Экологические функции живого вещества.

В.И.Вернадский выделил девять биогеохимических функций живого вещества. К ним относятся: а)газовая; б) кислородная; в) окислительная; г) кальциевая; д) восстановительная; е) концентрационная; ж) функция разрушения органических соединений; з) функция восстановительного разложения; и) функция метаболизма и дыхания организмов.

Позже А.И.Перельман, А.В.Лапо, А.А.Ярошевский и другие авторы развили учение В.И.Вернадского о функциях живого вещества. К их числу были отнесены также энергетическая (Лапо) и продукционная (Ярошевский) функции. Весь набор результатов работы планетарной биоты, видимо, можно назвать экологическими функциями живого вещества, поскольку все они так или иначе необходимы для поддержания и оптимизации его среды обитания.

Энергетическая функция. Живое вещество суши и океана многообразно влияет на энергетику Земли. Неверно ограничивать его энергетическую функцию рамками фотосинтеза и хемосинтеза, как это иногда делают. Опосредствованное энергетическое воздействие планетарной биоты на биосферу огромно. Начнем с некоторых исходных данных.

От 12×10³³ Дж/год - величины светимости Солнца -.Земля перехватывает ничтожную долю, а именно чуть меньше четверти одной миллиардной ее, т.е. 3,6×10²⁴ Дж.

Спектр электромагнитного излучения Солнца имеет следующий состав:

- ультракоротковолновая радиация (менее 0,1027 мкм) проникает в атмосферу Земли до высот 100-200 км и вызывает ионизацию молекул;

- такая же радиация, но с длиной волн 0,1027-0,2424 мкм доходит до высот 70-80 км и возбуждает молекулярные реакции с образованием ионов-радикалов;

- далекое ультрафиолетовое излучение (0,2424-0,2900 мкм) практически полностью поглощается в ненарушенном озоновом слое на высотах 15-25 км. Волны этой части спектра - основная причина образования ионосферы и озоносферы;

- близкое ультрафиолетовое излучение (0,29-0,40 мкм), видимый свет (0,40-0,76 мкм) и близкое инфракрасное излучение (0,76-2,4 мкм) поступают в нижние слои атмосферы и на земную поверхность.

На ультракоротковолновую радиацию и УФР приходится 8% от общего потока поступающей энергии, на видимую часть спектра - 56% и на ближнюю инфракрасную область - 36%. Атмосфера и земная поверхность отражают 28% солнечной радиации в коротковолновой форме. Это альбедо Земли. Этим звучным словом обозначается потеря в Космос солнечной энергии, не совершившей никакой работы. Остальные 72% нагревают Землю и излучаются ею в длинноволновой (4-96 мкм) форме. Но сразу в Космос уходит небольшая доля этой радиации, а основная часть отражается атмосферой снова к земной поверхности, и так происходит неоднократно. Почему?

Парниковый эффект. Он почти целиком создается из-за отражения к Земле парниковыми газами и парами воды уходящего длинноволнового излучения. Ныне среднеглобальная температура близка к 15^ОС, а могла бы быть -18^ОС, если бы планету не подогревали: пары воды на 20,6^ОК, СО₂ на 7,2^ОК, N₂O на 1,4^ОК, СН₄ на 0,8^ОК, О₃ на 2,4^ОК и фреоны на 0,8^ОК. Температуры даются по шкале Кельвина, по которой неслучайно отсчет ведется от абсолютного нуля или от -273^ОС. Этим подчеркивается, что нашу планету в основном нагревает коротковолновая солнечная радиация, условно говоря, от абсолютного нуля до -18^ОС, а дообогревает ее, так называемое, противоизлучение атмосферы. Такой вариант определения величины парникового эффекта газообразных примесей атмосферы, равный 33,2^ОК разработан К.Я.Кондратьевым и Н.И.Москаленко (1987). Существуют и другие оценки.

Например, глава Метеорологической службы Великобритании Дж.Хоутон в своей книге “Глобальное потепление: всеобъемлющий диагноз” (Houghton, 1994) пишет, что, если бы земная атмосфера состояла только из оптически прозрачных N₂ и О₂, то средняя температура воздуха у ее поверхности была бы не +15^ОС, а -6^ОС. Между тем, ученый был научным редактором издания на английском языке книги “Глобальный климат”, в которой была опубликована упомянутая разработка двух россиян. И все же Дж.Хоутон определил парниковый эффект в 21^ОС, а не 33,2^ОС. Заметим, что К.Я.Кондратьев (1995) откликнулся рецензией на книгу Дж.Хоутона, но не коснулся противоречия между своими и его цифрами. Зато в журнале “Амбио” шведский профессор Хёниг Роде в совместной статье с Р.Чарльсоном и Э.Крауфорд (Rodhe et al.,1997) приводит самую высокую оценку парникового эффекта, равную 37^ОС. Современная среднеглобальная температура, указанная ими, равна 14^ОС.

Разброд в оценках - свидетельство невозможности при современном уровне знаний с удовлетворительной точностью вычислить окончательную “температурную цену газообразной шубы Земли”.

Радиационно-активными примесями атмосферы в основном не задерживается длинноволновое излучение в диапазоне 8-13 мкм. Через это окно прозрачности и еще небольшие щелочки в газово-паровом экране Земли в Космос вырывается даже чуть больше тепла, чем поглощается извне. Это и обеспечивает в конце концов почти точный баланс прихода и расхода тепла на Земле.

Астрономы считают, что в раннем архее Солнце по отношению к Земле было скупее из-за более низкой светимости. Тем не менее, тогда наша планета была даже слегка похожа на Венеру из-за обилия углекислого газа и метана, а соответственно и паров воды в первичной атмосфере. Мощный парниковый эффект с лихвой перекрывал дефицит прямого нагревания Земли Солнцем. Прокариоты-хемосинтетики, приспособленные к высоким температурам, прекрасно чувствовали себя при среднеглобальных температурах порядка 70-120^О С.

Однако около 3 млрд. лет назад количество атмосферной углекислоты стало убывать из-за связывания ее в карбонатных породах. Парниковый эффект снизился ко времени 2,8 млрд. лет так сильно, что возникло материковое оледенение. Это была первая (?) гляциоэра в истории Земли. Среднеглобальная температура, по В.А.Зубакову, не превышала тогда 4-10^ОС. В дальнейшем светимость Солнца повысилась, а парниковый эффект радиационно-активных газов и газообразных веществ атмосферы стал убывать, но процесс этот шел скачками.

Необходимо иметь в виду, что точность оценок как парникового эффекта в целом, так и его составляющих все еще не является абсолютной. Неясно, например, как можно безошибочно учесть парниковую роль паров воды, которые при возникновении облаков становятся мощным фактором повышения альбедо Земли. Стратосферный озон является не столько парниковым, сколько антипарниковым газом, так как отражает примерно 3% приходящей солнечной радиации. Пыль и другие аэрозоли, в особенности соединения серы, ослабляют нагревание земной поверхности и нижней атмосферы, хотя для теплового баланса пустынных территорий они выступают в обратной роли.

Иногда эволюцию климата Земли пытаются представить только как изменение парникового эффекта атмосферы, что уже само по себе ошибочно.

Живое вещество существенно влияет на содержание парниковых газов и паров воды в атмосфере. Эмиссия углекислого газа, метана и окиси азота за счет биогенных процессов ныне существенно превосходит их поступление в атмосферу в составе газового дыхания Земли. Значит, парниковый эффект прямо зависит от явлений в живой природе. Однако есть все основания считать, что процессы в неорганической природе в отдельные отрезки геологической истории сильнее влияли на состояние парникового экрана атмосферы. Об этом мы пишем в главе 15.

Альбедо Земли. Живое вещество повышает поглощение солнечной радиации земной поверхностью, уменьшая альбедо не только суши, но и океана. Растительность суши, как известно, существенно снижает отражение коротковолновой солнечной радиации в Космос. Альбедо леса, луга, поля не превышает 25%, но чаще определяется цифрами от 10% до 20%. Меньше альбедо лишь у гладкой водной поверхности при прямой радиации и у влажного чернозема (порядка 5%), Однако оголенная иссушенная почва или покрытая снегом земля отражают всегда гораздо больше солнечной радиации, чем когда они защищены растительностью. Разница может достигать несколько десятков процентов. Так сухой снег отражает 85-95% солнечной радиации, а лес при наличии устойчивого снежного покрова - только 40-45%.

Живое вещество океана, как оказывается, также "работает" на максимальное поглощение тепла водной средой. Проблема эта совершенно не изучена. Однако можно предполагать, что благодаря быстрому очищению воды от взвесей гидробионтами (ниже сказано об этом подробнее) области замутнения воды не бывают слишком большими. А ведь, если бы водные объекты, в первую очередь океан, были у поверхности насыщены наносами, их отражательная способность стала бы другой. Океан тогда бы прогревался только вблизи поверхности, а фотосинтез в мутной воде был бы подавлен. Организмы, очищающие воду от взвесей - их называют биофильтраторами - настоящее чудо природы. Мы в этом еще убедимся.

