НАУКА О БИОСФЕРЕ
Предмет изучения
Предметом изучения науки о биосфере являются все живые организмы Земли и та часть вещества планеты, которая находится в непрерывном контакте с этими организмами, т. е. биосфера является сложнейшей экосистемой высшего уровня, состоящей из иерархически связанных, эволюционно развивающихся подсистем нижних уровней. Они классифицируются по средам (аэробиосфера, гидробиосфера, состоящая из океанобиосферы и аквабиосферы; геобиосфера, состоящая из террабиосферы и литобиосферы), по географическим природно-климатическим зонам (биомы, ландшафтные провинции) и далее вниз (вплоть до биогеоценозов, микроэкосистем).
Все пять компонентов биосферы – атмосфера, гидросфера, литосфера, эниосфера, биота определяют не только набор видов наземных, водных и почвенных организмов, обитающих в этих средах, но и их основные морфофизиологические особенности, формируя своим влиянием принципиальные пути эволюции. Биосфера является, в свою очередь, одной из геологических оболочек Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов.
Физические процессы перераспределения “внешней” энергии (поступа-ющей от Солнца) внутри биосферы играют важнейшую роль в формировании условий существования белковых форм жизни, определяют уровень и стабильность набора экологических факторов окружающей среды, при которых возможно существование развитых и стабильных сообществ и экосистем.
Развитие и существование биосферы можно трактовать как неравновесный термодинамический процесс, при котором продукция энтропии минимальна (теорема Пригожина). Этот процесс представляет собой диссипацию энергии Солнца в крупных пространственных масштабах.
Атмосфера
Атмосфера – воздушная оболочка Земли, содержит смесь газов, сложившуюся при эволюции Земли, а также жидкие и твердые аэрозоли (взвешенные в воздухе частицы). Соотношение основных природных газов в атмосфере удивительно постоянно. Например, при всех бурях, извержениях вулканов, испарении и конденсации жидкостей концентрация (по объему) основных газов в атмосфере колеблется лишь на сотые доли процента в год и составляет: N2 (78,08 %); O2 (20,95 %); Ar (0,93 %); CO2 (в среднем 0,03 %). Однако это постоянство кажущееся, так как за время эволюции жизни (т. е. за 3,6 млрд лет, а особенно - за последние 400 млн лет, когда жизнь вышла из воды и стала развиваться на суше) атмосфера Земли существенно изменилась. В древней атмосфере кислород составлял менее 1 % атмосферы, а основными были другие газы: водород, метан, аммиак, пары воды. Вначале фотодиссоциация паров H2O, O2, конвекция вверх легких газов (H2 и др.) с дальнейшим их удалением из атмосферы в космос, а затем – постоянная переработка атмосферного CO2 в O2 растениями позволили получить современный газовый состав, в котором концентрация O2 возрастала вплоть до 1986 г. (а теперь постепенно начала снижаться по антропогенным причинам).
Указанные пропорции сохраняются в нижних слоях атмосферы до высот 90 – 120 км (в гомосфере), а выше (в гетеросфере) - резко увеличивается концентрация легких газов (в особенности - водорода, гелия, которые на высотах свыше 600 км становятся основными).
По высоте атмосфера делится на несколько сферических слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера. Основой для разделения атмосферы на слои является ход температурной зависимости от высоты. Иногда объединяют мезосферу, термосферу и экзосферу под названием ионосфера. Тонкие промежутки между слоями атмосферы (с минимальной или максимальной температурой) называются паузами (тропопауза, стратопауза, мезопауза).
Тропосфера
Тропосфера, принадлежащая биосфере, является наиболее плотным (хотя и самым тонким) слоем атмосферы, содержит более 80 % от всей массы атмосферы, в том числе – практически всю атмосферную воду. Верхняя граница тропосферы расположена на высотах от 8 км (на полюсе) до 18 км (на экваторе). Плотность воздуха уменьшается вдвое с подъемом на каждые 5,5 км, температура – понижается на 6 °С с каждым километром.
Естественно, тропосфера, как никакой другой атмосферный слой, влияет на экологические условия существования наземной биоты. Именно средняя приземная температура атмосферы в регионе является определяющей харак-
теристикой регионального климата (многолетнего режима погоды, типичного для этой местности). Погода – изменяющееся конкретное состояние приземного слоя атмосферы, включая текущую температуру, влажность, прозрачность, скорость и направление ветра и др. Наиболее жарко на Земле было в Ливийской пустыне (+58 °С), холодно – в Антарктиде (-89,2 °С). Максимальное среднегодовое количество осадков отмечено на Гавайских островах (11 684 мм), минимальное – в пустыне Атакама (Южная Амери- ка - 0,8 мм), умеренное – на Западе Европы, в Канаде (500…1000 мм).
Среднегодовая температура каждого локального участка Земли стабильна с точностью 0,05 °С, исключая периоды потеплений (тогда происходит рост на 0,1 °С в год). Средняя температура на Земле за последние 100 лет постепенно повышается и сейчас составляет ~ 15,4 °С. В ближайшие десятилетия ожидают катастрофического повышения средней температуры Земли на несколько градусов за счет парникового эффекта, вследствие которого растают “вечные” льды, уровень Мирового океана повысится на 60…70 м и вода затопит до 10 % наиболее плодородных и заселенных регионов суши.
Температурные колебания на поверхности Земли сглаживаются за счет аккумулятора тепловой энергии – Мирового океана, заполненного веществом с огромной теплоемкостью – водой. Градиент температур на поверхности планеты приводит к появлению океанических течений, которые тоже выравнивают температурный режим планеты. Образующийся из воды лед на поверхностях водоемов предохраняет их от полного вымерзания, сохраняя приемлемые для жизни температуры.
Приземные слои воздуха всепроникающи, пронизывают все объекты биосферы, кислород, вода – вещества химически сверхагрессивные – резко влияют на все жизненные процессы в атмосфере. Только в тропосфере этих веществ достаточно для поддержания жизни, резко ослаблено опасное УФ-излучение Солнца, другие опасные космические излучения, в других атмосферных слоях жизни нет (хотя экологически эти слои весьма значимы).
7.2.2.Стратосфера
Стратосфера простирается до высот 50…60 км, где температура заметно понижается, что способствует редкому явлению – образованию блестящих серебристых облаков, состоящих из кристалликов льда – до высот 80 км (что увеличивает альбедо Земли).
С экологической точки зрения значение стратосферы заключается также в том, что в нижней части именно этого слоя дуют постоянно направленные на полюсы сильные ветры (пассаты), усредняя по широтам температуру холодных и теплых слоев атмосферы. Там же (на высотах 25…40 км, где плотность кислорода еще достаточно велика) происходит фотодиссоциация кислорода и последующее образование озонового слоя (этот слой достаточно представлен и в тропосфере), третьего по счету “космического щита” Земли (после магнитосферы, ионосферы). В стратосфере большинство организмов существовать могут крайне недолго (без защиты).
7.2.3.Ионосфера
Ионосфера начинается с высот 60 км (после стратопаузы, где заканчивается стратосфера) и включает в себя мезосферу, термосферу и экзосферу. Верхняя ее граница точно не определяется, зависит от солнечной активности, увеличивающей количество ионов в верхних слоях, проводится обычно на высотах 600…1600 км, когда плотность частиц ионосферы совпадет с их плотностью в межпланетном пространстве. Свое название ионосфера получила в связи с тем, что в ней большинство или практически все молекулы - атомизированы, а атомы - ионизированы космическими лучами (главным образом – солнечными фотонами и частицами), при этом получается практически нейтральная, хотя и высокоионизированная плазма. В связи со значительным разрежением ионосферы на этих высотах средняя длина свободного пробега ионов резко увеличивается, а рекомбинация ионов, электронов, других заряженных частиц до нейтральных атомов, молекул происходит сравнительно редко. Часть ионов (особенно кислород, водород, гелий) достигают 2-й космической скорости (11,2 км/с), т. е. они ежегодно тысячами тонн улетают в космос из атмосферы.
Именно в полярных районах ионосферы возникают авроральные свечения, полярные сияния, которые обусловлены взаимодействием высокоэнергичных частиц солнечного ветра с газами ионосферы. Эти частицы могут в больших количествах проникать в атмосферу только в высоких широтах, поскольку здесь, в полярных каспах, плохо действует магнитосферная ловушка (радиационные пояса Ван-Аллена–Вернова) для заряженных космических частиц. Таким образом, ионосфера играет роль второго космического щита, защищающего землян от жестких космических излучений. Положительно и отрицательно заряженные частицы в ионосфере образуют слои, в которых протекают токи до сотен тысяч (на полюсах – до миллиона) ампер. Так возникают своеобразные электромагнитные зеркала для некоторых длин волн, вторая обкладка шарового конденсатора Земля – ионосфера, образующего важную компоненту глобального электрического поля Земли.
Гидросфера
Гидросфера – водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность всех свободных природных вод (соленых и пресных): океанов, морей, рек, озер, подземных, почвенных и атмосферных вод, ледяных и снеговых покровов. Это фактически растворы веществ, в том числе растворенные газы и микроэлементы, необходимые организмам, а также донные отложения, которые могут оседать или растворяться, регулируя ресурсы веществ в водах.
