Верхний предел жизни можно провести в стратосфере, на уровне озонового экрана, поглощающего космическое коротковолновое излучение. Фактически организмы распространяются ниже его границы. До 5 км, в редких случаях до 10 км, с потоками воздуха, с пылью могут подниматься в атмосферу споры и микроорганизмы. На 7 км в высоту из птиц поднимается кондор. В горах на 8-километровой высоте наблюдались тли, на 6-километровой высоте встречались бабочки, цветковые растения - на высоте 6,5 км.
Нижняя граница жизни определяется температурными условиями (1000C - температура кипения воды) Глубже 3 км от земной поверхности живые существа не могут существовать в современном виде. В океане жизнь возможна на всю глубину. В почвах граница жизни определяется глубиной проникновения свободного кислорода - несколько глубже 10 м (на болотах только 30 см).
Если принять эти границы распространения живого по В.И. Вернадскому, то тогда границы биосферы близки к границам географической оболочки.
Основные свойства биосферы
Биосфера - глобальная экологическая система с прямыми и обратными связями, обеспечивающими механизмы ее функционирования и устойчивости.
1. Биосфера - централизованная система. Центральным звеном биосферы является живое вещество, что подтверждается его свойствами и функциями.
2. Биосфера - открытая система. Ее существование невозможно без поступления энергии извне.
3. Биосфера - саморегулирующаяся система, характеризующаяся гомеостазом. Гомеостаз биосферы, как и экосистемы, подчиняется принципу ЛеШателье-Брауна: Если на систему действуют силы, выводящие ее из состояния устойчивого равновесия, то равновесие смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.
4. Биосфера - это система, характеризующаяся большим разнообразием, которое обусловлено:
разными средами жизни
разнообразием природных зон
наличие регионов, сильно отличающихся от большинства других химическим составом литосферы
объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем со свойственным им видовым разнообразием.
Для биосферы, как для глобальной экосистемы, применим закон Эшби.
5. Наличие механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений.
Структура.
Биосферу, как местообитание организмов, можно разделить на три подсферы (которые, в свою очередь, имеют составные части):
1) геобиосферу (верхнюю часть литосферы, населенную геобионтами):
* террабиосферу (поверхность суши с наземными организмами – террабионтами);
- гипотеррабиосферу (слой, где возможна жизнь аэробных организмов, до 1,5 км);
- теллуробиосферу (слой, где возможна жизнь анаэробных организмов, до 6 км);
* литобиосферу (толщу земной коры с литобионтами);
- фитосферу (пространства от 0 до 150 м., т.е. до верхушек деревьев);
- педосферу (почвенный покров до 2 – 3 метров с педобионтами);
2) гидробиосферу:
* маринобиосферу (океаны и моря, населенные маринобионтами);
* аквабиосферу (континентальные, в основном пресные воды);
* фотосферу (до 200 м – соответствует эвфотической зоне);
* дисфотосферу (до 1,5 – 2 км, проходит до 1 % солнечного света);
* афотосфера (более 2 км, солнечный свет не проходит);
3) аэробиосферу:
* тропобиосферу (от верхушек деревьев до 5 – 6 км, с тропобионтами)
* стратобиосферу (от 6 до 22 – 24 км, где располагается основная масса озона).
Выше аэробиосферы расплагается парабиосфера (до высоты 60 – 80 км.), куда жизнь проникает лишь случайно в виде спор и микроорганизмов. Ниже геобиосферы располагается гипобиосфера (аналог парабиосферы), а еще ниже до глубины 10 – 15 км простирается метабиосфера – слой пород, преобразованный жизнью, но в котором организмы на данный момент не присутствуют. Вертикальная мощь собственно биосферы (эубиосферы) – арены активной современной жизни – более 17 км в океанической области и 12 км в сухопутной области.
Функции живого вещества.
Живое вещество играет наиболее важную роль по сравнению с другими веществами биосферы, и выполняет рад важнейших функций.
Энергетическая функция
Энергетическая функция выполняется, прежде всего, растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия. Собственных источников энергии она не имеет и может потреблять энергию только от внешних источников. Главным источником для биосферы является Солнце. По сравнению с Солнцем, энергетический вклад других поставщиков (внутреннее тепло Земли, энергия приливов, излучение космоса) в функционирование биосферы ничтожно мал (около 0,5% от всей энергии, поступающей в биосферу). Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы. Почти 99% этой энергии, поступившей в биосферу, поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в вызванных ею физических и химических процессах (движение воздуха и воды, выветривание и др.) Только около 1% накапливается на первичном звене ее поглощения и передается потребителям уже в концентрированном виде. По словам Вернадского, зеленые хлорофилльные организмы, зеленые растения, являются главным механизмом биосферы, который улавливает солнечный луч и создает фотосинтезом химические тела - своеобразные солнечные консервы, энергия которых в дальнейшем становится источником действенной химической энергии биосферы, а в значительной мере - всей земной коры. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы.
Каждый последующий этап развития жизни сопровождался все более интенсивным поглощением биосферой солнечной энергии. Одновременно нарастала энергоемкость жизнедеятельности организмов в изменяющейся природной среде, и всегда накопление и передачу энергии осуществляло живое вещество. Современная биосфера образовалась в результате длительной эволюции под влиянием совокупности космических, геофизических и геохимических факторов. Первоначальным источником всех процессов, протекавших на Земле, было Солнце, но главную роль в становлении и последующем развитии биосферы сыграл фотосинтез. Биологическая основа генезиса биосферы связана с появлением организмов, способных использовать внешний источник энергии, в данном случае энергию Солнца, для образования из простейших соединений органических веществ, необходимых для жизни.
Деструктивная функция
Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений, химическое разложение горных пород, вовлечение образовавшихся минералов в биотический круговорот определяет деструктивную (разрушительную) функцию живого вещества. Данную функцию в основном выполняют грибы, бактерии. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т. д.), которые вновь используются в начальном звене круговорота. Этим занимается специальная группа организмов - редуценты (деструкторы).
Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. Благодаря живому веществу биотический круговорот пополняется минералами, высвобождаемыми из литосферы. Например, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождал из вулканической горной породы 3 % содержащегося в ней кремния, 11% алюминия, 59 % магния, 64 % железа. Сильнейшее химическое воздействие на горные породы растворами целого комплекса кислот - угольной, азотной, серной и разнообразных органических оказывают бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и лишайники. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы - кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы. Общая масса зольных элементов, вовлекаемая ежегодно в биотический круговорот только на суше, составляет около восьми миллиардов тонн, что в несколько раз превышает массу продуктов извержения всех вулканов мира на протяжении года. Благодаря жизнедеятельности организмов-деструкторов создается уникальное свойство почв – их плодородие.
Концентрационная функция
Концентрационная (накопительная) функция - избирательное накопление определенных веществ, рассеянных в природе - водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы, в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных — все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества.
Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - это характерная особенность живого вещества. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них по сравнению с природной средой содержание марганца увеличено в 1 200 000 раз, железа - в 65 000, ванадия - в 420 000, серебра - в 240 000 раз.
Для построения своих скелетов или покровов активно концентрируют рассеянные минералы морские организмы. Так, существуют кальциевые организмы - известковые водоросли, моллюски, кораллы, мшанки, иглокожие, и т. п., и кремниевые - диатомовые водоросли, кремниевые губки, радиолярии. Особого внимания заслуживает способность морских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. В теле беспозвоночных и рыб их концентрация может в сотни тысяч раз превосходить содержание в морской воде. Вследствие этого морские организмы полезны как источник микроэлементов, но вместе с тем употребление их в пищу может грозить отравлением тяжелыми металлами или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью.