Состав и границы биосферы

Всю совокупность организмов на планете В.И. Вернадский на­звал живым веществом,рассматривая в качестве его основных харак­теристик суммарную массу, химический состав и энергию. В состав биосферы кроме живого вещества (растительного, животного и мик­роорганизмов) входят биогенное вещество (продукты жизнедеятель­ности живых организмов — каменный уголь, битумы, нефть), био­косное вещество (продукты распада и переработки горных и осадоч­ных пород живыми организмами — почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества) и, наконец, косное вещество — совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых, как считается, живые организмы не участвуют (горные породы магматического, неоргани­ческого происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).

Следовательно, биосфера — это та область Земли, которая охва­чена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, под­держивающую планетарный круговорот веществ.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Зем­ли (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере).

В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое рас­стояние. В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глу­биной и на уровне 1,5—15 км превышает 100 °С. Наибольшая глуби­на, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бак­терии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2—2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве.

В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10—11 км от поверх­ности.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем УФ — радиации. На высоте 25—30 км большую часть ультрафиолетового из­лучения Солнца поглощает находящийся здесь относительно тонкий слой озона — озоновый экран. Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают. Атмосфера над поверхно­стью Земли насыщена многообразными живыми организмами, которые передвигаются в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20—22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1—1,5 км. В горах грани­ца распространения наземной жизни — около 6 км над уровнем моря.

Водяной пар, углекислый газ и отчасти метан СН₄ и не­которые другие атмосферные примеси перехватывают инфрак­расное излучение как Солнца, так и Земли. Эти ат­мосферные примеси действуют подобно прозрачной крыше парника, раскинутого над Землёй, пропуская к Земле корот­коволновую часть спектра и задерживая у Земли длинновол­новое тепловое излучение. Отсюда и их название — парнико­вые газы. Возникающий благодаря ним парниковый эффект играет важнейшую роль в тепловом балансе Земли.

Так как в среднем температура Земли не меняется, Земля должна излучать в космос из верхней атмосферы столько же энергии, сколько получает от Солнца. Спектр длин электромагнитных волн, излучае­мых в космос верхней атмосферой Земли, соответствует излуче­нию абсолютно чёрного тела с температурой около 250 °К. Если бы не было парникового эффекта, то и температура Земли упала бы до 250 °К (то есть до -23 °С), и жизнь на Земле вряд ли была бы возможна, по крайней мере в её нынешних формах. Однако уходящее излучение поверхности Земли, продвигаясь вверх, многократно поглощается и переизлучается парниковыми газа­ми (в том числе в обратном направлении), и на каждом уровне температура и уходящий поток энергии снижаются. Поэтому средняя температура поверхности Земли удерживается на уровне 288 °К (15 °С), и спектр её излучения соответствует этой темпе­ратуре.

Весьма вероятно, что переходы от периодов потепления на Земле к ледниковым периодам и обратно тесно связаны с коле­баниями концентраций парниковых газов и пылевых — аэрозо­льных частиц в атмосфере. Важную роль в этих процессах игра­ют отличия в альбедо различных типов поверхности. Рост площади ледников и отчасти песчаных пустынь ведёт к росту альбедо Земли в целом, тогда как увеличение пло­щади океана и растительности — к его (альбедо) уменьшению.

Парниковые газы «согревают» Землю, аэрозольные частицы, отражая обратно в космос солнечное излучение, её «остужают». В периоды временного усиления вулканической деятельности содержание частиц в атмосфере резко растёт, поэтому средняя температура на Земле начинает падать. При этом растут ледники и прежде всего полярные шапки Земли возле её полюсов. Рост полярных шапок и сокращение площади океана увеличивают альбедо Земли, что ускоряет процесс охлаждения. Одновременно уменьшается испарение с поверхности океана, поэтому падают содержание водяного пара в воздухе и облачность. Это приводит к уменьшению альбедо, то есть росту нагрева поверхности Зем­ли, и в какой-то момент процесс начинает идти в обратном на­правлении, пока вся система тепловой машины Земли не вернётся в состояние, близкое к исходному.

Возможен толчок и в обратном направлении, если какой-ли­бо фактор приведёт к потеплению. Таким фактором может быть, например, антропогенный рост концентрации СО₂ в атмосфере вследствие сжигания человеком огромных количеств ископаемо­го топлива — нефти, угля и природного газа. Необходимо отметить, что именно СО₂ в наибольшей мере препятствует тепловому из­лучению Земли в космос. Наблюдаемый рост концентрации СО₂, составляющий примерно 0,3 % в год, приводит к уменьше­нию альбедо Земли. Соответственно будет расти средняя темпе­ратура. Если начнётся интенсивное таяние полярных шапок и гренландского ледника, то скорость уменьшения альбедо ещё более возрастёт и соответственно ещё более возрастёт средняя температура на Земле. Этому процессу отчасти противостоят растворение избытка СО₂ в океане и поглощение его раститель­ностью, но их может оказаться недостаточно. Такое развитие со­бытий может привести ко многим крайне нежелательным по­следствиям.

Концентрация и активность жизни особенно велики у поверхнос­ти Земли. Водоемы заселены по всей толще, со сгущениями у повер­хности и у дна. Выделяются своим богатством прибрежные и мелко­водные участки. На суше более 99% живого вещества, или биомас­сы, сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Следова­тельно, жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой (кос­ной) природы. Этот тонкий деятельный слой нередко называют био­геосферой, биогеоценотическим покровом, ландшафтной оболочкой. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В.И. Вер­надский назвал «пленками жизни».

Крайние пределы температур, которые выносят некоторые фор­мы жизни — от практически абсолютного нуля до 180 °С. Давление, при котором существует жизнь, — от ма­лых долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верхние критические точки давления лежат в области 12 тыс. атм. Бактерии обна­ружены в водах атомных реакторов, некоторые из них выдерживают облучение порядка 2—3 млн рад. При температурах жидкого воздуха (-192°С), гелия (-268,9°С), водорода (-259,1°С) ряд бактерий оста­ются живыми.

На основании приведенных данных можно сделать важный вывод: выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапа­зонов тех условий, которые существуют в границах современной био­сферы. Следовательно, жизнь обладает значительным «запасом проч­ности», устойчивости к воздействию среды и потенциальной способ­ностью к еще большему распространению.