Живые организмы в биосфере

Известно, что жизнь на Земле зависит в основном от двух процессов: потока солнечной энергии и круговорота химических веществ.

Поток солнечной энергии проходит через живое вещество биосферы и излучается обратно в космическое пространство в виде низкокачественного (длинноволнового) теплового излучения. Количественно оба потока скомпенсированы, а в биогеохимических круговоротах происходит переход питательных элементов, необходимых для живых организмов, от неживой природы к живому веществу и обратно. Эти круговороты, обусловленные воздействием солнечной энергии, включают круговороты углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и воды.

Известно, что обновление всего живого вещества биосферы происходит в среднем за 8 лет. Однако вещество наземных растений обновляется примерно за 14 лет, в океане циркуляция всей массы живого вещества осуществляется за 33 дня, процесс полной смены воды в гидросфере занимает 2800 лет, в атмосфере смена кислорода происходит за несколько тысяч лет, а углекислого газа – за 63 года. Эти цифры наглядно показывают «скорость» биогеохимических круговоротов вещества в биосфере.

Как же распределяется солнечная энергия, достигшая поверхности Земли? Около 35% отражается обратно в космос облаками, пылью и другими веществами, находящимися в атмосфере, а также собственно поверхностью Земли. Незначительная доля солнечной энергии (~0,8%) улавливается земными растениями и участвует в процессе фотосинтеза при образовании органических соединений, необходимых для жизнедеятельности живого вещества. Остальная часть (~65%) идет на нагревание атмосферы и суши, испарение и обеспечение круговоротов вещества в биосфере, а затем уходит в космос в тепловом (инфракрасном) диапазоне.

Биогеохимический круговорот веществ в биосфере не является замкнутым. Уровень воспроизводства циклов составляет 90-97%. Неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к накоплению элементов в атмосфере, гидросфере или осадочном слое Земли, т.е. к созданию некоторого «резервного фонда».

Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43·10¹² т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и на 0,8% – животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов – 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03·10¹² т или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле. Масса живого вещества составляет  0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических процессах.

   В.И. Вернадский, анализируя геологическую историю Земли, особенно «техносферу» – область взаимодействия продуктов деятельности человека с окружающей средой, утверждал, что наблюдается переход биосферы в новое состояние, в ноосферу, под действием особой геологической силы, научной мысли человечества. Термин «ноосфера» был предложен в 1927 году французским математиком  и философом Э. Леруа («Noos» – древнегреческое название человеческого разума).

1.5. Роль человеческого фактора в развитии биосферы

Первая созданная человеком культура – палеолит (древний каменный век) – продолжалась примерно 20-30 тысяч лет. Она совпадала с длительным периодом оледенения. Экономической основой жизни человеческого общества была охота на крупных животных: благородного и северного оленя, шерстистого носорога, лошадь, мамонта, тура. На стоянках человека каменного века находят многочисленные кости диких животных – свидетельство успешной охоты. Интенсивное истребление крупных травоядных животных привело к сравнительно быстрому сокращению их численности и исчезновению многих видов. Если мелкие травоядные могли восполнить потери от преследования охотниками высокой рождаемостью, то крупные животные были лишены этой возможности. Дополнительные трудности возникли вследствие изменения природных условий в конце палеолита. 10-12 тысяч лет назад наступило резкое потепление, отступил ледник, леса распространились в Европе, вымерли крупные животные. Это создало новые условия жизни, разрушило сложившуюся экономическую базу человеческого общества. Закончился период его развития, характеризовавшийся только использованием пищи, т.е. чисто потребительским отношением к окружающей среде.

   В следующую эпоху – эпоху неолита (новый каменный век) – наряду с охотой, рыбной ловлей и собирательством все большее значение приобретал процесс искусственного производства пищи. Делались первые попытки одомашнивания животных и разведения растений. Уже 9-10 тысяч лет назад существовали поселения, среди остатков которых обнаруживают пшеницу, ячмень, чечевицу, кости домашних животных – коз, свиней, овец. Постепенно развивались земледельческое и скотоводческое хозяйства.

   Человек всегда использовал окружающую среду в основном как источник ресурсов, однако, в течение длительного времени его деятельность не оказывала заметного влияния на биосферу. Лишь  в XIX веке на изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности человечества обратили на себя внимание ученых. Эти изменения постепенно нарастали и в настоящее время буквально обрушились на цивилизацию. Стремясь к улучшению условий  жизни, человечество  наращивало темпы материального производства, не задумываясь о его последствиях. К началу XXI века человеком преобразовано около 20% суши. Большая часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, часто ядовитых или непригодных для утилизации.

   Особой категорией является биокосное вещество. В.И.Вернадский писал, что оно «создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя собой системы динамического равновесия тех и других» [2]. Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество планеты – это почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества.

   Как показывают исследования, по крайней мере последние 600 млн. лет характер основных круговоротов на Земле существенно не менялся. Осуществлялись фундаментальные геохимические процессы, характерные и для современной эпохи: накопление кислорода, связывание инертного натрия, осаждение кальция, образование кремнистых сланцев, отложение железных и марганцевых руд, сульфидных минералов, накопление фосфора и т.д. Менялись лишь скорости этих процессов. По-видимому, не менялся существенно и общий поток атомов, вовлекаемых в живые организмы. Есть основание считать, что масса живого вещества оставалась приблизительно постоянной, т.е. биосфера длительное время поддерживает себя в определенном режиме кругооборотов. Стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающего определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Таким образом, жизнь на Земле сама стабилизировала условия своего существования. Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы, и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями.

   В настоящее время на Земле появилась новая сила, по мощности воздействия не уступающая суммарному действию всех живых организмов – человечество, с его социальными законами развития и мощной техникой, позволяющей влиять на вековой ход биосферных процессов. Современное человечество использует не только огромные энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например, атомный), ускоряя геохимические преобразования природы. Некоторые процессы, вызванные технической деятельностью человека, направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере (рассеивание металлов, руд, углерода и др. биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение законсервированного углерода и его окисление, нарушение крупномасштабных процессов в атмосфере, влияющих на климат и т.п.).