Живое вещество — совокупность всех живых орг низмов на Земле

 

с их способностью к размножению и распространению на пл нете, к борьбе за пищу, воду, территорию, воздух.

На живое вещество (по массе) приходится ничтожная доля по сравнению с массой Земли. Для живого вещества характерны рост, активное перемещение, стремление заполнить все окружающее пространст о. Кроме того, живому ве-ществу присущи удивительное разнообразие форм, размеров и химического со-става и, конечно же, эволюция.

Косное вещество представлено минер л ми(лмаз,изумруд,кварц)и гор-ными породами (гранит, мрамор), обр зов ние которых происходило и происхо-дит без участия живого вещества. Эти процессы связаны, например, с выветри-ванием горных пород, их механическим разрушением, извержениями вулканов. Между косным и живым веществами существует неразрывная взаимосвязь. На-пример, она осуществляется в процессе дыхания живого вещества, когда проис-ходит перемещение атомов из косных компонентов биосферы в живые и обрат-но. По массе косное вещество биосферы многократно превосходит массу живого вещества.

Биокосное вещество является особым веществом биосферы.Оно пред-

 

ставлено почвой, всеми приро ыми водами, корой выветривания, которые явля-ются результат м непрерывного взаимодействия живого вещества с косным.

Проявлением деятельности живого вещества по преобразованию земной коры является его участие в создании осадочных пород органического проис-хождения (каменный уголь, различные руды, известняки, нефть). Результат этой работы был н зв н В. И. Вернадским биогенным веществом биосферы. Био-генное вещество п оисходит от живого вещества в результате его жизнедеятель-ности или отмир ния. Так на планете создавались залежи многих полезных иско-паемых: торфа, угля и др.

 

Биомасса поверхности суши, Мирового океана, почвы. Биомасса пред-ставляет собой общую массу животных, растений и микроорганизмов, присут-ствующих в биосфере. Полная биологическая масса Земли оценивается прибли-зительно в 2420 млрд т. Биомассы живого вещества (зеленых растений, живот-ных и микроорганизмов) на суше материков и в Мировом океане существенно различаются (табл. 12).

 

 

Правообладатель Народная асвета

Компоненты биосферы. Функции живого вещества

 

Та б л и ц а 12. Биомасса живого вещества планеты (в пересчете на сухое вещество)

 

		Биомасса живого вещества
Организмы	Материковая часть	Мировой оке н
	млрд т	%	млрд т	%
Зеленые растения		99,2	0,2	6,3
Животные и микро-		0,8	3,0	93,7
организмы
Всего			3,2

 

Как видно из таблицы, наибольшая масса живых организмов биосферы со-средоточена на материках (более 98,7 %). Вкл д оке ниче кой части в общую биомассу невелик (около 0,13 %). На суше зн чительно преобладает живое ве-щество растений (более 99 %), в океане — животных (более 93 %). В то же время при сравнении их абсолютных значений: 2400 млрд т растений и 3 млрд т животных — видно, что живое вещество на планете в подавляющем большин-стве представлено наземными зелеными р стени ми. Биомасса гетеротрофных организмов составляет всего около 1 %.

 

Биомасса суши увеличивается от полюсов к экватору.Наибольшая биомас-са живого вещества суши ско це трирова а в тропических лесах, которые явля-ются наиболее продуктивными сообществами материковой части биосферы.

 

Мировой океан занимает более 2/3 поверхности планеты. Биомасса в нем распространена неравн мерно и пре ставлена преимущественно в верхней части планктоном. Биомасса наземных растений в 1000 раз превосходит общую мас-су океанических живых ганизмов, но именно Мировой океан считается самой продуктивной с едой по созданию биомассы. Это вызвано интенсивными тем-пами размножения мик оскопических представителей фито- и зоопланктона, их быстрым ростом и короткой продолжительностью жизни. Поэтому общий объем первичной годовой продукции, образуемой продуцентами Мирового океана, со-поставим с объемом продукции растений суши.

 

Почва как среда обитания характеризуется собственной биомассой, по-скольку тесно связана с жизнедеятельностью многих организмов. Биомассапочвы —совокупность живых организмов,обитающих в почве и играющихведущую роль в процессе ее формирования. В почве много микроорганизмов, протистов, червей, разлагающих органическое вещество. В поверхностных сло-ях живут зеленые водоросли и цианобактерии, снабжающие почву кислородом

 

 

Правообладатель Народная асвета

190 Глава 7

 

в процессе фотосинтеза. Кроме того, в почве обитают муравьи, клещи, кроты, сурки, суслики и др. Все они ведут большую почвообразовательную работу, со-здавая плодородие почвы, а после гибели становятся источником органического вещества для бактерий. Биомасса почвы, подобно растительной биомассе, имеет тенденцию к увеличению от полюсов к экватору.

 

Биогеохимические функции живого вещества. Выделяют следующие важ-нейшие функции живого вещества на планете: энергетическую, г зовую, концен-трационную, окислительно-восстановительную.

 

Энергетическая функция. Энергия является н обходимым условием су-ществования и развития биосферы. Энергетическая функция р ализуется, прежде всего, зелеными растениями. Главным поставщиком энергии в биосферу являет-ся Солнце. Как вы уже знаете, растения в проце е фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в химических связях разнообразных органических соедине-ний и в дальнейшем перераспределяют ее между в еми компонентами биосферы. Следует отметить, что из всего количества поступ ющей в биосферу солнечной энергии только около 1 % используется продуцентами в процессе фотосинтеза

 

и далее передается потребител м в составе органического вещества. Остальное поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в про-текающих в биосфере физических и химических процессах (движение воздушных масс, выветривание горных пород и др.).

 

Газовая функция заключ ется в постоянно протекающем газообмене кис-лорода и углекислого газа между живыми организмами и окружающей средой в процессе фотосинтеза и ыха ия. Такие газы, как азот, сероводород, метан, так-же могут являться про уктами жизнедеятельности живых организмов и иметь биогенное пр исх ж ение. Благодаря живым организмам в атмосфере нашей планеты поддерживается постоянство газового состава.

Окислительно-в сстановительная функция заключается в многооб-

 

разии химических еакций, протекающих в организме в процессе его жизнедея-тельности. Н личие в составе живых организмов химических элементов с пере-менной степенью окисления (марганец, железо, хром) позволяет им обеспечивать все эти окислительно-восстановительные реакции. В процессе синтеза органи-ческих веществ преобладают восстановительные реакции и происходят затраты энергии. А в процессе окисления и расщепления в присутствии кислорода пре-обладают окислительные реакции с выделением энергии. Таким образом, жизнь в биосфере представляет собой непрерывный синтез и распад органических ве-ществ, которые объединяют все живые организмы на Земле.

 

Концентрационная функция —избирательное накопление живым ве-ществом химических элементов, рассеянных в окружающей среде. Например,

 

 

Правообладатель Народная асвета

Круговорот веществ в биосфере

 

панцири диатомовых водорослей, скелеты животных, раковины моллюсков — все это проявления концентрационной функции живого вещества. Образование биогенного вещества биосферы в виде залежей полезных ископаемых также яв-ляется результатом концентрационной функции живого вещества.

 

Основными компонентами биосферы являются: живое, косное, биоген-ное и биокосное вещества. Наибольшая масса живых орг низмов сосре-доточена на материках, причем биомасса продуцентов суши значи ельно преобладает. В океанической части биосферы консум н ы по биомассе превышают продуцентов. Живые организмы план ты в проц ссе жиз-недеятельности выполняют энергетическую, газо ую, окислит льно-вос-становительную, концентрационную функции. Это я ляется необходи-мым условием существования и развития био феры.

 

1. Охарактеризуйте типы вещества, входящего в о т в био феры. 2. Проанали-зируйте различия в соотношениях между биом ссой продуцентов и консументов в Мировом океане и на суше. 3. Сопост вьте продуктивность живого вещества Мирового океана и суши. Дайте объ снение их количественного соотношения.

4. Охарактеризуйте основные биосферные функции живого вещества.

§ 47. Круговорот веществ в биосфере

 

Понятие о круговороте веществ. Круговорот веществ в биосфере — цикличный, многократно повторяющийся процесс совместного, взаи-мосвязанного превращения и перемещения веществ. Его наличие являетсянеобходимым условием существования биосферы: после использования одними организмами вещества лжны переходить в доступную для других организмов форму. Такой перех д веществ т одного звена к другому требует энергетических затрат, поэтому возм жен т лько при участии энергии Солнца. С использовани-ем солнечной эне гии на планете протекают два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический (биотический).

 

Геологический круговорот веществ —процесс миграции веществ,осу-ществляемый под влиянием абиотических факторов: выветривания, эрозии, дви-жения вод и т. д. Живые организмы участия в нем не принимают.

 

С возникновением на планете живого вещества появился биологический(биотический) круговорот. В нем принимают участие все живые организ-мы, поглощающие из окружающей среды одни вещества и выделяющие другие. Например, растения в процессе жизнедеятельности потребляют из окружающей среды углекислый газ, воду, минеральные вещества и выделяют кислород. Жи-вотные используют выделенный растениями кислород для дыхания. Они поедают

 

 

Правообладатель Народная асвета

192 Глава 7

 

растения и в результате пищеварения усваивают образовавшиеся в процессе фо-тосинтеза органические вещества, выделяют углекислый газ и непереваренные остатки пищи. После отмирания растения и животные образуют массу мертвого органического вещества (детрит), доступную для разложения (минерализации) микроскопическими грибами и бактериями. В результате их жизнедеятельности в биосферу поступает дополнительное количество углекислого г за, орг нические вещества превращаются в исходные неорганические компонен ы — биогены. Образовавшиеся минеральные соединения, попадая в водоемы и почву, снова становятся доступными растениям для фиксации поср дс вом фо осинтеза. Такой процесс повторяется бесконечно и носит замкнутый характ р (круговорот). На-пример, весь атмосферный кислород проходит по этому пути примерно за 2 тыс. лет, а углекислому газу для этого требуется около 300 лет.

 

Энергия, заключенная в органических веще т ах, по мере перемещения в пищевых цепях уменьшается. Большая ч сть ее р еивается в окружающей сре-де в виде тепла или расходуется на поддерж ние процессов жизнедеятельности организмов. Например, на дыхание у животных, транспорт веществ и транспи-рацию у растений. К тому же, образов вшиеся в результате деятельности реду-центов биогены не содержат доступной для организмов энергии. В данном случае можно говорить лишь о потоке энергии в биосфере, но не о круговороте. Поэто-му условием устойчивого существов ния биосферы является постоянно протека-ющий в биогеоценозах круговорот веществ и поток энергии.

 

Геологический и биологический круговороты в совокупности формируют об-щий биогеохимический круговорот веществ, основу которого составляют циклы азота, воды, углеро а и кислорода.

 

Круговор т аз та. Аз т—один из самых распространенных элементов вбиосфере. Осн вная часть биосферного азота находится в атмосфере в газооб-разной фо ме. Из-за пр чности связей между атомами в молекулярном азоте (N₂) большинство живых о ганизмов не способны использовать его непосредственно. Поэтому в жным звеном в круговороте азота является его фиксация и перевод в доступную для организмов форму. Различают три пути фиксации азота (рис. 92).

 

Атмосферн я фиксация. Под воздействием атмосферных электрическихразрядов (молний) азот может взаимодействовать с кислородом с образованием оксида (NO) и диоксида (NO₂) азота, которые растворяются в парах воды и в виде азотистой (HNO₂) и азотной (HNO₃) кислот с осадками попадают в почву. В почве в результате диссоциации этих кислот образуются нитриты (NO₂⁻) и нит-раты (NO₃⁻), которые поглощаются растениями и включаются в биологический круговорот. На долю атмосферной фиксации азота приходится около 10 млн т азота в год, что составляет около 3 % ежегодной азотфиксации в биосфере.

 

 

Правообладатель Народная асвета

Круговорот веществ в биосфере

 

 

Рис. 92. Круговорот азота

 

Биологическая фиксация. Она осуществляется азотфиксирующими бак-териями, которые перев ят аз т в оступные для растений формы. Благодаря микроорганизмам связывается коло половины всего азота. Наиболее известны бактерии, фикси ующие аз т в клубеньках бобовых растений. Они поставляют растениям азот в виде аммиака. Аммиак хорошо растворим в воде с образова-нием иона ммония (NH₄⁺), который и усваивается растениями. Поэтому бобо-вые — лучшие предшественники в севообороте. После отмирания животных и растений и р зложения их остатков почва обогащается органическими и мине-ральными соединениями азота. В дальнейшем гнилостные (аммонифицирующие) бактерии расщепляют азотсодержащие вещества растений и животных до аммиа-ка. Большая часть аммиака подвергается окислению нитрифицирующими бакте-риями до нитритов и нитратов, которые вновь могут использоваться растениями.

 

Промышленная фиксация. Наибольшее количество азота ежегодно свя-зывается промышленным путем при производстве минеральных азотных удобре-ний. Азот из таких удобрений усваивается в аммонийной и нитратной формах.

 

 

Правообладатель Народная асвета

194 Глава 7

 

Возвращение азота в атмосферу происходит путем денитрификации, которую осуществляет группа денитрифицирующих бактерий. В результате происходит восстановление азотистых соединений до молекулярного азота. Часть азота с по-верхностным стоком попадает в моря, где он включается в морские организмы или донные отложения.

 

Процессы нитрификации и денитрификации были сбалансированными в биосфере до начала массового использования в сельском хозяйстве азотсодержащих минер льных удобрений. Примерно 1/10 искусственно внесенного азота использу тся рас ниями, а остальная часть

с поверхностным стоком и грунтовыми водами переходит в донные о лож ния. Э о приводит к на-коплению больших объемов соединений азота в воде и почве. Такое накопл ние является причиной

 

бурного размножения водорослей (эвтрофикации) и заморов одных экосист мах.

 

Круговорот воды (рис. 93).Вода—о но ной компонент биосферы.Она яв-ляется средой для растворения практически в ех элементов при осуществлении круговорота. Бо Ђ льшая часть биосферной воды пред тавлена жидкой водой и водой вечных льдов (более 99 % всех запасов воды в биосфере). Незначительная часть воды находится в газообразном состоянии — это тмосферные водяные пары. Биосферный круговорот воды основывается на том, что ее испарение с поверх-

 

 

Рис. 93. Круговорот воды

 

 

Правообладатель Народная асвета

Круговорот веществ в биосфере

 

ности Земли компенсируется выпадением осадков. Именно испарение воды с по-верхности планеты обусловливает ее геологический круговорот, на который рас-ходуется около половины падающей солнечной энергии. Испарение воды с морей

 

и океанов происходит с большей скоростью, чем возвращение ее с осадками. Эта разница компенсируется за счет поверхностного и глубинного стоков бл год ря тому, что на континентах осадки преобладают над испарением.

 

Значение живых организмов в круговороте воды на первый взгляд невелико. В о же время материковая вода, испаряемая почвой и растениями, играет важную роль в водном кругово-роте. Количество воды, поставляемой в круговорот растениями, поис ине огромно. Напри-мер, 1 га леса испаряет до 50 т воды в сутки. Значение растений очень в лико в уд ржании воды в

почве путем замедления ее поверхностного стока. Растения также участ уют и подд ржании по-стоянного уровня подземных вод.

 

Круговорот углерода (рис. 94).Углерод в атмо фере представлен углекис-лым газом. Основной путь, по которому углерод из неорганических соединений

 

 

Рис. 94. Круговорот углерода

 

 

Правообладатель Народная асвета

196 Глава 7

 

переходит в состав органических веществ, где он является обязательным хи-мическим элементом, — это процесс фотосинтеза. Часть углерода выделяется

в атмосферу в составе углекислого газа при дыхании живых организмов и при разложении бактериями мертвого органического вещества. Усвоенный рас-тениями углерод потребляется животными. Кроме того, кор лловые полипы, моллюски используют соединения углерода для построения скелетных образо-ваний и раковин. После их отмирания и оседания на дне формируются отло-жения известняков. Таким образом, углерод может исключа ься из круговоро-та. Выведение углерода из круговорота на длительный срок дос игается путем формирования при его участии полезных ископаемых: кам нного угля, нефти, торфа.

 

На протяжении существования планеты вы еденный из круговорота углерод

 

компенсировался углекислым газом, поступающим атмосферу при вулканичес-ких извержениях и в ходе других естественных проце ов. В настоящее время к природным процессам пополнения углерода в тмосфере добавилось значитель-ное антропогенное воздействие, например в виде сжигания углеводородного топ-лива. Это нарушает отрегулированный веками круговорот углерода на Земле.

 

Увеличение концентрации углекислого г за за столетие всего на 0,002 % привело к замет- ному проявлению парникового эффекта. Среднегодовая температура на планете повысилась на 0,5 °С, а уровень Мирового оке на поднялся почти на 15 см. По прогнозам ученых, если среднегодовая температура увеличится еще на 3—4 °С, начнется таяние вечных льдов, и уровень Мирового океана поднимется а 50—60 см, что приведет к затоплению значительной части суши. Это расценивается как глобаль ая экологическая катастрофа, ведь на этих территориях проживает

около 40 % населения Земли.

 

Круговор т кисл р а. В функционировании биосферы кислород играет ис-ключительно важную р ль в процессах обмена веществ и дыхании живых орга-низмов. Уменьшение к личества кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, сжигания топлива и гниения компенсируется кислородом, который вы-деляется стениями планеты в ходе процессов фотосинтеза.

 

Зн чительн я часть кислорода, вырабатываемого в ходе эволюции Зем-ли, не ост л сь в атмосфере, а была зафиксирована в литосфере в виде раз-личных неорганических соединений: карбонатов, сульфатов, оксидов железа

 

и др. ебольшая часть кислорода атмосферы участвует в процессах образова-ния и разрушения озонового экрана при действии ультрафиолетового излучения Солнца.

К сожалению, в последние десятилетия деятельность человека, приводящая

 

к вырубке лесов, эрозии почв, снижает интенсивность фотосинтеза и нарушает естественный ход круговорота кислорода на значительных территориях (рис. 95).

 

 

Правообладатель Народная асвета

Круговорот веществ в биосфере

 

 

Рис. 95. Круговорот кислорода

 

 

Основой биогенного круговорота веществ является солнечная энергия. Энергия Солнца поглощается фототрофными организмами и преобразу-ется в энергию связей первич ого органического вещества, которое по-требляют жив тные. Энергия, заключенная в органических веществах, по мере перемещения в пищевых цепях уменьшается. Главным условием устойчивого существ вания биосферы являются постоянно протекающий

 

в биогеоценозах к уговорот веществ и поток энергии. В круговоротах азота, угле ода и кислорода основная роль принадлежит живым орга-низм м. Основу же глобального круговорота воды в биосфере обеспечи-вают физические процессы.

 

1. Что представляет собой круговорот веществ в биосфере? 2. Проанализируйте, какие условия являются необходимыми для поддержания непрерывности кругово-рота веществ. 3. Опишите роль живых организмов в круговороте веществ в био-сфере. 4. Укажите возможные последствия чрезмерного поступления углекислого газа в атмосферу и азота в почву и водные экосистемы. 5. С чем, на ваш взгляд, связано повышенное содержание нитратов в воде колодцев?

 

 

Правообладатель Народная асвета

198 Глава 7