Число видов различных типов животного царства (по Р. Мею, 1988)

Типы животных	Латинское название	Число видов
Простейшие	Protozoa
Губки	Porifera
Кишечнополостные	Coelenterata
Иглокожие	Echinodermata
Нематоды	Nematoda
Аннелиды	Annelida
Плеченогие	Brachiopoda
Мшанки	Bryozoa
Энтопроктры	Entoproctra
Моллюски	Mollusca
Членистоногие:	Arthropoda:
Ракообразные	Crustacea
Арахниды	Arachnida
Насекомые	Insecta
Хордовые	Chordata:
Рыбы	Pisces
Амфибии	Amphibia
Рептилии	Reptilia
Птицы	Aves
Млекопитающие	Mammalia

Размещение растительности на суше следует широтной климатической зональности, которая иногда нарушается рельефом, очертаниями материков и другими локальными факторами. Это, с одной стороны, безжизненные ледниковые покровы и зоны жарких пустынь с минимальными значениями биомассы организмов, с другой - мощные фитоцентры экваториальных, хвойных и лиственных лесов - с максимальными.

В океанической среде зональная распространенность существенно сглажена. Максимальные скопления живых организмов наблюдаются в освещенной зоне - зоне проникновения солнечного света до глубин порядка 100 м. Особые cгyщения анаэробных организмов наблюдаются в глубоководных рифтовых зонах океана с выходами термальных растворов, связанных с подводным вулканизмом, что было обнаружено только в 1977 г.

Среди растений более половины видов составляют те, которые возникли относительно недавно в геологическом прошлом на поверхности континентов. Распределение живых организмов в пределах биосферы показано на рис. 7.

Если на суше по биомассе преобладают зеленые растения (99,2%), то в океане, наоборот, животные и микроорганизмы (93,7%). В Мировом океане весьма разнообразно по видовому составу представлены животные. В настоящее время в Мировом океане насчитывается более 160000 видов животных и около 10000 видов растений. Среди животных около 16000 видов рыб, 80000 видов моллюсков, около 15000 видов простейших (в основном радиолярий и фораминифер), около 9000 видов кишечнополостных и др. Из позвоночных животных, кроме рыб, в океане обитают черепахи, змеи, а также млекопитающие (китообразные, ластоногие, дельфины) - более 100 видов.

Выход организмов на сушу имел избирательный характер. Если не учитывать предков позвоночных животных, то можно видеть, что на сушу переселилось лишь шесть классов животных из трех типов. В то время 60 классов, относящихся к остальным

Рис. 7. Распределение живых организмов в биосфере.

типам, продолжали существовать и развиваться в море. Однако при таком соотношении число видов наземных организмов оказалось значительно больше, чем морских.

 

ПОЧВЕННЫЙ СЛОЙ

Почвы - уникальный природный слой биосферы, в котором сложность состава сочетается со сложным взаимодействием различных форм движения материи. Поскольку почвы являются источником плодородия, то они изучались весьма обстоятельно почвоведами и агрохимиками разных стран. К настоящему времени о почвах накопился огромный эмпирический материал, который является объектом почвоведения - науки о почвах. Ее начало было положено трудами В.В. Докучаева (1845-1903), который считал, что почвы являются продуктами совместной деятельности горной породы (грунта), климата, растительных и животных организмов, возраста страны и рельефа местности. Почвенный и растительный покров суши представляет собой неразрывное единство - глобальную естественную систему при совместном функционировании растений, грибов, микроорганизмов и коллоидно-дисперсного минерального вещества.

Обычно почвой называют рыхлый поверхностный слой континентов, возникший из горных пород под воздействием растений, животных и микроорганизмов. Однако почвы занимают не всю поверхность современных континентов. Развитие земледелия связано в основном с четырьмя типами почв (40%): черноземы, темные почвы прерий, серые и бурые лесные почвы. К настоящему времени лучшие почвы уже распаханы и естественно, что перед человечеством возникает проблема ограниченности почвенных ресурсов планеты. Согласно имеющимся подсчетам общая площадь распаханных почв составляет 1,5 Χ 10 га.

Состав почв выражается сочетанием минеральных, органических веществ и живых организмов, главным образом микроорганизмов. Химический состав некоторых типичных и распространенных почв представлен в таблице 13. В значительной степени он повторяет состав подстилающих горных пород, но отличается от него присутствием повышенных количеств

Таблица 13

Химический состав почв в % (по С.А. Кудрину)

Элемент	Подзолистая почва	Бурая лесная почва	Чернозем	Краснозем
О	50,40	47,93	49,30	48,37
Н	0,04	0,11	0,15	0,13
Сорг	0,56	1,59	2,05	1,81
Скарб	—	0,25	0,48	—
Р	0,048	0,062	0,07	0,079
S	0,024	0,5	0,168	—
Si	34,03	28,89	31,32	21,50
А1	6,60	8,23	6,88	11,15
Fe	3,13	5,77	3,69	11,50
Ti	—	0,88	0,47	—
Mn	0,32	0,17	0,05	0,18
Ca	0,81	1,98	2,47	0,34
Mg	0,65	1,08	1,00	0,93
К	2,00	1,41	1,32	0,23
Na	1,34	1,09	0,57	0,08

органического углерода и вариациями содержания кремнезема, глинозема и железа. Красноземы, возникающие в условиях жаркого тропического климата, обеднены кремнеземом и обогащены гидроокислами железа и алюминия, что определяет их окраску. Минеральная часть почвы возникла как прямой продукт выветривания коренных материнских горных пород; она представлена глинистыми минералами, некоторыми породообразующими минералами и гидроокислами железа и алюминия.

В почвах происходит разложение первичных органических веществ биологического происхождения до образования наиболее устойчивых продуктов, содержание которых варьирует в широких пределах. Органическое вещество почвы можно разделить на две группы: неразложившиеся и полуразложившиеся остатки растений, животных и микроорганизмов; гумус или перегной.

Первая группа содержит обычные для живого вещества еще неразложившиеся органические соединения: углеводы, жиры, белки.

Вторая, более распространенная группа, содержит гумус, представляющий ту часть органического вещества почвы, которая утратила следы первоначального строения и довольно тесно перемешалась с минеральной частью почвы. Содержание гумуса в верхних горизонтах подзолистых почв достигает 4 - 5%, в сероземах - 1,5 - 2,0%, в красноземах - до 7%. Наиболее богаты гумусом черноземы, которые в верхних горизонтах содержат до 10-15%. Состав и количество гумуса в почве зависит от состава поступающих в почву органических остатков, от интенсивности и характера сложных и разнообразных процессов минерализации и гумификации. Основная часть гумуса - гуминовые кислоты, представляющие собой смесь аморфных органических веществ коллоидной природы, непостоянного состава и относительно высокого молекулярного веса.

В состав гумуса входят битумы - смолы, воск, жирные кислоты и их производные. Также в небольшом количестве в гумусе есть различные углеводы - клетчатка, гемицеллюлоза, крахмал. Эти вещества обычно неустойчивы и легко минерализуются. Часть органического вещества переходит в почвенные растворы.

В образовании почв и почвенных процессах активное участие принимают живые организмы: растения, микроорганизмы, животные. В связи с этим можно выделить три группы почвенных биологических процессов:

1. Деятельность почвенных микроорганизмов, производящих глубокие преобразования органического и частично минерального вещества почвы.

2. Деятельность высших растений, обуславливающих круговорот химических элементов в системе почва-растение, и накопление органического вещества в почве. Механическая деятельность корневой части.

3. Деятельность почвенных животных, разрушающих органическое вещество, которое служит источником пищи, и оказывающих существенное влияние на химические и физические свойства почвы. Особую роль в почвообразовании играют дождевые черви, измельчая материал почвы.

Географическое распространение почв показывает, что существуют зональные и азональные почвы. Преобладающими являются зональные типы почв, которые изменяются в широком направлении (рис. 8).

Рис. 8. Схематический профиль почвообразования умеренного пояса (по С.А. Захарову).

 

РАДИАЦИОННАЯ ОБСТАНОВКА БИОСФЕРЫ

Все вещество биосферы Земли подвергается непрерывному излучению от различных космических и земных источников. Эволюция организмов в биосфере неизбежно протекала в определенном радиационном поле, которое существует и сейчас. Однако интенсивность радиации в этом поле несомненно могла меняться в прошлые геологические эпохи. Эволюция жизни, несомненно, протекала в поле ионизирующих излучений, важнейшим из которых была радиоактивность земной коры.

Радиационная обстановка биосферы определяется излучением Солнца, космическими лучами и естественной радиоактивностью самого материала Земли. Солнечная радиация оказывает наиболее существенное воздействие на биосферу Земли.

Солнечное излучение составляют электромагнитное и корпускулярное излучения. Основная часть энергии Солнца приходится на видимую и инфракрасную части электромагнитного спектра, и отчасти на ультрафиолетовую область, задерживаемую озоновым экраном земной атмосферы. Меньшая доля солнечного излучения принадлежит рентгеновым лучам и волнам в области радиодиапазона.

Интенсивность солнечного излучения на поверхности нашей планеты зависит от широты местности, времени года, суток, а также от облачности и прозрачности атмосферы. Солнечное излучение является основным источником энергии для большинства процессов в биосфере Земли. В общем незначительная его доля 0,1-0,5% усваивается зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Затем они используются гетеротрофными организмами, неспособными к самостоятельному синтезу непосредственно от элементов внешней среды.

Периодический характер интенсивности в коротковолновом интервале спектра Солнца, позволяет его отнести к переменным звездам, что сказывается на ряде явлений в биосфере Земли.

В 1915 г. А.Л. Чижевский обратил внимание на циклическую связь между развитием некоторых эпидемий и пятнообразовательной деятельностью Солнца. Периодичность ряда явлений в биосфере, оказывается, совпадает с ритмами солнечной активности, из которых наиболее отчетливо выражен 11-летний цикл. В настоящее время установлена связь между хромосферными вспышками на Солнце и увеличением смертельных исходов при инфарктах и инсультах, обострением симптомов разных хронических заболеваний и т.д.

Корпускулярное излучение Солнца проявляется в виде солнечного ветра и космических лучей, которые сопровождают мощные вспышки на Солнце. При вспышках усиливается интенсивность ультрафиолетового и рентгенового излучений, которые достигают Земли через 8 минут, в то время как солнечные космические лучи с энергией 10⁸ - 10⁹эВ начинают приходить на Землю спустя ~10 минут. Вспышка на Солнце образует мощную ударную волну, выбрасывая в межпланетное пространство облако плазмы. Приобретая скорость свыше 100 км/с, ударная волна и облако плазмы за 1,5 и 2 суток достигают Земли. Они вызывают магнитную бурю, усиление полярных сияний, возмущения ионосферы и т.д.

Дальнейшее изучение солнечно-земных связей имеет большое научное значение в области космонавтики, радиосвязи, транспорта, сельского хозяйства, биологии и медицины.

Космические лучи - как поток протонов и некоторых ядер галактического происхождения, обладают высокой проникающей способностью. Практически они пронизывают всю биосферу и по своей проникающей способности превосходят все другие виды излучений. Космические лучи производят в атмосфере Земли вторичные радиоактивные изотопы, которые включаются в общий круговорот химических элементов в биосфере и могут служить тонкими индикаторами этого круговорота, включая оценку возраста почв, органических остатков, молодых океанических осадков и скорости их накопления.

В результате взаимодействия протонов солнечных лучей с веществом атмосферы возникают космические нейтроны. Они вызывают наиболее важные в количественном отношении ядерные реакции, приводящие к образованию радиоактивных изотопов (табл. 14). Космические нейтроны в первую очередь преобразуют нуклиды азота, наиболее обильного газа атмосферы:

¹⁴N + n → ¹⁴С + р

¹⁴N + n → ¹²С + ³Н

Возникают радиоактивные изотопы: радиоуглерод ¹⁴С и тритий Н. Наряду с ними, за счет ядерных реакций космических частиц с другими атомами атмосферы, дополнительно возникают еще и другие радионуклиды. Вместе с другими стабильными изотопами этих же элементов они вступают в биосферный круговорот, попадая в состав тканей растений, затем животных. Естественно, что радиоактивность живого вещества частично связана с присутствием вышеуказанных космических изотопов.

Таблица 14

Количество радиоактивных изотопов в биосфере от космических лучей

Изотоп	Т период полураспада	Количество
3Н тритий	12,3 года	3,5 кг
10Ве радиобериллий	2,6-106лет	430 тонн
14С радиоуглерод	5730 лет	54 тонн
22Na радионатрий	2,6 года	1,2 кг
26 Аl радиоалюминий	0,74 106 лет	1,7 тонн
32Si радиокремний	700 лет	1 кг
32Сl радиохлор	0,31 106 лет	15 тонн
39 Аг радиоаргон	260 лет	22 кг

Радиоактивность биосферы связана главным образом с присутствием долгоживущих изотопов ⁴⁰К, ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th в различных природных телах. Все живые организмы биосферы испытывают воздействие ионизирующих излучений, испускаемых радиоэлементами, содержащимися в природных водах, почвах, горных породах и атмосфере. Как отмечал В.И. Вернадский, радиоактивный распад некоторых элементов является характерным свойством биосферы, определяющим некоторые геохимические и радиохимические процессы.

α, β и γ-лучи, испускаемые естественными радиоактивными элементами, производят ионизацию окружающей среды, хотя значительная часть энергии распада переходит в радиогенное тепло, генерируемое в разных оболочках нашей планеты. Радиоактивные элементы широко рассеяны в горных породах. Оценка среднего их содержания представлена в таблице 15.

Таблица 15

Среднее содержание основных радиоактивных элементов в горных породах

Порода	U 10-4%	Тh 10-4%	К вес %	Rb %
Земная кора в среднем	3,0	5,0-13,0	2,5	3,1 10-2
Изверженные породы:
Кислые	3,5	18,0	3,34	2 10-2
Средние	1,8	7,0	2,31	1 10-2
Основные	0,5	3,0	0,83	4,5 10-3
Ультраосновные	0,03	0,05	0,03	2 10-4
Осадочные породы:
Карбонатные	2,2	1,7+0,7	0,26	—
Сланцы	3,7±0,5		—	—
Глины	4,1		2,28	—
Песчаники	2,0	—	—	—
Метаморфические породы:
Мраморы	0,17	0,03	—	—
Филлиты	1,9	5,5	—	—
Крист. сланцы	2,5	7,5	—	—
Гранулиты	4,9	12,2	—	—
Силикатная фаза каменных метеоритов
0,1	1,0	8,5 10-2	3,5 10-4

 

Первичные физические процессы, возникающие в результате воздействия ионизирующего излучения на живые организмы, вызывают образование веществ с высокой химической активностью. Биологическое действие излучения в основном связано с продуктами радиолиза воды, к которым относятся атомы и радикалы Н, ОН, НО₂ и перекись водорода Н₂О₂. Кроме того, излучения могут оказывать прямое действие на биологические молекулы, вызывая их деструкцию.

К числу важнейших свойств живых организмов относятся мутации, которые представляют собой внезапное изменение генотипа организмов и обеспечивающие передачу мутационного признака последующим поколениям. Радиоактивность относится к важным факторам, вызывающим мутации у различных организмов. Отсюда естественно, что радиационный фон среды биосферы во многом может быть определяющим в общей эволюции растений и животных в течение всей геологической истории. Ионизация различных веществ в клетках организмов, вызываемая радиоактивностью (β и γ - лучами от радионуклидов), приводит их к активному состоянию и реакционной способности, что естественно сказывается на изменении наследственных механизмов (ДНК, РНК и др.). Экспериментально установлено, что чем больше доза ионизирующего излучения, получаемая организмом, тем выше частота возникающих в нем мутаций. Свободные радикалы водорода, гидроксила и др., возникающие от радиолиза воды в клетках, обладая высокой радиационной способностью, могут реагировать с ДНК самостоятельно, с ДНК может реагировать перекись водорода. В результате подобных реакций могут возникать мутации. Все живые организмы содержат радиоактивные элементы преимущественно в небольших количествах.

Они поступают в растения главным образом из природных вод, почвенных растворов. В провинциях с повышенным содержанием радиоактивных элементов в тканях всех растений и животных содержится повышенное количество тория, урана и продуктов их распада. В пределах континентов существуют районы с достаточно высокой радиоактивностью, против обычного ее среднего содержания в земной коре. Во внешней среде в районах с повышенным содержанием радиоактивных элементов отмечается увеличения у-излучения и усиления бионакопления радионуклидов.

В настоящее время представляется, что эволюция жизни в биосфере и радиоактивность окружающей среды - взаимосвязанные процессы. Вероятно, изучение этой зависимости поможет выяснить такие загадочные особенности эволюционного процесса, как вымирание отдельных систематических групп фауны и флоры, взрывы видообразования и другие явления. В этом отношении сделаны лишь только первые шаги. Сопоставление эпох уранонакопления с изменениями органического мира было выполнено С.Г. Неручевым (1983). Он показал, что эпохи повышенной радиоактивности среды характеризовались значительным усилением мутационного процесса, видообразования и смены фауны и флоры, а промежутки между ними - затуханием видообразования и вымиранием организмов.

Таким образом, радиационная обстановка биосферы является важным фактором существования и изменения живого вещества в настоящее время и в прошлые геологические эпохи.

ГЛАВА II