Транспирaция. Это мощный процесс связывания энергии. Транспирация как бы обслуживает фотосинтез. При этом на переход воды в пар затрачивается не только лучистая энергия Солнца, но и тепло нагретых воздушных масс - так называемое адвективное тепло.

Геоэкологическое значение транспирации только начинает выявляться. В.И.Вернадский (1987) подчеркивал, что испаряя влагу, растения оказывают громадное воздействие на процессы в биосфере, в частности, на круговорот воды, а следовательно, и на баланс энергии.

Каковы энергозатраты на транспирацию? По оценке Х.Пенмэна (Биосфера, 1972), при синтезе 1 т сырой биомассы через корни растений проходит 100 т воды. Скрытая теплота парообразования составляет 2500 Дж/г. Значит энергетическая цена тонны сырой фитопродукции 25×10¹⁰ Дж, а сухой примерно в 4 раза больше, т.е. 10¹² Дж. Подтвердим эту цифру примерами.

На создание тонны сухого органического вещества, входящего в наземную биомассу букового древостоя затрачивается 6,7×10¹¹ Дж. Для того же в еловых посадках потребляется 8,0×10¹¹ Дж, в дубравах 8,5×10¹¹ а в луговых сообществах - 2,1×10¹² Дж. Все цифры, как видим, лишь немного больше или меньше средней Пенмэна. Верность последней позволяет подсчитать затраты энергии на транспирацию в современных условиях. Ежегодно в пределах всей суши на нее затрачивается около 1,15×10²³ Дж, т.е. около 38% радиационного баланса суши.

Рассмотрим влияние транспирации на энергетику биосферы. Важно учитывать, что с лесных земель планеты в верхнюю часть тропосферы приходят в скрытой форме в виде водяного пара большие количества тепла. На суше самым мощным насосом, перераспределяющим влагу и тепло в атмосфере по вертикали вверх, являются влажнотропические леса. В их пределах, на площади немногим более 11% от размеров всей суши поглощается почти 30% тепла, затрачиваемого на испарение.

А.Н.Кренке и А.Н.Золоткрылин, осуществившие этот расчет, называют области суши, продуцирующие большие потоки тепла в атмосферу, термоактивными зонами. Таковы леса - источники повышенного количества скрытого тепла, и пустыни - области мощного восходящего турбулентого потока тепла в его, если можно так сказать, натуральном выражении.

Насыщение атмосферы влагой над лесными, как впрочем и любыми другими территориями противодействует ее быстрому выхолаживанию с образованием плотных антициклональных масс. Последнее как раз и происходит с сухим, пусть даже нагретым воздухом над пустынями. Таким образом, энергия, затраченная на транспирацию, расходуется на повышение динамичности атмосферы, если таковой считать увеличение роли циклональных обстановок. Кроме того, наземный растительный покров, в особенности леса, дополнительно насыщают атмосферу водяным паром, который играет регуляторную роль в термическом режиме биосферы.

Защита атмосферы от запыления. Роль этого вида влияния живого вещества на энергетику биосферы не оценена, но о ней нельзя забывать. В последнюю ледниковую эпоху запыленность воздуха над Антарктидой была в 8-30 раз выше, чем ныне, а над северо-центральными Андами даже в 200 раз. Среднепланетарная температура тогда была на 5^ОС ниже современной, и, вероятно, не последнюю роль в похолодании играло обилие атмосферной пыли из-за сильной разреженности, угнетенности и отсутствия на больших площадях растительности.

Фотосинтез. Это главный процесс возобновления в организмах живой субстанции из неорганических веществ по крайней мере на поздних этапах геологической истории. Хлорофилл растений способен поглощать только фотосинтетически активную радиацию (0,38-0,71 мкм), сокращенно - ФАР. Таким образом, в первичной продукции фотосинтетиков и зоомассе использующих ее консументов, а также во всех остальных звеньях трофической пирамиды перераспределяется в соответствии с правилом 10% то, что удалось взять растениям главным образом из видимой части спектра солнечной радиации. Много ли они берут?

Удельное энергосодержание в сухой фитомассе суши обычно считают равным 17,8 кДж/г, а таковое в сухой фитомассе океана - 19,7 кДж/г. Тогда запас энергии в растительных организмах суши и океана будут соответственно 2,3×10²² и 4,3×10¹⁸ Дж, а в чистой годовой первичной продукции 2,5×10²¹ и 1,6×10²¹Дж.

Необходимо учитывать, что валовая продукция (бруттопродукция) растительности суши очень приблизительно может считаться вдвое большей, чем чистая (неттопродукция), поскольку около половины создаваемой растением органической массы окисляется при дыхании. Поэтому полные затраты ФАР на фотосинтез на суше близки к 5,0×10²¹ Дж. Кроме того, в продукцию не включается пыльца (глобальная масса оценена Л.Г.Бондаревым в 16 млн.т в год) и различные выделения растительных организмов, например, фитонциды. Но если бы эти проявления живой природы были оценены, то вряд ли вышеприведенные цифры стали заметно больше.

Итак, живое вещество суши и океана не только аккумулирует биогеохимическую энергию, но и оказывает биогеофизическое воздействие на атмосферу и поверхностные воды. Вот как выглядит соотношение важнейших показателей энергетики Земли:

- приход лучистой энергии Солнца в атмосферу и к земной поверхности 3600×10²¹ Дж/год;

- потеря ее в форме отраженного коротковолнового излучения (альбедо) 1000×10²¹ Дж/год

- поглощение ее атмосферой 900×10²¹ Дж/год

- поглощение ее земной поверхностью 1700×10²¹ Дж/год;

в том числе затраты:

на транспирацию 115×10²¹ Дж/год;

на синтез валовой первичной продукции суши 5,0×10²¹ Дж/год;

на синтез чистой первичной продукции океана 1,6×10²¹ Дж/год;

- производство человечеством первичной энергии 0,47×10²¹ Дж/год;

- кондуктивный тепловой поток из недр Земли 0,8×10²¹ Дж/год.

Из сравниваемых цифр видно, что энергетическая мощь цивилизации все еще, слава Богу, на несколько порядков ниже той части лучистой энергии Солнца, которая поглощается земной поверхностью. Таким образом, энергообеспеченность, а, следовательно, и эффект действия природных процессов в атмосфере, гидросфере и поверхностной части литосферы должен быть гораздо больше, чем результаты процессов антропогенных.

Специфика энергетической функции живого вещества выражается также в том, что часть мертвого органического вещества длительное время сохраняется в различных подразделениях биосферы, в своего рода природных резервуарах, которые еще называют депонирующими средами. Главные промежуточные резервуары мертвого органического вещества - это почва, поверхностные и подземные воды суши, океан, донные илы. Есть оно и в атмосфере, снеге, льдах и ледниках. Обновление запасов органического вещества по крайней. мере в главных его резервуарах (гумус, почвы, воды океана, подземные воды) идет в течение тысячелетий, а в донных осадках еще дольше.

Вовлечение биогеохимической энергии в процессы большого геологического круговорота оказывается весьма незначительным. Так, ежегодное возобновление гумуса, по М.А.Кононовой и И.В.Александровой, оценивается в 1-2 млрд.т. Восстановление ресурсов мертвого органического вещества океана также происходит со скоростью около 1 млрд. т в год. Это примерно соответствует его массе, приносимой с суши. Однако оно в основном, вероятно, разлагается бактериями, а в резерв переходит органическое вещество океанических экосистем.

Масштабы фоссилизации органического вещества в донных илах океана для голоцена Е.А.Романкевичем определены в 22 млн.т/год С_ОРГ. Эти цифры хорошо сопоставляются. Можно считать, что в состав горных пород переходит лишь n ×0,01% от той энергии, которая связывается в биологической продукции.

Ну, а в конечном итоге органическое вещество в рассеянном виде захороняется в горных породах или формирует его скопления - торф, горючие сланцы, каменный и бурый уголь, а также нефть и природный газ.

Однако биогенное происхождение нефтегазовых залежей оспаривается сторонниками гипотезы неорганического их происхождения. Между тем, В.И.Вернадский твердо стоял на позиции биогенного происхождения нефти. Эта точка зрения лучше аргументирована. Так, И.Е.Лейфман, ссылаясь на результаты исследований, проведенных в разных странах, подчеркивает, что весьма значительная часть соединений нефти представлена сохранившимися или в разной степени трансформированными биомолекулами. Сохраняемая ими информация позволяет восстановить предысторию нефти от биомолекул, созданных водорослями, высшими растениями и другими организмами палеобиоценозов (источник органического вещества будущих нефтематеринских отложений), до процессов формирования вещества нефти в осадочных породах, приводящих к появлению этого уникального горючего ископаемого.

Обратимся однако к оценкам энергии, заключенной в мертвом органическом веществе биосферы (табл. 3)

О чем говорят приведенные цифры? Всего в мертвом органическом веществе почвы, вод, ледников и донных осадков "захоронено" примерно на порядок больше энергии, чем в современной биомассе Земли.

Факты не слишком большого превышения содержания энергии в мертвом органическом веществе по сравнению с ее наличием в планетарной биомассе, а также данные о медленной возобновляемости ресурсов мертвого органического вещества в его главных резервуарах - свидетельство быстрого потребления основной доли биогеохимической энергии, непосредственно в наземных и водных биогеоценозах.

Перераспределение энергии органического вещества биосферы в горные породы в форме наиболее устойчивых по составу его составляющих оказывается значительным лишь в масштабе геологического времени. Так, в осадочных породах планеты его захоронено 11 800 000 млрд.т в пересчете на углерод (Будыко, Ронов, Яншин, 1985).

Примем среднее содержание С_ОРГ. в глинисто-алевритовых породах за 0,75%, а в песчаных и карбонатных - по 0,2%. Тогда количество захороненной солнечной энергии только за счет присутствия органического вещества будет в глинисто-алевритовых породах 315 Дж/г, а в песчаниках, известняках и доломитах 88 Дж/г.

 

Таблица 3. Запасы органического вещества (ОВ) и аккумулированной в нем энергии в важнейших природных резервуарах

 

Природные резервуары	ОВ, сухой вес, 109 т	Энергия, 1021 Дж
Почвенная подстилка		4,2
Почвенный гумус		59,8
Почвенные воды		1,4
Болотные воды		1,0
Реки, озера, водохранилища		0,8
Мировой океан		76,9
Подземные воды		105,0
Ледники и подземные льды		1,1
Донные осадки океана		9,3
Итого	12 320	259,5
Биомасса Земли

 

Рассеянное органическое вещество осадочных пород - это лишь одна из форм захоронения солнечной энергии в литосфере. Есть еще по крайней мере, два способа аккумуляции солнечной энергии в геологических телах стратисферы. Это захоронение ее в форме поверхностной энергии частиц. В глинах ее запас может составлять от 21 до 1068 Дж/г. Минимальное количество поверхностной энергии у каолинитовых, среднее - у гидрослюдистых и максимальное у монтмориллонитовых глин.

Зато каолинит содержит еще запасенную солнечную энергию в кристаллохимической решетке. Когда корни растений выделяют протоны водорода в почву, из нее взамен в них поступают катионы металлов, например, калия. Последний может вытеснятся водородом из решетки калишпата. В итоге такого биогеохимического выветривания образуется каолинит - минерал, который при наличии щелочи калия и кремнезема по экзотермической реакции перейдет в калишпат. Кристаллографы Н.В.Белов и В.И.Лебедев рассматривали каолинит как носитель законсервированной солнечной энергии в недра Земли. Идея о проникновении запасенной в осадочных горных породах солнечной энергии в недра Земли, где она расходуется на процессы их метаморфизма и переплавления, т.е. участвует в глубинной жизни планеты, принадлежит В.И.Вернадскому. Мы вернемся к ней ниже.

Итак, энергетическая функция живого вещества выражается следующим образом: 1) транспирация; 2) поддержание затемненной с низким альбедо поверхности растительного покрова; 3) то же по отношению к поверхности акваторий благодаря удалению взвесей при биофильтрации; 4) продуцирование парниковых газов; 5) подавление запыления атмосферы наземной растительностью; 6) фотосинтез; 7) перераспределение с потоками вещества мертвого органической субстанции, а также аккумулированной в других формах биогеохимической энергии между биокосными телами; 8) депонирование в них, в особенности в литосфере в различных формах биогеохимической энергии.

Газовая функция. Один из последователей В.И.Вернадского - геохимик А.А.Ярошевский утверждает, что точнее говорить о кислородной, а не газовой функции живого вещества, так как другие газы присутствуют в биосфере как производные дегазации мантии. Вряд ли можно с этим согласиться.

Интересно проследить за ходом рассуждений самого В.И.Вернадского. Он отмечал, что "связь живых существ с тропосферой - благодаря дыханию и распадению после смерти на газы - А.Буссенго и И.Дюма в 1844 г. выразили в афоризме: "Жизнь может быть рассматриваема как придаток атмосферы. Из нее она получает главную часть своего вещества и в нее в виде газов возвращается подавляющая часть вещества организмов после ее смерти". (Вернадский, 1980, с.38-39). А далее следует блестящее озарение самого В.И.Вернадского: "Жизнь, несомненно, однако, больше, чем придаток атмосферы. Она активно меняет тропосферу, строит ее вещество, охватывает всю ее химию" (там же, с.39). Эти изменения, безусловно, гораздо шире и многообразнее, чем функция продуцирования кислорода. Однако сначала о ней.

В современных условиях основной источник кислорода - фотосинтез автотрофных растений. Геохимические данные, как отмечалось ранее, свидетельствуют, что так и было на протяжении практически всей геологической истории. Однако есть и отличное мнение.

По В.И.Бгатову, атмосферный кислород накапливается в основном за счет действия двух источников примерно одинаковой мощности. Первый из них - это фотосинтез, второй - подводный базальтоидный магматизм. Некоторое очень небольшое количество кислорода образуется при фотодиссации воды в атмосфере и ее радиолизе в литосфере. В обоснование новой точки зрения В.И.Бгатов указывает на то, что по содержанию свободного кислорода океанические воды близки к насыщению, а иногда в рифтовых зонах дна океана - и к пересыщению. В глубинных и промежуточных водах океана растворено около 10¹³ т кислорода, тогда как в атмосфере он содержится в количестве 20,946% объемн., что примерно оценено в 120х10¹³ т.

Главный аргумент В.И.Бгатова - несоответствие соотношения легкого (¹⁶О) и наиболее тяжелого (¹⁸О) изотопов кислорода в современной атмосфере и в непосредственно выделяемой их смеси при фотосинтезе. Кислород нашего воздуха на 2,3% тяжелее фотосинтетического. Между тем, с увеличением глубины в океане наблюдается прирост количества ¹⁸О.

Использовав эти данные, В.И.Бгатов подсчитал, что кислород современной атмосферы может содержать 30% образованного при фотосинтезе и 70% выделившегося из глубин Земли через дно океана. Конечно, пока это только гипотеза и цифры, приводимые В.И.Бгатовым, могут еще сильно измениться. Пока же все балансовые расчеты строятся на сведениях о количестве захороненного в литосфере биогенного углерода. Так, уже отмечалось, что только в осадочной оболочке находится 11 800 000 млрд.т С_ОРГ. в рассеянной форме. Это свидетельствует о высвобождении при фото- и хемосинтезе 31 400 000 млрд. т О₂, что в двадцать шесть раз больше массы современного кислорода атмосферы.

Необходимо учесть, что в первично-осадочных породах гранитно-метаморфического слоя находится еще очень большое количество биогенного углерода, соизмеримое с таковым в осадочной оболочке. Значит, большая часть кислорода, прошедшего через атмосферу, ныне захоронена в форме окислов и производных от них соединений, входящих в состав горных пород, как это и отмечают многие геохимики.

Замечательно, что использование кислорода в окислительных процессах во многом связано с деятельностью, так называемых, литотрофных микроорганизмов. Одни представители живой природы снабжают кислородом воздух и воды биосферы, а другие фоссилизуют его. Возможно, это также полезная функция, ведь кислород не может накапливаться в атмосфере выше некоторой предельной концентрации, иначе горимость наземной растительности будет слишком высокой.

Огромное влияние живое вещество оказывает на содержание в воздухе углекислого газа. Об этом уже частично упоминалось. Хочется добавить, что и углекислота, растворенная в океане, входит в состав, так называемой, карбонатной системы. Углекислотный резерв мировой акватории примерно в 60 раз больше, чем в атмосфере. Углекислота извлекается в основном организмами и от их деятельности зависит скорость накопления карбонатного материала в донных осадках. В основном "усилия" океанических экосистем направлены на поддержание стабильности карбонатной системы океана.

Судя по палеогеохимическим данным, ее относительно стабильное состояние сохранялось едва ли не на протяжении всей геологической истории. Значит, и колебания содержания СО₂ в воздухе не должны были быть слишком большие. Все же, согласно М.И.Будыко, А.Б.Ронову, А.Л.Яншину (1985), на протяжении по крайней мере последних 570 млн. лет изменения концентрации атмосферного СО₂ имели место, причем в раннем карбоне углекислоты в воздухе было в 10 раз больше, чем в конце доиндустриального времени.

Воздействие живого вещества на баланс азота в атмосфере не является слишком значительным, но без него нельзя себе представить современную биосферу.

Азот является фактором жизнедеятельности для значительной группы микроорганизмов: клубеньковых бактерий, азотобактеров, актиномицетов, сине-зеленых водорослей. Усваивая молекулярный азот, они после отмирания и минерализации обеспечивают корни высших растений доступными формами этого элемента (Сытник и др., 1987).

