Биомасса

Массу живого вещества в биосфере называют биомассой. В табл. 6.1 приведены данные о биомассе водных и наземных организмов, выраженные в тоннах сухой массы.

Таблица 6.1

Биомасса организмов Земли

Сухое

веще

ство

Континенты

Океан

Всего

зеленые

растения

животные организмы и микроорганизмы

итого

зеленые

растения

животные организмы и микроорганизмы

итого

Тонны

2,4 х х 1012

0,02 х х 1012

2,42 х х 1012

0,0002 х х 1012

0,003 х х 1012

0,0032 х х 1012

2,4232 х х 1012

Проценты

99,2

0,8

100

6,3

93,7

100

Из табл. 6.1 видно, что биомасса распределена неравномерно по поверхности планеты. Несмотря на то что океан занимает 70,2 % всей поверхности Земли, в океане сосредоточено всего 0,13 % от суммарной биомассы живых организмов. Таким образом, наземная среда более насыщена жизнью, чем водная. Соотношение биомассы растений и животных в разных средах различно: на континентах резко преобладают растения, а в океанах — животные. Живое вещество более чем на 99 % сосредоточено в зеленых растениях суши. Биомасса животных и микроорганизмов составляет менее 1 % от общей биомассы Земли.

Суммарная биомасса живого вещества, равная 2,4232 • 1012 т, представляет собой не более 0,01—0,02 % от массы неживой части биосферы. И тем не менее основные функции биосферы в целом определяются именно живыми организмами.

Круговорот веществ и поток энергии в биосфере

Важнейшая функция биосферы — биотический круговорот химических элементов. Он совершается при участии всех живых организмов, населяющих Землю. Биотический круговорот представляет собой постоянную циркуляцию веществ между почвой, гидросферой, атмосферой и живыми организмами. Благодаря круговороту веществ возможны существование и развитие жизни при ограниченном запасе веществ, необходимых для обеспечения жизнедеятельности.

Действительно, на Земле запасы доступных организмам необходимых химических элементов не могут быть бесконечными. Если бы они только потреблялись, жизнь рано или поздно должна была бы прекратиться. «Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечности — это заставить его вращаться по замкнутой кривой» (В. Р. Вильямс). Жизнь использовала именно этот метод. Зеленые растения создают органические вещества, а другие организмы их разрушают. Из минеральных соединений, полученных от распада органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое вещество.

Единственным источником энергии, обеспечивающим круговорот веществ на Земли, является Солнце. Около 10 % поглощенной поверхностью Земли солнечной энергии затрачивается на испарение воды с поверхности водоемов и почвы. Воздушными потоками вода переносится на большие расстояния и выпадает в виде осадков, которые разрушают поверхностный слой горных пород, способствуя почвообразованию. В то же время осадки размывают почву, выносят из нее водорастворимые химические элементы и соединения. Реки переносят их на большие расстояния в моря и океаны. Здесь эти вещества используются в жизнедеятельности морских организмов и накапливаются в глубинах. Несмотря на то что циркуляция воды в биосфере в целом связана с такими физическими явлениями, как ее испарение за счет энергии Солнца и конденсация, круговорот воды между сушей и Мировым океаном представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле. Часть солнечной энергии затрачивается на нагревание атмосферы, гидросферы и поверхности земной коры. Это создает благоприятные условия для жизни организмов.

Около 0,1—0,2 % солнечной энергии, достигшей поверхности Земли, используется зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Эта энергия очень мала по сравнению с энергией, затрачивающейся на испарение воды или нагревание земной поверхности, но объем работы по перемещению химических элементов, которая осуществляется благодаря ей, огромен.

Постоянный круговорот веществ, или биогенная миграция атомов, и поток энергии в биосфере обеспечиваются в первую очередь питанием, дыханием и размножением живых организмов и связанными с ними процессами создания органических веществ, их накопления и распада. В этом круговороте веществ участвуют химические элементы, входящие в состав живого вещества (углерод, водород, азот, кислород, фосфор и т. д.). Интересно, что среди большого количества изотопов разных химических элементов в состав живых организмов вовлекаются преимущественно определенные изотопы. Так, из трех известных изотопов водорода Ш, 2Н и 3Н первый оказывается наиболее реакционно- способным. Он и характерен для живых организмов. В состав органических веществ входит углерод 12С, в то время как в неорганических химических реакциях участвует и 13С. Из трех изотопов кислорода О, 170 и 180 лишь изотоп 160, связанный с водой и входящий в состав углекислого газа, проявляет высокую биологическую активность.

Химические элементы постоянно перемещаются из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы — в живые организмы, а из них вновь попадают в окружающую среду, пополняя собой неживое вещество биосферы. Эти процессы повторяются бесконечное число раз. Так, например, весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2000 лет, весь углекислый газ — за 200—300 лет, а вся вода, имеющаяся в биосфере, — за 2 млн лет.

Живые организмы способны выделять из среды и аккумулировать в живом веществе не только широко распространенные химические элементы, но и те, концентрация которых в воде, почве или воздухе крайне мала. Известно, что многие губки и морские водоросли аккумулируют из среды обитания йод, асцидии — ванадий и т. д. Концентрация многих химических элементов в организмах растений и животных в десятки и сотни раз превышает их концентрацию в среде. Так, концентрация углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает уровень их в земной коре. В процессе биогенной миграции под воздействием живых организмов происходит изменение валентности атомов некоторых химических элементов (Fe, Mn, Cr, S и др.). В результате с участием этих элементов создаются новые химические соединения, образование и существование которых в отсутствие живой природы было бы невозможным.

