ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВЯЗИ В БИОСФЕРЕ

Три составные части биосферы — гидросфера, атмосфера и литосфера — тесно связаны друг с другом, составляя вместе единую функциональную систему. Так, почва многими своими функциями объединена с гидросферой и атмосферой.

Поглощая и отражая солнечную радиацию, почва выступает как мощный фактор энергетического баланса биосферы и связывается с атмосферными процессами. В частности, почвенные процессы участвуют в регулировании влагооборота атмосферы и ее газового режима. Установлено, что в северном полушарии (наблюдения в США) максимум содержания CO: в атмосфере наблюдается в мае, затем снижается за счет поглощения CCh при фотосинтезе и вновь возрастает зимой за счет дыхания почвы, а в высоких широтах — в результате атмосферного переноса из тропиков (I. Fung et al., 1987).

С литосферой почва связана наиболее прямым путем: она возникла из верхних слоев литосферы и своей жизнедеятельностью способствует дальнейшему геохимическому преобразованию этих слоев. В то же время почва служит источником вещества для образования минералов, горных пород, полезных ископаемых и способствует переносу аккумулированной солнечной энергии в глубокие части литосферы. Все эти процессы можно рассматривать как глобальные функции почвы (пе- досферы), имеющие общебиосферное значение (Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин, 1990). В наиболее общей форме на базе этих функций значение почвы в биосфере можно определить как связующее звено биологического и геологического круговоротов.

Функциональная взаимосвязь составных частей биосферы включает и взаимодействия процессов, происходящих в атмосфере и гидросфере. Это прежде всего круговорот воды: пополнение гидросферы за счет атмосферных осадков и возврат воды в атмосферу путем испарения с поверхности океана и других водоемов. Во-вторых, это энергетические связи как прямые — через тепловое излучение, так и опосредованные — через процессы фотосинтеза. Наконец, имеют место и химические связи: растворение в водах Ch и CCh. Последний процесс поддерживает систему динамического равновесия в водной среде по принципу:

Атмосфера CCh

Tl

Океан CO2 + H2Oz* H2CO3XSrHCO 3 + Hi^r CO2 3 + 2Н+

Эта система имеет решающее значение в формировании условий жизни гидробионтов.

В целом функциональная взаимосвязь составных частей биосферы превращает ее в генеральную саморегулирующуюся экосистему, обеспечивающую устойчивый глобальный круговорот веществ. Особое положение в этой планетарной функции имеют многочисленные и разнообразные живые организмы, сумму которых акад. В.И. Вернадский называл живым веществом. Масса живого вещества в биосфере, по некоторым подсчетам, составляет около 2400 млрд., что соответствует всего лишь примерно 1/2100 массы атмосферы Земли. Общая толщина биосферы —порядка 1/320 радиуса Земли (1/325 с учетом атмосферы) —характеризует ее как тонкую пленку на поверхности планеты. Тем не менее именно биосфера превращает ее в уникальное по своим свойствам небесное тело.

Это объясняется высокой химической активностью живого вещества. Химические (биохимические) реакции, протекающие в живых организмах, осуществляются с участием мощных биологических катализаторов — ферментов — и по скорости в тысячи раз превосходят реакции в неорганическом мире. Кроме того, участие ферментов сдвигает температурные и иные условия реакций. Жиры и углеводы, например, окисляются в организмах при температуре порядка 37°С и даже ниже, тогда как в абиотических условиях те же реакции требуют высокой (порядка 400—500°С) температуры.

Таблица 1.7. Продуктивность фотосинтеза в биосфере - IO9 т/год (по С.В. Войткевия, 1983)

Высокая химическая активность живого вещества способствует также постоянному вовлечению в круговорот элементов, активно извлекаемых из горных пород. Подсчитано, что с I га африканских саванн только слоновая трава ежегодно извлекает 250 кг кремнезема; в джунглях за этот же срок растения вовлекают в круговорот 8 т кремнезема. В лабораторных опытах плесневый грибок за неделю высвободил из базальта 3% содержащегося в нем кремния, 11% алюминия, 59% магния и 64 % железа. В биогенном разложении горных пород участвуют различные группы организмов от прокариот до высших растений.

При таких масштабах оборота веществ биологически значимые химические элементы постоянно проходят через глобальный круговорот с участием живых организмов. По некоторым подсчетам, если принять, что биосфера существует не менее 3—4 млрд. лет, то вся вода Мирового океана прошла через биологический цикл не менее 300 раз, а свободный кислород атмосферы — He менее I млн.

На высокой активности живого вещества основываются и регуляторные процессы в биосфере. Так, продукция кислорода поддерживает озоновый экран и, как следствие, относительное постоянство потока лучистой энергии, достигающего поверхности планеты. Постоянство минерального состава океанических вод поддерживается деятельностью организмов, активно извлекающих отдельные элементы, что уравновешивает их приток с поступающим в океан речным стоком. Подобная регуляция осуществляется и во многих других процессах.

Высокая способность биосферы как целостной системы к саморегуляции лежит в основе гипотезы «Геи», согласно которой живой мир

Земли рассматривают как единый сверхорганизм (J. Lovelock, 1986), неразрывно связанный с неживым окружением и постоянно поддерживающий выгодные условия собственного существования. Такая позиция упрощает представление о сложных связях в биосфере. Несомненно, однако, что деятельность живых организмов оказывает мощное обратное влияние на биосферу, изменяя состав и свойства основных сред жизни.