфере.

Значение воды в биосфере огромно: вода является универсальным растворителем; большинство химических реакций осуществляется в водных растворах, в воде происходит диссоциация соединений, вода обладает огромной теплоемкостью, теплои электропроводностью. В гидросферу биосфера проникает практически на всю глубину Мирового океана.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли, состоящая из смеси газов, в которой преобладают кислород и азот. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего живого вещества; углекислый газ, используемый при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения.

Атмосфера — наиболее легкая оболочка, граничащая с космическим пространством. Химический состав атмосферы многообразен, но основную массу в ней составляют азот и кислород. В меньших концентрациях присутствуют углекислый газ и аргон. Сухой воздух приземного слоя атмосферы — тропосферы — состоит из азота (78,084%), кислорода (20,946%), аргона (0,934%), и углекислого газа (0,033%). Из этих четырех газов только аргон не связан с жизнедеятельностью организмов, а поступление и расход кислорода, азота, углекислого газа регулируется живыми организмами.

В атмосфере различают: тропосферу — примыкающий к поверхности Земли нижний слой атмосферы высотой около 15 км, в который входят взвешенные в воздухе водяные пары; стратосферу — слой над тропосферой высотой около 100 км. В стратосфере под действием жесткого излучения Солнца из молекулярного кислорода образуется атомарный кислород, который затем, соединяясь с молекулярным кислородом, превращается в озон, образующий озоновый слой, задерживающий космические и ультрафиолетовые лучи, губительно действующие на живые организмы. Озоновый слой, или «экран», составляет верхнюю часть атмосферы — ионосферу.

Состояние атмосферы оказывает важное влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, необходимый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего органического вещества; углекислый газ, расходуемый на фотосинтез, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Вне атмосферы существование живых организмов невозможно, примером может служить Луна, лишенная атмосферы. Историческое развитие атмосферы связано с геохимическими процессами, а также с жизнедеятельностью организмов. Так, азот, углекислый газ, пары воды образовались в процессе эволюции планеты благодаря вулканической деятельности, а кислород — в результате фотосинтеза.

Помимо круговорота химических элементов, живое вещество в биосфере осуществляет газовую, концентрационную, окислительную и восстановительную функции. Кислород и азот атмосферы, весь углекислый газ, по мнению Вернадского, имеют органогенное происхождение. Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет примерно 200 млрд т сухого органического вещества; за это же время в процессе фотосинтеза на планете образуется 46 млрд т органического углерода, 123 млрд т кислорода.

Для синтеза живого вещества необходимо около 40 химических элементов, т.к. известно, что в состав живой клетки входит около 60% химических элементов периодической системы. Основными органогенными веществами являются водород, углерод, кислород, азот, сера, фосфор. Эти вещества называют макроэлементами. К микроэлементам относятся калий, натрий, кальций, магний, железо, кремний и др. Остальные элементы входят в состав живой материи в ничтожно малых количествах, их называют следовыми элементами. Все элементы в определенной периодичности переходят из живой материи в неживую (косную), участвуя в биогеохимических циклах. Последние можно разделить на две группы: круговорот газов, в котором главным накопителем элементов является атмосфера, осуществляющая круговороты углерода, азота, кислорода, воды и круговорот осадочных элементов, которые в твердом состоянии находятся в составе осадочных пород почвы — фосфор, железо, сера и др.

" Вихрь жизни", как говорил Вернадский, захватывает освобожденные при гниении органических веществ элементы, поступающие в литосферу, гидросферу и атмосферу и снова включает их в круговорот веществ.

В качестве примера ниже приводится схема круговорота одного из важнейших элементов живого вещества — углерода (рис. 1.9). Главным и единственным источником углерода, используемого аутотрофными организмами (растениями) для синтеза органического вещества служит углекислый газ, который входит в состав атмосферы или находится в растворенном состоянии в воде.

Рис. 1.9. Круговорот углерода в биосфере.

Круговорот углерода начинается с фиксации углекислого газа атмосферы растениями в процессе фотосинтеза. Фотосинтез — сложный многоступенчатый процесс, в ходе которого выделяют две фазы — световую и темповую. В результате световой фазы происходит превращение солнечной энергии в энергию химических связей и накопление энергии, а также образуется вода и свободный кислород. В тем новую фазу накопленная энергия расходуется на образование органических веществ (углеводов) из углекислого газа и воды.

Часть образовавшихся углеводов расходуется самим растением для получения энергии, необходимой для обмена веществ, роста и развития, другая часть (около 10%) идет на формирование биомассы самого растения, которая затем потребляется организмами второго уровня питания (консументами). Часть углерода поступает в окружающую среду при дыхании растений и животных. Мертвые животные и растения разлагаются микроорганизмами почвы (редуцентами), при этом углерод их тканей снова возвращается в атмосферу в виде углекислоты. Благодаря круговороту веществ содержание углекислоты в атмосфере не уменьшается, так как ее запасы постоянно пополняются за счет дыхания, брожения, горения. Напротив, существует реальная опасность увеличения концентрации С0₉ в атмосфере в результате нарастания темпов развития промышленного производства, что может привести к нарушению постоянства состава атмосферы и равновесия в биосфере.

Другой важнейшей функцией живого вещества, а следовательно, биосферы является газовая функция. Благодаря деятельности живого вещества изменился состав атмосферы, в частности в результате процесса фотосинтеза в ней появился в значительных количествах кислород. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. В верхних слоях тропосферы и в стратосфере под влиянием ультрафиолетового излучения из кислорода, как уже говорилось, образуется озон. Существование озонового экрана — также результат деятельности живого вещества, которое, по выражению В. И. Вернадского, «как бы само себе создаст область жизни». Углекислый газ поступает в атмосферу в результате дыхания всех живых организмов. Весь азот атмосферы имеет органогенное происхождение. К газам органического происхождения относятся также сероводород, метан и множество других летучих соединений, образующихся в результате разложения органических веществ растительного происхождения, ранее захороненных в осадочных толщах.

Живое вещество способно перераспределять атомы в биосфере. Одной из функций живого вещества является концентрационная. Многие организмы обладают способностью накапливать в себе определенные элементы, несмотря на незначительное их содержание в окружающей среде. На первом месте стоит углерод. Многие организмы концентрируют кальций, кремний, алюминий, натрий, йод и т. д. Отмирая, они образуют скопление этих веществ. Возникают залежи угля, известняков, бокситов, фосфоритов, осадочных железных руд и т. п. Многие из них человек использует как полезные ископаемые.

Окислительно-восстановительная функция живого вещества заключается в его возможности осуществлять окислительные и восстановительные химические реакции, почти невозможные в неживой природе. В результате жизнедеятельности микроорганизмов в биосфере в больших масштабах происходят такие химические процессы, как окисление и восстановление элементов с переменной валентностью (азот, сера, железо, марганец и др.). Микроорганизмы-восстановители (гетеротрофы) используют в качестве источника энергии органические вещества. К ним относятся денитрифицирующие и сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм азот до элементарного состояния и серу до сероводорода. Микроорганизмы-окислители могут быть как аутотрофами, так и гетеротрофами. Это бактерии, окисляющие сероводород и серу, нитрифицирующие микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующие эти металлы в своих клетках.

Эволюция биосферы на протяжении большей части ее истории осуществлялась под влиянием двух главных факторов: естественных геологических и климатических изменений на планете и изменений видового состава и количества живых существ в процессе биологической эволюции. На современном этапе в третичном периоде к ним присоединился третий фактор — развивающееся человеческое общество.

Человек занимает особое место в биосфере. Разумная деятельность его в масштабах биосферы способствует превращению последней в ноосферу. На этом этапе эволюция биосферы происходит под определяющим воздействием человеческого сознания в процессе производственной деятельности людей, что переводит биосферу на новый этап эволюции — период ноогенеза.

Разумная по своим намерениям деятельность людей в масштабе биосферы способствует превращению последней в ноосферу. Однако во второй половине XIX в. начинается интенсивный рост промышленности, железнодорожного транспорта, возрастает потребление полезных ископаемых, в том числе потребление топлива и, соответственно, человек все в большей степени вмешивается в круговорот вещества в биосфере. Одним из неблагоприятных факторов является появление в большом количестве отходов промышленности, которые не разрушаются в ходе природных процессов, а нарушают естественный биогеохимический круговорот. Деструктивная деятельность микроорганизмов затрудняется ядовитыми токсическими веществами, как прямыми, так и сопутствующими продуктами промышленного производства. На окисление промышленных выбросов расходуется кислород биосферы, при этом затрудняются и нарушаются процессы естественного самоочищения гидросферы и атмосферы.

Количество энергии, получаемое за счет ископаемого топлива, возрастает (нефть, газ, уголь). Из недр Земли все в возрастающем количестве извлекаются различные полезные ископаемые. Человек становится решающей силой в преобразовании биосферы. Высокого уровня достигает наука, ее достижения используются в разных областях человеческой деятельности, в том числе и в деле преобразования природы.

По мнению В. И. Вернадского, «…ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу. Изменение биосферы есть неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли. Изменение биосферы происходит независимо от человеческой воли, стихийно, как природный естественный процесс» .

В связи с развитием производительных сил возникают новые по качеству круговороты вещества в биосфере, которые составляют основные признаки превращения ее в ноосферу:

• — возрастание механически извлекаемого материала земной коры, рост разработки месторождений полезных ископаемых;
• — массовое потребление (сжигание) продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох;
• — процессы антропогенеза приводят к рассеиванию энергии, а не к ее накоплению, что было характерно для биосферы до появления человека;
• — в биосфере в массовом количестве появляются (создаются) вещества, ранее в ней отсутствовавшие, в том числе чистые материалы; происходит антропогенная металлизация биосферы;
• — в связи с развитием ядерной технологии и ядерной энергетики в биосфере появляются, хотя и в ничтожном количестве, трансурановые элементы; разработка новых и совершенствование существующих способов получения ядерной энергии позволит снизить добычу горючих ископаемых;
• — ноосфера выходит за пределы Земли в связи с научнотехническим прогрессом и вторжением человека в космическое пространство.

Ноосфера — это не что-то внешнее по отношению к биосфере, а новый этап в ее развитии, заключающийся в разумном регулировании отношений человека и природы.

Стабильное состояние биосферы обусловлено деятельностью самого живого вещества, обеспечивающего определенную степень фиксации солнечной энергии и уровень биогенной миграции атомов. Однако необходимо учитывать, что стабильность биосферы, как и любой другой системы, имеет определенные пределы.

Человеческое общество, используя не только энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например, ядерной), ускоряет геохимические преобразования на планете, вмешивается в ход биосферных процессов. Некоторые процессы, вызванные деятельностью человека, имеют противоположную направленность по отношению к естественным процессам. Эго рассеивание руд металлов, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение углерода и его окисление, нарушение в атмосфере глобальных процессов, влияющих на климат, и т. д.

Естественно, что одной из основных задач современной экологии является изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного фундамента ее рационального использования, поддержания ее стабильности.