Биомасса планеты составляет от массы земной коры. Биомасса

Жив а я о б о л о ч к а з е м л и

Повсюду на Земле, куда ни обрати свой взгляд, господствует жизнь. Повсюду можно встретить какие-либо растения и животных. А сколько еще организмов, которые не видны невооруженному глазу! Простейшие одноклеточные животные и микроскопические водоросли, многочисленные грибы, бактерии, вирусы...

В наше время известно до 500 тысяч видов растений и около 1,5 миллиона видов животных. Но еще далеко не все виды открыты и описаны. А если представить себе, сколько особей у каждого вида!.. Попробуйте сосчитать количество пихт в тайге, или одуванчиков на лугу, или колосьев на одном поле пшеницы... Сколько живет муравьев в одном муравейнике, сколько рачков циклопов или дафний в одной луже, сколько белок в лесу, сколько щук, окуней или плотвы в одном озере?.. И поистине сказочные цифры получаются при попытке сосчитать микроорганизмы.

Так, в 1 грамме лесной почвы в среднем насчитывается:

бактерий —400 000 000,

грибов — 2 000 000,

водорослей — 100 000,

простейших — 10 000.

Микробиологи из университета штата Джорджия считают, что на Земле всего 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (5 нониллионов) бактерий . Это составляет 70% от массы всего живого на планете.

Все это неисчислимое множество живых существ размещается не хаотически и беспорядочно, а строго закономерно, в определенном порядке, по исторически сложившимся на Земле законам жизни. Вот что по этому поводу пишет американский ученый-биолог К. Вилли: «На первый взгляд может показаться, что мир живых существ состоит из невообразимого множества растений и животных, отличных друг от друга и идущих каждый своим путем. Однако более детальное изучение показывает, что все организмы, как растительные, так и животные, имеют одни и те же основные жизненные потребности, перед ними стоят одни и те же проблемы: добывание пищи как источника энергии, завоевание жизненного пространства, размножение и т. п. В ходе разрешения этих проблем растения и животные образовали огромное множество различных форм, каждая из которых приспособлена к жизни в данных условиях внешней среды. Каждая форма приспособилась не только к физическим условиям среды — приобрела устойчивость к колебаниям в определенных границах влажности, ветра, освещения, температуры, силы тяжести и т. д., но также и к биотическому окружению — ко всем растениям и животным, обитающим в той же зоне.

Закономерно распределяясь на Земле, вся совокупность организмов образует живую оболочку нашей планеты — биосферу. Заслуга в разработке понятия «биосфера» и выяснении ее планетарной роли принадлежит русскому академику В. И. Вернадскому, хотя сам термин употребляли еще в конце прошлого столетия. Что же такое биосфера и почему ей придается такое большое значение?

Поверхностные части Земли состоят из трех минеральных, неорганических оболочек: литосфера — твердый каменный панцирь Земли; гидросфера — жидкая, несплошная оболочка, включающая все моря, океаны и внутренние воды,—Мировой океан; атмосфера — газообразная оболочка.

Вся гидросфера, верхние части литосферы и нижние слои атмосферы заселены животными и растениями. Современная биосфера образовалась в процессе возникновения и дальнейшего исторического развития живой материи. Со времени зарождения жизни на Земле по различным оценкам прошло от 1,5—2,5 до 4,2 миллиарда лет. В. И. Вернадский пришел к выводу, что за это время все наружные слои земной коры переработаны жизнедеятельностью организмов на 99 процентов. Следовательно, Земля в том виде, как мы ее воспринимаем, на которой мы живем, в значительной степени есть продукт деятельности организмов.

Жизнь, возникнув на Земле в результате закономерного развития материи, на протяжении многих миллионов лет своего существования в форме различных организмов изменила облик нашей планеты.

Все организмы биосферы в совокупности образуют биомассу, или «живое вещество», обладающее мощной энергией, которая изменяет земную кору и атмосферу. Общий вес растительной массы около 10 000 миллиардов, а животной — около 10 миллиардов тонн, что составляет примерно 0,01 процента веса всей биосферы с ее твердой, жидкой и газообразной средой обитания. Подсчитано, что биомасса всех живых существ, населявших Землю, примерно через миллиард лет после появления жизни должна была бы во много раз превысить массу нашей планеты. Но этого не произошло.

Почему же биомасса существенно не накапливается? Почему она удерживается на каком-то определенном уровне? Ведь биомасса как живая материя имеет тенденцию к беспрерывному развитию, совершенствованию и постоянному накоплению в процессе этого развития, в процессе размножения и роста живых существ.

А не происходит этого потому, что каждый элемент, из которых построено тело организма, воспринимается из окружающей среды, а затем через целый ряд других организмов опять возвращается в окружающую, неорганическую среду, из которой вновь поступает в состав живого вещества, биомассы. Следовательно, каждый элемент, входящий в состав живой материи, используется ею многократно.

Не следует, однако, это понимать в абсолютном смысле. С одной стороны, какая-то часть элементов выходит из круговорота веществ, так как на Земле само по себе происходит накопление органических соединений в виде залежей каменного угля, нефти, торфа, горючих сланцев и т. д. С другой стороны, человек своей деятельностью может обеспечить более интенсивный процесс накопления биомассы, что проявляется в беспрерывном повышении урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности домашних животных.

Но все это отнюдь не отвергает общего правила. Существенно биомасса на Земле все же не накапливается, а постоянно удерживается на каком-то определенном уровне, хотя этот уровень и не является абсолютным и постоянным. Происходит это потому, что биомасса беспрерывно разрушается и вновь созидается из одного и того же строительного материала, в ее пределах протекает беспрерывный круговорот веществ. В. И. Вернадский пишет: «Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет, от древнейших археозойских эр до нашего времени. На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом.

Этот круговорот, совершающийся в результате жизнедеятельности организмов, называется биологическим круговоротом веществ. Он принял современный характер с появлением зеленых растений, осуществляющих процесс фотосинтеза. С этого времени и условия для эволюции живой материи на Земле приобрели совершенно иной характер.

Ход круговорота веществ вкратце можно рассмотреть на примере с углеродом, атомы которого входят в состав сложной белковой молекулы. Именно с белковой молекулой и связана жизнь, обмен веществ.

Над каждым гектаром Земли содержится в составе углекислого газа (С02) до 2,5 тонны углерода. Как показали расчеты, посевы, например, сахарного тростника каждым гектаром поглощают до 8 тонн углерода, который используется на построение тела этих растений. В результате зеленые растения примерно за несколько сот лет использовали

Бы весь запас углерода. Но этого не происходит, потому что организмы процессе дыхания выделяют значительные количества углекислоты А еще больше углерода освобождают гнилостные бактерии и грибы, разрушая углеродистые соединения, содержащиеся в мертвых телах животных и растений. Какая-то часть углерода все же выходит ни сферы «обращения», откладываясь в виде залежей нефти, каменного угля, торфа и т. д., в которые превращаются отмершие растения и животные. Но эта потеря углерода компенсируется разрушением карбонатов горных пород, а в современных условиях также сжиганием огромного количества добываемого топлива. В результате углерод как бы постоянно течет из атмосферы через зеленые растения, животных, микро организмы снова в атмосферу. Таким образом, общие запасы углерода в биосфере остаются примерно постоянными. Можно предположить с высокой степенью достоверности, что почти каждый атом углерода в биосфере со времени возникновения жизни на Земле неоднократно находился в составе живой материи, переходил в углекислоту атмосферы и снова возвращался в состав живого вещества, биомассы.

В современных условиях углерод в процессе биологического круговорота веществ проходит следующие этапы: 1) зеленые растения, созидатели органического вещества, поглощают углерод из атмосферы и вводят его в состав своего тела; 2) животные, или потребители, питаясь растениями, из их углеродистых соединений строят углеродистые соединения своего тела; 3) бактерии, а также некоторые другие организмы, или разрушители, разрушают органическое вещество умерших растений и животных и освобождают углерод, который снова уходит в атмосферу в составе углекислого газа.

Другой важной составной частью аминокислот и белков биомассы является азот. Источником азота на Земле служат нитраты, которые по глотаются растениями из почвы и воды. Животные, поедая растения, из аминокислот растительных белкой синтезируют свою протоплазму. Гнилостные бактерии переводят соединения азота мертвых тел этих организмов в аммиак. Затем нитрифицирующие бактерии превращаю аммиак в нитриты и нитраты. Часть азота денитрифицирующими бактериями возвращается в атмосферу. Но на Земле в процессе эволюции живого вещества появились организмы, способные связывать свободный азот и превращать его в органические соединения. Это некоторые сине-зеленые водоросли, почвенные, а также клубеньковые бактерии вместе с клетками корней бобовых. При отмирании этих организмов азот их тела нитрифицирующими бактериями переводится в соли азотной кислоты.

Подобный круговорот совершают и вода, и фосфор, и многие другие вещества, входящие в состав живой материи и минеральных оболочек биосферы, В результате все элементы, за редким исключением, деятельностью живого вещества биосферы вовлекаются в грандиознейший по своим масштабам беспрерывно движущийся поток — биологический круговорот веществ. «Прекращение жизни было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений, если не всей земной коры, то во всяком случае ее поверхности — лика Земли, биосферы»,— пишет академик В. И. Вернадский.

Особенно ярко эта мысль Вернадского подтверждается той ролью, которую играет в процессе своего круговорота кислород, продукт фотосинтеза растений. Практически весь кислород в земной атмосфере возник и поддерживается на определенном уровне деятельностью зеленых растений. В большом количестве он расходуется организмами в процессе дыхания. Но, кроме того, обладая огромной химической активностью, кислород непрерывно вступает в соединения почти со всеми другими элементами.

Если бы зеленые растения не выделяли такого огромного количества кислорода, то он полностью исчез бы из атмосферы примерно за 2000 лет. Преобразился бы весь облик Земли, исчезли бы почти все организмы, прекратились бы все окислительные процессы в физической части биосферы... Земля стала бы безжизненной планетой. Именно наличие свободного кислорода в атмосфере планеты свидетельствует о том, что на ней есть жизнь, живое вещество, есть биосфера. А раз есть биосфера, почти все элементы среды вовлекаются ею в грандиозный, нескончаемый круговорот веществ.

Подсчитано, что в современную эпоху весь кислород, содержащийся в атмосфере, оборачивается через организмы (связываясь при дыхании и высвобождаясь при фотосинтезе) за 2000 лет, что вся углекислота атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за каждые 300 лет и что все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 000 000 лет.

В основе учения о биосфере лежат геохимические исследования, в первую очередь изученные В. И. Вернадским круговороты кислорода и углерода. Он первым высказал предположение, что кислород, содержащийся в современной атмосфере, образован в результате фотосинтетической деятельности растений.

Выдающийся естествоиспытатель В. И. Вернадский обладал поразительной способностью охватывать своей острой и гениальной мыслью почти все области современного естествознания. В своих мыслях и концепциях он далеко опережал современный ему уровень знаний и предвидел на десятилетия вперед их развитие. Еще в 1922 г. Вернадский писал о близком овладении человеком грандиозными запасами ядерной энергии, а в конце 30-х годов предсказывал наступающую эру выхода человека в космос. Он стоял у истоков многих наук о Земле — генетической минералогии, геохимии, биогеохимии, радиогеологии и создал учение о биосфере Земли, ставшее вершиной его творчества.

Научные искания В. И. Вернадского постоянно были связаны с огромной организаторской работой. Он был инициатором создания Комиссии по изучению естественных производительных сил России, одним из организаторов Украинской Академии наук и ее первым президентом. По инициативе Вернадского в системе Академии наук СССР были созданы Институт географии, Институт минералогии и геохимии имени М. В. Ломоносова, Радиевый, Керамический и Оптический институты, Биогеохимическая лаборатория ставшая теперь Институтом геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского, Комиссия по изучению вечной мерзлоты, преобразованная затем в Институт мерзлотоведения имени В. А. Обручева, Комиссия по истории знаний, ныне Институт истории естествознания и техники, Комитет по метеоритам, Комиссии по изотопам, урану и многие другие. Наконец, ему принадлежит идея создания Международной комиссии по определению геологического возраста Земли

ПОТОК ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ

Круговороты всех веществ замкнуты, в них многократно используются одни и те же атомы. Поэтому нового вещества для осуществления круговорота не требуется. Закон сохранения материи, по которому материя никогда не возникает и не исчезает, здесь налицо. Но для превращения веществ в пределах биогенного круговорота необходима энергия. За счет какой же энергии осуществляется этот грандиозный процесс?


Основным источником энергии, необходимой для жизни на Земле, а значит, и для осуществления биологического круговорота веществ, служит солнечный свет, т. е. энергия, которая возникает в недрах Солнца во время ядерных реакций при температуре приблизительно 10 000 000 градусов. (Температура на поверхности Солнца значительно ниже, всего 6000 градусов.) До 30 процентов энергии рассеивается в атмосфере или отражается облаками и поверхностью Земли, до 20 процентов поглощается в верхних слоях облаками, приблизительно 50 процентов достигает суши или поверхности океана и поглощается в форме тепла. Лишь ничтожное количество энергии, всего около 0,1—0,2 процента, улавливается зелеными растениями; оно-то и обеспечивает весь биологический круговорот веществ на Земле.

Зеленые растения аккумулируют энергию солнечного луча, накапливают ее в своем теле. Животные, поедая растения, существуют за счет той энергии, которая поступила в их организм вместе с пищей, со съеденными растениями. Хищники в конечном итоге также существуют за счет энергии, накопленной зелеными растениями, ибо питаются растительноядными животными.

Таким образом, энергия Солнца, первоначально использованная зелеными растениями в процессе фотосинтеза, превращается в потенциальную энергию химических связей тех органических соединений, из которых строится само тело растений. В организме животного, съевшего растение, происходит окисление этих органических соединений с выделением такого количества энергии, которое было затрачено на синтезирование органического вещества растением. Часть этой энергии и используется для жизни животного, а часть, согласно второму закону термодинамики, превращается в тепло и рассеивается в пространстве.

В конечном итоге энергия, полученная от Солнца зеленым растением, переходит от одного организма к другому. При каждом таком переходе энергия превращается из одной формы (энергия жизни растения) в другую (энергия жизни животного, микроорганизма и т. д.). При каждом таком превращении происходит снижение количества полезной энергии. Следовательно, в отличие от круговорота веществ, который протекает по замкнутому кругу, энергия перемещается от организма к организму в определенном направлении. Происходит односторонний поток энергии, а не круговорот.

Нетрудно себе представить, что, как только погаснет Солнце, вся накопленная Землей энергия постепенно через какой-то определенный и сравнительно небольшой промежуток времени превратится в тепло и рассеется в пространстве. Прекратится круговорот веществ в биосфере, все животные и растения погибнут. Довольно мрачная картина... Конец жизни на Земле...

Однако нас не должен смущать такой вывод. Ведь Солнце будет светить еще несколько миллиардов лет, т. е. как минимум столько, сколько на Земле уже существует жизнь, которая развилась от примитивных комочков живой материи до современного человека. Причем сам человек на Земле появился всего около миллиона лет тому назад. За этот срок он прошел путь от каменного топора до сложнейших электронно-вычислительных машин, проник в глубь атома и Вселенной,

Всякий переход энергии из одной формы в другую сопровождается снижением количества полезной энергии вышел за пределы Земли и успешно осваивает космическое пространство.

Появление человека и такой высокоорганизованной материи, как его головной мозг, имело и имеет исключительное значение для эволюции живой материн и всей биосферы. С момента возникновения человечество, как часть биомассы, значительное время находилось в полной зависимости от окружающей среды. Но но мере развития мозга, мышления человек все более и более завоевывает природу, поднимается над ней, подчиняет ее своим интересам. Еще в 1929 году А. П. Павлов, подчеркивая всевозрастающую роль человека в развитии органического мира на Земле, предложил четвертичный период именовать «антропогеном», а затем В. И. Вернадский, считая, что человечество создает новую, разумную оболочку Земли, или сферу разума, предложил название «ноосфера».

Деятельность человека существенно изменяет круговорот веществ в биосфере. Добыто и сожжено около 50 миллиардов тонн угля; миллиардами тонн добываются железо и другие металлы, нефть, торф. Человек овладел различными формами энергии, в гом числе и атомной. В результате на Земле появились совершенно новые химические элементы и возникла возможность превращать одни элементы в другие, а в биосферу включилось большое количество радиоактивных излучений. Человек стал величиной космического порядка и силой разума своего в скором будущем сможет овладеть такими формами энергии, о которых мы сейчас и не подозреваем.

Биомасса Земли - совокупность всех живых организмов планеты. Биомасса Земли составляет примерно 2,4 10 12 т (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. Биомасса суши составляет 99,87%, Мирового океана - 0,13%. Это связано с меньшей эффективностью фотосинтеза (использование лучистой энергии Солнца на площади океана равно 0,04%, на суше - 0,1%).

Биомасса на суше распределена неравномерно и увеличивается от полюсов к экватору, так же возрастает видовое разнообразие. Продуктивность различных экологических систем различна и зависит от ряда климатических факторов, в первую очередь от обеспеченности теплом и влагой. Наиболее продуктивны экосистемы тропических лесов, затем следуют обрабатываемые земли, степи и луга, пустыни, полярные зоны.

Почва как среда жизни характеризуется большой плотностью, непрозрачностью, бедностью кислородом, она содержит воду, в которой растворены минеральные вещества; она образуется из горной породы в результате выветривания и деятельности живых организмов. Минеральный состав почвы представлен кремнеземом (около 50%), глиноземом (до 25%), оксидами железа, магния, калия, фосфора, кальция (до 10%). Органические вещества в почве минерализуются с образованием более простых соединений (СО2, NH3 и др.) или превращаются в более сложные соединения - перегной или гумус. Почву покрывает органический опад, еще не измененный или состоящий из слегка разложившихся растительных остатков лесной подстилки, степного войлока и др. Биогеоценозы почвы плотно заселены живыми организмами, влияющими на ее физико-химические характеристики: корни растений, бактерии, грибы, водоросли, простейшие, животные. В почве протекают разнообразные химические реакции преобразования веществ, связанные с жизнедеятельностью бактерий. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до солей азотистой и азотной кислоты. В анаэробных условиях идет обратный процесс - денитрификация - связанный с восстановлением солей азотной кислоты. В верхних слоях почвы обитает наибольшее количество организмов: бактерии минерализуют органические вещества, простейшие уничтожают избыточное количество бактерий; дождевые черви, личинки насекомых, клещи разрыхляют почву, способствуют ее аэрации.

Биомасса Мирового океана. Гидросфера занимает около 70% биосферы Земли. Гидросфера отличается от наземной среды обитания главным образом своей плотностью и вязкостью. Наибольшим разнообразием жизни отличаются теплые моря и океаны в области экватора и в тропиках, к северу и югу происходит обеднение флоры и фауны морей в сотни раз. Основная масса их сосредоточена в поверхностных слоях и в прибрежной зоне. В зависимости от способа передвижения и пребывания в определенных слоях морские обитатели подразделяются на три экологические группы: нектон, планктон и бентос. Нектон - активно передвигающиеся крупные животные, способные преодолевать большие расстояния и сильные течения: рыбы, кальмары, ластоногие, киты. В пресных водоемах к нектону относятся и земноводные и множество насекомых. Планктон - совокупность растений (водоросли и др.) и мелких животных организмов (мелкие ракообразные, медузы, гребневики, некоторые черви), обитающих на разной глубине, но не способных к активным передвижениям и к противостоянию течениям. Бентос представлен в основном прикрепленными или медленно передвигающимися животными (некоторые рыбы, губки, кишечнополостные, черви, моллюски, асци- дии и др.), более многочисленными на мелководье. На мелководье в бентос входят и растения (диатомовые, зеленые, бурые, красные водоросли, бактерии). На глубине, где нет света, фитобентос отсутствует. По количеству проникающего света водоемы подразделяют на две горизонтальные зоны: верхнюю, или эфотическую (до 100- 200 м в водах океанической области), и нижнюю, простирающуюся до больших глубин, - афотическую, где света для фотосинтеза недостаточно (рис. 15.1).

Биомасса характеризуется большим запасом энергии. Протекание реакций обмена веществ в живом веществе в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее. Входящие в состав живого многие химические соединения устойчивы только в живых организмах. Способность к движению является общим признаком живого вещества в биосфере. Биомасса обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Организмы, составляющие биосферу, способны к размножению и распространению по планете. Свойства живого лежат в основе биогеохимические функций:

• энергетическая функция заключается в фотосинтетической деятельности зеленых растений, в процессе этой деятельности происходит накопление солнечной энергии, за счет которой протекают жизненные явления на Земле;
• газовая функция - постоянный газообмен с окружающей средой в процессе дыхания растений и животных и фотосинтеза растений. Это обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.;
• концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Атомы сначала концентрируются в живых организмах, а затем после их отмирания и минерализации переходят в неживую природу;
• окислительно-восстановительная функция заключается в обмене веществ и энергии с внешней средой: диссимиляции и ассимиляции. При этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления;
• деструктивная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещества биосферы;
• средообразующая функция заключается в преобразовании физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности.

Обмен веществ, рост и размножение организмов лежат в основе биогенной миграции атомов, обусловившей в процессе эволюции создание современной природной системы. За миллиарды лет растения поглотили громадное количество диоксида углерода и обогатили атмосферу кислородом, из которого образовался озоновый экран. Наличие защиты от ультрафиолетовых лучей позволило живому выйти из воды и распространиться на суше. Живые организмы оказывают исключительно глубокое воздействие на природные свойства биосферы и всей Земли. Известковые скелеты беспозвоночных образовали такие осадочные породы, как мел и известняк; каменный уголь и нефть возникли из растительных остатков. В значительной мере биогенный характер имеет почва. Она представляет собой продукт жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных в их взаимодействии с неорганической природой. Появление в процессе эволюции более сложно устроенных организмов, менее зависимых от изменений среды, а также развитие относительно устойчивых экосистем привели к возрастанию скорости миграции энергии и веществ в сформировавшихся биогеоценозах.

Совокупность всех живых организмов образует биомассу (или, по выражению В. И. Вернадского, живое вещество) планеты.

По массе это составляет около 0,001% массы земной коры. Однако несмотря на незначительную общую биомассу, роль живых организмов в процессах, происходящих на планете, огромна. Именно деятельностью живых организмов обусловлены химический состав атмосферы, концентрация солей в гидросфере, образования одних и разорению других горных пород, формирование почвы в литосфере и т.д..

