Раздел 4

БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК

Земля непрерывно покрыта "пленкой жизни". Организмы с разной плотностью населяющих толщу тропосферы, гидросферы, осадочных пород литосферы, то есть оболочки Земли, в которой поддерживается жизнедеятельность активной биомассы.

Совокупность экосистем планеты образует современную биосферу, или экосферу, которая объединяет все организмы и окружающую среда, с которым они взаимодействуют. Следовательно, биосфера - это загальнопланетарна оболочка. Огромная масса живого вещества на Земле состоит из 500 тыс. видов растений и свыше 2 млн. видов животных. Биомасса животных в сумме составляет менее 1 % растительного живого вещества.

В биосфере представлено жизни разнообразными группировками, которые состоят из популяций различных видов живых организмов (биоценозов). В биоценозах виды вступают в тесные трофические, химические и едафічні связи. Однако живые организмы находятся во взаимоотношениях и с неодушевленными компонентами - климат, почва, вода, химизм среды. Такая форма связей получила название биогеоценозы. Биосфера как целое составляет единую динамичную, относительно уравновешенную экологическую систему нашей планеты - Земли.

Живые организмы благодаря разнообразия строения и функций, широте адаптивных свойств имеют способность заселять практически все существующие на планете участка суши и Мирового океана. Ограничена только непреодолимыми космическими и геологическими барьерами, живое вещество создает целостную оболочку нашей планеты - биосферу. Элементы, ее составляющие, находятся в постоянном динамическом взаимодействии. В целом биосферу можно рассматривать как единую планетарную экосистему, имеет свои уровне иерархии, сложную систему направлений перераспределения вещества, путей трансформации энергии. Так же как и локальная экосистема, биосфера находится в постоянном развитии. Биомасса биосферы по сравнению с массой планеты незначительная. Даже по сравнению с массой земной коры она составляет примерно 0,1 %, но значение ее в жизни планеты исключительно велико. Организмов, заселяющих биосферу, взаимодействуя с абіотичним средой, принимают активное участие в формировании рельефа, климата, почвы.

Длительное непрерывное существование жизни на Земле обеспечивается процессами распада, деструкции веществ, в ходе которых выделяется энергия, а также синтеза необходимых для живых организмов соединений с использованием внешних источников энергии. Биосфера неоднородна по условиями существования ее компонентов, распределением биомассы и видовому разнообразию организмов, ее создают. Однако химическая и энергетическая равновесие поддерживается в ней благодаря сбалансированности круговоротов кислорода и углерода, что сохраняется, за подсчетам ученых, уже более 50 миллионов лет. Только катаклизмы глобального уровня могут нарушить этот баланс. На планете возникла сила, которая постепенно, становится способным влиять на нее: человечество. За исторически короткий промежуток времени человек преодолела ограничивающий влияние большинства лимитирующих факторов и стала мощной силой, что обеспечивает собственный прогресс, однако способна наносить разрушительного воздействия на живые системы различного уровня. Одной из важных задач современного человечества является разработка действенных методов сохранения и воспроизводства природных ресурсов. Медицинские аспекты этой проблемы заключаются в том, что значительный арсенал медикаментов, лечебных процедур, оздоровительных мероприятий происходит от элементов живой природы. Знать эти элементы, уметь правильно определять возможность их использование для повышения уровня лечебной и профилактической работы - требования современной науки.

4.1. Структура и функции биосферы

Термин "биосфера" был предложен австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. Само понятие он определил в 1909 г. как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и времени, которая живет на поверхности Земли". Понятие "живое вещество" впервые употребил 1909 г. польский ученый И. Лукашевич, и с тех пор понятие "биосфера" является прежде всего понятием геологическим. С точки зрения экологии, биосфера - это часть оболочек планеты в пределах распространения живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Функционально биосфера является планетарной экосистемой, ведь косвенно каждый живой организм на планете взаимодействует с любым другим непосредственно, дистантно или через продукты жизнедеятельности; одномоментно или в течение определенного срока; синхронно или асинхронно. Масса живого вещества в биосфере, по некоторым оценкам, составляет 1/2100 массы атмосферы, а общая толщина "живой оболочки" достигает 1/320 радиуса планеты.

Значительный вклад в развитие учения о биосферу сделал выдающийся отечественный ученый, геолог В. И. Вернадский. Его перу принадлежат фундаментальные труды, посвященные изучению компонентов окружающей среды, которые прямо или косвенно связанные с жизнедеятельностью организмов. В них ученый отмечает, что собственно биосфера является одной из геологических оболочек нашей планеты, к которой, кроме косного вещества, входящие біокосні вещества (нефть, воды Мирового океана) и биогенные вещества (залежи каменного угля, известняки). Он считал, что земная кора является остатками биосфер прошлых эпох.

С физической точки зрения биосфера является трехфазной (жидкая, твердая, газообразная фазы). Вода - единственное вещество, присутствует повсюду в биосфере в одной из трех фаз. Биосфера обеспечивает человечество всеми необходимыми природными ресурсами.

С геологической точки зрения, планету окружают четыре оболочки: литосфера (твердая), гидросфера (жидкая), атмосфера (газообразная) и магнитосфера (состоит из магнитных частиц различной энергетики). Только гидросфера заселена полностью, другие оболочки заселены или трансформированы в результате деятельности живых организмов частично. Литосферу нашей планеты обычно называют земной корой. Толщина ее колеблется от 8 км в северной части Тихого океана до 84 км в районе гор Тянь-Шаня (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Геологические оболочки, из которых состоит планета.

Нижнюю границу биосферы определяет верхний край базальтового слоя литосферы, а верхнюю - озоновый слой (на высоте 20-25 км над поверхностью планеты). Вне этих пределов невозможно автономное существование живых организмов и не происходит накопления продуктов их жизнедеятельности.

Максимальная высота, на которой зафиксировано существование высших растений, - 7000 м над уровнем моря. Это один из видов звездчатки. Максимальная высота, на которой зарегистрировано полеты птиц - 12500 м (на этой высоте зафиксировано столкновение хищную птицу белоголового сыпа с самолетом). Отдельные виды насекомых живут на высоте около 6000 м, а их полеты зарегистрированы на высоте более 11 км. Выше могут проникать лишь бактерии. Описано нахождения жизнеспособных бактерий на высоте 77 км. В пределах литосферы в результате деятельности наземных живых организмов возник почву. Это наиболее плотно заселена верхняя часть литосферы. Грунт содержит минеральные и органические вещества, доступны для использования живыми организмами. Почва характеризуется в биосфере как звено, что соединяет между собой биологический и геологический круговороты.

Слой почвы, толщина которого равна глубине распространения корней растений, называется ризосферою. Подстилающие почву осадочные породы - глины, известняки, мертели. Он имеет собственную систему циркуляции воды. Существуют подземные потоки и водные резервуары (например, гигантский подземный резервуар, заполненный водой, находится под Сахарой). Ниже размещаются слои материнских, или кристаллических, пород, подстеленные базальтовым слоем. Он находится в среднем на 2-3 км ниже поверхности суши и на 1-2 км ниже дна океана. Однако в местах тектонических разломов земной коры, где проявляется вулканическая активность, базальтовый слой выходит на поверхность суши. Можно считать, что в кратерах вулканов толщина литосферы нулевая, ведь через них происходят выбросы магмы - раскаленной жидкой смеси химических элементов, которой заполненная мантия Земли.

Гидросфера не является сплошной оболочкой планеты. Часть суши полностью лишена водного покрова и увлажняется периодически. Наибольшая толщина гидросферы - в пределах Марианской впадины вблизи Филиппин (около 11 км). В гидросфере прослеживается неравномерное распределение живого. Наиболее плотно заселены поверхностные слои и прибрежная зона Мирового океана в зоне тропиков, а также некоторые континентальные водоемы. Вместе с тем гидросфера - единственная оболочка, которая полностью заселена живыми организмами. Так, некоторые виды рыб живут на глубине более 7500 м, беспозвоночные - на глубине до 10 500 м, еще глубже проникают микроорганизмы.

Атмосфера - единая оболочка, толщина которой над всей Землей почти одинакова (около 100 км). Жизнь возможна только в ее приземном слое - тропосфере (до 15 км над поверхностью планеты), выше можно встретить лишь споры, пыльца высших растений и отдельные продукты жизнедеятельности живых организмов. В нижнем слое тропосферы происходит испарение и конденсация воды, формируются воздушные потоки, климат и погода. Именно здесь сосредоточено наибольшее количество живых организмов, что связано прежде всего с парциальным давлением кислорода и углекислого газа. Химический состав чистого воздуха примерно такой: 78,08 % азота, 20,94 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,03 % углекислого газа, менее 0,00005 % озона. В незначительных количествах присутствуют также неон, гелий, метан, криптон и водород. Содержание биогенных газов с увеличением высоты над уровнем моря быстро снижается, и уже на высоте 4000-5000 м биомасса уменьшается в десятки раз по сравнению с ее количеству на уровне моря. Важнейшими для живых организмов компонентами атмосферы являются кислород, углекислый газ, озон и водяной пар. Содержимое последней колеблется от 0 до 4 %.

Интересно, что происхождение атмосферы и гидросферы нашей планеты до сих пор не выяснено окончательно. Существует гипотеза, согласно которой атмосферу составляют остатки газовой туманности, из которой образовалась Солнечная система. Большинство ученых считают, что гидро - и атмосфера образовались в результате миграции летучих веществ из недр планеты на ее поверхность.

Магнитосфера - внешняя оболочка планеты, состоящая из протонов и других ядерных частиц, которые содержатся в электромагнитном поле Земли. Как и любое физическое тело, наша планета имеет чрезвычайно мощное собственное электромагнитное поле, силовые линии которого ориентированы относительно магнитных полюсов. Магнитосфера состоит из нескольких радиационных поясов, отличающихся друг от друга составом частиц, захваченных магнитным полем Земли. Эта оболочка планеты только недавно начала изучаться с точки зрения ее роли в жизнедеятельности организмов, ведь ее можно исследовать только с помощью специальной сложной аппаратуры. Впервые существование радиационных поясов нашей планеты было доказано во время полета американского спутника "Пионер-1" в 1958 г. Состав и состояние магнитного поля планеты влияет на протекание биохимических процессов живых систем, а потому в последнее время актуальным стало изучение влияния изменений в магнитном поле на здоровье человека.