Общая-геохимия.-Иркутск-2019 (1) (856215), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Биосфера7.3.1. Границы и структура биосферы, живоеи косное вещество. Типы, состав и количествоживого вществаВлияние внешней среды «на форму и организацию животных»рассматривал французский натуралист Ж. Б. Ламарк (1744–1829),однако термин биосфера предложил австрийский геолог и палеонтолог Эдуард Зюсс (1831–1914) в 1875 г. Учение о биосфере разработано российским ученым, академиком В. И.
Вернадским (1863–1671945). В 1926 г. вышла его книга «Биосфера», в которой он показал,что деятельность живых организмов изменяет геологические оболочки Земли и создает биосферу. В. И. Вернадский писал: «Жизньзахватывает значительную часть атомов, составляющих материюземной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном интенсивном движении. Из них все время создаютсямиллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длитсябез перерыва десятки миллионов лет.
На земной поверхности нетхимической силы, более постоянно действующей, а потому болеемогущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».В настоящее время термин «биосфера» нередко понимается вдвух смыслах:1) область планеты, в которой существует жизнь;2) сумма живого вещества.За пределами Земли живые организмы не были обнаружены,следовательно, существование внеземных биосфер на данный момент остаётся гипотетическим. Биосфера включает в себя нижниеслои атмосферы, верхние слои литосферы и гидросферу.
Фактическую мощность биосферы на земле трудно измерить.Верхняя граница биосферы расположена в атмосфере на высоте около 15 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительноедля живых организмов. Птицы обычно летают на высотах от 650 до3000 м, но самая высоко летающая птица Земли гриф Рюппеля может подниматься на высоту 12 150 м.Нижняя граница биосферы в литосфере колеблется в пределах 3,5–7,5 км. Она зависит от температуры, которая, в свою очередь, связана прямой корреляцией с глубиной. При этом скорость, скоторой растёт температура в пределах земной коры, зависит отмногих факторов, включая тип коры (континентальный или океанический), вид горных пород, географическое положение и в среднем увеличивается от 30 °С на 1 км.
Так, в Швеции были обнаружены термофильные микроорганизмы в кернах, извлечённых с глубины более 5 км, где температура пород составляет около 75 °С.Однако максимальное число живых организмов присутствует впочвах на первых метрах глубины от поверхности. Известно, что в1 г почвы содержится до 100 млн бактерий.168Нижняя граница биосферы в гидросфере: 10–11 км.
Она определяется глубиной океана. Глубоководные рыбы были обнаружены вжелобе Пуэрто-Рико на глубине 8372 м, а барофильные морские микробы – в Марианской впадине на глубине более чем 10 км.Очевидно, что биосфера возникла позже других оболочек, поскольку вряд ли жизнь могла появиться прежде, чем условия на поверхности стали для нее благоприятны, т. е. прежде, чем сформировались атмосфера, литосфера и гидросфера.В структуре биосферы выделяют живое, косное, биогенное ибиокосное вещество.Живое вещество – это совокупность живых организмов. В отличие от живого косное вещество – неживое вещество планеты икосмоса, которое формировалось без участия живых организмов,например, гранит.
В составе живого вещества определяют O, H, C иN. Гораздо ниже содержания алюминия, железа и кремния. Биогенное вещество – продукт жизнедеятельности организмов, например,каменный уголь или известняк. Биокосное вещество – продукт совместной деятельности живых организмов и небиологических процессов, например, почва.В. И. Вернадский сформулировал 12 различий между живым икосным веществом:1. Косное вещество сосредоточено в биосфере и за ее пределами, в более глубоких частях планеты, где живое вещество «заглушается давлением». Живые естественные тела проявляютсятолько в биосфере и только в форме дисперсных тел, в виде живыхорганизмов и их совокупностей.2. В косных естественных телах нет преобладания правых илилевых форм, не подчиненных законам симметрии твердого тела.Для живых организмов характерна избирательность изомеров, обусловленная иным состоянием пространства, диссимметрией Пастера (правизна-левизна).3. Новое косное естественное тело создается физикохимическими и геологическими процессами, безотносительно к ранее бывшим естественным телам, живым или косным.
Здесь напервое место выступают физико-химические параметры (температура, давление, концентрация). Новое живое естественное тело –живой организм – родится только из другого живого организма.4. Процессы, создающие косное естественное тело, обратимыво времени. Процессы, создающие живое естественное тело, необратимы во времени.1695. У косного вещества размножения нет.
Живое естественноетело создается размножением – созданием нового живого естественного тела из предыдущего живого естественного тела, из поколенияв поколение. Оно создается сложным биохимическим процессом.6. Число косных естественных тел не зависит от размеровпланеты, а определяется свойствами планетной материи-энергии.Число живых естественных тел количественно связано с размерамибиосферы.7. Площадь и объем проявления косных естественных тел неограничены в пределах планеты, масса их колеблется в геологическом времени. Масса живых веществ (совокупностей живых естественных тел) близка к пределу и, по-видимому, остается подвижнонеизменной в течение геологического времени. Она определяется, вконце концов, количеством и колебаниями лучистой солнечнойэнергии, охватывающей биосферу.8.
Минимальный размер косного естественного тела определяется дисперсностью материи-энергии – атомом, электроном, корпускулой, нейтроном и т. д. Максимальный размер определяетсяразмерами планеты. Минимальный размер живого естественноготела определяется дыханием, главным образом газовой биогенноймиграцией атомов.9. Химический состав косных естественных тел всецело является функцией состава окружающей среды, в которой они создаются. Химический состав живых естественных тел создается ими самими из окружающей среды, из которой они питанием и дыханиемвыбирают нужные им для жизни и размножения – для создания новых живых естественных тел – химические элементы. Они приэтом, по-видимому, могут менять состав их изотопов, менять ихатомные вещества.10.
Количество химических соединений – молекул и кристаллов – в косных естественных телах земной коры и биосферы ограничено. Существуют немногие тысячи естественных «земных», авероятно, и «космических» химических соединений – молекул икристаллических пространственных решеток. Количество химических соединений в живых естественных телах и количество характеризуемых ими живых естественных тел безгранично. Известнымиллионы видов организмов и миллионы миллионов отвечающихим молекул и кристаллических решеток.17011. Все природные процессы в области естественных косныхтел, за исключением явлений радиоактивности, уменьшают свободную энергию среды.
Природные процессы живого вещества в ихотражении в биосфере увеличивают свободную энергию биосферы.12. Изотопические смеси (земные химические элементы) неменяются в косных естественных телах биосферы (за исключениемрадиоактивного распада). Изменение изотопических смесей является характерным для живого вещества свойством.Типы, состав и количество живого веществаПо способу питания и отношению к внешней среде различаюторганизмы:● автотрофные, потребляющие неорганические вещества испособные синтезировать из них в процессе фотосинтеза или других процессов вещества органические (большая часть растений);● гетеротрофные, питающиеся организмами или их остатками (все животные и часть растений);● аэробные, живущие в среде с присутствием атмосферноговоздуха;● анаэробные, обитающие вне кислородной среды, к ним относятся преимущественно микрорганизмы.Число органических соединений и организмов значительнопревышает число известных минералов (более 3500), общее числовидов растений и животных превышает 2 млн.В состав живого вещества входят все элементы периодической системы, однако основными из них являются О – 70 %, С –18 %, Н – 10,5 %, N – 0,3 %.
Поэтому главной геохимической функцией живого вещества является круговорот в первую очередь CO2 иH2O.Состав растений. Характерно отчетливое своеобразие отдельных семейств, родов и видов растений в аккумуляции элементов. Например, в картофеле накапливается К, в бобовых Ca, в злаках Si, в чае Al, во мхах Fe, в водорослях I.Состав животных. Характерно большее разнообразие в сравнении с растениями.
Различают две большие группы животных: скарбонатным и кремниевым скелетом. К первым относятся моллюски, кораллы, фораминиферы, вторые включают губки, радиолярии и диатомовые водоросли. После их отмирания формируютсясоответствующие биогенные осадочные породы.171Особая роль в концентрации элементов принадлежит микроорганизмам, в том числе бактериям. Некоторые из них содержатэлементы (например, S, Fe) в сотни раз превышающие их концентрации в окружающей среде.Масса живого вещества ничтожна по сравнению с массойземной коры. В живом веществе абсолютно преобладают растения(фитомасса) над животными (зоомассой) и микроорганизмами(микробиомассой). Подавляющая часть фитомассы распределена наматериках, но крайне неравномерно: максимум сосредоточен в тропических лесах (650 т/га), меньше в тайге, еще меньше в черноземных степях и минимум в пустынях (2,5 т/га).
Фитомасса океана составляет лишь 0,007 % от всей фитомассы Земли, зоомасса и микробиомасса океана на порядок больше его фитомассы. По количеству живого вещества на один гектар океан близок к пустыням, но внем наблюдаются сгущения жизни в пределах коралловых рифов изон апвеллинга (подъема к поверхности глубинных вод, богатых Ри другими биоэлементами).Важно отметить, что происходит постоянное производствоживого вещества. Ежегодная продуктивность живого вещества наЗемле в целом составляет 2,3·1011 т, из них на материках 1,7·1011 и вокеане 0,6·1011 т. Поэтому, учитывая непрерывное образование иразрушение живого вещества, можно предположить, что продукцияживого вещества в течение последних 450 млн лет превысила массуземной коры.7.3.2. Геохимические функции живого вещества.Особенности биогеохимических циклов углерода,кислорода и азота.
Дефицитныеи избыточные элементыГеохимические функции живого вещества в строении биосферы определяются тем, какую роль играет живое вещество в миграции элементов в ходе эволюции земной коры и планеты в целом.Различают следующие функции живого вещества: энергетическая,газовая, окислительно-восстановительная и концентрационная.Энергетическая функция связана с превращением солнечной энергии в энергию химических связей образованного органического вещества. Газовая функция заключается в фотосинтезе, дыхании, дея172тельности азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий,определяющих состав атмосферы Земли, в которой преобладают,как было показано выше, азот и кислород. Окислительновосстановительная функция связана с химическими превращениями веществ.
Эти реакции лежат в основе метаболизма и реакцийэнергетического обмена. Концентрационная функция живого вещества является наиболее значимой для геохимии. Она проявляется взахвате и накоплении живыми организмами биогенных химическихэлементов, прежде всего, углерода, кислорода, азота и водорода.Ниже приведены некоторые особенности биогеохимических циклов первых трех элементов в биосфере по данным Г. Б. Наумова[2010].Углерод содержится в атмосфере – 2,3·1012 т, в живом веществе – 1,2·1012 т, в гидросфере – 1,3·1014 т, в литосфере – 6,8·1016 т(из них ~ 1013 т в виде горючих ископаемых, включая горючиесланцы). Его цикл определяется механизмами взаимодействия иобменом веществ внутри каждого резервуара и между этими резервуарами.Несмотря на то что количество углерода, содержащегося впочвах и растениях ничтожно мало по сравнению с его количеством в гидросфере и литосфере, скорости обмена здесь на 3–5 порядков выше, чем в косных телах земной коры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