Биомасса суши. Наибольшая плотность жизни в тропических лесах. Здесь больше видов растений (более 5 тыс.). К северу и к югу от экватора жизнь становится беднее, уменьшаются его плотность и число видов растений и животных: в субтропиках около 3 тыс. видов растений, в степях около 2 тыс., далее идут широколиственные и хвойные леса и, наконец, тундра, в которой растет около 500 видов лишайников и мхов. В зависимости от интенсивности развития жизни в разных географических широтах меняется биологическая продуктивность. Подсчитано, что общая первичная продуктивность суши (биомасса, образована автотрофными организмами за единицу времени на единицу площади) составляет около 150 млрд т, в том числе на долю лесов земного шара приходится 8 млрд т органического вещества в год. Суммарная растительная масса на 1 га в тундре составляет 28,25 т, в тропическом лесу - 524 т. В умеренном поясе 1 га леса за год образует около 6 т древесины и 4 т листьев, составляет 193,2 * 109 Дж (~ 46 * 109 кал). Вторичная производительность (биомасса, образуемая гетеротрофными организмами за единицу времени на единицу площади) в биомассе насекомых, птиц и других в этом лесу составляет от 0,8 до 3% биомассы растений, то есть около 2 * 109 Дж (5 * 108 кал). < /p>

Первичная годовая производительность различных агроценозов значительно различается. Средняя мировая производительность в тоннах сухого вещества на 1 га составляет: пшеницы - 3,44, картофеля - 3,85, риса - 4,97, сахарной свеклы - 7,65. Урожай, который собирает человек, составляет лишь 0,5% общей биологической продуктивности поля. Значительная часть первичной продукции разрушается сапрофитами - жителями почв.

Одним из важных компонентов биогеоценозов поверхности суши являются почвы. Исходным материалом для почвообразования являются поверхностные слои горных пород. Из них под воздействием микроорганизмов, растений и животных формируется почвенный слой. Организмы концентрируют в себе биогенные элементы: после отмирания растений и животных и разложения их остатков эти элементы переходят в состав грунта, благодаря чему

в нем аккумулируются биогенные элементы, а также накапливаются не полностью разложены органические печовины. В почве содержится огромное количество микроорганизмов. Так, в одном грамме чернозема количество их достигает 25 * 108. Таким образом, почва имеет биогенное происхождение, состоит из неорганических, органических веществ и живых организмов (эдафон - совокупность всех живых существ почвы). Вне биосферы возникновения и существования почвы невозможно. Почва - среда для жизни многих организмов (одноклеточных животных, кольчатых и круглых червей, членистоногих и многих других). Почва пронизана корнями растений, из него растения впитывают питательные вещества и воду. С жизнедеятельностью живых организмов, которые есть в почве, связана урожайность сельскохозяйственных культур. Внесения химических веществ в почву часто пагубно влияет на жизнь в нем. Поэтому нужно рационально использовать почвы и оберегать их.

Каждая местность имеет свои почвы, которые отличаются от других по составу и свойствам. Образования отдельных типов почв связано с различными почвообразовательного породами, климатом и особенностями растений. В. В. Докучаев выделил 10 основных типов почв, сейчас их насчитывается более 100. На территории Украины выделяют следующие почвенные зоны: Полесье, Лесостепь, Степь, Сухой степь, а также Карпатскую и Крымскую горные области с присущими для каждой из них типами структуры почвенного покрова. Для Полесья характерны дерновопидзолисти, серые лесные,. Темносири лесные почвы, черноземы оподзоленные т.д.. Зона Лесостепи имеет серые и темносири лесные почвы. Зона Степи в основном представлена черноземами. В Украинских Карпатах преобладают бурые лесные почвы. В Крыму случаются разные почвы (черноземы, каштановые и т.д.), но они, как правило, щебнистыми и каменистые.

Биомасса Мирового океана. Мировой океан занимает более 2/3 площади поверхности планеты. Физические свойства и химический состав вод океана благоприятные для развития и существования жизни. Как и на суше, в океане плотность жизни крупнейшая в экваториальной зоне и снижается по мере виддаляння от нее. В верхнем слое, на глубине до 100 м, живут одноклеточные водоросли, которые составляют планктон, «общая первичная продуктивность фитопланктона Мирового океана составляет 50 млрд т в год (около 1/3 всей первичной продукции биосферы). Почти все цепи питания в океане начинаются с фитопланктона, которым питаются животные зоопланктона (например, рачки). Рачки являются пищей для многих видов рыб и усатых китов. Рыб поедают птицы. Крупные водоросли растут преимущественно в прибрежной части океанов и морей. Наибольшая концентрация жизни - в коралловых рифах. Океан беднее на жизнь, чем сушу, биомасса его продукции в 1000 раз меньше. Большинство образованной биомассы - одноклеточныеводоросли и прочие обитатели океана - отмирают, оседают на дно и их органическое вещество разрушается редуцентами. Лишь около 0,01% первичной продуктивности Мирового океана через длинную цепь трофических уровней доходит до человека в виде пищи и химической энергии.

На дне океана, в результате жизнедеятельности организмов, формируются осадочные породы: мел, известняки, диатомит и др..

Биомасса животных в Мировом океане приблизительно в 20 раз больше, чем биомасса растений, особенно велика она в прибрежной зоне.

Океан - колыбель жизни на Земле. Основой же жизни в самом океане, первичным звеном в сложной пищевой цепи является фитопланктон, одноклеточные зеленые морские растения. Эти микроскопические растения поедаются растительноядным зоопланктоном и многими видами мелкой рыбы, которые в свою очередь служат кормом целого ряда нектонных, активно плавающих хищников. В пищевой цепи океана принимают участие также и организмы морского дна - бентос (фитобентос и зообентос). Суммарная масса живого вещества в океане составляет 29,9∙109 т, при этом на биомассу зоопланктона и зообентоса приходится 90% от общей массы живого вещества океана, на биомассу фитопланктона - около 3 % и на биомассу нектона (главным образом рыба) - 4% (Суетова, 1973; Добродеев, Суетова, 1976). В целом биомасса океана по весу в 200 раз, а на единицу поверхности - в 1000 раз меньше, чем биомасса суши. Однако ежегодная продукция живого вещества океана составляет 4,3∙1011 т. В единицах живого веса она близка к продукции наземной растительной массы - 4,5∙1011 т. Так как морские организмы содержат гораздо больше воды, то в единицах сухого веса это соотношение выглядит как 1:2,25. Еще ниже (как 1:3,4) соотношение продукции чистого органического вещества океана в сравнении с таковым на суше, так как фитопланктон содержит больший процент зольных элементов, чем древесная растительность (Добродеев, Суетова, 1976). Достаточно высокая продуктивность живого вещества в океане объясняется тем, что простейшие организмы фитопланктона имеют короткий срок жизни, они обновляются ежедневно, а общая масса живого вещества океана в среднем примерно через каждые 25 дней. На суше обновление биомассы происходит в среднем за 15 лет. Живое вещество в океане распределяется очень неравномерно. Максимальные концентрации живого вещества в открытом океане - 2 кг/м2 - расположены в районах умеренного пояса северной части Атлантического и северо-западной части Тихого океанов. На суше такую же биомассу имеют зоны лесостепей и степей. Средние величины биомассы в океане (от 1,1 до 1,8 кг/м2) имеют области умеренного и экваториального поясов, на суше им соответствуют биомассы сухих степей умеренного пояса, полупустынь субтропического пояса, альпийских и субальпийских лесов (Добродеев, Суетова, 1976). В океане распределение живого вещества зависит от вертикального перемешивания вод, вызывающего подъем к поверхности питательных веществ из глубинных слоев, где происходит процесс фотосинтеза. Такие зоны подъема глубинных вод получили название зон апвеллинга, они наиболее продуктивны в океане. Зоны слабого вертикального перемешивания вод характеризуются низкими величинами продукции фитопланктона - первого звена в биологической продуктивности океана, бедностью жизни. Другая характерная черта распределения жизни в океане - концентрация ее в мелководной зоне. В районах океана, где глубина не превышает 200 м, сосредоточено 59% биомассы донной фауны; на глубины от 200 до 3000 м приходится 31,1% и на районы с глубиной более 3000 м - менее 10%. Из климатических широтных поясов в Мировом океане наиболее богаты субантарктический и северный умеренный пояс: их биомасса в 10 раз больше, чем в экваториальном поясе. На суше, напротив, наиболее высокие значения живого вещества приходятся на экваториальный и субэкваториальный пояс.

Основу биологического круговорота, обеспечивающего существование жизни, составляет солнечная энергия и улавливающий ее хлорофилл зеленых растений. В круговороте веществ и энергии участвует каждый живой организм, поглощая из внешней среды одни вещества и выделяя другие. Биогеоценозы, состоящие из большого числа видов и костных компонентов среды, осуществляют циклы, по которым передвигаются атомы различных химических элементов. Атомы постоянно совершают миграцию через многие живые организмы и костную среду. Без миграции атомов жизнь на Земле не могла бы существовать: растения без животных и бактерий вскоре исчерпали бы запасы углекислого газа и минеральных веществ, а животные баз растений лишились бы источника энергии и кислорода.

Биомасса поверхности суши – соответствует биомассе наземно-воздушной среды. Она увеличивается от полюсов к экватору. Вместе с тем возрастает количество видов растений.

Арктические тундры – 150 видов растений.

Тундры (кустарники и травянистые) – до 500 видов растений.

Зона лесов (хвойные леса + степи (зона)) – 2000 видов.

Субтропики (цитрусовые, пальмы) – 3000 видов.

Широколиственные леса (влажные тропические леса) – 8000 видов. Растения растут в несколько ярусов.

Биомасса животных. В тропическом лесу самая большая биомасса на планете. Такая насыщенность жизни вызывает жесткий естественный отбор и борьбу за существование а =>Приспособленность различных видов к усл-ям совместного сущ-я.

Биомасса Земли . На суше Земли, начиная от полюсов к экватору, биомасса постепенно увеличивается. Вместе с тем возрастает и количество видов растений. Тундра с лишайниками и мхами сменяется хвойными и широколиственными лесами, затем степями и субтропической растительностью. Наибольшее сгущение и многообразие растений имеет место во влажных тропических лесах. Высота деревьев достигает 110-120м. Растения растут в несколько ярусов, эпифиты покрывают деревья. Количество и разнообразие видов животных зависят от растительной массы и тоже увеличиваются к экватору. В лесах животные расселены в различных ярусах. Наибольшая плотность жизни наблюдается в биогеоценозах, где виды связаны цепями питания. Цепи питания, переплетаясь, образуют сложную сеть передачи химических элементов и энергии от одного звена к другому. Между организмами идет жесточайшее состязание за обладание пространством, пищей, светом, кислородом. Большое влияние на биомассу суши оказывает человек. Под его воздействием сокращаются площади, производящие биомассу.

Биомасса почвы . Почва - среда, необходимая для жизни растений и биогеоценоз с разнообразными мельчайшими живыми организмами. Это рыхлый поверхностный слой земной коры, изменяемый атмосферой и организмами и постоянно пополняемый органическими остатками. Образование живого органического вещества происходит на земной поверхности; разложение органических веществ, их минерализация осуществляются главным образом в почве. Почва образовалась под воздействием организмов и физико-химических факторов. Мощность почвы наряду с поверхностной биомассой и под влиянием ее увеличивается от полюсов к экватору. В северных широтах особое значение имеет перегной.

Распространение биомассы на поверхности суши.

Почва плотно заселена живыми организмами. Вода от дождей, тающих снегов обогащает ее кислородом и растворяет минеральные соли. Часть растворов удерживается в почве, часть выносится в реки и океан. Почва испаряет поднимающуюся по капиллярам грунтовую воду. Происходит движение растворов и выпадение солей в разных почвенных горизонтах.

В почве происходит и газообмен. Ночью при охлаждении и сжатии газов в неё проникает некоторое количество воздуха. Кислород воздуха поглощается животными и растениями и входит в состав химических соединений. Проникший в почву с воздухом азот улавливается некоторыми бактериями. Днем при нагревании почвы выделяются газы: углекислый, сероводород, аммиак. Все процессы, происходящие в почве, входят в круговорот веществ биосферы.

Некоторые виды хозяйственной деятельности человека (химизация сельскохозяйственного производства, переработка нефтепродуктов и др.) вызывают массовую гибель почвенных организмов, играющих важную роль в биосфере.

Биомасса Мирового океана . Гидросфера Земли, или Мировой океан, занимает более 2/3 поверхности планеты. Вода обладает высокой теплоемкостью, делает более равномерной температуру океанов и морей, смягчая крайние изменения температуры зимой и летом. Океан замерзает только у полюсов, но и подо льдом существуют живые организмы.

Вода - хороший растворитель. В состав воды океана входят минеральные соли, содержащие около 60 химических элементов, в ней растворяются поступающие из воздуха кислород и углекислый газ. Водные животные также выделяют при дыхании углекислый газ, а водоросли в процессе фотосинтеза обогащают воду кислородом.

Физические свойства и химический состав вод океана весьма постоянны и создают среду, благоприятную для жизни. Фотосинтез водорослей происходит главным образом в верхнем слое воды - до 100м. Поверхность океана в этой толще заполнена микроскопическими одноклеточными водорослями, образующими микропланктон.

В питании животных океана преимущественное значение имеет планктон. Водорослями и простейшими питаются веслоногие рачки. Рачков поедают сельди и другие рыбы. Сельди идут в пищу хищным рыбам и чайкам. Исключительно планктоном питаются усатые киты. В океане, кроме планктона и свободноплавающих животных, много организмов, прикрепленных ко дну и ползающих по нему. Население дна носит название бентоса. В океане наблюдаются сгущения организмов: планктонное, прибрежное, донное. К живым сгущениям относятся и колонии кораллов, образующие рифы и острова. В океане, особенно на дне его, распространены бактерии, превращающие органические остатки в неорганические вещества. Отмершие организмы медленно оседают на дно океана. Многие из них покрыты кремневыми или известковыми оболочками, а также известковыми раковинами. На дне океана они образуют осадочные породы.

В настоящее время в ряде стран решается проблема добычи из океана пресной воды, металлов и более полного использования его пищевых ресурсов с охраной наиболее ценных животных.

Гидросфера оказывает мощное влияние на всю биосферу. Суточные и сезонные колебания нагревания поверхности суши и океана вызывают циркуляцию тепла и влаги в атмосфере и влияют на климат и круговороты веществ во всей биосфере.

Добыча нефти в морях, перевозка ее в танкерах и другие виды деятельности человека приводят к загрязнению Мирового океана и сокращению его биомассы.

Научно-технический прогресс, развитие сельского хозяйства, увеличение народонаселения на Земле в настоящее время оказывают огромное влияние на природу. Это сложная, глобальная проблема, волнующая все человечество. Освоение космоса создает возможности для исследования природных богатств Земли и влияния на нее деятельности человека. Вредные отходы промышленности, транспорта отрицательно сказываются на живых организмах и загрязняют воздух, воду и почву. Все это, в свою очередь, действует на круговорот веществ и энергии в природе. Для того чтобы всесторонне, с научной точки зрения, изучить все вредные изменения в природе, необходимо знать закономерности жизни на всей планете. При изучении биологии в предшествующих классах вы познакомились с живыми организмами на всех уровнях их развития. Теперь вы познакомитесь с высшим уровнем организации жизни на Земле - биосферным.

Биосфера и ее границы. В настоящее время ученые в составе планеты различают следующие геологические оболочки: литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу. Биосфера охватывает оболочку, населенную живыми организмами. Живые организмы и окружающая их среда в биосфере тесно взаимосвязаны и зависимы друг от друга. В целом биосфера-это непрерывно меняющаяся, развивающаяся единая открытая система.

В последнее время согласно научным данным существует мнение, что биосфера возникла со времен появления планеты Земля. Ученые пришли к выводу, что жизнь на Земле появилась 3,8 млрд. лет назад. Это мнение впервые поддержал известный ученый, основатель учения о биосфере В. И. Вернадский (1863-1945).

Главную роль в возникновении биосферы на планете играют живые организмы, и все закономерности в природе осуществляются благодаря их деятельности. Совокупность всех живых организмов на Земле составляет биомассу планеты.

Жизнедеятельность живых организмов изменила и изменяет земную кору (литосферу), гидросферу, атмосферу. Нынешнее состояние биосферы напрямую связано с деятельностью живых организмов. Например, процентное соотношение газового состава атмосферы формировалось постепенно в результате жизнедеятельности организмов. Зеленые растения за миллиарды лет очистили атмосферу от углекислого газа, обогатили ее кислородом и способствовали отложению торфа, каменного угля. В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка, или сфера жизни - биосфера (греч. bios - "жизнь", spharia - "шар"). Впервые этот термин был введен в науку французским ученым Ж. Б. Ламарком в 1802 г.

По мере накопления научных данных о биосфере они стали широко использоваться в различных науках естествознания. Австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г. широко применил термин "биосфера" в геологии. Первые научные представления о биосфере встречаются и в трудах известного русского ученого В. В. Докучаева.

Основу учения о биосфере создал известный русский ученый В. И. Вернадский - основоположник новой науки биохимии, связывающей химию Земли с химией жизни, установил роль живых организмов (или живого вещества) в преобразовании земной поверхности. В настоящее время ученые всего мира полностью признают учение В. И. Вернадского о биосфере.

Выдающийся русский ученый. Основоположник биохимии, кристаллографии, минералогии и других наук. Заложил основу учения о биосфере. Основал теорию о главной роли живых организмов в биохимических процессах. Основатель учения о ноосфере.

Геосферы планеты Земля. Литосфера (греч. lithos - "камень") - внешняя твердая оболочка суши земного шара. Она состоит из верхнего слоя - осадочных пород с гранитом и нижнего - базальта. Слои расположены неравномерно. В некоторых областях верхний слой литосферы превратился в почвенный, образовавшийся в результате деятельности живых организмов и их остатков. Этот слой в научной литературе называется педосфера (греч. pedon - "почва"). В слое литосферы живые организмы встречаются на глубине 3500-7000 м в нефтяных водных слоях.

Океаны и моря составляют 70,1% земного шара. В совокупности их называют Мировым океаном, они и составляют гидросферу. Глубина океана в среднем - 3,8 км, а самые глубокие места достигают 10 960 м (Марианская впадина). Живые организмы во всех слоях гидросферы распределены неравномерно. Самой благоприятной средой для живых организмов считается водная поверхность глубиной до 200 м.

Атмосфера - воздушная оболочка Земли. Вверх до 100 км над Землей простирается атмосфера. Нижний слой атмосферы, ближе к Земле, называется тропосферой (греч. tropos - "перемена"), высота - 15 км. Над тропосферой слой до 100 км называетсястратосферой (лат. stratum - "слой"). На высоте 20-50 км атмосферы находится озоновый слой, защищающий живые организмы от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей (схема 10).

Схема 10

Озоновый слой имеет важнейшее значение для жизни на Земле. В последнее время много говорят о том, что под действием различных остатков химических веществ образовались дыры в озоновом слое. Озоновый слой защищает все живые организмы от космических излучений и ультрафиолетовых лучей Солнца. Биосфера состоит из нескольких слоев живых организмов, распространенных на планете Земля. Микроорганизмы, грибы, растения, животные (человек) в биосфере называются живыми организмами.

Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов (рис. 83).

Рис. 83. Пределы жизни в биосфере

Верхний предел жизни биосферы ограничивается интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей, а нижний - высокой температурой недр (свыше 100°С). В верхней границе биосферы распространены только низшие организмы - бактерии и грибы.

Масса живых организмов (популяций, видов, природных сообществ), выражающаяся соотношением единицы веса на единицу площади или объема, называется биомассой.

Наибольшая концентрация биомассы живых организмов наблюдается у поверхности суши и океана, у границ соприкосновения литосферы и атмосферы, гидросферы и атмосферы, литосферы и гидросферы. В этих местах наиболее благоприятные условия для жизни - температура, влажность, содержание кислорода и химические элементы. Самое широкое распространение живых организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал "пленками жизни". К верхним слоям атмосферы, в глубь океана и недр литосферы концентрация жизни уменьшается. Накопление биомассы непосредственно связано с жизнедеятельностью зеленых растений.

Химический состав всех живых организмов значительно отличается от химического состава атмосферы и литосферы. Химический состав живых организмов соответствует химическому составу гидросферы. В составе гидросферы чаще встречаются атомы водорода и кислорода. В составе живых организмов объем водорода, кислорода, углерода, кальция и азота значительно выше. В составе живых организмов встречается около 70 элементов таблицы Менделеева. По словам В. И. Вернадского, живые организмы составляют самую активную часть мировой материи. Живые организмы осуществляют сложные геохимические процессы в биосфере, подвергают различным изменениям слой земного шара.

Основным свойством живых организмов является способность к воспроизводству - размножение и рост, распространение и образование своей биомассы. Главная планетарная функция организмов - накопление солнечной энергии и использование ее в геохимических процессах биосферы.

В. И. Вернадский высоко оценил роль живых организмов в природе. "Живое вещество - совокупность организмов - распространяется по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде. Это движение осуществляется путем размножения организмов..." Уже К. Линней ясно видел, что это свойство должно считаться основным для живого, той непроходимой гранью, которая отделяет его от неживой материи.

Основную биомассу животных на суше составляют насекомые в результате их интенсивного размножения.

В водной среде микроорганизмы размножаются и распространяются очень быстро. Численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 мин. В результате жизнедеятельности микроорганизмов биосферы проходят процессы окисления и восстановления химических элементов. Например, можно назвать бактерии, накапливающие азот, серу, железо, марганец и др.

В результате деятельности микроорганизмов, грибов и других животных разлагаются органические остатки. Большую роль в достижении современного уровня кислорода в составе атмосферы играли зеленые растения. Озоновый слой в верхней части тропосферы также возник в результате деятельности живых организмов.

Живые организмы сыграли значительную роль в перемещении атомов с одного места на другое благодаря большому и малому круговоротам в биосфере. Благодаря круговороту веществ и энергии живых организмов биосфера способна к саморегуляции. По данным В. И. Вернадского, общая биомасса живых организмов определяется в 2,4232 1012 т (в виде сухого вещества). Из них 2,42 1012 т встречается на суше, а 0,0032 1012 - в Мировом океане. Основную часть биомассы на суше составляют растения, т. е. 99,2%, а 0,8% - животные (табл. 10).

В Мировом океане на долю животных приходится 93,7% биомассы, а остальные 6,3% биомассы - на долю растений. Общая биомасса всех живых организмов суши в 800 раз больше, чем биомасса организмов океана, около 90% биомассы суши составляют лесные массивы. По этим данным можно представить, насколько важны тропические леса планеты для человечества. В настоящее время интенсивность вырубки леса составляет 11 млн. га в год. Главная задача, стоящая перед человечеством, - это защита и сохранение тропических лесов для обеспечения устойчивого равновесия количества кислорода на нашей планете.

Биосфера. Литосфера. Педосфера. Гидросфера. Атмосфера. Биомасса. Тропосфера. Стратосфера. Озоновый слой.

1. Область распространения жизни на Земле - биосфера. В ее состав входят оболочки: литосфера, гидросфера, атмосфера.

2.Основоположником учения о биосфере является русский ученый В. И. Вернадский.

3.Жизнь в биосфере связана непосредственно с круговоротом веществ и энергии в живых организмах.

4.В атмосфере на высоте 20-50 км есть озоновый слой, защищающий живых организмов от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей Солнца.

1.Что означает понятие биосфера1

2.Из каких сфер состоит земной шар?

3.В каких местах биосферы больше всего сосредоточены живые организмы?

1.Дайте характеристику литосферы как геологического слоя.

2.Какие слои различают в атмосфере?

3.На какой высоте расположен озоновый слой и каково его значение для жизни?

1.Что означает понятие биомасса?

2.Дайте характеристику гидросферы как геологического слоя.

3.Дайте характеристику биомассы суши и Мирового океана.

Составьте характеристику оболочек биосферы и их особенностей в виде таблицы.