Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Функции живого вещества в биосфере



Живое вещество (совокупность живых организмов) по массе составляет 0,01—0,02% всего вещества био­сферы. Однако благодаря исключи­тельно высокой скорости химиче­ских реакций, катализируемых фер­ментами, способности к быстрому воспроизводству и освоению пространства, живое вещество играет ведущую роль в геологических процессах и преобразовании земной коры. Черпая энергию и вещество из окружающей среды, живые организмы осуществляют важнейшие биогеохимические функции: энерге­тическую, концентрационную, газо­вую, окислительно-восстановитель­ную и др., преобразуя окружающую их среду и биосферу в целом.

Энергетическая функция осуще­ствляется главным образом растения­ми, улавливающими солнечную энер­гию и превращающими ее в химиче­скую энергию органических соедине­ний. По расчетам В. И. Вернадского, растения ежегодно аккумулируют около 1019 ккал энергии, за счет кото­рой образуется около 150 млрд тонн чистой биологической продукции. Остальная часть энергии рассеивает­ся, переходя в тепло, а также накапли­вается в отмершем органическом веществе и образует биогенные полез­ные ископаемые (каменный уголь, торф, нефть, горючие сланцы и др.), которые В. И. Вернадский образно на­зывал «солнечными консервами».

Концентрационная функция за­ключается в способности живых ор­ганизмов избирательно накапливать химические элементы, рассеянные во внешней среде. Благодаря этому содержание некоторых элементов в клетках живых организмов может в сотни тысяч раз превосходить их концентрацию в окружающей среде. В клетках микроорганизмов, напри­мер, содержание железа иногда уве­личено по сравнению с природной средой в 65 000 раз, марганца — в 1 200 000 раз. В результате жизнедеятельности ми­кроорганизмов образовались залежи железных руд; известковые скеле­ты морских беспозвоночных сформи­ровали осадочные породы мела и известняка.

Газовая функция проявляется в выделении растениями О2 в процессе фотосинтеза, а животными и расте­ниями — СО2 при дыхании. Некото­рые бактерии образуют азот и серово­дород. С газовой функцией живых орга­низмов связано образование в атмо­сфере Земли кислорода и уменьше­ние концентрации СО2, которая сни­зилась от десятков процентов в ранний период развития жизни до 0,035% в настоящее время.

Окислительно-восстановитель­ная функция проявляется в интенси­фикации процессов окисления и вос­становления с помощью живых ор­ганизмов. В результате их жизнедеятельности ускоряется разложение и минерализация органического вещества мертвой биомассы, химическое разложение горных пород. Напри­мер, неорганические и органические кислоты, образуемые бактериями, грибами, водорослями и другими почвенными организмами, разруша­ют минералы, включая составляю­щие их химические элементы в био­геохимические циклы.

В результате комплексного прояв­ления указанных и многих других функций, организмы стали основ­ным фактором создания современ­ной природной среды. За время существования жизни на Земле продукция живого вещества составила примерно 2,4 х 1020т, что в 12 раз больше массы земной коры. Благодаря уникальной химической активности такой грандиозной мас­сы живой материи, действовавшей в течение сотен миллионов лет, была создана и поддерживается природная среда всех геологических составляю­щих биосферы. Изменился химический состав первичной атмосферы и вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере; на поверхности суши возник плодородный слой почвы и т. п. Скорость биогенной миграции атомов и превращения энергии в биосфере постоянно увеличивались вследствие появления все более совершенных организмов и постоянного роста темпов увеличения их численности. По вы­ражению В, И. Вернадского, «на Земле нет химической силы более могущественной по результатам своего действия, чем живые организмы, взятые в целом». С возникновением человеческого общества процессы воздействия на среду еще более уско­рились, а сам человек стал одним из самых мощных факторов преобразо­вания лика Земли.


Биомасса биосферы

 

Биомасса биосферы составляет примерно 2,423 х 1012 т. Она распре­деляется по трем средам обитания: литосфере, гидросфере и атмосфере. На долю литосферы и тропосферы приходится 2,42 х 1012 т биомассы, гидросфера содержит 0,003 х 1012 т живого вещества.