Автотрофные организмы, поглощая солнечную энергию, создают первичную растительную продукцию — органические вещества из неорганических. Гетеротрофы, питаясь растениями, превращают первичную растительную продукцию во вторичную — животную. Бактерии и грибы разрушают органические вещества растительного и животного происхождения до минеральных солей, вновь доступных для усвоения автотрофными растениями.

Рассмотрим круговорот углерода и азота в природе в качестве примера биогенной миграции химических элементов (рис. 6.2). Углерод в составе углекислого газа поступает в атмосферу в результате дыхания животных и растений и минерализации органических веществ микроорганизмами. Кроме того, углекислый газ выделяется при горении органических веществ и в процессе вулканической деятельности. Углекислый газ из атмосферы поглощается фотосинтезирующими растениями. Часть образовавшихся органических веществ, в состав которых входит углерод, используется самими растениями в процессе их жизнедеятельности, часть поглощается гетеротрофными животными. Не использованные животными органические вещества вновь минерализуются микроорганизмами.

Круговорот углерода в природе

Рис. 6.2. Круговорот углерода в природе

На первый взгляд может показаться, что круговорот азота прост по сравнению с круговоротом углерода, поскольку атмосфера на 78 % состоит из молекул этого химического элемента. Однако это не так, потому что атомарный азот оказывается недоступным для зеленых растений, так как этот важный структурный компонент белков и нуклеиновых кислот может использоваться ими лишь в виде ионов нитратов (NO§). Большая часть нитратов, усваивающихся растениями, является продуктом разложения органического вещества погибших организмов, в котором принимают участие бактерии и микроскопические грибы. Кроме того, в почву и воду постоянно поступают продукты диссимиляции животных в виде мочевины и мочевой кислоты, которые также подвергаются бактериальному разложению. Конечный продукт этого процесса — аммиак (NH3). В почве аммиак реагирует с водой, образуя анион NH^ з который в процессе нитрификации окисляется до нитрата нитрифицирующими бактериями и в таком виде доступен для растений.

Большая группа почвенных бактерий, синезеленых водорослей и микроскопических грибов способна улавливать и окислять до NO3, непосредственно атмосферный азот. Особое значение в этом процессе имеют клубеньковые бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми растениями, а также грибы, обитающие в корнях ольхи, облепихи и ряда других растений. Наконец, большое количество нитратов поступает в биотический круговорот с азотными минеральными удобрениями, вносимыми в почву человеком. Некоторые бактерии почвы при недостатке кислорода способны отнимать его из нитратов для собственных нужд. Освобождающийся таким образом азот вновь поступает в атмосферу. Этот процесс называется денитрификацией.

На примере круговорота азота и углерода продемонстрирована ведущая роль микроорганизмов в биогенной миграции атомов. В круговоротах других веществ значение микроорганизмов также является ведущим.

Биогенную миграцию атомов можно наблюдать в любом биогеоценозе и на примере практически любого химического элемента. Круговороты разных элементов различны, но основная характеристика биогенной миграции в них остается неизменной: единство и неразрывность процессов аккумуляции веществ в живых организмах и их минерализации. Преобладание аккумуляции, или образования живого вещества, над его минерализацией характерно на поверхности суши, в мелководных водоемах и в верхних горизонтах морей. В почве, а также на больших глубинах в морях и океанах преобладают процессы минерализации.

Биотический круговорот складывается из частных круговоротов веществ в биогеоценозах. Интенсивность его в разных условиях неодинакова. Наиболее быстро осуществляется биотический круговорот во влажных тропических лесах, где растительные и животные остатки практически не накапливаются. Наименьшая скорость круговорота веществ в болотных биогеоценозах Севера, где из неразложившихся мертвых растений и животных формируются торфяные залежи.

Биогенная миграция атомов происходит не только в рамках отдельных биогеоценозов. Перелеты птиц, дальние миграции насекомых, рыб и некоторых млекопитающих обеспечивают перенос химических элементов на огромные расстояния между различными биогеоценозами в разных регионах нашей планеты.

Круговорот веществ в биосфере происходит постоянно на протяжении всего времени существования жизни. «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом» (В. И. Вернадский).

Таким образом, биосфера представляет собой открытую систему, в которую постоянно поступает солнечная энергия, обеспечивающая в ней устойчивый биотический круговорот веществ. Благодаря биотическому круговороту в биосфере осуществляются следующие геохимические функции, преобразующие облик Земли.

Газовая функция — образование атмосферы, в состав которой входят кислород, выделенный зелеными растениями при фотосинтезе, и углекислый газ, образующийся при дыхании, брожении и гниении. Основной компонент атмосферы — азот — также вовлекается в биотический круговорот за счет деятельности азотфиксирующих бактерий.

Концентрационная функция — накопление живыми организмами химических элементов, рассеянных в окружающей среде. Так, растения аккумулируют при фотосинтезе химические элементы из почвы (калий, фосфор, азот, водород и др.) и из воздуха (углерод), включая их в состав органических веществ, из которых состоят живые клетки.

Окислительно-восстановительная функция — превращения химических элементов с меняющейся валентностью (железо, сера, марганец, азот и др.), например, в процессе хемосинтеза почвенными бактериями. В результате деятельности таких бактерий образуются сероводород, некоторые виды железистых руд, различные оксиды азота.

Биохимическая функция — биохимические превращения в организмах в процессе жизнедеятельности и при их гибели.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >