Экология. Природа-Человек-Техника_Акимова, Кузьмин, Хаскин_Учебник_2001 -343с (Учебник по экологии Т. А. АКИМОВА, А .П. КУЗЬМИН, В. В. ХАСКИН), страница 10

В таблице 3.2 сопоставлены некоторые количественные характеристики биосферы и других геосфер Земли. Масса живого вещества биосферы сравнительно мала. Если ее распределить по всей поверхности планеты, то получится слой всего в 1,5 см. Эта «пленка жизни» (выражение В.И.Вернадского), составляя менее 10"⁶ массы других оболочек Земли, обладает несравненно большим разнообразием, и обновляет свой состав в миллион раз быстрее.

Биота биосферы обусловливает преобладающую часть химических превращений на планете. Отсюда суждение В.И.Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно (для разных круговоротов от 10³ до 10⁵) пропустили через себя, через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объем Мирового океана, большую часть массы почв, огромную массу минеральных веществ. И не только «пропустили», но и в соответствии со своими потребностями видоизменили всю земную среду.

Таблица 3.2

Сравнение биосферы с другими геосферами Земли

*Индекс разнообразия по Шеннону

** Живое вещество в расчете на сухой вес

Биомасса, продуктивность и основные функции биосферы.

Судя по оценкам биомассы и продуктивности биомов (табл. 3.1), суммарная биомасса биосферы (в расчете на сухое вещество) составляет около 2 трлн т, ежегодная продукция биомассы в 10 раз меньше. Живое вещество биосферы на 99,5% представлено биомассой наземных растений. Суммарная продуктивность биоты биосферы охарактеризована в табл. 3.3. Общее количество энергии, преобразуемое биотой биосферы за год, превышает 10²² Дж. Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба.

Газовая функция. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты и в формировании газового состава современной атмосферы. Они строго контролируют концентрации О₂ и СО₂, оптимальные для всей современной биоты.

Концентрационная функция. Пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений. Это относится не только к биосинтезу органики, но и к таким явлениям, как строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, толщ осадочных известняков, месторождений серы, некоторых металлических руд, скоплений железомарганцевых конкреций на дне океана и т.п. Ранние этапы биологической эволюции проходили в водной среде. Организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле.

Таблица 3.3

Количественная характеристика биомассы и продуктивности современной биосферы

Окислительно-восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях, например, молекулярный азот - один из важнейших биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько эффективными катализаторами - ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиогенной среде.

Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим

фактором. Суммарный запас генетической информации биоты биосферы оценивается в 10¹⁵ бит. А общая мощность потока молекулярной информации, связанной с обменом веществ и энергии во всех клетках глобальной биоты, достигает 10³⁶ бит/с (Горшков и др., 1996).

Перечисленные функции живого вещества биосферы обращены в основном к внешним факторам существования. Все вместе они составляют мощную средообразующую функцию. Работа растений обусловила современный состав атмосферы. От состава атмосферы зависит радиационный и тепловой режим на планете, спектральный состав достигающего поверхности Земли солнечного света. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздуха, рек и озер, от них во многом зависит солевой состав природных вод и распределение химических веществ между сушей и океаном. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие. Наконец, биота - главное богатство планеты и окружающей человека среды - одарила человека пищей, одеждой, множеством других вещей. Следует четко представлять, что окружающая нас среда - это не фиксированная физическая данность, а живое дыхание природы, каждое мгновение воссоздаваемое работой множества живых существ.

Средообразующая функция биосферы связана со средорегулирующей функцией - биотической регуляцией окружающей среды. Ниже, при рассмотрении параметров биотического круговорота будет показано, что биота в глобальном масштабе способна с большой точностью и долгое время поддерживать на постоянном уровне важные параметры окружающей среды, несмотря на исключительную сложность и динамичность регулируемой системы. Таким образом, биота биосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды.

3.5. Биотическая регуляция окружающей среды

Поток энергии в биосфере. Правило 1%. Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии. Достигающее биосферы излучение несет энергию около 2,5-Ю²⁴ Дж в год. Только около 0,3% ее непосредственно преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ и только 0,1% оказывается заключенной в чистой первичной продукции (ЧПП). Дальнейшая судьба этой энергии обусловлена передачей органического вещества пищи по каскадам трофических уровней гетеротрофов. В соответствии с законом пирамиды энергий, или правилом десяти процентов Р. Линдемана (1942), с каждой ступени на последующую переходит приблизительно 10% энергии. Чем больше таких ступеней, тем меньшая доля энергии достается конечному потребителю.

Участие разных групп организмов в деструкции органики имеет похожую градацию: около 90% энергии ЧПП освобождают микроорганизмы и грибы, менее 10% - беспозвоночные животные и менее 1% - позвоночные животные - конечные консументы. В соответствии с последней цифрой и сформулировано правило одного процента, согласно которому указанное соотношение является важнейшим условием стабильности биосферы. Другими словами, Для биосферы в целом доля возможного конечного потребления чистой первичной продукции в энергетическом выражении не превышает одного процента. Это приблизительная оценка. Для отдельных экологических систем порог нарушения стационарного состояния эмпирически оценивается на уровне не выше 5-10% отклонения от нормального протока энергии (Реймерс, 1994).

Поток солнечной энергии образует глобальные физические круговороты воздуха и воды на Земле. Движение воздушных масс помимо механических эффектов (ветры, волны, течения) обусловливает аэрогенную миграцию веществ, в первую очередь паров воды и пылевых частиц, аэрозолей разного состава. Под действием солнечной радиации в атмосфере происходят различные фотохимические реакции - фотолиз воды, образование озона, образование углеводородных смогов и др.

Рис. 3.4. Резервуары и круговорот воды на планете

Объемы резервуаров (подчеркнуты) - в тыс. км³; потоки влаги (испарение, перенос в атмосфере, осадки, речной сток) - в тыс. км³/год (не подчеркнуты); пределы возможных изменений уровня океана (+ 60 м, - 140 м), зависящие от таяния или роста ледников

Глобальный круговорот воды отражен на рис. 3.4. Это самый значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на Земле. За год в него вовлекается всего 0,04% массы гидросферы, но это соответствует кругообращению 16,5 млн м³ воды за секунду и более 40 млрд МВт солнечной энергии. Речной сток составляет только 7% глобального гидрологического цикла. Круговорот воды, особенно поверхностный и подземный сток на суше определяет гидрогенную миграцию веществ, которая помимо переноса состоит из множества процессов растворения, ионного обмена, окислительно-восстановительных реакций, кристаллизации, осаждения и т.д. Таким образом, кроме физических круговоротов воды и воздуха, вызываемых потоком солнечной энергии, в них вовлечены еще и круговороты многих химических элементов и их соединений. В значительной части этих процессов участвуют живые организмы.

Биотический круговорот. Круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, называют биотическим круговоротом веществ. Кроме биогенных элементов в биотический круговорот вовлечены важнейшие для биоты минеральные элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленных биотой, особенно когда речь идет о всей биосфере, называют еще биогеохимическим круговоротом.

Для равновесия в биосфере огромное значение имеет глобальная степень замкнутости биотического круговорота. Круговорот полностью замкнут, когда существует точное равенство сумм прямых и обратных расходов: . Если же в каком-то из процессов наблюдается прирост или утечка («дефект замкнутости») q, то замкнутость круговорота  выражается отношением

(3.4)

Тогда величина разомкнутости круговорота

(3.5)

Эти величины можно выразить и иначе, сопоставляя продолжительность поддержания равенства расходов Т со временем исчерпания массы вещества Т при полной остановке процесса восстановления.

Круговорот углерода. Главным участником биотического круговорота является углерод как основа органических веществ. Схема глобального круговорота углерода показана на рис. 3.5. Масса углерода в биосфере в настоящее время составляет около 4000 Гт. Из них 1000 Гт приходится на биомассу. Ежегодная нетто-биопродукция биосферы по углероду составляет - 90-100 Гт. Такое же количество углерода освобождается в процессах дыхания и деструкции. Следовательно, период обновления биомассы биосферы по углероду составляет 10 лет. Несмотря на то, что фотосинтез и деструкция органики проходят множество промежуточных этапов и обусловлены деятельностью колоссального числа различных организмов и экосистем, их равенство в биосфере в целом поддерживается с исключительно высокой точностью.