Биосфера. 
Учение в. и. Вернадского о биосфере и ноосфере. 
Круговорот элементов в биосфере

Общие сведения о биосфере; В. И. Вернадский о биосфере; о биологических циклах углерода, кислорода, азота, фосфора; о глобальных проблемах биосферы

Самой большой экосистемой является биосфера Земли — оболочка планеты, заселенная живыми организмами. Сведения о толщине биосферы различны. Но одно сравнение верно, что биосфера по сравнению с диаметром Земли подобна кожице на большом яблоке.

Над поверхностью моря (или суши) живые организмы распространены примерно на высоте до 6 км, в толщу суши они опускаются на 15 км и на 11 км в глубь океана; следовательно, общая толщина биосферы составляет около 20 км (рис. 16).

Биосфера включает литосферу, в том числе почву, гидросферу (реки, озера, моря, океаны) и тропосферу (нижняя часть атмосферы). Но жизнь в этих слоях биосферы распределена неравномерно; основная масса живого вещества сосредоточена в поверхностном слое суши (50—100 м) — это высота лесного полога, а в океане — поверхностные слои воды (10—20 м). В этих слоях сконцентрировано больше 90% биомассы растений и животных.

Вся совокупность живых организмов планеты составляет биомассу Земли. Она равна 2423×10⁹ т сухой массы, из которой 97% составляют растения, а 3% — животные и микроорганизмы. Плотность жизни неодинакова в различных средах и на поверхности Земли. Хотя 71% всей поверхности земного шара покрыт водой, основная биомасса сосредоточена на суше — 99,8%.

Биосфера — многокомпонентная система, состоящая из отдельных структур. Эта система считается открытой, так как получает энергию Солнца извне. Структурным звеном биосферы являются биогеоценозы.

Учение о биосфере как особой оболочке Земли создал русский ученый В. И. Вернадский.

В.И. Вернадский еще в молодости заинтересовался вопросом о влиянии организмов живой природы на ее мертвую, или, как он называл позднее, «косную» материю. Свою статью по почвоведению, написанную им в 1884 году в бытность студентом и участником почвенных экспедиций В. В. Докучаева, он посвятил описанию влияния сурков, сусликов и других землероющих животных на мощность, строение и состав почвенного покрова.

До середины 30-х годов В. И. Вернадский считал все компоненты биосферы, в частности количество живого вещества в ней, постоянными на протяжении всей геологической истории Земли. Деятельность человека он рассматривал как чуждую биосфере, наложенную на нее извне. Однако с середины 30-х годов В. И. Вернадский пересмотрел эту точку зрения, признал качественную и количественную эволюцию биосферы и стал намечать основные этапы такой эволюции. С этого времени он и вмешательство человека в дела природы стал рассматривать как исторически обусловленный, качественно новый этап развития биосферы. При этом он был уверен, что расхищение природных ресурсов, характерное для ранних стадий развития капиталистического общества, явление временное, связанное с недостатком знаний и низким культурным уровнем населения. В. И. Вернадский считал, что при разумном отношении к антропогенному преобразованию природной среды суммарные ресурсы биосферы могут возрастать быстрее, чем возрастает численность человечества, и что такая разумно преобразованная биосфера сможет удовлетворить материальные и духовные потребности человечества.

Термин «ноосфера» не принадлежит В. И. Вернадскому (его предложил французский математик и философ Э. Леруа в 1927 году, после того как им был прослушан курс лекций В. И. Вернадского по геохимии в Сорбонне). Ноос — древнегреческое название человеческого разума. Следовательно, ноосфера — это сфера человеческого разума. В дальнейшем употребление термина «ноосфера» связано с именем В. И. Вернадского.

Все вещество В. И. Вернадский поделил на группы:

живое вещество — все живые организмы, населяющие нашу планету;

косное вещество — неживые тела, образованные без участия живых организмов;

биогенное вещество — тела, образованные при участии живых организмов;

биокосное вещество — особое природное тело — почва.

Функции живого вещества:

• 1. Газовая — поглощает и выделяет газы в процессе дыхания и фотосинтеза.
• 2. Окислительно-восстановительная — выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов. В процессе синтеза органических веществ преобладают восстановительные реакции и происходят затраты энергии. В процессе расщепления преобладают окислительные реакции и выделяется энергия.
• 3. Концентрационная — это биогенная миграция атомов, которые сначала концентрируются в живых организмах, а затем, после их отмирания, переходят вновь в неживую природу. Следствием является накопление полезных ископаемых в определенных местах земной коры (известняк, торф, каменный уголь, нефть).
• 4. Геохимическая — создает и поддерживает компоненты биосферы.

В.И. Вернадский доказал, что за 4 млрд, лет существования на планете Земля живые организмы вызвали огромные преобразования, полностью изменив облик нашей планеты: сделали ее зеленой, создали огромные запасы топлива — нефти, каменного угля, торфа; в морях образовали коралловые рифы и целые острова; создали голубую пелену нашей планеты, т. е. слой воздуха, в котором велика доля кислорода.

Под влиянием и при участии жизнедеятельности организмов в биосфере происходит круговорот воды, кислорода, углерода, азота и других веществ. Такой обмен элементами различных слоев биосферы обеспечивает возможность жизни в ней живых существ.

Рассмотрим некоторые циклы элементов.

Цикл углерода. Углерод (С) — основа всех органических соединений (рис. 17). В атмосфере постоянно происходит обмен С0₂, поглощение его растениями при фотосинтезе и выделение всеми организмами при дыхании. Кроме того, углерод поступает в атмосферу из детрита — торфа, сапропеля, что является результатом деятельности микроорганизмов на болотах. Углерод в виде С0₂ поступает в атмосферу также при сжигании топлива (каменного угля, нефти, газа) или при извержении вулканов — это приводит к повышению содержания С0₂ в атмосфере.

Пока еще наши леса справляются с поглощением этого дополнительного диоксида углерода в атмосфере, тем более что часть его поглощается и поверхностью океана, где обитает фитопланктон (зеленые водоросли).

Но если площадь лесов будет сокращаться, а океан загрязняться, возникнет проблема парникового эффекта, когда в результате избытка С0₂ и других газов, загрязняющих атмосферу, наша планета будет как бы покрыта пленкой (как в парнике). Такое «пленочное» покрытие пропускает к Земле солнечные лучи, но задерживает обратное тепловое (инфракрасное) излучение земной поверхности. В результате произойдет повышение.

температуры и потепление климата, может начаться таяние льдов Арктики и Антарктики, горных ледников.

По оценкам ученых, за последние 100 лет температура планеты возросла на 0,6°С, а к 2100 году должно произойти повышение температуры на 1,5—5,8°С. Уровень Мирового океана может повыситься на 84—117 см к 2050 году и на 156—345 см к 2100 году из-за таяния полярных льдов. При повышении уровня океана будут затоплены такие города, как Нью-Йорк, Лондон, Санкт-Петербург, Амстердам, Шанхай, Токио, Венеция и другие густонаселенные территории, где проживает 30—50% населения Земли. С лица Земли могут исчезнуть целые государства — Бангладеш, Нидерланды.

С ростом температуры возрастет и количество осадков. Ливни затопят тропики. Засушливые зоны сдвинутся на север. Плошадь пустынь увеличится. Урожаи резко сократятся, что может привести к голоду.

Такие нежелательные последствия может вызвать вмешательство человека в естественный цикл углерода в биосфере.

Цикл кислорода. Кислород выделяют растения в результате фотосинтеза, а поглощают его все живые организмы при дыхании (рис. 18). До появления цивилизации.

Рис. 18. Схема круговорота кислорода в биосфере

эти процессы находились в равновесии. Сейчас происходит дополнительное расходование кислорода при сжигании горючего в автомобилях, двигателях самолетов, котлах электростанций. При уменьшении площади лесов равновесие в цикле 0₂ может резко нарушиться.

Цикл азота. Азот — один из важнейших биогенных элементов, составная часть белков, наряду с углеродом (рис. 19). В основном атмосфера состоит из азота (70%), но это инертный газ, который недоступен большинству организмов.

Превращение азота в доступные растениям формы происходит при грозовых разрядах. Его усваивают также микроорганизмы-азотфиксаторы (клубеньковые бактерии).

В атмосферу азот из разложившихся белков поступает при участии микроорганизмов-денигрификаторов, которые обитают в почве. При распашке земель резко (в пять раз) уменьшается активность фиксации азота микроорганизмами, и активизируются денитрифицирующие микроорганизмы — в результате уменьшается содержание азота в почве, что снижает ее плодородие.