Каждое живое существо построено из живых частей и само входит в состав высшего целого, более сложной живой системы. Наиболее сложной из всех систем является живой покров Земли, включающий все живые существа нашей планеты. Чем больше мы всматриваемся, тем больше находим связей между живыми существами и, наконец, понимаем, что ни одно из них не может жить без других, как не может жить отрезанный палец. Ни один организм не обладает действительной автархией. Условия, необходимые для жизни каждого организма, создаются деятельностью других организмов… В каждый данный момент времени, от Докембрия до наших дней, живой покров Земли всегда представлял организованное целое, существующее благодаря достаточно слаженному функционированию своих частей.
В.Н. Беклемишев
§1. Биосфера Земли
Жизнь создаёт в окружающей её среде условия, благоприятные для своего существования.
В.И. Вернадский
В эру научно-технического прогресса особое значение приобретают знания о жизненных процессах на Земле в целом. Важную роль в этих процессах играют живые организмы. За миллиарды лет, прошедшие с момента образования нашей планеты, они наполнили атмосферу кислородом и азотом, очистили её от углекислого газа, сформировали отложения известняка, нефти, при-родного газа. В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка — биосфера (греч. bios «жизнь»). Этот термин первым ввёл в 1875 году Эдуард Зюсс, а учение о биосфере было создано в 1926 году Владимиром Ивановичем Вернадским. В основе учения Вернадского лежат представления о планетарной геохимической роли живого вещества и о самоорганизованности биосферы.
Биосфера — не сбалансированная по веществу открытая биокосная система, — область существования живого вещества Вселенной. Включает в себя не только живые организмы, но и изменённую ими среду обитания (например, кислород в атмосфере, горные породы органического происхождения и т.п. — необратимо захороненный восстановленный углерод, железо, серу и пр.).
В состав биосферы входят верхние слои литосферы, нижний слой атмосферы (тропосфера) и вся гидросфера, связанные между собой сложными круговоротами веществ и энергии. Нижний предел жизни на Земле (до глубины 3 км) ограничен высокой температурой земных недр; верхний предел (ок. 20 км) — жёстким излучением ультрафиолетовых лучей (всё, что находится на высоте ниже 20 км, защищено от губительного излучения двадцатикилометровым озоновым слоем). На границах биосферы можно найти, в основном, лишь микроорганизмы (обычно в виде спор, семян, пыльцы, цист, и пр., – так называемый атмосферный «планктон»); наибольшая концентрация биомассы наблюдается у поверхности суши и океана, в местах соприкосновения оболочек.
Совокупная биомасса Земли составляет примерно 2,4•10 в 12-й тонн (около 0,01% массы всей биосферы); 97 % из этого количества занимают растения, 3% — животные. В настоящее время на Земле известно несколько миллионов видов живых организмов.
В учении о биосфере выделяют следующие основные подходы:
1) энергетический (связь биосферных явлений с космическим излучением (прежде всего, из-лучением Солнца) и радиоактивными процессами в недрах Земли);
2) биогеохимический (роль живого в распределении атомов в биосфере);
3) информационный (принципы организации и управления в живой природе);
4) пространственно-временной (формирование и эволюция различных структур биосферы);
5) ноосферный (глобальные аспекты воздействия человека на окружающую среду).
Биосфера играет важную роль в распределении энергетических потоков на Земле. В год до Земли доходит около 10 в 24-й Дж солнечной энергии; 42 % из неё отражается обратно в космос, а остальное поглощается. Другим источником энергии является тепло земных недр, 20 % энергии переизлучается в мировое пространство в виде тепла, 10 % расходуется на испарение воды с поверхности Мирового океана. Зелёные растения преобразуют в процессе фотосинтеза около 10 в 22-й Дж в год, поглощают 1,7•10 в 8-й степени тонн СО2, выделяют около 11,5•10 в 7-й т кислорода и испаряют 1,6•10 в 13-й т воды. Исчезновение растений привело бы к катастрофическому накоплению углекислоты в атмосфере, и через сотню лет жизнь на Земле в её нынешних проявлениях погибла бы. Наряду с фотосинтезом в биосфере происходит почти такое же по масштабам окисление органических веществ в процессах дыхания и разложения.
В организмах содержатся все известные сегодня химические элементы. Если некоторые из них (водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие) являются основой жизни, то другие (рубидий, платина, уран) имеются в организмах в очень малых количествах. Организмы участвуют в миграции химических элементов как прямо (выделение кислорода в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в почвах и гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений железа, марганца и других элементов). Биогенная миграция атомов вызвана тремя основными процессами: обменом веществ, ростом и размножением организмов. Огромную роль в биогеохимической активности играет человек, извлекая ежедневно в ходе добычи полезных ископаемых миллиарды тонн горной породы. Влияние человека на глобальные геохимические процессы с каждым годом только растёт.
§2. Природные зоны суши
Впервые почвенные зоны сливались и совпадали с зонами природы, зонами естественноисторическими до такой степени тесно и дружно, что большей любви трудно ожидать, даже от самых верных супругов, от самых примерных детей и родителей. В этих зонах мы видим высшее проявление мирового закона любви.
В.В. Докучаев
Расположение экологических сообществ на Земле носит ярко выраженную зональную структуру, связанную с изменением тепловых условий — прежде всего потока солнечной энергии на различных широтах. Природные зоны вытянуты в широтном направлении и сменяют друг друга при движении по меридиану. Собственная, высотная, зональность формируется в горных системах; в мировом же океане хорошо просматривается смена экологических сообществ с глубиной. Природные зоны тесно связаны с понятием ареала — области распространения конкретного вида организмов. Изучением закономерностей распределения биогеоценозов по поверхности Земли занимается биогеография.
Земная суша разделена на 13 основных широтных поясов: арктический и антарктический, субарктический и субантарктический, северный и южный умеренные, северный и южный субтропические, северный и южный тропические, северный и южный субэкваториальные, экваториальный.
Рассмотрим основные биогеографические зоны суши.
Территорию вокруг полюсов охватывают холодные арктические (в Южном полушарии — антарктические) пустыни. Они отличаются крайне суровым климатом, обширными ледниковыми покровами и каменистыми пустынями, неразвитыми почвами, скудостью и однообразием живых организмов. Животные арктических пустынь связаны, в основном, с морем — это белый медведь, ластоногие, в Антарктиде — пингвины.
Южнее арктических пустынь расположена тундра (фин. tuntuгi «безлесная возвышенность»); в Южном полушарии тундра представлена лишь на некоторых субантарктических островах. Холодный климат и почвы, подстилаемые вечной мерзлотой, определяют здесь преобладание мхов, лишайников, травянистых растений и кустарничков. Южнее появляются небольшие деревца (например, карликовая берёза), и тундра сменяется лесотундрой. Фауна тундры достаточно одно-родна и скудна: северные олени, песцы, лемминги и полёвки, а также обширные птичьи базары. Из насекомых обильны комары. Большинство позвоночных с наступлением зимы покидают тундру (откочёвывают или улетают в более тёплые края). Вблизи морей и океанов тундра и лесотундра сменяются зоной океанических лугов.
Южнее лесотундры начинаются леса умеренной зоны; сначала хвойные (тайга), затем — смешанные, и наконец, широколиственные (Южный умеренный пояс практически полностью покрывает мировой океан). Умеренные леса занимают громадные территории в Евразии и Северной Америке. Климат здесь уже значительно теплее, и видовое разнообразие больше в несколько раз, чем в тундре. На подзолистых почвах доминируют крупные деревья — сосна, ель, кедр, лиственница, южнее — дуб, бук, берёза. Среди животных распространены хищные (волк, лиса, медведь, рысь), копытные (олени, кабаны), певчие птицы, отдельные группы насекомых.
Зону умеренных лесов сменяют лесостепь и затем степь. Климат становится теплее и засушливее, среди почв наибольшее распространение получают чернозёмы и каштановые почвы. Пре-обладают злаки, среди животных — грызуны, хищные (волк, лисица, ласка), хищные птицы (орёл, ястреб), пресмыкающиеся (гадюки, полозы), жуки. Большой процент степей занят сельскохозяйственными угодьями. Степи распространены на Среднем западе США, на Украине, в Поволжье и Казахстане.
Следующей за степью зоной является зона умеренных полупустынь и пустынь (Средняя и Центральная Азия, западная часть Северной Америки, Аргентина). Пустынный климат характеризуется малым количеством осадков, большими суточными колебаниями температуры. Водоёмы в пустынях, как правило, отсутствуют; лишь изредка пустыни пересекают крупные реки (Хуанхэ, Сырдарья, Амударья). Фауна отличается достаточным разнообразием, большинство видов приспособлены к обитанию в засушливых условиях.
При приближении к экватору умеренный пояс сменяют субтропики. В прибрежной полосе (северное побережье Средиземного моря, южный берег Крыма, Ближний Восток, юго-восток США, крайний юг ЮАР, южное и западное побережья Австралии, Северный остров Новой Зеландии) распространены вечнозелёные субтропические леса; вдали от моря находится лесостепь (в Северной Америке — прерии), степь и пустыни (последние — в Южной Австралии, на южном побережье Средиземного моря, в Иране и Тибете, Северной Мексике и западной части ЮАР). Животный мир субтропиков характеризуется смешением умеренных и тропических видов.
Тропические влажные леса (Южная Флорида, Вест-Индия, Центральная Америка, Мадагаскар, Восточная Австралия) в значительной степени распаханы и используются под плантации. Крупные животные практически истреблены. Западный Индостан, Восточная Австралия, бассейн Параны в Южной Америке и Южная Африка — зоны распространения более засушливых тропических саванн и редколесий. Самая же обширная зона тропического пояса — пустыни (Сахара, Аравийская пустыня, Пакистан, Центральная Австралия, Западная Калифорния, Калахари, Намиб, Атакама). Огромные пространства галечных, песчаных, каменистых и солончаковых поверхностей здесь лишены растительности. Животный мир малочисленен.
Субэкваториальные влажные леса сосредоточены в долине Ганга, южной части Центральной Африки, на северном побережье Гвинейского залива, северной части Южной Америки, в Север-ной Австралии и на островах Океании. В более засушливых районах их сменяют саванны (Юго-Восточная Бразилия, Центральная и Восточная Африка, центральные районы Северной Австралии, Индостана и Индокитая). Характерные представители животного мира субэкваториального пояса — жвачные парнокопытные, хищники, грызуны, термиты.
Ближе всего к экватору расположен экваториальный пояс (бассейн Амазонки, Центральная Африка, Индонезия). Обилие осадков и высокая температура обусловили здесь наличие вечнозелёных влажных лесов (в Южной Америке такой лес называется гилеей). Экваториальный пояс — рекордсмен по разнообразию видов животных и растений.
Похожие закономерности наблюдаются и в смене биогеографических зон в горах — высот-ной поясности. Она обусловлена изменением температуры, давления и влажности воздуха с увеличением высоты местности. Полного тождества между высотными, с одной стороны, и широтными, с другой стороны, поясами нет. Так, присущей типичной тундре смены полярных дня и ночи лишены её высокогорные аналоги в более низких широтах, а также альпийские луга.
Наиболее сложные спектры высотных поясов свойственны высокогорьям, находящимся близ экватора. К полюсам уровни высотных поясов снижаются, а их разнообразие уменьшается. Изменяется спектр высотных поясов и при удалении от берега моря.
Одни и те же природные зоны встречаются на разных материках, однако леса и горы, степи и пустыни имеют свои особенности на различных континентах. Различаются и растения и животные, приспособившиеся к существованию в этих природных зонах.
В биогеографии выделяют шесть биогеографических областей:
1) Палеарктическая область (Евразия без Индии и Индокитая, Северная Африка);
2) Неарктическая область (Северная Америка и Гренландия);
3) Восточная область (Индостан и Индокитай, Малайский архипелаг);
4) Неотропическая область (Центральная и Южная Америка);
5) Эфиопская область (практически вся Африка);
6) Австралийская область (Австралия и Океания).
§3. Природные зоны океанов, морей и озёр
Если когда-либо в биосфере прекратится жизнь на основе фотосинтеза — её “большой огонь” — то в немыслимых глубинах океана сохранится автономная абиссальная жизнь — тот “запальник”, от которого может вспыхнуть огонь новой жизни на Земле.
А.В. Лапо
Живые организмы населяют не только сушу, но и Мировой океан. В океане обитает порядка десяти тысяч видов растений и сотни тысяч видов животных (в том числе более 15 тысяч видов позвоночных). Растения и животные заселяют в мировом океане две сильно отличающиеся друг от друга области — пелагиаль (поверхностные слои воды) и бенталь (морское дно). Широтные зоны хорошо выражены только в приповерхностных водах океана; с увеличением глубины влияние солнца и климата уменьшается, а температура воды приближается к характерным для толщи океана +4°С.
Пелагиаль — толща воды океанов, морей и озёр — делится на вертикальные зоны по освещённости (хорошо освещённая, сумеречная и лишённая света) и по распределению жизни (поверхностная, переходная и глубоководная). Для пелагических организмов характерны схожие приспособления, обеспечивающие плавучесть. Они разделяются на пассивно плавающих на поверхности воды (плейстон: саргассовые водоросли, сифонофоры и др.) или в её толще (планктон) и на активно плавающих организмов, способных противостоять силе течения (нектон: рыбы, кальмары, водные змеи и черепахи, пингвины, китообразные, ластоногие, а также крупные ракообразные). Нектон отличает вытянутая форма тела с наименьшим лобовым сопротивлением воды при движении. Растительные пелагические организмы (фитопланктон: в основном, зелёные и диатомовые водоросли) — основные продуценты органического вещества в океане. Фитопланктон наиболее распространён в местах выноса с глубины или стока с суши питательных веществ — фосфатов и нитратов. Потребность в солнечной энергии ограничивает их распространение до глубины в 50-100 м. Зоопланктон (ракообразные, простейшие, медузы и гребневики, личинки различных животных) можно встретить и на большей глубине. Тропические районы океанов, удалённые от суши, наиболее бедны по количеству видов. Остатки пелагических организмов участвуют в образовании донных осадков.
Население дна — бентос — также распределено по глубинным поясам. Среди растительных организмов распространены бурые, красные, диатомовые и зелёные водоросли; у берега пресно-водных водоёмов встречаются и цветковые растения (тростник, камыш, кувшинка, элодея и другие). Морской зообентос представлен, главным образом, фораминиферами, губками, коралловыми полипами, многощетинковыми червями, сипункулидами, моллюсками, ракообразными, мшанками, иглокожими, асцидиями и рыбами. Особенно многочисленны обитатели мелководий; их количество может доходить до десятков килограммов на 1 м2 поверхности. Пресноводный зообентос гораздо беднее: в основном, это простейшие, кольчатые черви, моллюски, личинки насекомых и мальки рыб.
§4. Человеческий компонент биосферы
Мой отец, да помилует его аллах, говорил мне: "Всякую хорошую вещь, какого бы то ни было рода, можно оценить известным количеством дурных вещей такого же рода. Например, одна хорошая лошадь стоит сто динаров, а пять скверных лошадей стоят вместе сто динаров. Это и к верблюдам, и к разным одеждам, но не сынам Адама, так как тысяча негодных людей не стоит и одного хорошего человека". И он был прав, да помилует его аллах.
