Введение в специальность

ОСНОВЫ УЧЕНИЯ о БИОСФЕРЕ

Привычным и хорошо понятным всем нам является слово «природа». В детстве нас учат любить природу, в школе мы на­чинаем познавать законы природы. С возрастом меняется наше восприятие и понимание природы. От представлений о природе как о совокупности каких-то живых организмов и ландшафтов постепенно переходим к пониманию того, что Солнце и косми­ческое пространство — это тоже природа, что к природе относятся и солнечная энергия, и любое химическое вещество, и физическое явление, и твердые тела, сосредоточенные в земной коре.

Пр ирода — это окружающий нас мир во всем бесконечном многообразии своих проявлений или весь материально-энергети­ческий и информационный мир Вселенной.

Данное определение означает, что мы — человеческое обще­ство с нашим производством и культурой — тоже природа. Чело­век — закономерный и естественный этап эволюции материи. За­метим, что существует понятие «вторая природа», к которой относят совокупность предметов, вещей и явлений, не находимых в природе в готовом виде, а создаваемых в процессе общественного производства.

Известно также, что существует тесная взаимосвязь между живой и неживой (или косной) природой. Любой живой организм зависит от температуры, влажности окружающей его среды, химического состава пищи и других факторов. С другой стороны, свободный кислород в атмосфере появился в результате жизне­деятельности растений, плодородный слой почвы — это сложный продукт взаимодействия климата, влаги, живых организмов с верхними горизонтами горных пород. Биогенное происхождение (т. е. связанное с жизнедеятельностью растений, животных, микроорганизмов) имеют каменный уголь, мел, донные отложения океана., торф и др.

Итак, природа нашей планеты включает живые организмы и косные тела — твердые, жидкие, газообразные. Их принято называть «сферами». Твердая составляющая Земля — литосфера, жидкая — гидросфера, газообразная — атмосфера.

Термин «биосфера» имеет иное, гораздо более сложное и глу­бокое содержание. Действительно, каменный уголь — косное тело, но он — продукт фотосинтеза растений отдаленных геологических эпох. Л это значит, что многие подобные тела и вещества также относятся к биосфере. Учение о биосфере принадлежит к важней­шим теоретическим достижениям человечества; на его основе должно осуществляться взаимодействие общества и природы. В современном понимании это учение создано гениальным совет­ским ученым В. И. Вернадским. Главным в учении В. И. Вер­надского является установление закономерностей взаимодействия живой материи с неживой. Эти взаимодействия охватывают все потоки вещества и энергии на Земле, геохимические процессы. Биосфера по В. И. Вернадскому — наружная оболочка Земли, область распространения жизни, включающая в себя все живые организмы, а также всю неживую среду их обитания. Жизнь не просто возникает из косной материи, но существенным образом преобразует ее. Впрочем, процитируем исчерпывающую характе­ристику биосферы, данную самим В. И. Вернадским в книге «Размышления натуралиста»: «Земная оболочка, биосфера, обни­мающая весь земной шар, имеет резко обособленные размеры; в значительной мере она обусловливается существованием в ней живого вещества — им заселена. Между ее косной безжизнен­ной частью, ее косными природными телами и живыми веществами, ее населяющими, идет непрерывный материальный и энергети­ческий обмен, материально выражающийся в движении атомов, вызванном живым веществом. Этот обмен в ходе времени выра­жается закономерно меняющимся, непрерывно стремящимся к устойчивости равновесием. Оно проникает всю биосферу, и этот биогенный ток атомов в значительной степени ее создает... В этом биогенном токе атомов и в связанной с ним энергии проявляется резко планетное, космическое значение живого вещества».

Таким образом, В. И. Вернадский подчеркивает планетарный и космический характер биосферы. Важнейшим положением уче­ния о биосфере является то, что атомы из живого вещества переходят в косное вещество биосферы и обратно, т. е. происходит обмен веществ. Этот переход атомов выражается в непрекращаю - щемся никогда дыхании, питании, размножении, причем эти процессы поддерживаются и создаются космической энергией Солнца.

Понятно, что к биосфере относится н человеческое общество с его производством, причем для человека свойственно волевое, сознательное преобразование биосферы.

Толщина биосферы не превышает 18—22 км и включает верхние горизонты литосферы, водное пространство, а также приземной слой воздуха — тропосферу (8—12 км от поверхности Земли). На высоте 12—40 км расположена стратосфера, в верхнем слое которой имеет место повышенное содержание трехатомного кислорода (озона), выполняющего функцию поглощения инфра­красного и ультрафиолетового излучения Солнца, т. е. фактически защищающего биосферу от губительных ультрафиолетовых лу-

Чей. На высоте 60—80 км находится промежуточный слой — мезосфера, отделенный от стратосферы так называемой мезо - паузой, а выше до высоты примерно 800 км — слой, в пределах которого под воздействием солнечной радиации из озона, паров воды, оксида азота, диоксида углерода образуются отрицательные и положительные ионы. Этот слой носит название ионосферы.

Суммарная масса атмосферы составляет примерно 5,2-1015 т (10-6 от массы Земли). Основная масса воды сосредоточена в Мировом океане, общий объем воды в котором превышает 1300 млн. км3. До 30 млн. км3 воды содержится в твердой форме (льды) и примерно столько же — в недрах суши. Запас пресной воды, в основном используемый человеком, ничтожен: в реках и озерах он составляет лишь около 4 млн. км3. Содержание паров воды в атмосфере равно 0,013 млн. км3.

В атмосферу влага поступает преимущественно в результате испарения с поверхности океана (4-105 км3) и суши (1 -105 км3). Такое же количество возвращается обратно. Этот процесс, сопро­вождающийся переносом воды с воздушными массами, представ­ляет собой ее естественный круговорот (рис. 2). В него вклю­чается также влага, испаряемая растениями (транспирационная) и выделяемая при дыхании животных.

В атмосфере живые организмы способны обитать на высоте до 5—6 км, хотя попадание спор и пыльцы растений возможно на значительно большую высоту (до 15—20 км). В воде жизнь практически существует по всей ее толще вплоть до глубинных в'падин (до 12 км). Что касается литосферы, то основная масса организмов сосредоточена в верхних слоях — в почве, глубина которой не превышает нескольких метров. Собственно говоря, почва — в значительной мере продукт жизнедеятельности живых организмов. Небольшая часть низших организмов обитает, правда, и в толще литосферы — преимущественно в глубинных водах.

Всю совокупность живых организмов, входящих в состав био­сферы, называют биотой.

Жизнь не только возникает из мертвой (косной) материи, но и оказывает на нее существенное воздействие. Главнейшая роль живого сводится к осуществлению так называемого биоти­ческого круговорота веществ или биогеохимического цикла. Все вещества, участвующие в жизненных процессах, физически конечны, и за миллионы лет их аккумуляции в органическом веществе они могли бы уже быть исчерпанными. Академик В. Р. Вильямс считал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного — это заставить его вращаться по замкнутому циклу. Именно эту функцию осуществляют живые организмы биосферы. Подробно биогеохимические циклы изучаются в курсе инженерной экологии, и здесь мы их рас­сматривать не будем.

Огромна и энергетическая роль биосферы. Жизнедеятельность всех живых организмов, включая человека, с точки зрения физики представляет собой работу, для осуществления которой требуется энергия. Но энергия солнечной радиации (а Солнце — единствен­ный источник энергии для всех обитателей Земли) непосред­ственно использоваться не может: она лишь нагревает поверхность Земли и далее рассеивается. Для того чтобы энергия могла осуществлять работу, она должна быть трансформирована в какие-то иные формы и запасена, как говорят физики, против градиента. Именно эту функцию выполняют представители биоты, в частности преимущественно зеленые растения — фотосинтетики. Из школьного курса биологии известно, что в клетках зеленых растений происходит фотосинтез — процесс образования органи­ческого вещества из косной неживой материи под воздействием солнечной энергии, которая преобразуется в энергию химических связей. Именно этой трансформированной энергией и пользуются все живые организмы, именно продукция фотосинтеза обеспечи­вает человека необходимой пищей, одеждой, энергией, поскольку тот же каменный уголь — это солнечная энергия, аккумулиро­ванная в продуктах фотосинтеза растений прошлых геологических эпох. Растения обеспечивают организованность, упорядоченность биосферы, т. е. негэнтропируют энергию в органическом веществе. Поэтому при изучении курса физики студент особенно тщательно должен разобраться в сущности второго начала термодинамики, имеющего непосредственное отношение к охране окружающей среды и экологии, в соотношении понятий «энергия» и «энтропия».

Иногда биосфера рассматривается в качестве глобальной эко­логической системы, слагающейся из подсистем более низкого уровня, включающих определенные группы живых организмов на определенных участках земной поверхности. Все это подробно изучается в курсе экологии. Человеческое общество, будучи частью биосферы, тесным образом взаимодействует со всеми остальными се сферами, существенно (зачастую коренным образом) преобра­зуя ее.