Существование биосферы основано на непрерывном движении вещества и информации внутри живых организмов и между организмами и окружающей их средой. Это движение требует энергии, и каждый организм и биосфера в целом работают как тепловые машины. При этом они, естественно, подчиняются основным законам (началам) термодинамики.

Первое начало или закон сохранения энергии гласит, что «энергия инвариантна по отношению к любым процессам». Это означает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но её суммарное количество остаётся постоянным. Например, свет может перейти в тепло или в потенциальную химическую энергию, запасённую в органическом веществе растения в процессе фотосинтеза, но общее количество энергии при этом останется тем же 1 .

Второй закон (начало) термодинамики гласит, что в изолированной системе при любых превращениях энергии часть её рассеивается и становится недоступной для дальнейших превращений в пределах данной системы. Если речь идёт о тепловой энергии, то рассеянная энергия переходит в хаотическое движение частиц окружающей материи (например, в тепловое движение молекул). В частности, тепло может быть передано от более холодного тела к более тёплому только с затратой механической или иной не тепловой энергии, которая при этом будет рассеяна (другая формулировка второго начала). Таким образом, любые процессы, связанные с превращениями энергии, ведут к переходу части энергии в энергию хаоса в системе.

Мерой хаотичности или неупорядоченности изолированной системы служит величина, названная энтропией. В любой изолированной системе идут процессы рассеяния энергии внутри системы, и, следовательно, энтропия растёт (третья формулировка второго начала). Когда энтропия изолированной системы достигает максимума, температура во всей системе выравнивается, процессы в ней замирают, остаётся только хаотическое движение, и систему настигает «тепловая смерть» . Из второго начала следует, что для возникновения и роста в системе упорядоченных структур требуется поступление извне концентрированной энер-

гии, которой соответствует температура выше температуры хаотического движения в системе. Часть поступающей энергии пойдёт на увеличение внутренней потенциальной энергии этих структур, а часть - рассеется в виде хаотического движения в остальной системе, вне упорядоченных структур (рис. 2.8). Энергия этого хаотического движения соответствует наиболее низкой температуре в системе и не может быть использована в пределах системы. Структурно упорядоченная часть системы сбрасывает образующуюся в ней энтропию вовне вместе с рассеянной энергией.

Рис. 2.8.

термодинамической системе

В биосфере продуценты непосредственно используют концентрированную энергию солнечного света и ‘/ 10 часть энергии захваченных фотонов преобразуют в потенциальную химическую энергию фотосинтезированного живого вещества, а 9 / 10 расходуют на испарение влаги и собственный обмен веществ, и эти 9 /,о рассеиваются в виде низкотемпературного тепла. Консу-менты, сапрофаги и детритофаги расходуют химическую энергию, полученную с пищей, примерно в тех же пропорциях. Всё происходит в соответствии с правилом «10 %» Линдемана, и оно, в сущности, означает, что, в конце концов, вся полученная экосистемой энергия рассеивается в виде низкотемпературного тепла. Таким образом, эффективность (или «коэффициент полезного действия» организмов как тепловых машин) примерно одинакова на всех трофических уровнях и составляет около 10 %.

На рис. 2.9 показаны потоки энергии в тепловой машине Земли. На внешнюю область атмосферы падает поток солнечного излучения 5 0 , равный 1396 Вт м -2 или примерно ’/ 3 ккал м 2 с -1

Отражение

облаками,

частицами

поверхностью

Инфракрасное

излучение

Солнечное

излучение

Поглощение

Поглощение

атмосферой

поверхностью

Испарение, излучение, конвекция, теплопроводность

Океаническая

циркуляция

Энергия радиоактивного распада и гравитационного сжатия Земли

Рис. 2.9. Тепловая машина атмосфера-Земля. Поверхность Земли является главным источником нагрева и циркуляции атмосферы, хотя сама получает почти всю энергию от Солнца. Вклад радиоактивности и гравитационного сжатия Земли в общий баланс энергии ничтожен

(солнечная постоянная). Этот поток пересекается диском Земли площадью л/? 2 , где Я - радиус Земли, но распределяется по всей поверхности Земли 4пЯ 2 (см. рис. 2.3). Поэтому поток солнечной энергии, перпендикулярный поверхности Земли, в среднем составляет только 349 Вт м 2 . Он имеет спектр длин электромагнит-

ных волн, соответствующий излучению абсолютно чёрного тела 1 , нагретого до 6000 К (рис. 2.10) .

Около 30 % этого излучения отражается облаками и атмосферой обратно в космос, и около 15 % поглощается в атмосфере. Помимо облаков в рассеянии, поглощении и отражении солнечной радиации велика роль мельчайших твёрдых аэрозольных частиц с размерами меньше нескольких микрон (микрометров). Примерно 3 % радиации Солнца поглощается озоном и кислородом озонового слоя атмосферы - это ультрафиолетовая часть солнечного излучения, и 12 % захватывается углекислым газом (С0 2) и водяным паром (рис. 2.10). На поверхность Земли попадает 55 % солнечного излучения, из которых 5 % отражается обратно в космос, не задерживаясь в атмосфере. Всего непосредственно отражается в космос 35 %. Эта величина есть средняя отражательная способность, или альбедо , Земли. Поглощённая поверхностью Земли энергия составляет примерно половину радиации, попадающей в верхние слои атмосферы. Около половины этой поглощённой радиации (энергии инсоляции) уходит на испарение воды с поверхности океанов и образование облаков, а вторая половина - на собственно нагрев поверхности. И только малая доля - примерно 1,5 % - захватывается растениями и непосредственно используется для поддержания жизни.

400 Поток излучения, ПВт /мкм

избирательного

(неполного)

поглощения

поглощения Н 2 0 и С0 2

• 100 ?

Ультрафиолет

Инфракрасные лучи

Рис. 2.10. Спектры излучения Солнца (на верхней кромке атмосферы Земли) и Земли. Затемнены области спектров, где происходит поглощение излучения указанными на рисунке атмосферными газами. Мощность излучения выражена в петаваттах на микрометр (мкм) длины волны. 1 ПВт (петаватт) = 10 15 Вт

Помимо солнечной радиации поверхность Земли подогревается потоком тепла, поступающим из недр Земли, но этот поток пренебрежимо мал по сравнению с потоком радиации Солнца.

Разными путями поглощённая поверхностью энергия радиации возвращается в атмосферу (рис. 2.9). Накопленная облаками теплота испарения попадает в воздух при образовании осадков, а энергия нагрева передаётся атмосфере через конвективные потоки тепла, инфракрасное излучение поверхности и, в очень небольшой доле, через теплопроводность. Энергия теплосодержания атмосферы расходуется на образование атмосферной циркуляции, то есть преобразуется в кинетическую энергию ветров и морских волн, и далее через трение снова в тепло.

Водяной пар, углекислый газ и, отчасти, метан СН 4 и некоторые другие атмосферные примеси перехватывают инфракрасное излучение как Солнца, так и Земли (рис. 2.10). Эти атмосферные примеси действуют подобно прозрачной крыше парника, раскинутого над Землёй, пропуская к Земле коротковолновую часть спектра и задерживая у Земли длинноволновое тепловое излучение. Отсюда и их название - парниковые газы. Возникающий благодаря ним парниковый эффект играет важнейшую роль в тепловом балансе Земли.

Так как в среднем температура Земли не меняется, Земля должна излучать в космос из верхней атмосферы столько же энергии, сколько получает от Солнца и других, не столь значимых источников. Спектр длин электромагнитных волн, излучаемых в космос верхней атмосферой Земли, соответствует излучению абсолютно чёрного тела с температурой около 250 К. Если бы не было парникового эффекта, то и температура Земли упала бы до 250 К (то есть до -23 °С), и жизнь на Земле вряд ли была бы возможна, по крайней мере, в её нынешних формах. Однако уходящее излучение поверхности Земли, продвигаясь вверх, многократно поглощается и переизлучается парниковыми газами (в том числе в обратном направлении), и на каждом уровне температура и уходящий поток энергии снижаются. Поэтому средняя температура поверхности Земли удерживается на уровне 288 К (15 °С), и спектр её излучения соответствует этой температуре (рис. 2.10).

Весьма вероятно, что переходы от периодов потепления на Земле к ледниковым периодам и обратно тесно связаны с колебаниями концентраций парниковых газов и пылевых - аэрозольных частиц в атмосфере. Важную роль в этих процессах играют отличия в альбедо различных типов поверхности. Из рис. 2.11 ясно, что рост площади ледников и, отчасти, песчаных пустынь ведёт к росту альбедо Земли в целом, тогда как увеличение площади океана и растительности - к его (альбедо) уменьшению.

Парниковые газы «согревают» Землю, аэрозольные частицы, отражая обратно в космос солнечное излучение, её «остужают».

Вода Трава Чернозём Песок Лёд и снег

Рис. 2.11.

В периоды временного усиления вулканической деятельности содержание частиц в атмосфере резко растёт, поэтому средняя температура на Земле начинает падать. При этом растут ледники и, прежде всего, полярные шапки Земли возле её полюсов. Рост полярных шапок и сокращение площади океана увеличивают альбедо Земли, что ускоряет процесс охлаждения. Одновременно уменьшается испарение с поверхности океана, поэтому падают содержание водяного пара в воздухе и облачность. Это приводит к уменьшению альбедо, то есть росту нагрева поверхности Земли, и в какой-то момент процесс начинает идти в обратном направлении, пока вся система тепловой машины Земли не вернётся в состояние, близкое к исходному.

Возможен толчок и в обратном направлении, если какой-либо фактор приведёт к потеплению. Таким фактором может быть, например, антропогенный рост концентрации С0 2 в атмосфере вследствие сжигания человеком огромных количеств ископаемого топлива - нефти, угля и природного газа. Из рис. 2.10 видно, что именно С0 2 в наибольшей мере препятствует тепловому излучению Земли в космос. Наблюдаемый рост концентрации С0 2 , составляющий примерно 0,3 % в год, приводит к уменьшению альбедо Земли. Соответственно будет расти средняя температура. Если начнётся интенсивное таяние полярных шапок и гренландского ледника, то скорость уменьшения альбедо ещё более возрастёт и соответственно ещё более возрастёт средняя температура на Земле. Этому процессу отчасти противостоят растворение избытка С0 2 в океане и поглощение его растительностью, но их может оказаться недостаточно. Такое развитие событий может привести к глобальному потеплению. При этом надо учитывать, что избыток энергии, полученный поверхностью Земли, в значительной части сначала уйдёт на испарение, превратится в энергию ветра и морских течений, что само по себе ведёт ко многим крайне нежелательным последствиям.

• Строго говоря, во Вселенной постоянной остаётся сумма энергии и массы, так как масса превращается в лучистую энергию при ядерных реакциях, например, в недрах Солнца и других звёзд или в атомном реакторе. Вместе с тем энергичный квант излучения может превратиться в пару материальных частиц электрон-позитрон. Впрочем, в биосфере подобные превращения не происходят.
• Можно рассматривать второе начало термодинамики и как выражение того обстоятельства, что любая система стремится к состоянию устойчивого равновесия, при котором энтропия системы достигает абсолютного максимума.
• Абсолютно чёрное тело - тело, поглощающее всё излучение, попадающее на его поверхность. При этом такое тело обладает и наибольшей способностью к излучению при данной температуре. Пример абсолютно чёрного тела - отверстие печи: попавшие в него лучи не могут выйти обратно, но у горящей печи из него идёт максимальный поток излучения.
• Здесь и далее расчёты температур основаны на законе Стефана - Больцмана, согласно которому интенсивность излучения с поверхности абсолютно чёрного тела Е=аТ58, где а - постоянная Больцмана, равная 5,67 10-8 Вт м-2 К-4, и Т - абсолютная температура в градусах Кельвина, К. Длины электромагнитных волн А.мах, соответствующие максимумам спектров излучения, определяются законом Вина Хмах [мкм] = 2897/Г.
• Основным источником атмосферных аэрозольных частиц является океан. При обрушении волн образуются микроскопические капельки солёной воды, которые быстро высыхают, образуют частицы солей и

1.Биосфе́ра (от др.-греч. βιος - жизнь и σφαῖρα - сфера, шар) - оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Биосфера - оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд. лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».

Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX в. впервые предложил по сути дела концепцию биосферы, ещё не введя даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году .

Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Существует и другое, более широкое определение: Биосфера - область распространения жизни на космическом теле. При том, что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается, что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы.

Основным понятием в экологии является «экосистема» . Этот термин введен в употребление А. Тенсли в 1935 г. Под экосистемой понимают любую систему, состоящую из живых существ и среды их обитания, которые объединены в единое функциональное целое.

Основными свойствами экосистем являются: способность осуществлять круговорот веществ, противостояние внешним воздействиям, производство биологической продукции.

Обычно выделяют: микроэкосистемы (например, небольшой водоем), которые существуют, пока в них присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ; мезоэкосистемы (например, река); макроэкосистемы (например, океан) а также глобальную экосистему – биосферу

Биосфера как глобальная экосистема

Понятие «биосфера» в научную литературу введено в 1875 г. австрийским ученым-геологом Эдуардом Зюссом К биосфере он отнес все то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы (твердой оболочки Земли), где встречаются живые организмы.

Владимир Иванович Вернадский использовал этот термин и создал науку с аналогичным названием. В таком случае под биосферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует или когда-либо существовала жизнь, т. е. где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. В. И. Вернадский не только конкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, но, самое главное, всесторонне раскрыл роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе нет более мощной средообразующей силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности. В И Вернадский вывел первостепенную преобразующую роль живых организмов и обусловливаемых ими механизмов образования и разрушения геологических структур, круговорота веществ, изменения твердой (литосферы ), водной (гидросферы ) и воздушной (атмосферы ) оболочек Земли. Часть биосферы, где живые организмы встречаютсяв настоящее время, принято называть современной биосферой, (необиосферой ), древние же биосферы относят к (палеобиосферам ). Как пример последних можно указать безжизненные концентрации органических веществ (месторождения каменных углей, нефти, горючих сланцев.), запасы других соединений, образовавшихся при участии живых организмов (известь, мел, рудные образования).

Границы биосферы. Необиосфера в атмосфере располагается примерно до озонового экрана над большей частью поверхности Земли – 20-25 км. Гидросфера почти вся, даже и самая глубокая Марианская впадина Тихого океана (11 022 м), занята жизнью. В литосферу жизнь также проникает, но на несколько метров, ограничиваясь только почвенным слоем, хотя по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров. В результате границы биосферы определяются присутствием живых организмов или «следами» их жизнедеятельности. Экосистемы являются основными звеньями биосферы. На уровне экосистем основные свойства и закономерности функционирования организмов можно рассмотреть более детально и глубоко, чем это сделано на примере биосферы.

Через сохранение элементарных экосистем и решается главная проблема современности – предотвращение или нейтрализация неблагоприятных явлений глобального кризиса, сохранение биосферы в целом.

2. Живое вещество - вся совокупность тел живых организмов в биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности.

Это понятие не следует путать с понятием «биомасса», которое является частью биогенного вещества.

Термин введён В. И. Вернадским

Живое вещество развивается там, где может существовать жизнь, то есть на пересечении атмосферы, литосферы и гидросферы. В условиях, не благоприятных для существования, живое вещество переходит в состояние анабиоза.

Специфика живого вещества заключается в следующем:

Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с живым веществом могут быть сопоставлены только недолговечные незастывшие лавовые потоки.

Резкое отличие между живым и неживым веществом биосферы наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом веществе реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее.

Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты и пр. – устойчивы только в живых организмах (в значительной степени это характерно и для минеральных соединений, входящих в состав живого вещества).

Произвольное движение живого вещества, в значительной степени саморегулируемое. В. И. Вернадский выделял две специфические формы движения живого вещества: а) пассивную, которая создается размножением и присуща как животным, так и растительным организмам; б) активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения организмов (она характерна для животных и в меньшей степени для растений). Живому веществу также присуще стремление заполнить собой все возможное пространство.

Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества живое вещество не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены во всех трех фазовых состояниях.

Живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел – индивидуальных организмов. Причем, будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме – в виде популяций организмов одного вида: оно всегда представлено биоценозами.

Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса, т. е. воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений.

Значение живого вещества

Работа живого вещества в биосфере достаточно многообразна. По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:

а) химической (биохимической) – I род геологической деятельности; б) механической – II род транспортной деятельности.

Биогенная миграция атомов I рода проявляется в постоянном обмене вещества между организмами и окружающей средой в процессе построения тела организмов, переваривания пищи. Биогенная миграция атомов II рода заключается в перемещении вещества организмами в ходе его жизнедеятельности (при строительстве нор, гнезд, при заглублении организмов в грунт), перемещении самого живого вещества, а также пропускание неорганических веществ через желудочный тракт грунтоедов, илоедов, фильтраторов.

Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере очень важными являются три основных положения, которые В. И. Вернадский назвал биогеохимическими принципами:

Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете лучистой энергией Солнца.

Выделяют пять основных функций живого вещества:

Энергетическая . Заключается в поглощении солнечной энергии при фотосинтезе, а химической энергии – путем разложения энергонасыщенных веществ и передаче энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества.

Концентрационная . Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества. Выделяют два типа концентраций химических элементов живым веществом: а) массовое повышение концентраций элементов в среде, насыщенной этими элементами, например, серы и железа много в живом веществе в районах вулканизма; б) специфическую концентрацию того или иного элемента вне зависимости от среды.

Деструктивная . Заключается в минерализации необиогенного органического вещества, разложении неживого неорганического вещества, вовлечении образовавшихся веществ в биологический круговорот.

Средообразующая . Преобразование физико-химических параметров среды (главным образом за счет необиогенного вещества).

Транспортная . Пищевые взаимодействия живого вещества приводят к перемещению огромных масс химических элементов и веществ против сил тяжести и в горизонтальном направле нии.

Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени. Воздавая должное памяти великого основоположника учения о биосфере, следующее обобщение А. И. Перельман предложил назвать «законом Вернадского»:

3. Энергетика биосферы

В энергетических процессах в биосфере решающая роль (99%) принадлежит радиации Солнца, которая определяет тепловой баланс и термический режим биосферы Земли. Из всего количества энергии, 5,42 · 10 4 Дж, получаемой Землей от Солнца, 33% отражается облаками и поверхностью суши, а также пылью в верхних слоях атмосферы. Эта часть составляет альбедо Земли, 67% энергии поглощается атмосферой и земной поверхностью (континентами и Мировым океаном) и после ряда превращений уходит в космическое пространство (рис. 5.2).

В атмосфере нагревание происходит снизу, что приводит к образованию мощных конвективных потоков и общей циркуляции воздушных масс. Океанические течения, движимые преимущественно ветром, перераспределяют полученную солнечную энергию в горизонтальном направлении, что влияет на снабжение атмосферы теплом. Мировой океан и атмосфера представляют собой единую тепловую систему.

За счет излучения и конвекции поддерживается весь энергетический баланс нашей планеты. Круговорот воды в биосфере также определяется поступлением солнечной энергии.

Весьма незначительная часть общего потока солнечной энергии поглощается зелеными растениями в процессе осуществления реакции фотосинтеза. Эта энергия составляет 10 22 Дж в год (приблизительно 0,2% от всей суммы солнечной радиации). Фотосинтез - это мощный естественный процесс, вовлекающий в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющий большое количество кислорода в атмосфере. Фотосинтез представляет собой химическую реакцию, протекающую за счет солнечной энергии при участии хлорофилла зеленых растений: n СО 2 + n Н 2 О = Сn Н 2 n О 2 + n О 2 . Круговорот углерода в биосфере изображен на рис. 5.3.

Таким образом, за счет двуокиси углерода и воды синтезируется органическое вещество и выделяется свободный кислород. За немногим исключением фотосинтез происходит на всей поверхности Земли и создает огромный геохимический эффект, который может быть охарактеризован количеством всей массы углерода, ежегодно вовлекаемого в построение органического живого вещества биосферы. Ежегодно используется и поглощается CO 2: на суше 253-10 9 т, в океане - 88-10 9 т, а всего - 341 · 10 9 т. С использованием 135 · 10 12 т воды создается 232 · 10 9 т органических веществ С n Н 2 n О n и 248 · 10 9 т кислорода уходит в атмосферу.

связи с фотосинтезом в биосфере в круговорот вовлекаются 1 млрд т азота, 260 млн т фосфора и 200 млн т серы.

В течение 6 - 7 лет поглощается вся углекислота атмосферы, за 3000-4000 лет обновляется весь кислород атмосферы, а в течение 10 млн лет фотосинтез перерабатывает массу воды, равную всей гидросфере. Если учесть, что биосфера существует на Земле не менее 3,8 - 4 млрд лет (а Земля примерно - 4,5 млрд лет), то можно сказать, что воды Мирового океана прошли через биогенный цикл, связанный с фотосинтезом, не менее 1 млн раз. Все эти величины отражают огромную важность фотосинтеза в истории Земли.

Заметим здесь, что при гибели организма происходит обратный процесс - разложение органического вещества путем окисления, гниения и т.д. с образованием конечных продуктов разложения. Этот процесс в биосфере Земли приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Количество биомассы примерно в 10 раз превышает ежегодно вырабатываемое в процессе фотосинтеза количество органического вещества (0,232 · 10 12 т). Общая масса вещества, прошедшего биосферу, в 12 раз превышает массу Земли. Так работает эта "живая фабрика".

Существует 2 подхода в оценке путей эволюции биосферы. 1) утверждает, что эволюции биосферы нет. 2) эволюция биосферы отождествляется с эволюцией одного компонента – органического мира.

Новые данные свидетельствуют о том, что в ходе эволюции органических форм происходили и определенные изменения в биосфере (например, расширялась зона распространения жизни, усложнялся биотический круговорот, изменялись биогеохимические функции). В то же время эти изменения не следовали автоматически за любыми изменениями в органическом мире.

Своеобразие эволюции биосферы заключается в том, что она проходит в пределах уже сложившегося уровня организации живого. К изменениям сложно применить критерии прогрессивного/регрессивного развития.

Эволюция биосферы – это и изменения ее общих параметров(общая биомасса, энергетические функции),и эволюция организмов/экосистем.

Источником развития биосферы выступают отношения между живым и костным веществом в поверхностной оболочке Земли. Разрешение этого противоречия в ходе обменных процессов между организмами и ОС обеспечивает процесс развития биосферы как целостной материальной системы. Органический мир в целом, а не отдельные группы животных/растений детерминируют основные параметры биосферы.

Основные тенденции в эволюции биосферы

Рост биомассы и ее организованности . Наблюдалось устойчивое увеличение биомассы живого вещества. По мере развития биосферы отмечалась тенденция к росту ее организованности. Она проявлялась в частности в увеличении способности биосферы к саморегуляции, увеличении степени независимости от других оболочек. В процессе коренных перестроек биосферы сохранялись прежде всего те группы сообщества, которые были устойчивы к воздействию астрономических/геологических факторов.

Роль живого вещества в становлении и стабилизации поверхностных оболочек Земли . Решающая роль живого вещества в эволюции биосферы и земных оболочек особенно ярко проявилась в: 1) формировании газового состава атмосферы 2) превращении восстановительной обстановки в окислительную 3) преобразовании химической и минеральной структуры биосферы 4) детерминации химической активности природных вод. 5) изменении общего термодинамического баланса биосферы.

«живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, действительная энергия его, по сравнению с энергией костного вещества, огромна. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени».

Накопление энергии в биосфере. «с космической точки зрения жизнь есть постоянное задержание и накопление химической и лучистой энергии, замедляющей превращение полезной энергии в теплоту и препятствующей рассеиванию последней в мировом пространстве».

Находящаяся в биосфере энергия является результатом ее эволюции. Основными способами увеличения энергии являются 1) фотосинтез и выделение кислорода. 2) захват растениями новых областей Земли, превращение их в области аккумуляции солнечной энергии. 3) аккумуляция солнечной энергии в горючих ископаемых и биогенных минералах

Возникновение новой формы миграции химических элементов. По мере эволюции групп животных со сложным поведением развивалась биогенная миграция атомов. Новая форма биогенной миграции не связана с прохождением химических элементов через тело организма.

Биосферная адаптация. Важнейшими являются: 1) возникновение озонового экрана. 2) способность растений улавливать солнечную энергию, преобразовывать в химическую. 3) разнородность трофических уровней, многообразие видов, участвующих в пищевых цепях. 4) сезонная ритмика способствует выработке адаптаций широкого значения, позволяющей организмам выживать в условиях колебания факторов среды. 5) на популяционном и организменном уровне организации живого воздействие факторов проявляется в изменении динамики численности и воспроизводства популяции. 6) существуют закрепленные генетически механизмы обеспечения жизнеспособности организма, функционирования физиологических и биохимических процессов в пределах определенного диапазона геохимических условий. 7) внутри популяции существует гетерогенность по чувствительности организма к определенным условиям, особенно ярко при воздействии на организм веществ в экстремальных дозах, когда в организме возникают различные заболевания и отклонения. 8) чем значительнее колебание геохимических факторов, тем выше темпы эволюционных преобразований. 9) элементы не действуют изолированно, большое значение имеет соотношение между ними. При изменении концентрации какого-либо элемента в организме происходит не только усиление/ослабление отдельных процессов, но и дисфункция всех процессов обмена веществ. Необходимо учитывать, что отдельные организмы не только приспособлены к внешней среде, но и приспосабливают среду к своим биологическим потребностям.

Ключевые вопросы

Как происходит передача энергии в биосфере?

Каким образом азот из воздуха попадает в живые организмы и затем опять в воздух?

Почему элементы, существующие в твердом состоянии, например фосфор, выпадают из круговорота веществ?

Каким образом человеческая цивилизация влияет на равновесие этих важных циклов?

Экосистема является основной единицей или естественным сообществом биосферы и состоит из абиотической среды, биотических компонентов - растений, грибов, животных и микроорганизмов, а также включает в себя взаимоотношения, связывающие между собой все части системы. Маленькое или большое соленое болото (марш) представляет собой одну экосистему, прибрежная дюна - другую, а болото, дюны и океан могут рассматриваться как часть более крупной экосистемы.

Экосистемы нашей планеты удивительным образом различаются в разных ее частях. Но хотя тропический влажный лес или коралловый риф имеют как будто мало общего с холодной тундрой или открытым морем, действие всех экосистем основывается на четырех общих принципах: 1) Каждая экосистема должна иметь способ поглощать энергию и направлять ее всем своим обитателям. 2) В каждой экосистеме должен происходить круговорот необходимых питательных веществ. 3) В каждой экосистеме устанавливается и сохраняется динамическое равновесие. 4) Поток энергии и веществ зависит от информативной характеристики организмов; этот поток бесполезен без организмов и уникальной роли каждого из них.

25.1. Экосистема сохраняет свою стабильность благодаря сложной сети взаимосвязей между ее элементами

Экосистемы имеют высокоорганизованную структуру взаимодействия между всеми компонентами. Уже не раз, но, как правило, слишком поздно, мы сознавали важность этого факта. Мы часто слышим, что можно обойтись без того или другого вида. Но откуда мы можем это знать?

Более столетия назад Чарлз Дарвин установил связь между урожаем семян лугового клевера и числом кошек, живущих в сельской местности. Он обнаружил, что луговой клевер образует семена только при перекрестном опылении, которое может осуществляться только шмелями. Число шмелей, установил он, сильно сокращали полевые мыши, а число мышей, конечно же, контролировалось кошками.

Благодаря такой сложной взаимозависимости оказывается вполне возможным, что некоторые, казалось бы, явно посторонние или даже вредные виды или физико-химические компоненты могут играть неожиданно важную роль в процветании другого неродственного вида.

Вот пример того, какие неожиданности могут нас подстерегать, если вмешаться во взаимоотношения природы. На острове Калимантан для борьбы с малярией против москитов использовались пестициды. Тараканы также попадали под эту обработку. Но они не умирали, а просто становились ядовитыми для мелких ящериц. Поскольку ДДТ является отравляющим веществом нерв-нопаралитического действия, ящерицы становились менее подвижными и не в состоянии были убегать от кошек, которые охотно их поедали. А поскольку кошки очень чувствительны к ДДТ, умирали и они. Крысы из близлежащих лесов, несущие бациллу чумы, заполнили дома, где не было кошек. Когда завезли новых кошек, они продолжали поедать ящериц, причем настолько эффективно, что это привело к массовому увеличению числа гусениц, которыми питаются ящерицы; гусеницы, в свою очередь, поедали солому, покрывающую крыши домов. Это, конечно же, не конец истории, и маловероятно, что расширяющийся водоворот неприятных последствий остановится до того, как проявится реальный ущерб. Даже если бы первоначальный план противомалярийной компании удался, мог ли кто-нибудь гарантировать, что спасенные от малярии люди будут обеспечены пищей, волокном, удобрениями, тракторами, автомобилями, дорогами, самолетами и больницами? Поставим вопрос более прямо: для того ли мы используем нашу технику, чтобы сначала спасти людей только от малярии, а позднее дать им умереть от голода?

Если удаление организмов из экосистемы может оказаться рискованным, то рискованным может быть и введение в нее новых видов. Так, например, мангусты, завезенные на острова для борьбы со змеями, вызвали вымирание некоторых местных видов птиц. Ясно, что заблаговременная оценка последствий того или иного вмешательства связана с определенными трудностями. В то же время в экосистемах действуют механизмы, способные нейтрализовать эти последствия. Поскольку небольшие изменения могут породить массу других со скоростью снежного кома меры борьбы с хищниками должны разрабатываться в зависимости от вида хищника, против которого они направлены.

25.2. Источником почти всей энергии, используемой экосистемами, является Солнце

Основная часть энергии, поступающей на Землю, за исключением собственной энергии нашей планеты, образуется в результате ядерных преобразований на Солнце. Почти половина солнечной радиации, проникающей в атмосферу (рис. 25-1), отражается обратно в космическое пространство. Другая половина поглощается землей. За исключением общего потепления, которое образуется в результате, это не принесло бы нам пользы, если бы растения не обладали способностью усваивать поступающую солнечную энергию и, таким образом, делать ее доступной для экосистемы.

В среднем почти каждый квадратный метр земли получает около 4,19кДж солнечной радиации в минуту. Это примерно равно количеству теплоты, получаемой при сгорании половины спички. Но только половина этой энергии потенциально доступна для растений, остальная часть находится вне пределов видимого спектра. Растения поглощают около l-5% энергии, достигшей поверхности земли, и фиксируют ее в процессе фотосинтеза для образования Сахаров и других углеводов. Эти растения, называемые продуцентами (производителями), используют часть фиксированной энергии для дыхания, поскольку они должны восстанавливать и увеличивать свою клеточную массу. Все травоядные и плотоядные животные-потребители зависят от фиксированной энергии, которая идет на удовлетворение их собственных энергетических потребностей и на образование сырьевого материала. Это относится и к организмам-разрушителям (грибам и микроорганизмам), которые разрушают мертвые ткани и освобождают питательные вещества в такой форме, чтобы продуценты опять могли их использовать. Каждая экосистема имеет своих продуцентов, потребителей и разрушителей.

25.3. При переходе энергии от растений к животным теряется около 90% ее количества

Корова, питающаяся травой* является примером первичного перехода энергии от продуцента к травоядному потребителю. Крошечные, похожие на креветок морские копеподы (веслоногие ракообразные), питающиеся микроскопическими водорослями, представляют собой пример такого же превращения энергии в водной среде. Коровы и копеподы получает только определенный процент энергии из используемых ими растительных веществ. Этот процент различается в зависимости от условий, но в среднем около 10% энергии продуцента дает прибавку массы травоядному животному. Эти 10% представляют собой коэффициент передачи энергии. Остальные 90% рассеиваются в вдде тепла, необходимого для функционирования клеточных механизмов и органов тела, или освобождаются непосредственно для редуцентов (организмов-разрушителей) в виде различных побочных продуктов.

Травоядные обычно являются пищей для плотоядных, и превращения энергии при переходе от травоядного к плотоядному происходит с эффективностью от 10 до 30%. Такое увеличение эффективности передачи энергии, очевидно, связано со сходным составом тканей у животных. Когда одно плотоядное животное поедает другое, а тот поедает следующего и т.д., то в результате получается цепь питания из нескольких звеньев. Число звеньев в цепи питания редко превышает пять из-за большой потери энергии в каждом звене. Это означает, что на каждом более высоком трофическом уровне поток энергии сильно уменьшается. Если подсчитать количество энергии на каждом трофическом уровне (растения, травоядные, первичные плотоядные, вторичные плотоядные и т. д.), мы увидим, что получится своеобразная энергетическая пирамида с широким основанием и очень узкой вершиной, которая соответствует высшему уровню в цепи питания (рис. 25-2). За некоторыми исключениями имеется тенденция к постепенному уменьшению потока энергии и количества особей и к увеличению размера этих особей в направлении от основания к вершине пирамиды.

При такой низкой эффективности передачи энергии от одного трофического уровня к другому очевидным, но довольно уязвимым преимуществом оказывается близость к первичным продуцентам. Это относится как к человеку, так и к другим потребителям, и в перенаселенных странах имеет смысл, хотя и не очень привлекательный сам по себе, использование вегетарианской диеты. Ведь гораздо больше людей можно прокормить рисом, чем если бы этот рис скармливать курам и свиньям и затем уже использовать в пищу.

Цепь питания от риса к человеку или от диатомии к копеподу затем к сельди и чайке до удивления проста. Хотя существует много животных, которые питаются только одним видом, обычно любой организм на любой трофической стадии приспособлен к потреблению целого ряда организмов, принадлежащих иногда к тому же уровню, что и он сам, а иногда к совершенно различному трофическому уровню. В результате образуется сложная "паутина" трофических отношений , которая благодаря множеству путей и превращений является более стабильной, чем прямая цепь питания, которая может легко распасться из-за недостаточной численности какого-нибудь одного вида.

25.4. Редуценты разрушают органические остатки и превращают их в сырьевой материал для растений

Количество энергии, используемой первичным потребителем, например когда корова поедает траву, меньше установленных 90%, если учитывать энергию, освобождаемую для редуцентов. В этом случае охапка сена не только обеспечивает потребности в энергии самой коровы (большая часть этой энергии превращается в тепло тела) и множества симбионтов ее пищеварительной системы, а через экскременты и в конечном итоге через труп коровы энергия переходит к насекомым, червям и миллионам микроорганизмов. В процессе обеспечения собственных потребностей в энергии эти организмы превращают вещества в такую форму, в которой они опять могут быть использованы растениями.

25.5. Энергия, используемая на Земле, в конечном итоге превращается в лучистую энергию, которая опять переходит в космическое пространство

Как видно из рисунка 25-3, запас земной энергии является сбалансированным. Биосфера и остальная часть Земли действуют как гигантский преобразователь энергии, получающий насыщенный энергией видимый свет, который возвращается в космическое пространство в виде трансформированного и невидимого излучения. Биосфера эффективно замедляет превращение энергии, задерживая ее в виде химической энергии и используя ее для обеспечения жизни на Земле. Но за исключением энергии угля, нефти и близких к ним соединений энергии не свойственно оставаться на Земле долгое время.

Говоря о потоке энергии в экологическом сообществе, важно помнить, что после фиксации солнечной энергии зелеными растениями ее движение в экосистеме всегда сопровождается потоком веществ.

Наблюдая, как охотится за полевой мышью ястреб, мы видим один из путей, по которому осуществляется движение энергии в экосистеме.

Большое значение имеют и непрямые наблюдения, и одним из лучших методов определения путей передвижения энергии и веществ в экосистеме является включение в растения радиоактивных изотопов фосфора, углерода, калия или других элементов. При дальнейшем исследовании данной местности (с помощью счетчика радиоактивности) может оказаться, что, например, в муравьином гнезде отмечается высокая радиоактивность. Тогда можно было бы предположить, что муравьи собирали растительные вещества или что они использовали тлю, питавшуюся растительным соком. При более позднем исследовании радиоактивность жуков и птиц может оказаться выше средней и в конце концов радиоактивность может обнаружиться у грызунов и птенцов в ближайшем ястребином гнезде. И наконец, мы могли бы обнаружить распространение радиоактивности обратно в почву и первичные продуценты.

25.6. Углерод, как и другие основные элементы, участвует в сложном биохимическом цикле

Хотя и тесно связанные между собой, потоки энергии и вещее в экосистеме значительно отличаются друг от друга. Энергия эта должна постоянно пополняться, так как вещества используются неоднократно. Возможно, что какой-то из атомов углерода вашего тела являлся составной частью структуры миллионов других организмов на протяжении истории жизни, и то же самое можно сказать о любом атоме живых тканей.

Из более чем 100 элементов, существующих на Земле, около 30 являются жизненно важными для живых организмов. Некоторые нужны в больших количествах, как, например, углербд, водород, кислород и азот, а некоторые в небольших количествах. Однако все они должны циркулировать в биосфере. Существуют два основных типа циклов: один включает в себя газы и твердые вещества, другой - только твердые вещества. Фосфор не циркулирует в биосфере в виде газа, но он может поступать в атмосферу в виде частиц. Углерод представляет собой элемент, который в твердом состоянии попадает в живые организмы и в землю, а в виде углекислого газа - в воздух.

Рассмотрим возможную судьбу одного атома углерода в молекуле СО2. Этот газ может растворяться в морской воде (СО 2 +Н 2 О->Н 2 СО 3), образуя угольную кислоту Н 2 СО 3 или ее отдельные компоненты: ионы Н + , бикарбонат НСО - 3 или карбонаты СО 2- 3 . Эти анионы ассоциируются с катионом кальция Са 2+ и в теплой воде могут осаждаться в виде извести, углекислого кальция СаСО 3 . В такой форме атом углерода может стать составной частью известкового остова кораллового рифа.

Коралл в конце концов разрушается, и известь откладывается на дне моря. Проходят тысячи лет. Слой извести оказывается глубоко под покровом различных наносных отложений. Давление в мантии Земли в конечном итоге приводит к поднятию на поверхность известковой горной цепи. Под действием ветра и дождя происходит медленная эрозия ее верхних слоев и частицы породы растворяются в грунтовой воде. Когда СаСО 3 попадает в кислую почву, освобождается углекислый газ, который поступает в воздух (2Н + +СаСО 3 ->Са 2+ +СО 2 +Н 2 О). Из воздуха углекислый газ усваивается листьями растений, например дубовыми. При фотосинтезе углекислый газ включается в состав углеводов, которые благодаря синтетической активности дубовых листьев опять окисляются в СО 2 . Из воздуха молекула СО 2 может попасть в устьице ближайшего олеандрового листа и опять восстанавливаться в виде углеводов. Затем атом углерода может попасть в организм тли и стать частью аминокислоты. Через несколько часов божья коровка поедает тлю. Через три дня, когда божья коровка становится добычей малиновки, тот же атом углерода входит в состав белка мышечных клеток малиновки. Спустя неделю малиновка попадает в когти ястреба, в организме которого аминокислота, содержащая этот атом углерода, включается в белок пера. Спасаясь от дикой кошки, ястреб теряет перо, и оно попадает в благоприятную почву, где слой за слоем покрывается мхом. Мох, а вместе с ним и это перо превращаются в торф. Однажды этот торф срезали и сожгли, а атом углерода опять освободился в виде углекислого газа. Через несколько дней он растворяется в дождевой капле и снова попадает в море. Рисунок 25-4 иллюстрирует в более обобщенном виде цикл круговорота углерода. Однако этот путь может быть и несколько иным. В действительности в чистом виде углерод не циркулирует. Он входит в состав молекул, которые движутся иногда быстро, иногда медленно в тысячах разных направлений - из суши в море, из моря в море, от континента к континенту, от растения к животному, от животного к растению, из организма в атмосферу и т.д. Цикл каждого атома углерода различен.

25.7. Азот циркулирует в биосфере так же, как углерод

Цикл азота (рис. 25-5) в основном сходен с циклом углерода, за исключением того, что большинство зеленых растений не способны получать азот из атмосферы. Они усваивают его с помощью определенных азотфиксирующих бактерий и сине-зеленых водорослей, способных фиксировать атмосферный азот в организме в виде различных соединений, пригодных для использования зелеными растениями. Некоторые ученые считают странным, что все растения и животные испытывают потребность в азоте, но только некоторые из них, очень маленькие, способны усваивать его из атмосферы. Остальные растения (и животные) зависят от азотфиксирующих бактерий и водорослей при превращении атмосферного азота в пригодные для использования соединения.

Зеленые растения поглощают азот в основном в форме солей азотной кислоты и используют его для синтеза белков и нуклеиновых кислот. Если растения потребляются в качестве пищи, азот в составе их аминокислот и белков поступает в организм потребителя. В конечном итоге азот освобождается из организма в виде азотистых отходов, таких, как моча, мочевая кислота и аммиак, или при разложении тканей. Отходы окисляются несколькими видами нитрифицирующих бактерий и опять становятся доступными в форме нитратов или нитритор. Таким образом, атом азота обычно используется много раз, но иногда, в форме аммиака, нитрата или нитрита. Под действием денитрифицирующих бактерий он выделяется в газообразном состоянии. Газообразный азот может опять связываться в нитраты под действием бактерий или в результате фотоэлектрической активности в атмосфере.