О масштабах вовлечения азота в биологический круговорот можно судить по следующим цифрам. Из 2,9х10¹⁵ т атмосферного азота (78,084% объемн.) ежегодно в современных условиях 6,9 млрд.т азота связывается в первичной валовой продукции биоты на суше и, вероятно, 1,2 млрд.т в первичной чистой продукции океана. Таким образом, ежегодно в планетарной биоте аккумулируется немногим менее 0,0003% массы азота воздуха. Для сравнения укажем: только на суше ежегодно в валовой первичной продукции биоты связывается 13% углекислого газа атмосферы.

Несмотря на столь относительно скромное потребление азота планетарной биотой, она оказывает заметное влияние на баланс газов-примесей в атмосфере. При биологической деструкции опада и других органических остатков в почве образуется аммиак, который довольно быстро нитрофицируется микроорганизмами до нитритов и нитратов, а также побочного продукта нитрификации N₂О. Следующей стадией является биологическое или химическое восстановление нитритов и нитратов, т.е. их денитрификация. В результате возникает целый спектр газов, в числе которых присутствует N₂O, NO и N₂ .

Биологический механизм играет главную, но не единственную роль в снабжении атмосферы окислами азота и возвращении в нее молекулярного азота. Окислы азота возникают также под воздействием грозовых разрядов и при пожарах, в том числе подземных. Из-за нарушения цикла азота человеком концентрация N₂O в атмосфере в начале 1990-х годов достигла 310 частей на млрд. Прирост происходит со скоростью 2 части на млрд. в год. Скорость поступления NО_X в атмосферу порядка 40 млн.т в год. Какова же судьба окислов азота?

Часть из них вымывается из нижних слоев атмосферы снова на земную поверхность, а другая, поднимаясь в стратосферу, распадается, участвуя в реакциях разрушения озона по азотному циклу.

Микроорганизмы постоянно подпитывают атмосферу такими газами как водород и метан. Оба, кроме того, попадают в воздух из глубин Земли, в частности, при вулканизме. Водород, как известно, является газом, который диссипирует в мировое пространство, а оттуда может поступать в газовую оболочку Земли с солнечным ветром. Метан продуцируется в анаэробных условиях в почвах, илах и торфяниках метанообразующими бактериями, которые используют для этого СО₂. Например, на рисовых чеках при температуре 30^ОС образуется за сутки от 0,07 до 0,2 г СН₄ в 100 г почвы в пересчете на сухое вещество.

Огромное количество метана выделяют животные, перерабатывающие клетчатку. При процессах кишечной ферментации одна овца или коза выделяет 15 г/сутки этого газа, а лошадь или корова 100-200 г/сутки. Термиты - одни из главных продуцентов газа-утеплителя. В.Е.Зайденварг и А.Т.Айруни приводят такие оценки эмиссии СН₄ из биогенных источников (млн.т):

- болота, тундры, торфяники, топи, илы - 110-130;

- рисовые поля - 110-115;

- термиты - 40-50;

- домашние животные - 60-100;

- океан и пресные воды 14-40;

- дикие животные - 3-4;

- брожение и гниение твердых и жидких отходов - 25-70.

Метан и другие углеводороды выделяются также из глубинных источников как из природных (вулканы, гейзеры, фумаролы, разломы, так и из природно-антропогенных (разработка метаноносных, угольных и прочих месторождений). Небиогенные источники дают не более 5-10% от общих выбросов.

Содержание метана в атмосфере в начале 1990-х гг. достигло почти 1,75 частей на млн. Ежегодный прирост массы 40-70 млн. т при выбросе порядка 550 млн.т.

Принципиально по иному влияют на газовый состав атмосферы высшие растения.

Леса выполняют важнейшую работу по сохранению высокого качества воздуха. Кислород, вырабатываемый ими, отличается от продуцируемого планктоном морей и океанов. Первый насыщен ионами отрицательного заряда, благоприятно влияющими на организм людей. Леса не только обогащают атмосферу кислородом, но и очищают ее от пыли. Но об этом подробнее в посвященной им главе 10.

В 1928 г. россиянин Б.П.Токин открыл фитонциды - различные биологически активные органические соединения, выделяемые высшими растениями. Последние обладают бактерицидными и протистоцидными свойствами; играют важную роль в иммунитете растений и взаимоотношениях организмов в биоценозах. Большие количества летучих фракций фитонцидов выделяются в атмосферу в лесу: в лиственном около 2 кг с каждого га в год, в сосновом около 5. Можжевеловые насаждения продуцируют до 30 кг. В одном кубометре лесного воздуха содержится не более 500 патогенных бактерий, тогда как в городе почти на два порядка больше. Многие фитонциды вредны для одних организмов, но полезны или даже необходимы для других.

Многообразие газовой функции живого вещества неоспоримо, хотя в ее познании еще существует много “белых пятен". Однако нет сомнений в том, что атмосфера, наш воздух - это, как говорил В.И.Вернадский, "создание жизни". Конечно же, он имел в виду огромное значение организмов как фактора, контролирующего состав и физические свойства атмосферы.

Почвенно-элювиальная функция. Заслуга выделения почвы как самостоятельного природного тела, ярко запечатляющего в себе взаимодействие живой и неживой (косной) материи, принадлежит В.В.Докучаеву. Его ученик В.И.Вернадский относил почву к числу именно таких сложных систем, которые называл биокосными.

Современное почвоведение причисляет к почвам широкий ряд поверхностных образований, начиная от биогенных торфяников болот и тучных черноземов степей с одной стороны, и кончая каменистыми развалами, дресвяниками и песками районов с экстремально жаркими или холодными условиями.

Для понимания общих особенностей преобразующей роли организмов в пределах литосферы удобно использовать понятие "кора выветривания", которое часто употреблял В.И.Вернадский. По этому поводу в его работе находим: "Под почвами и подпочвами в биосфере лежат горные породы, которые резко различаются по своему генезису в разных участках биосферы.

Нередко верхнюю покрышку суши, в которую входят почвы, подпочвы, живое вещество и верхние части подстилающих пород, называют корой выветривания. Это понятие удобно сохранить, так как эта область явлений механически и физически резко отграничивается от лежащих ниже ее "свежих" нетронутых горных пород и обладает рыхлой или легко проницаемой для воды и газов структурой" (Вернадский, 1987, с. 68).

С изложенным подходом в принципе согласуются воззрения как раз тех почвоведов, которым пришлось столкнуться с одновременным изучением почв и кор выветривания. В.М.Фридланд, занимавшийся изучением поверхностных почвенно-элювиальных образований влажных тропиков отмечал, что почва, представляя собой самостоятельное природное тело, в то же время может рассматриваться как верхняя часть коры выветривания, специфической особенностью которой является активное участие в биологическом крувороте веществ.

Почвенно-элювиальный чехол всюду, где в его формировании принимают активное участие высшие растения, представляет собой важный резервуар мертвого органического вещества, в первую очередь гумуса, а также тонкодисперсного глинистого материала, залегающего вместе с более грубыми частицами.

Наиболее благоприятные условия для накопления гумуса в почве имеются в областях с достаточным, но переменным в течении года увлажнением и значительными термическими ресурсами. Черные почвы переменновлажных тропиков и субтропиков, а также черноземы степей и лесостепей умеренного пояса содержат соответственно 300 и 500 т/га гумуса в верхнем метровом слое. Мало гумуса (40 т/га) в пустынных сероземах.

В почвенном гумусе аккумулируется ряд важных питательных веществ, используемых растениями. Кроме того, он выполняет роль стимулятора их роста. Разложение гумусовых веществ - процесс длительный, протекающий с участием многих видов микроорганизмов.

Глинистое вещество, накапливающееся в профиле коры выветривания, преимущественно в верхней ее части, активизирует микробиологические процессы и тем самым способствует образованию гумуса. Наряду с этим, глинистые частички служат хорошими адсорбентами, препятствующими вымыванию гумусовых веществ.

Ежегодно в почвах мира возобновляется 1-2 млрд. т гумуса в пересчете на углерод. Эта не слишком много, если учесть, что его общие запасы (в углероде) ныне не должны быть меньше 1400 млрд. т. Время возобновления гумуса в среднем оценивается в 1000 лет.

Наличие в почвенном слое больших запасов органического вещества в виде подстилки и гумуса - причина сосредоточения в нем разнообразных. организмов. "Одних обитателей увидеть несложно. Это дождевые черви, многоножки, личинки насекомых, мелкие клещи, бескрылые насекомые. В тончайших клетках воды, которые обволакивают почвенные частицы, снуют коловратки, жгутиконосцы, ползают амебы, извиваются круглые черви.

Другой мир недоступен невооруженному глазу. Но в тайны его проникают с помощью микроскопа. Именно благода

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: