Свойства биосферы и организация экосистем

Общие сведения

Пространство, охваченное жизнью, обладает одной редкой особенностью по сравнению со всей окружающей жизнь кос­ной материей. Эта особенность названа французским ученым Л. Пастером дисимметрией. Она проявляется в нашей обы­денной жизни на каждом шагу: в левизне и правизне строения живых существ, движении внутри живых тел и в распределе­нии живых организмов в окружающей среде обитания. Дисим-метрия вне влияния живого на нашей планете неизвестна.

Косная природа характеризуется полной симметричностью строения и существования. Можно предположить, что дисиммет-рия является общим для Вселенной признаком живого вещества.

Второй характерной чертой живого вещества планеты яв­ляется его необыкновенное разнообразие. Известно 1 013 773 полностью описанных видов животных и около 440 тыс. видов растительных организмов. Такое разнообразие живых су­ществ говорит о чрезвычайно сложных и агрессивных услови­ях окружающей косной среды, определявших биологическую эволюцию и формирование биосферы.

Третьей, и наиболее важной, особенностью живого вещес­тва биосферы является его химическая активность. Всякое живое вещество, даже однородное, представляет, по выраже­нию французского зоолога Ж. Кювье, совокупность интен­сивных «молекулярных» вихрей.

Во все геологические периоды геосфера как внешняя обо­лочка Земли, в которой взаимодействуют земная кора, атмо­сфера (до озонового слоя), гидросфера и биосфера и где сосре­доточены жизнь и хозяйственная деятельность человека, раз­вивалась как единое целое. Единство, саморегулирование и развитие обеспечивались непрерывным движением — круго­воротом вещества и энергии в биосфере.

Известно, что биосфере присущи, как писал русский биолог М. Камшилов «... определенные биогеохимические функции: га­зовая, включающая биогенную миграцию газов в результате фо­тосинтеза и азотфиксации; концентрационная, состоящая в акку­муляции живыми организмами химических элементов, рассеян­ных во внешней среде; окислительно-восстановительная, в част­ности превращение веществ, содержащих атомы с переменной валентностью (железо, марганец и т.п.); биохимическая — про­цессы, протекающие в живых организмах».

Основу биосферы и ее функций составляет прежде всего круговорот биологически важных веществ, таких, как углерод, кислород, фосфор, азот и вода. Циклы элементов существенно отличаются от простого физического преобразования энергии, которая в конце концов превращается в теплоту и никогда по­том не используется.

Для синтеза живого вещества необходимо примерно 40 элементов. Наиболее биологически значимыми являются углерод, кислород, азот, водород, фосфор и сера. Другие эле­менты требуются в меньших количествах, но и они также необ­ходимы. Это кальций, железо, калий, магний, натрий, кремний и др. Все элементы попеременно переходят из живой материи' в материю косную (неживую), участвуя в более или менее сложных биогеохимических циклах. Последние можно разде­лить на две группы: круговорот газов, в котором главным ре­зервуаром элементов служит атмосфера (круговоротуглерода, азота, кислорода), и круговорот осадочный, элементы которо­го в твердом состоянии находятся в составе осадочных пород (круговорот фосфора, железа и серы).

Круговорот углерода

Единственным источником углерода, используемого авто-трофными растениями для синтеза органического вещества, служит углекислота, входящая в состав атмосферы или нахо-дящаяся в растворенном состоянии в воде. Углерод горных по­род (преимущественно карбонаты) автотрофами практически не используется. Круговорот углерода (рис. 1.4) начинает­ся с фиксации атмосферной углекислоты в процессе фотосин­теза. Весьма упрощенно процесс фотосинтеза можно предста­вить следующим образом (рис. 1.5).

В результате фотосинтеза из диоксида углерода и воды об­разуются углеводы и высвобождается кислород, поступающий в атмосферу. Часть образовавшихся углеводов используется самим фотосинтезирующим организмом (зеленым растением или некоторыми микроорганизмами и простейшими)для полу­чения энергии, идущей на рост и развитие, а часть употребля­ется животными в пищу. При этом диоксид углерода переходитв окружающую среду через корни, листья и некоторые другие органы растений, а также выделяется животными в процессе дыхания.

в окружающую среду через корни, листья и некоторые другие органы растений, а также выделяется животными в процессе дыхания. Мертвые животные и растения постепенно разлага­ются микроорганизмами почвы, и углерод их тканей окисляет­ся вновь до углекислоты и возвращается в атмосферу. Анало­гичный процесс происходит не только на суше, но и в океане.

Благодаря длительной фотосинтетической деятельности растений, в атмосфере накопилось количество свободного кислорода, достаточное для процветания белковой жизни. О масштабах круговорота углерода можно судить по следую­щим цифрам. Запасы углерода в атмосфере оцениваются в 700 млрд т, в гидросфере - в 50 000 млрд т. Если принять, что общий годовой фотосинтез в этих средах составляет соответ­ственно 30 и 150 млрд т, то продолжительность круговорота углерода равна трем или четырем столетиям, а по некоторым данным — 1000 лет.

В настоящее время лимитирующими факторами для про­цесса фотосинтеза является содержание в атмосфере СС₂ и кислорода. Фотосинтезирующие зеленые растения и карбо­натная система моря весьма эффективно удаляют избыток С0₂ из атмосферы. Однако быстро растущее потребление ископаемого топлива, газовые выбросы промышленности и транспорта, снижение поглотительной способности зеленых растений в связи со значительным сокращением лесов (влаж­ных джунглей Амазонки и таежных лесов Сибири), а также влияние ряда химических загрязнителей на сам процесс фото-синтеза начинают заметно сказываться и на атмосферном фонде круговорота углерода.

В настоящее время в результате развития промышленного производства и нарушения равновесного состояния биосферы содержание С0₂ в атмосфере повышается, что может привес­ти к целому ряду отрицательных последствий.

Круговорот воды

Круговорот воды в биосфере (рис. 1.6) предполагает, что суммарное испарение уравновешивается выпадением осадков. Ежегодно с поверхности Мирового океана в атмосферу испа­ряется около 880, а с суши 140 мм воды и столько же выпадает на Землю в виде осадков. В средних широтах растения способ­ны задерживать до 25% воды, выпадающей в виде осадков. Остальная вода впитывается в почву или стекает по поверх­ности земли в водоемы. Благодаря испарению часть воды сно­ва возвращается в атмосферу. В Германии был проведен коли­чественный учет дождевой воды на всей территории страны. Выяснилось, что из годовой нормы осадков 771 мм только 367 мм, или меньше 50%, достигает моря в виде ливневых сто­ков; остальная часть, т.е. 404 мм, испаряясь, возвращается в атмосферу. Растения поглощают и транспирируют (испаряют)

в атмосферу 38% осадков. Следовательно, задерживается и идет на создание живого вещества всего 1 % атмосферной вла­ги. В экваториальных районах испарение играет еще более су­щественную роль. Например, известно, что тропические леса бассейна реки Конго испаряют 2/3 выпадающих осадков.

Из океана испаряется больше воды, чем попадает в него с осадками, на суше — наоборот. «Лишние» осадки, выпадаю­щие на суше, попадают в ледяные шапки и ледники и сохраня­ются там, пополняя грунтовые воды, откуда растения забира­ют их с помощью корневой системы и используют на рост и развитие. Грунтовые воды питают реки и озера, из которых снова возвращаются со стоком в океан. Живые организмы иг­рают активную роль в круговороте воды на Земле. Подсчита­но, что вся вода планеты проходит через живую оболочку Зем­ли за 2 млн лет.

Удаление некоторого количества воды в виде паров и водо­рода в космос компенсируется в основном за счет ювенильной воды, т.е. поднимающейся на поверхность из глубоких магма­тических очагов в результате вулканической деятельности и землетрясений.

Круговорот азота

Круговорот азота (рис. 1.7) также охватывает все об­ласти биосферы. Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы (около 78% по объему), однако высшие расте­ния могут усваивать азот лишь после того, как он образует легкорастворимые соли с водородом или кислородом. В этом процессе основополагающую роль играют азотфиксирующие бактерии. Растения, поглотившие азот, в дальнейшем поеда­ются животными. Продукты жизнедеятельности последних также с помощью бактерий разлагаются до аммиака, а затем другими микроорганизмами связываются до нитратов и нит­ритов и т.д.

С энергетической точки зрения круговорот азота.можно представить как ряд этапов, требующих энергии извне либо поставляющих ее за счет энергонасыщенных соединений. В процессе круговорота азот протоплазмы переводится из ор­ганической в неорганическую форму в результате деятельнос

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: