Глава 1
Введение в проблематику биосферы
1.1. Определение биосферы
Что же представляет собой биосфера?
Напомним некоторые ее характерные признаки.
В современной науке имеется много определений биосферы. Приведем лишь некоторые.
«Биосфера – особая, охваченная жизнью оболочка Земли» (Вернадский, 2003, с. 32–33).
«Глобальная экосистема – биосфера Земли» (Тупикин, 2002, с. 154). «Поверхностный слой Земли – биосфера, сфера обитания живых организмов, постоянно перерабатываемая ими и включающая их самих» (Захаров, 1984, с. 3).
«Биосфера – совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты» (Акимова и др., 2001, с. 32–33).
«Биосфера представляет собой глобальный биотоп, населенный всеми живыми существами, в том числе и человеком, проживающим на планете Земля» (Радкевич 1998, с. 124–125).
Из этих определений следует, что основу биосферы составляют живые организмы (биота) и окружающая ее (в глобальном масштабе) среда.
В то же время отметим, что учение о биосфере имеет свои специфические цели. Например, биология изучает живые организмы и их сообщества во всем разнообразии их состава и жизнедеятельности на всех уровнях организации жизни: от макромолекул, клеток, организмов до экосистем.
Учение о биосфере рассматривает живые организмы как нечто целое и единое, как живое вещество, т. е. совокупность всех живых организмов с точки зрения их глобальной геохимической и энергетической роли в масштабе геологического времени (Тюрюканов, 1990, с. 30–31). Деятельность живого вещества на планете создала условия для появления человечества и обеспечила его существование и эволюцию.
Здесь вполне уместны вопросы:
♦ как возникла биосфера?
♦ почему ее нет на других планетах Солнечной системы?
♦ в чем уникальность нашей Земли, породившей жизнь?
Ответы на эти и другие вопросы предполагают более детальный анализ, который мы проведем в этой и последующих главах.
1.2. Характеристика и состав биосферы
Впервые понятие «биосфера» (от греч. bios – жизнь и sphaira – шар) в биологию было введено Ж. Ламарком в начале XIX в. Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.
В геологии название «биосфера» было употреблено в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом (1831–1914). В России учение о биосфере, как научное направление, сформировалось в первой четверти XX в. (Киселев, 2000, с. 14–15). Следует заметить, что первоначально под биосферой многими учеными подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете. В различной литературе иногда указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом внимание обращалось скорее на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Так, например, Э. Зюсс в своей книге «Лик Земли» не придавал особого значения обратному воздействию биосферы на природные процессы и определял ее (биосферу) как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и времени и обитающую на поверхности Земли».
Дальнейшее накопление фактов и открытий в области палеонтологии, ботаники, геологии и других науках привело к уточнению и расширению понятия биосфера. В окончательном виде это понятие было разработано В. И. Вернадским (1863–1945). В его работах это понятие стало основным. Биосферой он назвал оболочку Земли, в формировании которой живые организмы играли и играют основную роль. В основу учения о биосфере В. И. Вернадский ввел еще одно понятие – «живое вещество», т. е. «совокупность всех живых организмов без исключения, как единая особая область накопления свободной химической энергии в биосфере, превращения в нее световых излучений Солнца» (Вернадский, 2003, с. 56–57).
Таким образом, биосфера – это планетарная природная система, существование которой обусловлено глобальными процессами синтеза и разложения, где живое вещество играет главную роль. Суммарная жизнедеятельность организмов (живого вещества) определяет особенности биосферы и, в первую очередь, наличие круговорота энергии и вещества.
Важным для понимания биосферы было установление Пфефером (1845–1920) трех способов питания живых организмов:
1) автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;
2) гетеротрофное – построение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;
3) миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).
Из многих определений биосферы наиболее удачным (Радкевич, 1998) является следующее:
Биосфера (в современном понимании) представляет собой глобальный биотоп, населенный всеми живыми существами (в том числе и человеком), проживающими на Земле.
Она охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.
Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством. Через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом. Она имеет несколько слоев:
♦ тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9-17 км). В нем сосредоточено около 80 % газового состава атмосферы и весь водяной пар;
♦ стратосфера — слой атмосферы, располагающийся над тропосферой до высоты 50–55 км. В нижней ее части температура относительно постоянна, но начиная с высоты 25 км она вырастает от 6 С до 1 °C. Это объясняется тем, что на данной высоте (25 км) находится озон, который сильно поглощает солнечную радиацию. В эволюционном плане озон способствовал распространению живого вещества на суше;
♦ ионосфера – оболочка, в которой практически отсутствует «живое вещество».
Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78 %), O2 (21 %), CO2 (0,03 %).
Гидросфера представляет собой совокупность всех вод на Земле (глубинных, почвенных, атмосферных, океанических и др.). Основную часть гидросферы (96,53 %) составляет Мировой океан. На протяжении тысячелетий во всех районах и на всех глубинах океана соотношение основных химических компонентов морской воды остается постоянным. В. И. Вернадский даже предлагал принять это соотношение в качестве константы на нашей планете, аналогично тому, как характерной константой вещества служит точка его плавления. Океану присущ гомеостаз – способность сохранять постоянство своего химического облика. Здесь нельзя не заметить, что сегодня очень остро стоит вопрос: сохранится ли эта способность в современных условиях?
Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2, Ca2, Cl, S, С.
Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, и другим химическим элементам, которые усваиваются живыми организмами.
Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, постепенно, с глубиной, переходящая в сферы с меньшей прочностью вещества (Реймерс, Яблоков, 1982, с. 71). Она включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 50-200 км. Глубина земной коры до 30–60 км на континенте и 5-10 км на дне океана.
В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровича. Та часть поверхности литосферы, которая преобразована за счет совместного воздействия на нее воды, воздуха и живых организмов, образует почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.
Преобладающие элементы химического состава литосферы: О, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, К.
Ведущую роль среди многих химических элементов, выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92 % ее объема. Этот газ прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. В количественном отношении земная кора – это «царство» кислорода, химически связанного в ходе ее геологического развития.
Накопление фактического материала и теоретическое его осмысление привели ученых к идее, что между живыми организмами и неживой природой существует не просто формальная, а средопреобразующая взаимосвязь. Об этом свидетельствует обратное воздействие живых организмов (и их систем) на физические, химические и геологические среды их жизни. Отметим, что этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Ученые все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже XIX–XX вв. в науку все шире проникают идеи холистического (целостного) подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.
Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия живого вещества на абиотические факторы или физические условия.
Например, состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Биота Земли контролирует и поддерживает на протяжении многих тысячелетий оптимальный газовый состав атмосферы. Можно найти много подобных примеров, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли.
Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Именно такую задачу впервые поставил и решал выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский.
1.3. Физические условия формирования биосферы
Космологи считают, что примерно 20 млрд лет тому назад в результате чудовищного взрыва возникла наша Вселенная. Примерно около 6–7 млрд лет назад сформировались Солнце и другие тела его системы, и где-то 4,6–5 млрд лет назад возникла наша Земля (Мизун и др., 2002, с. 130–131). Было высказано предположение, что температурный фон, который должен был дойти до нас от начала «Большого взрыва», составит примерно 3 К, т. е. по шкале Цельсия -270. Дальнейшие проверки американскими радиоастрономами в 1965 г. (А. Пензиас и Р. Вилсон) подтвердили наличие этого реликтового излучения.
Гипотеза расширяющейся (эволюционирующей) Вселенной стала теорией. Расчеты о нестационарности Вселенной, выполненные А. А. Фридманом в 1922 г., полностью подтвердились эмпирически. Следовательно, возникновение Солнечной системы не было загадочным событием. Вместе со Вселенной она идет по пути как качественных, так и количественных преобразований – рождения, возмужания и дальнейшей гибели.
Огромное влияние на эволюцию нашей планеты и возникновение на ней жизни оказало «удачное» ее расположение по отношению к Солнцу. Известно, что Земля отстоит от светила на 149,6 млн км. Роль нашей звезды в динамике движения планет и их устойчивого нахождения на орбитах огромна. Прежде всего, за счет сил притяжения, обусловленного гравитацией, Солнце дисциплинирует движение планет на своих орбитах. Кроме этого, звезда излучает в пространство огромное количество энергии.
Согласно закону теплового излучения, плотность потока световой энергии абсолютно черного тела можно определить в соответствии со следующей закономерностью:
S = Т 4, (1)
где S – интенсивность излучения, а – коэффициент пропорциональности – постоянная Стефана – Больцмана, равная 5,67 10-8 Вт/(м2К4), Т – температура нагретого тела.
Солнце излучает энергию во всех направлениях. Поэтому общую мощность излучения (светимость звезды) можно вычислить, если умножить поверхность шара, равную 4πR2, на температуру внешних ее слоев. Принимая во внимание выражение (1), имеем (Иванов, 1986, с. 287):
L = 4πR2σT4, (2)
где R – радиус, Т – температура поверхности Солнца.
Учитывая, что максимум энергии излучения Солнца приходится на желто-зеленую часть спектра, Т = 5330 К (Иванов, 1986, с. 286–287). Подставляя в формулу (2) параметры светила определим светимость L:
L = 4 3,14 (7 108)2 5,7 10-8 103)4 Вт = 2,8 1026 Вт.
Следует заметить, что температура поверхности Солнца (Т) у некоторых авторов не совпадает с вышеприведенной. Например, в монографиях Ю. И. Витинского (1983, с. 57–70), А. В. Бялко (1989, с. 96–97) этот показатель равен, соответственно, – 5770 К, 5780 К.
Светимость Солнца L можно определить еще одним способом. Для этого надо знать, сколько энергии во всем спектре приносится солнечными лучами за секунду на единичную площадь, т. е. солнечную постоянную (5). Измерения показали, что вне земной атмосферы 5 = 1360 Вт/м2.
Тогда
L = 4πR2s, (3)
где r – расстояние планеты до Солнца.
Подставим в (3) параметры нашей планеты. Имеем:
L = 4 3,14 1,496 1011 1,36 103 = 3,83 1026Вт.
Оценка светимости звезды по формуле (3) основывалась на предположении, что Солнце светит одинаково во все стороны, а, следовательно, мощность солнечных лучей должна пронизывать каждый квадратный метр всей сферы радиуса r вокруг Солнца (Вавилов, 1982, с. 70–71; Бялко,1989, с. 97–98). Учитывая формулы (2) и (3), найдем выражение для определения солнечной постоянной для других планет, расположенных от светила на соответствующем расстоянии:
s0 = R 2σT 4/r2. (4)
Для нашей планеты показатель s0 = (3,83 1026/4π)/2; 24 1020 = 1361 Вт/м2, а для Венеры и Марса, соответственно, – 2606 и 586 Вт/м2.
Как следует из формулы (4), числитель сохраняет неизменное выражение, а переменной величиной, от которой зависит солнечная постоянная для других планет, является их расстояние до Солнца. Имеются данные, что на величину s0 оказывает влияние изменение интенсивности излучения звезды и колебание ее радиуса (компоненты числителя, представленные в формуле (4) (Чистяков, 1997, с. 24–25). Доказано, что тепловое излучение Солнца постоянно. Его активность изменяет только коротковолновую, нетепловую часть излучения, и она, практически, не меняет тепловой поток, приходящий к нашей планете, и т. д. (Бялко, 1989, с. 133–134).
Можно определенно сказать, что нам «повезло» в том, что планета Земля заняла положение, которое в силу общеприродной закономерности (энергетический фактор) способствовало возникновению и дальнейшей эволюции биосферы на нашей Земле. Обратим внимание на состав атмосферы Венеры, Земли и Марса:
♦ углекислый газ на этих планетах составляет, соответственно, – 98, 0,03 и 95 %;
♦ азот – 1, 9, 79 и 2,7 %;
♦ кислород – следы, 21 и 0,13 %.
При отсутствии живых организмов на Земле углекислого газа было бы 98 %, азота 1,9 % и кислорода – следы.
Важным показателем является и температура поверхности этих планет:
♦ на Марсе она равна -53 С;
♦ на Венере – +477 С;
♦ на нашей планете – +15 С.
Ширина комфортной зоны, когда вода на нашей планете может существовать сразу в трех состояниях (жидкое, твердое и газообразное), составляет 0,06 расстояния Земли от Солнца. Граница полосы лежит в пределах 0,95 и 1,01 этого расстояния (Лосев, 1985, с. 44–45).
Если бы Земля сместилась на 5 % от комфортной зоны в направлении Венеры, то на планете начался бы смертоносный для биосферы разогрев утяжеляющейся углекислотой атмосферы. При ее смещении на 1 % ближе к Марсу она погрузится в вечную спячку под толстым слоем льда (Лосев, 1985, с. 44–45). Отметим, что Земля находится очень близко от роковой границы, за которой развитие климата на ней может пойти по вышеприведенным сценариям. Поэтому похолодания периодически дают о себе знать.