Владимир Базылев - Основы общей и экологической токсикологии

Автором термина «биосфера» был французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк, который употребил его в 1803 г. в труде по гидрогеологии Франции для обозначения совокупности организмов, обитающих на земном шаре. Затем на длительное время этот термин был забыт. В 1875 г. он был «воскрешен» профессором Венского университета геологом Эдуардом Зюссом в работе о строении Альп. Он ввел в науку представление о биосфере как особой оболочке земной коры, охваченной жизнью. В таком общем смысле впервые в 1914 г. использовал этот термин и выдающийся русский ученый-геохимик В. И. Вернадский в статье об истории рубидия в земной коре.

Согласно В. И. Вернадскому, биосфера – нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы Земли, населенные живыми организмами, «область существования живого вещества»; оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Биосфера – самая крупная (глобальная) экосистема Земли – область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Мысль о жизни как о космическом явлении впервые высказал голландский ученый Х. Гюйгенс в конце XVIII в.: «…жизнь есть космическое явление, в чем-то резко отличное от косной материи». Это высказывание было названо В. И. Вернадским «принципом Гюйгенса».

Биосфера занимает особое место по отношению к геосферам. Биосфера – это своеобразная оболочка Земли, или область распространения жизни. От геосфер она отличается и тем, что в ее пределах проявляется геологическая деятельность живых существ: растений, животных, микроорганизмов и человека. Биосфера охватывает поверхность земли, верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы – тропосферу. Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов. Верхний предел жизни биосферы ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей. Физическим пределом распространения жизни в атмосфере является озоновый слой. Поэтому его нижнюю границу можно рассматривать как верхнюю границу биосферы. Озоновый слой ограничивает распространение жизни, ибо выше него концентрация ультрафиолетовых лучей превосходит допустимую для живых организмов норму, а концентрация содержащегося там озона губительна для всех живых организмов, для которых критическим считается содержание озона в 0,0005 об. %. В озоновом слое на высоте 15 – 26 км от поверхности Земли концентрация его достигает 0,001 %, у земной поверхности содержание озона составляет 0,000007 %.

Нижний предел существования жизни традиционно определяют дном океана (максимум 11 022 м – глубина Марианской впадины) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой 100 °C (около 6 км, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове). В основном жизнь в литосфере распространена лишь на несколько метров вглубь, ограничиваясь почвенным слоем. Однако по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров, достигая в ряде случаев глубин от 3000 до 4000 м. По некоторым оценкам, пределы биосферы, возможно, намного шире, так как в гидротермах дна океана на глубинах около 3000 м при температуре 250 °C обнаружены организмы. На таких глубинах давление составляет около 30 МПа (300 атм), что позволяет воде находиться в жидком состоянии, в то время как пределы жизни ограничены точками перехода ее в пар и сворачивания белков. Теоретически на глубинах 25 км относительно уровня моря должна иметь место критическая температура 460 °C, при которой при любом давлении вода находится только в виде паров, а значит, жизнь невозможна (Николайкин Н. И. [и др.], 2006).

По поверхности Земли жизнь распределена неравномерно. Существуют области ее повышенной концентрации: на границе раздела воды, воздуха и почвы. В. И. Вернадский назвал их «пленками жизни».

Как следует из приведенных данных (табл. 2.1), основную часть биомассы суши составляют зеленые растения (99,2 %), а в океане – животные (93,7 %).

Общая биомасса планеты составляет более двух триллионов тонн. Строение растений во много раз сложнее строения бактерий, а строение животных сложнее, чем у растений. Как правило, с усложнением строения организмов увеличивается их видовое разнообразие. Биомасса организмов, напротив, уменьшается с увеличением их сложности. Соотношение масс организмов принято называть «пирамидой биомассы».

Таблица 2.1

Распределение биомассы растений, животных и микроорганизмов

В результате последовательных превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т. д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или их биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанных на единицу площади в единицу времени.

Напомним, что продуценты – это автотрофные организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений, используя солнечную энергию (зеленые растения, микроскопические водоросли и др.). Они составляют первое звено пищевой цепи. Консументы — это гетеротрофные организмы, которые потребляют первичную продукцию и накопленную в ней энергию, т. е. для них продуценты представляют собой единственный источник питания. Они бывают I порядка (растительноядные), II порядка (плотоядные), III порядка (хищники, питающиеся более слабыми хищниками) и т. д. Редуценты (деструкторы) — это организмы, разлагающие органические остатки (бактерии, грибы, микроорганизмы) и служащие частично завершающим звеном биологического круговорота.

Основанием экологической пирамиды служит первый трофический уровень – уровень продуцентов, а последующие уровни образуют следующие этажи пирамиды. При этом высота всех блоков-этажей одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Экологическая пирамида

В зависимости от того, количественные соотношения каких величин отражает пирамида, она носит название пирамиды чисел, биомасс или энергий. Подобные пирамиды-соотношения используют для практических расчетов при обосновании, например, необходимых площадей под сельскохозяйственные культуры, с тем чтобы обеспечить кормами выращиваемое поголовье скота и далее реализовать определенный объем мясной продукции.