Усама ибн Мункыз
Человек – это подлинное бедствие, порождённое самой природой. Это то её создание, которое, не помня начало света, может, тем не менее, если ему не достанет разума, дождаться его конца.
Карел Скленарж
… появление разумного существа на планете необходимо для того, чтобы вновь ввести в геохимический оборот необратимо захороненный восстановленный углерод, железо и пр. Т.е. наша деятельность нужна как раз для того, чтобы сжечь нефть, вытащить железную руду и перевести её в ржавчину и пр. …
Кирилл Еськов
Повторим пройденное: единственное, что постоянно в нашем мире — это изменения. Всё окружающее нас даёт неисчислимые примеры изменений, происходящих в нас самих и вокруг. Осенью листья желтеют, а весной тает снег, и полевые мыши принимаются разорять гнёзда шмелей, поленья сгорают, а из семян вырастают цветы, пока люди взрослеют — картины растрескиваются. Мы вырастаем, рождаем детей, стареем. И даже будучи мёртвыми и мы и растения и животные продолжаем изменяться. Это очевидно и бесспорно. Также бесспорно и очевидно, что и биосфера не является статичным, неизменным объектом — с течением времени она изменяется, эволюционирует. Важным фактором этой эволюции являются живые организмы. С момента своего возникновения они расширяли границы биосферы, изменяли её состав. В результате их деятельности за миллиарды лет появились горные породы и полезные ископаемые органического происхождения, полностью преобразована атмосфера Земли, постоянно менялся рельеф местности.
Значительные изменения биосфера претерпела с момента появления человека. Всего за не-сколько столетий бурное развитие промышленности, науки и техники — геологически ничтожный отрезок времени — способствовало значительному ускорению миграции атомов. Человек создал тысячи новых пород и сортов, и истребил многие виды диких животных и растений, извлёк из земной коры миллиарды тонн полезных ископаемых; в результате его деятельности образовались новые озёра (водохранилища) и искусственные реки (каналы), на огромных площадях природные экосистемы сменились искусственными.
Но, увы, человек не всегда разумно использует находящиеся в его распоряжении ресурсы.
Деятельность человека приводит к сокращению запасов чистой воды. Промышленные пред-приятия сбрасывают сточные воды зачастую без должной очистки, загрязняя окружающие водоёмы токсичными химическими соединениями. Гидроэлектростанции и плотины мешают нормальной миграции речных рыб. Двигатели внутреннего сгорания, заводы, тепловые электростанции выделяют в атмосферу вредные вещества. Появление новых городов и накопление промышленных отвалов уменьшает площадь лесов, лугов и болот, поддерживающих концентрацию кислорода в атмосфере на необходимом для жизни уровне. Безответственное использование атомной энергии приводит к загрязнению окружающей среды радиоактивными веществами, вызывающими раковые заболевания. Увеличение численности населения земного шара (сегодня на Земле проживает уже более семи миллиардов человек) может привести к обострению продовольственной проблемы.
Одна из задач биологии — обеспечить человечество пищей.
В настоящее время во всём мире возникла необходимость наладить разумное использование природных ресурсов. Необходима охрана атмосферы, водных ресурсов, почвы, живой природы. Во многих государствах уже приняты законы об охране природы; промышленные, строительные и сельскохозяйственные учреждения обязаны учитывать баланс природных ресурсов и возможные последствия нарушения равновесия природных явлений.
Не зная многих закономерностей природы, человек часто не представляет последствий своих «побед» над природой. Некоторые государства древнего мира исчезли с лица земли именно в результате хищнического отношения к природе: истощения почв, осушения болот, вырубки лесов и т.п..
Овладев громадной энергией, человек сам является мощнейшим фактором эволюции биосферы. Владимир Вернадский предполагал, что человечество должно создать новую оболочку Земли — Ноосферу (греч. noos — «разум»), рассматриваемую в качестве некого мыслящего пласта над биосферой.