Биомасса литосферы

Биомасса литосферы образована, в основном, растениями (99,2%). Доля животных и микроорганизмов состав­ляет лишь 0,8% ее суммарной величи­ны. Основное количество биомассы со­средоточено в самом поверхностном слое литосферы, преимущественно в почве, толщина которой составляет от нескольких сантиметров до 2—3 м. Более глубоко проникают корни ряда растений и сопутствующие им орга­низмы. По трещинам земной коры анаэробные бактерии опускаются на глубину 2—3 км и на 1—2 км ниже дна океана. В нефтяных скважинах ана­эробные бактерии были обнаружены на глубине 7,5 км.

Большая часть организмов, насе­ляющих сушу, связана со своеобраз­ными биоценозами почвы — рыхлого поверхностного слоя коры Земли, из­мененного атмосферными влияния­ми и живыми организмами.

Почвы образуются из материн­ской породы, разрушившейся в про­цессе выветривания, которое вклю­чает физические процессы: замерза­ние — оттаивание, нагревание — ох­лаждение, механическое действие твердых частиц, переносимых водой или ветром, а также воздействие биологических факторов, например, давления и действия химических выделений корней растений, прони­кающих в мелкие трещины субстра­та. При выветривании растениям становятся доступны ионы биогенных (необходимых для жизни) эле­ментов (нитратов, фосфатов, и др.) и на осадочных породах начинает развиваться растительный покров. В грунте формируются детритные трофические цепи сапрофагов, в ре­зультате деятельности которых дет­рит перерабатывается в гумус — аморфное органическое вещество, в котором уже невозможно распо­знать первоначальный материал. Гумус находится в коллоидном со­стоянии. Отдельные его частицы прочно прилипают к глине и другим минеральным частицам почвы и об­разуют минерально-гуминовый комплекс.

Одновременно с процессом гумификации происходит процесс минера­лизации — превращение редуцента­ми органических соединений в неор­ганические, содержащие доступные для растений элементы минерально­го питания (нитраты, фосфаты, ка­лий, натрий, кальций и др.).

В гумусе почв накоплены огромные запасы химически связанной энер­гии, составляющие 1,2 х 1018 ккал, что соответствует запасам энергии во всей массе одновременно существую­щих живых организмов.

Почва — наиболее насыщенная организмами часть биосферы. Почвенный детрит поддерживает сложные пи­щевые цепи почвенных биоценозов, включающие множество видов чле­нистоногих, червей, моллюсков и других землероев, а также грибов, простейших и бактерий. Подсчита­но, что биомасса одних дождевых червей в суглинистых почвах дости­гает 1,2 т на 1 га, а количество бакте­рий в 1 г почвы составляет сотни мил­лионов. Некоторые позвоночные жи­вотные, например кроты и слепыши, всю жизнь проводят в почве. Многие грызуны (суслики, песчанки, полев­ки и другие животные) поддержива­ют высокую плотность своих популя­ций благодаря норному образу жиз­ни. Лисы, шакалы, барсуки в норах приносят потомство. Береговые лас­точки, удоды, сизоворонки гнездят­ся в норах.

В почве непрерывно протекают процессы газообмена и движения воды, совершаются разнообразные химические реакции, связанные с жизнедеятельностью многочислен­ных почвенных организмов. Ночью при охлаждении и сжатии газов в почву проникает некоторое количество воздуха. Проникающий в почву с воздухом кислород погло­щается растениями и животными, азот улавливается азотфиксирующими бактериями и превращается в форму, усваиваемую растениями. Днем при нагревании почвы из нее выделяются углекислый газ, амми­ак, сероводород и другие газы.

Дождевая и талая вода, попадая в почву, растворяет минеральные со­ли, при этом часть ее удерживается в ней, а часть выносится в реки и океан. Почва и растения в процессе транспирации испаряют поднимающуюся по мельчайшим порам грунтовую воду. В результате этих процессов в почве происходит постоянное движение растворов и выпадение солей в раз­ных почвенных горизонтах.

В каждой природной зоне почвообразова­тельные процессы приводят к формированию почвенного слоя разной мощности. В тундрах и полупустынях он составляет несколько сантиметров, на степных черноземах, особенно тучных, до 2—3 м. Для каждой природной зоны характерны свои типы почв: тундровая глеевая, подзоли­стая лесная, серая лесная, черноземная степ­ная, каштановая степная, пустынный серо­зем, тропический серозем и др.

Важнейшим компонентом биосфе­ры суши служит растительность. Она образует приземную пленку орга­нического вещества, заключенную между поверхностью почвы и верх­ней границей растительного покрова. Толщина этого слоя жизни варьирует от нескольких сантиметров (пусты­ни, тундры, болота и др.) до несколь­ких десятков метров (леса). Многие растения существуют в двух сферах: корни их находятся в литосфере, а стебли, листья и репродуктивные ор­ганы — в атмосфере. Наземная расти­тельность заключает около 90% биомассы биосферы и дает около 2/3 об­щей первичной продукции растений биосферы. Растительность имеет бо­лее или менее зональный характер и обнаруживает тесную связь с природ­ными климатическими поясами. Многие из них получили названия в соответствии с типом растительно­сти: зона тундры, зона хвойных ле­сов, зона смешанных лесов, и пр.

Биомасса растений, в соответст­вии с разнообразием условий сущест­вования, распределена весьма нерав­номерно, но имеет общую тенденцию к увеличению от полюсов к экватору. Так, в тундре она составляет в сред­нем 140 г/м2, в тайге — 800 г/м2, во влажных тропических лесах — 2200 и более г/м2. С севера к югу увеличивается так­же видовое разнообразие растений. В тундре, например, насчитывается около 1000 видов лишайников и мхов и около 1400 видов цветковых растений, тогда как в дождевых тро­пических лесах сосредоточено свыше 4/5 всех видов растений мира (флора Земли насчитывает около 375 тыс. видов растений). Однако, в зависимо­сти от количества осадков и распре­деления их по сезонам года, в одной природной зоне могут существовать биомы (крупные экологические так­соны) с очень большой и весьма не­значительной биомассой, например тропические дождевые леса, саван­ны, полупустыни и пустыни в тропи­ческой климатической зоне. Количество и видовое разнообра­зие животных различных биогеоце­нозов суши зависят от характера их фитоценозов и соответству­ют им.

Биомасса гидросферы

Объем вод гидросферы равен 1389,5 млн км3, 97,4% которых со­ставляют соленые воды. В их числе 96,5% — воды Мирового океана (1340,7 млн км3) и 0,9% — соленые подземные и озерные воды. На долю пресных вод приходится лишь 2,6% (35,8 млн км3) общего объема гидросферы. Это воды атмосферы, рек, озер, ледников, подземные и почвен­ные воды, а также воды, содержащие­ся в животных и растениях. Площадь Мирового океана равна 361,3 млн км2, что составляет 70,8% площади поверхности Земли (510,1 млн км2).

Основная среда гидросферы — вода — обладает рядом уникальных свойств, которые благоприятствуют развитию жизни. Вода — хороший растворитель. В ней растворяются кислород и угле­кислый газ, что особенно важно для жизни растений и животных. Темпе­ратура замерзания воды — 0 °С, а наибольшую плотность вода имеет при 4 °С. Поэтому лед плавает на по­верхности воды, создавая изолирую­щий слой, препятствующий ее за­мерзанию. Даже у Северного полюса, где океан покрыт вечными льдами, под их толщей существуют разнооб­разные живые организмы. Высокая теплоемкость воды способствует сглаживанию изменений температуры водной среды в разные периоды года, а благодаря непрерывным перемещениям водных масс поддерживается относительно посто­янный физико-химический состав Мирового океана. Благоприятные для существования организмов свойства воды спо­собствовали тому, что гидросфера ста­ла местом зарождения и колыбелью жизни на нашей планете. В настоя­щее время гидросфера заселена жи­выми организмами по всей ее толще.

Особенности распространения биомассы в океане зависят от его структуры. В океане различают пелагиаль, которая включает толщу воды от по­верхности до дна, и бенталь — дно океана. Пелагиаль образуют прибрежные воды (до глубины 200 м) и зона от­крытого океана (океаническая об­ласть).

Бенталь состоит из нескольких частей. От берега до глубины пример­но 200 м (иногда больше) спускается материковый шельф. Ширина его может быть от нескольких десятков до сотен километров. Край континентального шельфа круто обрывается и переходит в материковый склон, который на глубине около 3000 м стано­вится все более пологим и образует ложе океана (рис. 20.2). Обитатели толщи воды по особенностям перемещения в ней делятся на две группы: планктон и нектон.

Планктон — совокупность организмов, не способных противостоять переносу течениями. Он включает фитопланктон, зоопланктон и бактериопланктон. Фитопланктон населяет поверхностные воды до глубины 50—100 м. Он состоит из различных водорослей и является основным продуцентом органического вещества в океане. Обилие фитопланктона зависит от содержания в поверхностном слое воды биогенных соединений, а также от интенсивности освещения, которое становится лимитирующим факто­ром в высоких широтах, вызывая сезонность в развитии планктона. Про­дукция фитопланктона, благодаря его интенсивному размножению, почти в 10 раз больше суммарной продукции всего животного населе­ния океана. Биомасса же его невели­ка (около 1,5 млрд т), так как он бы­стро поглощается зоопланктоном и более крупными животными.

 

 

Зоопланктон и планктонные бактерии обитают во всей толще воды, хотя с увеличением глубины их количество быстро убывает. В морском планктоне преобладают раз­личные ракообразные, многочислен­ные простейшие, кишечнополостные, некоторые моллюски, оболочники, икра и личинки рыб, личинки мно­гих беспозвоночных.

Нектон составляют организмы, актив­но плавающие в толще воды и способ­ные перемещаться на большие рас­стояния. К ним относятся рыбы, головоногие моллюски, морские че­репахи и змеи. В нектон входят так­же животные, размножающиеся на суше, но питающиеся в воде: ласто­ногие, пингвины и др. Хотя нектон представлен крупными животными, его биомасса приблизительно в 20 раз меньше массы планктона.

Совокупность организмов, обита­ющих на дне океана (в грунте или на ррунте), образует бентос. В его состав входят юрские звезды, голотурии, морские лилии, моллюски, многощетинковые кольчатые черви, некоторые рыбы (скат и камбала) и другие жи­вотные, а также бактерии и низшие грибы. На мелководьях произраста­ют водоросли и морские травы. Неко­торые бентосные животные прикреп­ляются к субстрату (коралловые и гидроидные полипы), другие — по­движны, как например, многощетинковые черви, моллюски, иглоко­жие, ракообразные и др. Ряд живот­ных ведут придонный образ жизни, опускаясь на дно лишь периодически (креветки, голотурии, придонные рыбы). Суммарная биомасса бентоса в океане составляет 10—12 млрд т.

Биомасса в океане распределена весьма неравномерно. Наибольшие «сгущения жизни» образуются на стыках сфер обитания, где условия существования разнообразны, а ре­сурсы особенно обильны. Наиболее густо населена при­брежная зона материкового шельфа. В этой зоне происходят резкие коле­бания температуры, смена водной и воздушной сред во время приливов и отливов, а также штормов. Переме­шивание поверхностных и глубинных вод приводит к выносу донных отложений, богатых биогенными элементами, что вызывает массовое размножение фитопланктона — на­чального звена пищевых цепей гид­росферы. Первичными продуцентами биомассы, особенно на участках с твердым дном, служат также круп­ные прикрепленные зеленые, бурые и красные водоросли, которые, в за­висимости от прозрачности воды, проникают на глубину до 60 м. Не случайно все крупное промышлен­ное рыболовство сосредоточено на материковом шельфе или недалеко от него.

Количество биомассы в океаниче­ской области в 10—100 раз меньше, чем в прибрежной зоне. Особенно бедны жизнью тропические области открытого океана, так как поверхностные слои здесь все время нагреваются и перемешивание воды очень незначительно. По количеству биомассы эти регионы можно сравнить с пустыней на суше. Они составляют около 63% акватории Мирового океана.

В приполярных районах Мирового океана более теплые и менее плотные глубинные воды, поднимаясь к поверхности, выносят с собой биогенные элементы, что способствует бурному развитию планктона. Такое обилие планктона наблюдается, например, у берегов Антарктиды, где он служит исходной кормовой базой для большинства обитающих здесь животных.

Повышение биологической продуктивности отмечается также в зо­нах апвеллинга — выноса глубин­ных вод к поверхности вследствие сгона поверхностных вод постоянно дующими вдоль побережий ветрами (например, у побережий Перу, Калифорнии и Южной Африки) или в рай­онах расхождения течений. Поэтому зоны апвеллинга служат важнейши­ми промысловыми районами Миро­вого океана.

Биомасса бентоса наибольших величин достигает на материковом шельфе (сотни и десятки г/м2) и про­грессивно убывает с увеличением глубины. На долю расположенных вблизи материков мелководий глу­биной до 200 м, занимающих менее 8% дна океана, приходится около 60% биомассы всего океанического бентоса. В центральных районах океанов, куда не поступают сносы органических веществ с материко­вых склонов, биомасса бентоса со­ставляет 0,01 г/м2и менее.

Условия жизни в глубинах океана весьма своеобразные. Свет здесь от­сутствует, температура составляет 1—2 °С, соленость — около 3,3% гидростатическое давление 300—600 атм. Скудным источником пищи служат вещества, поступающие из поверхностных слоев в виде детрита («дождь трупов»). «Оазисами жиз­ни» здесь являются сообщества орга­низмов, образующиеся вблизи выхо­дов горячих подземных вод, или рас­солов, насыщенных сероводородом. Их фауна включает многие ранее не­известные виды животных (моллю­сков, многощетинковых червей и др.). В основе жизни этих «оазисов» лежит процесс хемосинтеза. Окисляя сероводород, сульфаты, соединения железа, марганца и др. бактерии ис­пользуют полученную энергию для синтеза органических веществ в от­сутствие света.

В целом, биомасса животных Ми­рового океана в 20 раз больше общей биомассы водных растительных ор­ганизмов, что является прямой про­тивоположностью аналогичного со­отношения биомассы наземных рас­тений и животных. Различие обус­ловлено тем, что основную массу растений океана составляют интен­сивно размножающиеся мелкие и недолговечные организмы фитопланк­тона, быстро истребляемые много­численными консументами.

Биомасса всей гидросферы почти в 80 раз меньше биомассы суши. Ее доля в общем рационе человека со­ставляет только 2%. Объектом промысла служат, в основном, морские животные, за счет которых человек покрывает 15% своих потребностей в белке.

Биомасса атмосферы.

Значение атмосферы для существования жизни на Земле Жизнь в атмосфере связана с тропосферой. Для тропосферы характер­но постоянство газового состава, с увеличением высоты — понижение атмосферного давления и температу­ры (примерно на 6 °С на каждый кило­метр). В связи с понижением температуры теплый воздух от поверхности Земли поднимается вверх (конвекция). В результате его конденсации при охлаждении образуются облака и выпадают атмосферные осад­ки. Благодаря этому температура и влажность на большей части поверхности Земли соответствуют условиям, необходимым для нормальной жиз­недеятельности организмов. Вслед­ствие неравномерного нагрева зем­ной поверхности возникает циркуля­ция воздуха, которая обеспечивает горизонтальный перенос тепла, вла­ги и всех попадающих в воздух ве­ществ. Благодаря этому биосфера функционирует как единая экологи­ческая система, В стратосфере на высоте 15— 35 км свободный кислород под воз­действием солнечной радиации пре­вращается в озон, который образует озоновый экран, отражающий губи­тельное для живых организмов ульт­рафиолетовое излучение. Атмосфера защищает также поверхность Земли от разрушительного действия падаю­щих метеоритов, которые сгорают в ее верхних слоях.

Биомасса атмосферы сосредоточе­на в приземном слое, занятом растительностью. В горах продвижение растений в высоту по поверхности Земли ограничено, в основном, снижением парциального давления СО2. Вследствие этого на высоте более 6000 м над уровнем моря они сущест­вовать не могут.

Из животных к полету приспособились лишь птицы, насекомые и летучие мыши. Некоторые птицы совершают сезонные перелеты на тысячи километров, часто перелетая с одного материка на другой и даже с одного полушария в другое. В верх­ние слои тропосферы с воздушными течениями могут подниматься только очень мелкие организмы, глав­ным образом споры растений, грибов и бактерий. Все живое, проникающее выше озонового слоя, подверга­ется воздействию жесткого ультрафиолетового излучения и погибает.

 


 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.