Круговорот веществ в биосфере
Глава IV . Биосфера
Биосфера, ее строение и функции
Биосфера является глобальной экосистемой. Термин «биосфера» ввел австрийский геолог Э.Зюсс (1873). Развернутое развитие учения о биосфере принадлежит В.И.Вернадскому (1919, 1926).
Согласно этому учению биосфера представляет собой оболочку Земли, включающую как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Биосфера возникла 3,4 – 4,5 млрд. лет назад и является не просто сочетанием абиотической области распространения живого вещества, но и тесное их взаимодействие. Как живое вещество есть «функция биосферы», так и биосфера есть результат развития живого вещества как планетарного явления, служащего могучей геологической силой, связанной с другим веществом биосферы биогенной миграцией атомов.
Живое органическое вещество рассматривается В.И.Вернадским в качестве носителя свободной энергии в биосфере.
Органическая жизнь сосредоточена в литосфере (верхняя часть твердой поверхности земной коры), в гидросфере (моря, реки, озера и Мировой океан), а также в тропосфере (нижние слои газообразной оболочки земного шара
 |
Нижняя граница биосферы опускается на 2 – 3 км на суше и на 1 – 2 – атмосферы). км ниже дна океана, а верхней служит так называемый защитный озоновый экран на высоте 20 – 25 км, выше которого ультрафиолетовая часть солнечного спектра исключает существование жизни (рис.13). К биосфере относится и человеческое общество с его производством.
|
|
|
Согласно В.И.Вернадскому вещество биосферы состоит из:
- живого вещества – биомассы современных живых организмов;
- биогенного вещества - всех форм детрита, а также торфа, угля, нефти и газа биогенного происхождения;
- биокосного вещества – смесей биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных карбонатов);
- косного вещества – горных пород, минералов, осадков, не затронутых прямым биогеохимическим воздействием организмов.
По данным, основанным на содержании энергии или углерода, количества живого, биогенного и биокосного вещества в биосфере соотносятся как 1:20:4000.
Некоторые исследователи считают, что в понятие биосферы следует включать только те элементы и характеристики, которые находятся под контролем биоты, и не следует включать компоненты природы, относящиеся к геологическому прошлом (Горшков, 1993). Таким образом, к биосфере относится вся совокупность живых организмов (живое вещество) и все вещества, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования живыми организмами (т.е. современное «биогенное вещество»). Такое понимание совпадает с введенным ранее и ныне широко применяемым понятием экосферы – планетарной совокупности современных биомов.
|
|
|
Верхняя граница экосферы расположена на высоте нескольких метров (менее 30 м) над поверхностью растительного покрова на суше или над океаном; нижняя - по горизонту грунтовых вод или максимального проникновения корней растений и роющих животных. В океане она ограничена слоем проникновения солнечных лучей, достаточным для осуществления фотосинтеза (не более 100 м) или глубиной сохранения биологической активности в донных осадках. За этими пределами остается ничтожная часть живых организмов, но находятся огромные массивы продуктов их жизнедеятельности – и в атмосфере (газы, пары, воды), и в гидросфере (растительная и взвешенная органика).
Биосфера – это совокупность частей земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности.
Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба.
|
|
|
Первая функция – газовая. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. Подземные горючие газы являются продуктами разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных ранее в осадочных толщах. Наиболее распространенный - это болотный газ – метан (СН4).
Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессе фотосинтеза и дыхания растений и животных. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты и в формировании состава современной атмосферы. Они строго контролируют концентрации О2 и СО2, оптимальные для всей современной биоты.
Вторая функция – концентрационная. Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. Среди них на первом месте стоит углерод. Это относится не только к биосинтезу органики, но и к таким явлениям, как строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, толщ осадочных известняков, месторождений серы, некоторых металлических руд, скопление железо-марганцевых конкреций на дне океана и т.п. Содержание углерода в углях по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефть – концентратор углерода и водорода, так как имеет биогенное происхождение. Среди металлов по концентрации первое место занимает кальций. Целые горные хребты сложены остатками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, радиоляции и некоторые губки, йода – водоросли ламинарии, железа и марганца – особые бактерии. Позвоночными животными накапливается фосфор, сосредотачиваясь в их костях.
|
|
|
Третья функция – окислительно-восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько эффективными катализаторами – ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиогенной среде.
Четвертая функция – биохимическая. Она связана с ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве.
Пятая функция – это биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства.
Перечисленные функции живого вещества экосферы обращены в основном к внешним факторам существования. Все вместе они образуют мощную средообразующую функцию экосферы. Деятельность живых организмов обусловила современный состав атмосферы, от которой зависят радиационный и тепловой режимы на планете, спектральный состав достигающего поверхности Земли солнечного света. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздуха, рек и озер, от них во многом зависит солевой состав природных вод и распределение многих веществ между сушей и океаном. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие.
Таким образом, биота в глобальном масштабе способна с большей точностью и долгое время поддерживать на постоянном уровне важные параметры окружающей среды, несмотря на исключительную сложность и динамичность регулируемой системы. Биота экосферы формирует и контролирует состояние среды. Поэтому средообразующая функция экосферы тесно связана со средорегулирующей функцией – биотический регуляцией окружающей среды.
Круговорот веществ в биосфере
Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического круговорота. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химических реакций носит название биогеохимического цикла.
Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).
Большой круговорот длится сотни тысяч или миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу, и процесс начинается вновь.
Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы как их самих, так и организмов – консументов. Продукты распада органического вещества почвенной микрофлорой и мезофауной (бактерии, грибы, черви, моллюски, насекомые, простейшие и др.) вновь разлагаются до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и вновь вовлекаемых ими в поток вещества.
Самый значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на Земле – это круговорот воды (рис.14).
Данный круговорот – это не только перенос водных масс. Это фазовые превращения, образование растворов и взвесей, выпадение осадков, кристаллизация, процессы фотосинтеза, а также разнообразные химические реакции. В этой среде возникла и продолжается жизнь. Вода – основной элемент, необходимый для жизни. Количественно это самая распространенная неорганическая составляющая живой материи. У человека вода составляет 63 % массы тела, грибов – 80 %, растений – 80 – 90%, а у некоторых медуз – 98 %.
 |
Рис.14. Круговороты воды, кислорода и углекислого газа
(по П.Клауду и А.Джибору, 1972)
В жидком, твердом и парообразном состояниях вода присутствует во всех трех главных составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере, литосфере. Все воды объединяются общим понятием «гидросферы» (табл.3).
Таблица 3
Дата добавления: 2022-12-03; просмотров: 97; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!