Понятие о биосфере — области распространения жизни

Живое вещество биосферы

Границы биосферы.

Биосфера — это область распространения жизни, включающая наряду с организмами и среду их обитания. В масштабе планеты биосфера — часть геологической оболочки Земли, включающая верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы — тропосферу, в которых существует жизнь (рис. 1).

Более точные границы биосферы не просто обозначить и сегодня. Для их выявления используют сведения о сфере распространения живых организмов. Рассмотрим, какие физико-химические условия определяют существование живых организмов.

Во-первых, это достаточное количество углекислого газа и кислорода. В Гималаях распространение зеленой растительности ограничено высотой 6200 м, где парциальное давление углекислого газа вдвое ниже, чем на уровне моря. Выше 6 км встречаются единичные виды пауков и насекомых.

Считается, что в биосферу входит нижний слой атмосферы — тропосфера, которая простирается до высоты 8—10 км в полярных широтах и до 16—18 км в тропиках.

Во-вторых, существование живых организмов обеспечивает достаточное количество воды, поддерживающее нормальный ход метаболических ферментативных процессов. Отличительной особенностью живого является его обводненность. Содержание воды в тканях всех живых организмов примерно в 5 раз больше, чем во всех реках планеты. Половина воды, содержащейся в корнях растений, обновляется в течение нескольких минут. Круговорот воды на суше в значительной степени определяется транспирацией растений. На поверхности Земли нет таких участков, где жизнь ограничена водой. Даже в пустынях Африки под слоем сухого песка встречаются жуки-чернотелки, они обходятся без атмосферной и почвенной влаги, получая метаболическую воду (образуется при окислении различных органических веществ) только с остатками растений (В. Б. Чернышев, 1996).

В-третьих, для живых организмов необходим благоприятный термический режим, исключающий слишком высокие температуры (происходит свертывание белков), либо слишком низкие температуры, прекращающие работу ферментов. Чемпионами по выживанию являются прокариоты, которые выдерживают в состоянии анабиоза экстремальные температуры. Некоторые из них живут на снегу, в лужицах пресной воды на льдинах, в скальных породах Антарктиды.

Рис. 1. Земная кора (по В. Е. Хайну) и граница биосферы (по А. И. Перельману):

• 1 — осадочный слой; 2 — «гранитный сдой»; 3 — «базальтовый» слой;
• 4 — верхняя мантия; 5 — граница биосферы; 6 — нижняя граница вещества, прошедшего через биосферу (былые биосферы)

Другие прокариоты обитают в горячих источниках при температуре до 98 °C, а в подземных водах — и при 100 °C. В прибрежных водах Антарктиды живут прокариоты, отделенные от внешнего мира слоем льда 420 м. Укрывающий их ледяной панцирь существует не менее 120 тыс. лет. Известны бактерии, которые переносят двадцатичасовое пребывание при температуре -252 °С. Двухсотградусный мороз они способны выдерживать в течение многих месяцев.

В подводных гейзерах Восточно-Тихоокеанского хребта обитают термофильные бактерии, способные размножаться при температуре + 250 °C, причем они сохраняют жизнеспособность при повышении ю температуры еще на 100 °C. Итак, температурная амплитуда существования прокариот — 600 °C.

Диапазон давления, при котором возможна жизнь, изменяется от 8000 атм (выживают дрожжи) до 0,001 мбар (семена и споры) и даже до ICE¹¹ мм рт. ст. (одноклеточные организмы).

Океан заселен полностью. Углекислый газ океанических вод усваивается автотрофными растениями в ходе фотосинтеза. Создаваемое ими органическое вещество обеспечивает существование всех морских организмов, даже на глубинах более 10 км живут многоклеточные организмы — «морские огурцы» — голотурии, класс иглокожих.

Распространение жизни в глубь донных осадков ограничивается десятыми долями метров, максимально — единицами метров.

В. И. Вернадский предполагал, что вся осадочная оболочка Земли заселена бактериями, но его предположение не подтвердилось. Нижняя граница биосферы на континентах ограничена температурой и концентрацией солей подземных вод. В Западной Сибири активная и разнообразная анаэробная микрофлора была найдена на глубине более 3000 м. Если содержание солей в подземных водах составляет более 270 г/л, то бактерии отсутствуют и на меньших глубинах (до глубины 500 м — в Ангаро-Ленском бассейне, 1200 м — в Волго-Камском).

Ионизирующие излучения являются мощным фактором разрушения живых организмов. Есть микроорганизмы, концентрирующие уран и процветающие в природных зонах с повышенным радиоактивным фоном и районах радиоактивного заражения. Некоторые их представители живут даже в ядерных реакторах, где доза ионизирующего облучения составляет 2—3 млн рад.

В определенных интервалах черносланцевых толщ практически отсутствуют остатки фауны и флоры, кроме отмерших микроорганизмов, биомасса которых составляет до 10—20% веса пород (баженовская свита рубежа юры и мела в Западной Сибири). Нельзя исключать, что аномальное концентрирование урана микроорганизмами в определенные геологические эпохи преследовало цель утилизировать энергию радиоактивного распада при отсутствии других ее источников.

Иногда под биосферой понимается зона существования не только живых организмов, но и продуктов их жизнедеятельности. В этом случае границы биосферы становятся недостаточно определенными: молекулы кислорода, создаваемого автотрофными организмами, достигают верхних пределов атмосферы, которые оценить можно только приближенно. Продукт жизнедеятельности тех же растений — органический углерод может перемещаться благодаря вертикальным тектоническим движениям от земной поверхности на значительные глубины, которые трудно определить точно. В. И. Вернадский определял «былые биосферы» как оболочку Земли, когда-либо подвергавшуюся воздействию жизни. Он писал, что земная кора захватывает в пределах нескольких десятков километров ряд геологических оболочек, которые когда-то были на поверхности Земли биосферами.

В. И. Вернадский впервые дал определение биокосных систем и охарактеризовал самую крупную из них — биосферу. Биокосные системы состоят из живого вещества и косного, но их отличительные особенности определяются прежде всего жизнью.

Рассмотрим основные параметры живого вещества в современной биосфере: видовое многообразие, биомассу, биологический круговорот.