В морской воде растворено около 50 химических элементов, ее средняя соленость (содержание солей) равна 35 г/л, но может достигать и 270 г/л (Мертвое море). Такая вода – уже рассол (рапа, так как больше 50 г/л), в ней организмы не живут. В пресной воде не более 1 г/л солей, такой воды на Земле не больше 2,5 %. Соотношение составляющих в морской и океанской воде отличается высокой стабильностью, несмотря на то, что множество рек, несущих свои воды, переносят различные массы химических веществ. Соотношение главных ионов воды постоянно по всему Мировому океану: O2– (85,7 %); H+ (10,8 %); Cl– (1,9 %); Na+ (1,1 %); Mg2+ (0,13 %); S4+ (0,088 %).
Некоторые элементы, например кремний, фосфор, азот, несмотря на их присутствие в воде в малых концентрациях (10–5 % и меньше), концентрируются в живых организмах. В отдельных же случаях, в частности, концентрация стронция, йода, золота в ряде организмов в тысячи раз превышает их концентрацию в морской воде.
Вода - единственное вещество, которое в естественных условиях Земли может быть твердым, жидким, газообразным. В гидросфере насчитывают свыше 1500 видов вод, приведем соотношения между основными из них (табл. на стр. 70, по Г. В. Стадницкому, цифры в разных источниках незначительно отличаются).
Из структуры гидросферы видно, какую малую часть на Земле составляет пресная вода. Даже общее количество воды незначительно - всего 0,023 % от массы Земли, хотя Мировой океан занимает по площади 70,8 % поверхности планеты (к которым следует добавить поверхность рек и озер, а также ледников и снегов (по 3 % и 11 % от поверхности суши соответственно)).
Распределение свободной воды в гидросфере
| № | Вид воды | Объем, тыс. км3 | % от общего объема |
| Мировой океан | 1 338 000 | 96,5 | |
| Ледники и снежный покров (в том числе подземные льды) | 24 364 (300) | 1,762 (0,022) | |
| Подземные воды (в том числе пресные) | 23 400 (10 530) | 1,7 (0,76) | |
| Озера (в том числе пресные) | 176,4 (91) | 0,013 (0,007) | |
| Вода в атмосфере | 12,9 | 0,001 | |
| Болота | 11,47 | 0,0008 | |
| Реки | 2,12 | 0,0002 | |
| Вода в организмах | 1,12 | 0,0001 | |
| Общие запасы воды (в том числе пресные воды) | 1 385 984,61 35 029,21 | (2,53) |
Литосфера
Литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, включает в себя твердую земную кору и полужидкую базальтовую верхнюю часть мантии (астеносферу толщиной до 100…120 км). Земная кора состоит (упрощенно) из четырех геологических слоев: базальтового (наиболее древнего), гранитного, осадочного, почвенного (верхней части осадочного слоя). При этом земная кора резко неоднородна по общей толщине и по толщине слоев, отделена от астеносферы поверхностью Мохоровичича (границей Мохо), зеркально отражающей рельеф земной поверхности. Таким образом, в высокогорных районах толщина коры может быть до 80 км, под равнинами - 30…40 км, а под океаническими впадинами может уменьшиться даже до 5…10 км. Гранитные слои сложены из кислых (более молодых) пород, они могут образовываться только при больших концентрациях кислорода в атмосфере (т. е. геологически недавно). Поэтому граниты есть только на Земле, а базальты (основные и ультраосновные нижние породы) присутствуют на всех планетах Солнечной системы.
Вся земная кора по толщине и по химическому составу разбита на много геологических плит (в том числе континентальных, океанических платформ), которые могут двигаться, “наезжать”, расходиться. При этом возникают землетрясения, извержения вулканов, которые в основном и формируют земной рельеф, ландшафты. По теории А. Вегенера, еще 170 млн лет тому назад (т. е. геологически недавно) все современные материки были объединены в едином праматерике Пангее. Под воздействием сил вращения Земли Пангея распалась и материки “разошлись” максимально, сейчас же они снова начали сближаться. Что было раньше, можно только предполагать. Таким образом, геологический облик Земли менялся многократно и кардинально.
Считается, что геологическую, биологическую эволюцию Земли можно “прочитать”, изучая послойно (т. е. последовательно во времени) осадочные породы, в частности, окаменевшие остатки соответствующих эпохе древних организмов (методы биостратиграфии).
Почва– самый верхний слой литосферы, является основой всей современной жизни на суше, хотя ее толщина обычно измеряется от нескольких сантиметров до 1 м (мировой рекорд - воронежский чернозем толщиной в 16 м). Почва является телом биокосным, трехфазной системой, включающей жидкую, твердую и газообразную фазы. Большую роль для развития растений играет содержание в почве микро- и макроэлементов в доступной для растений форме. К микроэлементам относятся те, которые требуются растениям в ничтожно малых количествах (почти все элементы таблицы Менделеева, за исключением 10 макроэлементов). Макроэлементы – это основные элементы тел растений, нужны растениям в больших количествах, и их нехватка в почве приводит к немедленному снижению урожайности. Основными макроэлементами являются кислород, углерод, азот, фосфор, калий.
Однако основой плодородия почвы является наличие гумуса - сложного комплекса органического вещества биогенного происхождения, составляющего до 90 % органического вещества в почве. Почвенная биопродуктивность составляет в год от 1,5 т/га (пустыня) до 650 т/га (тропический лес).
Эниосфера
В названии эниосферы (совокупности природных полей и излучений, взаимодействующих с веществом и организмами) использовано сокращение от слов “ЭНергоИнформационный Обмен”. В ЭНИОпроцессах может происходить не только тепловое взаимодействие энергии с энергией или с веществом, но и выделение информации в приемнике (для экологии – в живом веществе, организме) из физического сигнала – носителя информации (из потока вещества, излучения, поля).
Энергетические и информационные потоки возникают по схеме К. Шеннона: источник ® канал связи ® приемник. Любой объект или среду на Земле можно рассматривать, с одной стороны, как источник или ретранслятор, а с другой – как приемник энергии и информации. Воздействие сигнала на приемник происходит при передаче энергии любым способом (воздействие вещества, потока частиц; возмущение физических полей). Если при этом происходит также передача некоторого количества информации, это свидетельствует о наличии энергоинформационного потока.
Таким образом, энергоинформационный обмен – это процессы, в которых хотя бы часть энергетического потока, направленного извне на систему, приводит к временной или постоянной ассимиляции этой части энергии структурой системы, т. е. к повышению или поддержанию ее “энергонасыщенности”, снижению энтропии, получению информации.
Современная физика описывает только четыре вида фундаментальных физических полей (взаимодействий): гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые ядерные взаимодействия. Последние два определяют строение вещества, а первые – непосредственно формируют основные экологические условия существования организмов на планете.
Гравитационное поле Земли (сила тяжести) практически постоянно, лишь слегка изменяется от аномалий местности, от географической широты и высоты над уровнем океана. Периодические слабые изменения гравитационного земного поля от Луны, Солнца, как выяснилось, тоже играют свою роль в жизни биоты (лунные приливы, менструальные циклы и др.). Космические полеты, при сравнении постоянных условий невесомости, уменьшенной гравитации, выявили зависимость жизни на Земле от гравитационного поля. Многие виды организмов используют это поле только для оценивания вертикали.
Электромагнитное поле (ЭМП) возникает при движении электрических зарядов, а при их колебаниях в источнике по времени возникает электромагнитная волна (излучение) с соответствующими частотами колебаний. По длинам волн (частотам) электромагнитные излучения разделяются (в связи со способами генерации, регистрации, восприятия человеком) следующим образом: космическое и g-излучение (< 0,01 нм), рентгеновское (0,01...10 нм), ультрафиолетовое (10...380 нм), видимое (380...760 нм), инфракрасное (0,76 мкм...3 мм), микроволновое (3…10 мм – КВЧ; 0,01…1 м – СВЧ), радиоволновое (1…10 м – УВЧ; 10…100 м – КВ; 100…1000 м – СВ; > 1000 м – ДВ).
В результате эволюционного развития многие животные получили специализированные электрические и электромагнитные информационные органы, например зрение у животных, боковую линию у рыб и т. п.
Кроме фундаментальных физических полей и излучений важную роль в эниосфере Земли играют механические колебания (упругие волны) в веществе окружающих сред, особенно – звуковые (акустические) колебания в воздухе и в воде (используются эволюционно продвинутыми организмами для организации сенсорных информационных потоков). Например, наиболее широк звуковой диапазон восприятия у дельфина (40…200 000 Гц), у человека (16…20 000 Гц). Совокупность всех звуковых колебаний среды образует естественный шумовой фон, активно влияющий на жизнедеятельность биоты. Упругие волны с частотой менее 16 Гц называются инфразвуками, более 20 кГц – ультразвуками, а более 1010 Гц – гиперзвуками. Оказывается, такие упругие волны также значимо влияют на организмы (вплоть до летального исхода).