БИОСФЕРА И МЕСТО В НЕЙ ЧЕЛОВЕКА

Более 125 лет назад, в 1875 г., австрийский геолог Э. Зюсс, говоря о различных оболочках земного шара, впервые употребил термин «биосфера» в своей книге о происхождении Альп. Под биосферой Э. Зюсс понимал особую оболочку земной коры, охваченную жизнью. Позже русский геохимик В. И. Вернадский писал, что Э. Зюсс высказал новое, очень большое эмпирическое обобщение, всех последствий которого он не предвидел. Однако при жизни Э. Зюсса развития концепции о биосфере не происходило. Термин «биосфера» стали лишь изредка упоминать в геологической и географической литературе, однако каждый понимал его по-разному.

В. И. Вернадский создал учение о биосфере. Небольшая по объему брошюра «Биосфера», в которой ученый изложил основные его положения, была опубликована в 1926 г. на русском, а позднее, в 1929 г., – на французском языках. Концепция биосферы, которую мы принимаем сейчас, в основном опирается на идеи В. И. Вернадского, развитые им спустя 50 лет после работ Э. Зюсса. В. И. Вернадский считал, что впервые к понятию биосферы подошел Ж. Б. Ламарк, в работах которого изложено немало глубоких геохимических идей.

Изучая историю минералов, миграцию химических элементов в земной коре, В. И. Вернадский выявил грандиозную роль живых организмов в геохимических процессах нашей планеты. Для изучения их роли в биосфере потребовались знания в областях биологии, геологии, химии, на основе которых им была создана новая наука – биогеохимия. В. И. Вернадский показал, что за все геологически обозримое время жизнь на Земле развивалась как взаимосвязанная совокупность организмов («живого вещества» по терминологии В. И. Вернадского), обеспечивавшая непрерывный поток элементов в биогенном обмене веществ на поверхности нашей планеты. Приземный слой атмосферы, вся гидросфера и многокилометровый слой литосферы обязаны своими свойствами тому влиянию, которое оказали организмы за миллиарды лет существования и эволюции. Этот поверхностный слой Земли, заселенный живыми организмами и изменяемый их деятельностью, В. И. Вернадский и назвал биосферой. Именно жизнь, совокупную деятельность всех организмов на Земле, В. И. Вернадский считал наиболее мощным геохимическим агентом, преобразующим поверхность Земли, энергетическим фактором планетарного масштаба и значения. Вся Земля, структура ее атмосферы и гидросферы, толщи осадочных пород, залежей полезных ископаемых – все это возникло благодаря жизни. И именно жизнь была связующим звеном между космосом и планетой, что позволило энергии Солнца оказать решающее влияние на ее развитие.

Развитие жизни на Земле – в сущности, развитие сложных комплексов организмов, обеспечивающих постоянный круговорот различных элементов, в первую очередь тех, которые принято называть биогенными. Менялись виды и более крупные таксоны животных, растений и микроорганизмов, обеспечивавших постоянный круговорот и вовлекавших в него все новые и новые соединения, но при этом всегда поддерживалось более или менее определенное соотношение разных биогеохимически активных групп организмов, совокупная деятельность которых создает на Земле режим неорганической среды, необходимый для существования жизни. Кислород, которым мы дышим, озоновый экран, защищающий нас от губительного действия жесткого космического излучения, поддерживается организмами. Организмами создаются и отложения известняка, запасы необходимой зеленым растениям углекислоты в атмосфере и т. д.

Оценивая воздействие разных групп организмов на всю земную кору и их биогеохимическое значение, В.И. Вернадский заключил, что биогеохимическая роль человека за последнее столетие стала значительно превосходить роль других, даже наиболее активных в биогеохимическом отношении организмов. Воздействие человека на поверхность Земли принципиально отличается от воздействия остальных организмов, так как оно связано не с биологической, а с производственной деятельностью человека, направляемой его разумом. Глубокий оптимист, всегда веривший в победу разума, В. И. Вернадский писал, что биосфера – сфера влияния жизни на Земле – в наши дни уступает место ноосфере – сфере влияния человеческого разума. Под ноосферой В. И. Вернадский понимал сферу разума, которая должна прийти на смену биосфере.

И самое главное в этом учении – утверждение, что на определенной ступени человечество должно принять на себя ответственность за дальнейшую судьбу нашей планеты. В противном случае у человечества нет будущего.

ГРАНИЦЫ БИОСФЕРЫ

В состав современной биосферы входят полностью гидросфера, верхняя часть лито сферы и нижняя часть атмосферы.

Гидросфера – прерывистая оболочка планеты, включающая все ее свободные воды, которые могут двигаться под влиянием гравитационной силы, а также тепла. Она представлена совокупностью поверхностных (океаны, моря, озера, болота, реки, ледяные покровы) и подземных вод. Гидросфера отличается высокой динамичностью, движущей силой которой служит круговорот воды. Гидросфера Земли находится в тесной взаимосвязи с другими сферами – литосферой при посредстве подземных вод и атмосферой через атмосферную влагу (водяной пар). Гораздо сложнее взаимодействие гидросферы с живыми компонентами биосферы. Основную массу живых организмов составляет вода, но ее суммарная масса незначительна относительно объема гидросферы. Вода с биосферой связана также процессом транспирации, который относится к биологическому звену круговорота воды.

Гидросфера занимает около 70,8 % поверхности Земли. Ее общий объем 1400 млн км3, что составляет 1/800 части объема Земли. Масса гидросферы распределена очень неравномерно: 97 % – Мировой океан, 2,2 % – материковые льды и лишь 0,1 % приходится на континентальные водоемы.

Структура пресных вод гидросферы следующая: ледники – 85 %, подземные воды –14 %, озера и водохранилища – 0,6 %, почвенная влага – 0,3 %, пары атмосферы – 0,05 %, речные воды – 0,004 %. Во всей толще гидросферы присутствуют живые организмы.

Литосфера в современном понимании – верхняя твердая оболочка Земли, обладающая большой прочностью, переходящая без отчетливой границы в подстилающий слой Земли – астеносферу. Вещество астеносферы способно, по геофизическим данным, к вязкому или пластичному течению. В связи с этим полагают, что именно в астеносфере происходят процессы, вызывающие горизонтальные и вертикальные движения больших участков (платформ) земной коры. Мощность литосферы колеблется в пределах 50–200 км. Верхняя часть литосферы образует земную кору, а нижняя – верхнюю часть мантии Земли.

Земная кора, хотя и представляет собой, в отличие от гидросферы, сплошную оболочку нашей планеты, очень неоднородна как по горизонтали, так и по вертикали.

На основании геофизических данных об изменении плотности вещества по вертикали в земной коре сверху вниз выделяют следующие слои: 1) осадочный (средняя плотность 1,8–2,5 г/см3); 2) гранитный (средняя плотность 2,5–2,75 г/см3); 3) базальтовый (средняя плотность 2,75–3 г/см3).

Горизонтальная неоднородность земной коры проявляется очень резко. Наибольшие различия наблюдаются в строении земной коры материков и океанов. В связи с этим выделяют два основных типа земной коры: континентальный и океанический.

Континентальная кора характеризуется наличием всех трех названных выше слоев и очень большими мощностями, достигающими 70–75 км, при средней мощности 35 км. Для океанического типа коры характерны отсутствие гранитного слоя и незначительная мощность – обычно около 5–10 км.

В биосферу входит только верхняя часть земной коры, причем нижняя граница биосферы имеет нечеткий, расплывчатый характер, поскольку распространение живых организмов от границы литосферы с атмосферой и гидросферой в глубь Земли резко уменьшается. Отчетливое распространение жизни отмечается лишь до глубины в несколько десятков метров, однако с подземными водами микроорганизмы распространяются и на значительно большие глубины – до 2-3 км. Известны единичные случаи находок микроорганизмов в нефтеносных водах и нефти, добытых при бурении с глубин более 4,5 км. Нижняя граница может меняться в зависимости от геологического строения местности, гидрогеологических условий и геотермического градиента – прироста температуры горных пород земной коры при углублении на каждые 100 м.

В различных местах он неодинаков и колеблется от 0,5 до 20°С, составляя в среднем 3 °С. Основным физическим фактором, определяющим границы распространения микроорганизмов в земной коре, является температура. Подавляющее большинство микроорганизмов не выдерживает длительное пребывание при температуре близкой к 100°С, поэтому нижней границей биосферы считают именно глубину распространения температуры в 100°C. В действительности же распространение живых организмов ограничено не только температурными условиями, но и другими факторами и не всегда достигает предела, обусловленного возрастанием температуры. Поэтому реальное положение границы биосферы обычно не может быть точно определено.

Атмосфера — газовая оболочка Земли, состоящая из азота – 78,08 %, кислорода – 20,95 %, аргона – 0,93 %, углекислого газа – 0,03 % и остальных газов – 0,01 %.

Нижняя граница атмосферы — поверхность суши и гидросферы, резкой верхней границы атмосферы, по существу, нет. При отдалении от поверхности Земли постепенно уменьшается плотность атмосферы, и она незаметно исчезает. Около половины массы всей атмосферы сосредоточено в приземном пятикилометровом слое, а 99% – в тридцатикилометровом. Масса воздуха выше 30 км составляет лишь 1%. Верхней границей атмосферы обычно условно принимают высоту над Землей, равную примерно 3 тыс. км.

Это высота, где плотность атмосферы и межпланетного пространства уравниваются.

Общая масса атмосферы составляет 5,2–1015 т. Атмосферное давление на уровне моря примерно соответствует давлению 760 мм рт. ст. или столба воды высотой 10 м.

Атмосферу делят на ряд слоев. Наиболее распространено деление по характеру изменения температуры в зависимости от высоты. По этому принципу снизу вверх выделяют тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера – нижний, прилегающий к земной поверхности слой атмосферы, в пределах которого температура равномерно уменьшается с высотой. Верхняя граница тропосферы проходит по тропопаузе, высота которой изменяется в зависимости от широты местности, времени года и даже суток. При движении от полюсов к экватору она повышается и, следовательно, меняется высота тропосферы, в среднем от 9 до 17 км. Основная причина изменения высоты тропосферы – колебания температуры. В средних широтах часто отмечаются разрывы тропопаузы в связи с резким изменением ее высоты.

В тропосфере заключено около 80% всей массы атмосферы и практически весь водяной пар, в ней происходят интенсивные горизонтальные перемещения воздушных масс, обусловливающие погоду, образуются облака, выпадают осадки. Температура в пределах тропосферы сильно изменяется как в пространстве, так и во времени, однако в среднем она уменьшается с высотой примерно на 0,6°С на каждые 100 м.

Уменьшение температуры с высотой вызвано тем, что тропосфера прогревается преимущественно за счет тепла, излучаемого земной поверхностью. У верхней границы тропосферы температура снижается до -56°С.

В биосферу входит нижняя часть атмосферы – тропосфера. Физическим пределом распространения жизни в атмосфере является озоновый слой. Поэтому нижнюю его границу можно рассматривать как верхнюю границу биосферы. Озоновый слой ограничивает распространение жизни, так как выше него концентрация содержащегося в нем озона губительна для живого.

Однако жизнь в атмосфере не может существовать без непосредственной связи с литосферой или гидросферой, тропосфера – лишь место временного нахождения способных летать организмов или подхваченных воздушными потоками с поверхности Земли бактерий, спор, пыльцы, т. е. у атмосферы нет своих постоянных жителей, а имеются только «временные пришельцы» из других областей биосферы. В этом заключается своеобразие проявления жизни в тропосфере, определяющее некоторую условность отнесения всей этой оболочки к биосфере.

Действительно, пропуская через фильтр воздух, взятый на больших высотах, можно найти в нем споры бактерий и грибов. Но этот «аэропланктон», очевидно, не имеет активного метаболизма. Даже на поверхности Земли есть места слишком жаркие, холодные или сухие, для того чтобы там могли существовать организмы с активным метаболизмом (не считая, конечно, людей, снабженных соответствующим оборудованием). Но и здесь всегда можно найти споры. Таким образом, оболочка Земли, называемая биосферой, имеет неправильную форму. Она окружена некой «парабиосферной» областью, в которой жизнь присутствует только в покоящемся состоянии.

Что же характерно для биосферы как особой оболочки земного шара? Ж. Э. Хатчинсон выделяет три особенности биосферы. Во-первых, эта область в значительных количествах содержит жидкую воду. Во-вторых, на нее падает мощный поток энергии Солнца. В-третьих, в биосфере имеются поверхности раздела между веществами, находящимися в жидком, твердом и газообразном состояниях.

Наибольшая плотность жизни в зонах соприкосновения оболочек, особенно между тропосферой и литосферой. Гораздо легче жить на поверхности раздела сред, особенно если одна из них твердая. Но и на границе «воздух — вода» (в стоячих лужах и болотах) довольно обильно развиваются микроорганизмы. Весьма вероятно, что, как много лет назад предположил Дж. Бернал, поверхностные свойства твердых тел, соприкасавшихся с водой, имели немаловажное значение для возникновения жизни на Земле и ее развития на ранних стадиях.