25.8. Деятельность человека привела к нарушению равновесия кругооборота азота

Круговорот азота в природе сбалансирован, но в некоторых частях земного шара условия окружающей среды сильно изменились за последние три четверти века. Например, в США фермеры, старавшиеся получать богатые белком зерновые культуры, очень скоро исчерпали естественный запас нитратов в почве. Некоторые из них начали использовать севооборот культур и употреблять навоз в виде удобрения на полях. Это способствовало сохранению содержания органического азота в почве и не нарушало физическую структуру почвы, так что дренаж и аэрация (с помощью червей и т. д.) осуществлялись по-прежнему хорошо. Применение химических удобрений вместо азотсодержащих органических отходов также позволяло получать хорошие в экономическом отношении растения, но не обеспечивало нужную пропорцию остатков органических веществ в почве. Почва, таким образом, становилась все менее и менее пористой. Растения, выращиваемые на такой почве, имели недостаточный доступ кислорода к корням и не могли использовать все количество нитрата, который добавлялся в почву. Оставшийся нитрат терялся в результате выщелачивания и вымывания или превращался в аммиак, газообразный азот и окислы азота.

Таким образом, в почве с обедненным содержанием гумуса азотные удобрения обеспечивают питательными веществами данное растение, но вызывают дальнейшее обеднение почвы, нарушая равновесие почвенной системы. Большая часть из 10 млн. т азота, внесенных в почву в США, рассеивается в атмосфере в виде газа или вместе с дождем, снегом смывается в озера и реки.

Это имеет одно особенно опасное последствие, которое можно увидеть на примере озера Эри. Переизбыток азотистых остатков сельскохозяйственных удобрений в сочетании с повышенным уровнем фосфора вызвало здесь усиленное "цветение" водорослей. Процесс, вызывающий такое цветение, называют эутрофтацией . Водоросли, поглощая неорганический азот и превращая его в органический дли обеспечения собственного роста, быстро растут, быстро отмирают и загрязняют озеро органическим веществом. Основная проблема заключается в том, что водоросли отмирают вскоре после цветения, и разлагающие бактерии и грибы используют так много кислорода при их разложении, что в воде не остается достаточного количества кислорода для других организмов. Редуценты, живущие на таком органическом веществе и превращающие его в неорганические соли, нуждаются в кислороде, и если они не получают его, органическое вещество и побочные продукты анаэробного разложения скапливаются на дне озера.

Нарушается и круговорот азота в атмосфере. Каждый год в США промышленные установки и двигатели автомобилей образуют из атмосферного азота и кислорода более чем 8 млн. т окислов азота. Некоторые из эти* оксидов на солнечном свету и в соединении с отходами топлива образуют смог, другие окисляются до нитратов, которые вместе с дождем и снегом снова попадают в почву и воду, удобряя растения или усиливая эутрофикацию воды.

Интенсивное использование искусственных удобрений временно способствовало поддержанию высокого уровня продуктивности сельскохозяйственных растений. Однако оно поставило перед серьезной угрозой будущие посевы, вызвав исчезновение азотфиксирующих бактерий и нарушив равновесие круговорота азота. Кроме того, оно в значительной степени явилось причиной усиленного цветения водорослей, портящих водоемы.

25.9. Сера совершает кругооборот в биосфере и, образуя сульфаты, связывает большое количество кислорода

Всем живым организмам для образования некоторых аминокислот требуется сера. Рисунок 25-6 иллюстрирует основные пути кругооборота этого элемента. Растения извлекают ионы серы из почвы и передают их животным. Часть серы из почвы смывается в море, где она используется водными организмами или тысячелетиями сохраняется в виде осадков.

Осадки в конечном итоге уплотняются, образуя угольную или нефтеносную породу, сланцы и т. д. Затем рера продолжает участвовать в круговороте или в результате выветривания пород, или в виде продуктов сгорания при использовании человеком нефти и угля в качестве топлива.

Подобно нитратам, все больше и больше сульфатов скапливается в море. Источником пополнения запаса серы, участвующей в круговороте, могут быть различные сульфаты, но те из них (SO 2- 4), которые выщелачиваются из почвы, представляют собой часть земного запаса кислорода и тысячелетиями не участвуют в круговороте. Существует только один процесс, который работает в обратном направлении и освобождает кислород из сульфатов. Этот процесс осуществляется сулmфатвосстанавливающими бактериями , живущими в иле озер, болот и эстуариев. Эти бактерии погибают при наличии свободного кислорода и поэтому живут в бескислородной среде. Они используют серу так же, как другие организмы используют кислород, и превращают SO 2- 4 в сероводород (H 2 S) и кислород. Однако, скорее всего, потому, что значение этих бактерий неизвестно большинству людей, производится осушение маршей и засыпка болот. Некоторые ученые полагают, что продолжение осушительных мероприятий даже в таком же масштабе, как они ведутся сейчас, может повлиять на снабжение окружающей среды кислородом.

25.10. Фосфор и несколько десятков других минеральных веществ совершают кругооборот в экосистемах не в газообразном состоянии

Фосфор необходим растениям и животным для образования ДНК и АТФ, богатого энергией, а животным, кроме того, для образования костной ткани. Круговорот фосфора несколько отличается от круговорота углерода, азота и серы, поскольку он никогда не существует в газообразном состоянии.

Фосфор перемещается в основном в воде или в составе органических веществ (рис. 25-7) и участвует в так называемом осадочном круговороте . Меньшая его часть движется в виде частиц в атмосфере. Фосфор особенно чувствителен к действию силы тяжести и быстро скапливается в озерах и морях. Там он имеет тенденцию оставаться в осадках и возвращаться на поверхность Земли только в результате чрезвычайно медленных процессов горообразования. В связи с этим, а также потому, что фосфор относительно больше концентрируется в организмах, чем в окружающей среде, он часто становится фактором, ограничивающим рост организмов. (Если организм имеет в достаточном количестве все необходимые питательные вещества за исключением фосфора, недостаток этого вещества ограничивает его рост.) Поскольку источником фосфора являются горные породы и почва, его содержание в них не сразу восстанавливается после удаления фосфора с данной площади. Продуктивность экосистемы, будь это лер, озеро, бухта или луг, может оказаться значительно пониженной в связи с недостатком фосфора.

Медь, железо, магний, кобальт, цинк, бор и несколько десятков других элементов также необходимы в экосистемах. Их круговорот сходен с круговоротом фосфора, поскольку они, как правило, не существуют в газообразном состоянии и не могут перемещаться в атмосфере. Некоторые из перечисленных элементов добавляются во все более увеличивающихся количествах на поля, хотя это может привести к нарушению естественной структуры и равновесия в почве, к загрязнению водных путей и т. д. Чем больше будет таких и подобных им нарушений, тем больше химической энергии - в виде удобрении, пестицидов, горючего для сельскохозяйственных машин и т. д. - должно быть вложено, чтобы получить такой же урожай. Развитие сельского хозяйства в действительности зависит от наличия ископаемого топлива (используемого в качестве горючего и при производстве удобрений, электричества и т. д.), а не от количества рабочей силы или естественного круговорота веществ. По мере расхода ископаемых видов топлива и увеличения их стоимости возрастают цены на продукты питания, а потребность в них не уменьшается.

Рассмотрите рисунки 230-234. Какие химические соединения используют организмы в круговоротах веществ? Какое значение имеют процессы фотосинтеза, испарения воды, дыхания, азотофиксации для обеспечения круговоротов веществ и потока энергии в биосфере?

Все составляющие биосферу компоненты и происходящие в ней процессы тесно взаимосвязаны. Стабильность биосферы поддерживается постоянно происходящими в ней круговоротами веществ и превращением энергии. Круговороты разнообразны по масштабам и качеству явлений, например, круговорот воды, круговорот углерода, круговорот азота. Они осуществляются с участием всех компонентов биосферы и входят в состав единого биогеохимического круговорота.

Биогеохимический круговорот - обмен веществ и превращение энергии между различными компонентами биосферы, связанные с деятельностью ее организмов.

Основной движущей силой биогеохимического круговорота является непрерывно происходящий в биосфере поток энергии, связанный с деятельностью живого вещества.

Организмы нуждаются в энергии для поддержания своей жизнедеятельности. Энергия в биосфере существует в нескольких формах. Известны механическая, химическая, тепловая, электрическая и другие формы энергии. Переход одной формы энергии в другую, называемый преобразованием энергии, подчиняется закону сохранения энергии, который гласит, что энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена.

Основной источник энергии в биосфере - это энергия Солнца (рис. 228). Она нагревает атмосферу и гидросферу, вызывает передвижение воздушных масс, океанических течений, испарение воды, таяние снега. Автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, в результате реакций фотосинтеза преобразуют солнечную энергию в энергию химических связей созданных органических веществ. Значительная часть ее расходуется самими растениями на процессы жизнедеятельности. Меньшая часть химической энергии растений передается дальше по пищевым цепям гетеротрофным организмам. Гетеротрофные организмы, главным образом животные, преобразуют химическую энергию в другие ее формы, например механическую, электрическую, тепловую, световую. Некоторая часть аккумулированной зелеными растениями солнечной энергии может накапливаться в биосфере в виде запасов древесины, торфа, угля и горючих сланцев.

Рис. 228. Поток энергии в биосфере

Следовательно, круговорота энергии в биосфере не происходит. Этот процесс не является замкнутым. В биосфере наблюдается лишь поток энергии, связанный с превращением одной ее формы в другую.

Круговорот воды. Вода играет важнейшую роль в биогеохимическом круговороте, так как живые тела в среднем на 80% состоят из нее, а Мировой океан занимает более 2/3 поверхности земного шара (рис. 229).

Рис. 229. Распределение воды на Земле

В пределах всей планеты круговорот воды осуществляется между морями, океанами и материками (рис. 230). Вода, испаряемая Солнцем с поверхности морей и океанов, переносится ветрами на материки, где выпадает в виде атмосферных осадков. Значительная часть воды при этом оказывается связанной, например в виде снега и льда, т. е. является временно недоступной для организмов. С речными и грунтовыми стоками вода затем постепенно возвращается в океаны.

Рис. 230. Круговорот воды в биосфере

Значительная часть воды, имеющейся на суше, поглощается из почвы растениями и затем в виде водяного пара испаряется листьями для предотвращения перегревания. Часть воды растения расходуют на процесс фотосинтеза. Животные воду получают с питьем и с пищей. Удаляется из животных организмов вода в составе выдыхаемого воздуха, пота и других выделений.

Наземные растения, главным образом из влажных экваториальных лесов, испаряя воду, уменьшают ее поверхностный сток и удерживают влагу в атмосфере. Это препятствует размыванию почвы осадками и разрушению ее верхнего плодородного слоя. Сокращение площади экваториальных лесов в результате их интенсивной вырубки человеком приводит к засухам в прилегающих районах земного шара.

Рис. 231. Круговорот углерода в биосфере

Круговорот углерода. Углерод в биосфере в основном представлен двуокисью углерода (углекислым газом). Основной ее первичный источник - это вулканическая деятельность. Связывание углекислого газа происходит двумя путями (рис. 231). Первый состоит в его поглощении растениями в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующим отложением их в виде торфа, угля, горючих сланцев (рис. 232). Второй путь состоит в том, что углекислый газ растворяется в водоемах, переходя в карбонат-ионы и гидрокарбонат-ионы. Затем с помощью кальция или магния происходит осаждение карбонатов на дно водоемов в виде известняков. Запасы углекислого газа в атмосфере постоянно пополняются благодаря дыханию организмов, процессам разложения органических остатков, а также от сжигания топлива и выбросов промышленности.

Рис. 232. Торфяные отложения - один из вторичных источников углерода в биосфере

Круговорот азота. Основным источником азота в биосфере служит газообразный атмосферный азот. В небольших количествах атмосферный азот связывается с кислородом воздуха в нитраты при грозовых разрядах (рис. 233).

Рис. 233. Газообразный азот в атмосфере при грозе связывается с кислородом воздуха в нитраты

Основное связывание атмосферного азота осуществляется азотфиксирующими бактериями, обитающими в почве (рис. 234). Они синтезируют нитриты и нитраты, которые становятся доступными для использования растениями. В растениях азот переходит в состав органических соединений, например белков, нуклеиновых кислот и АТФ. При разложении трупов погибших организмов или при выделении мочи у животных, азот поступает в почву в виде соединений аммиака. Они затем окисляются до нитритов и нитратов и снова используются растениями. Частично нитраты почвы восстанавливаются денитрифицирующими бактериями до газообразного азота. Так осуществляется восполнение запасов газообразного азота в атмосфере. Запас нитратов в почве пополняется также благодаря внесению в нее человеком неорганических азотных и органических удобрений.

Рис. 234. Круговорот азота в биосфере

Итак, непрерывно происходящие в биосфере круговороты воды, углерода, азота и превращение энергии образуют единый биогеохимический круговорот. Вещества и элементы в нем используются организмами многократно. Энергия, в отличии от них, используется организмами только один раз. Биогеохимический круговорот не имеет полной цикличности. Часть веществ из него исключается и может накапливаться в природе.

Упражнения по пройденному материалу

1. Что такое биогеохимический круговорот? Какими процессами он обеспечивается?
2. Опишите, как происходит круговорот воды в биосфере. Какова роль в нем растений и животных?
3. Как осуществляется круговорот углерода в биосфере? В каком виде углерод может накапливаться в природе?
4. Опишите, как происходит круговорот азота в биосфере. Какова роль в нем азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий?
5. Объясните, почему правильно говорить о происходящем в биосфере круговороте веществ и элементов, но неправильно говорить о круговороте энергии в биосфере?