Экология_Федорук

Ж ивое вещество разнообразно морфологически, химиче­ ски, а также по выполняемым функциям. Оно обладает способ­ ностью постоянного эволюционирования.

Химический состав живого вещества. В живом веществе со­ держатся почти все химические элементы периодической сис­ темы Д.И. Менделеева. Преобладают в нем три элемента: кис­ лород (70%), углерод (18%) и водород (10,5%). Вместе с азотом, фосфором и серой они самые главные, называются биофильны- ми элементами, составляя в сумме 98,5%. Около 99,9% массы живых организмов приходится на 14 элементов, называемых биогенными. Кроме биофильных элементов биогенами являют­ ся К, Са, Mg, Fe, Си, Mn, Zn, Мо. Биогенные элементы преоб­ ладают в земной коре, составляя в ней 98,9%.

Общность состава химических элементов в живом веществе и земной коре позволяет полагать, что жизнь является произ­ водным земной коры.

Масса живого вещества оценивается в 2420 млрд т. При рав­ номерном распределении по поверхности Земли живое веще­ ство образовало бы слой в 2 см. Его масса составляет ничтож­ ную долю по сравнению с массой любой оболочки земного ша­ ра: 1/6 ООО ООО от массы биосферы и 1/11 ООО ООО —от массы всей земной коры. Чистая первичная продукция земного шара достигает 170 млрд т сухого органического вещества. Суша продуцирует примерно 115, Мировой океан — 55 млрд т. Ос­ новная масса живого вещества приходится в биосфере на рас­ тения. Если бы была возможность всю ее сложить вместе, то растительная масса составила бы куб с ребром в 2337 км; а мас­ са животных —куб с ребром в 1 км. На суше масса растений со­ ставляет 99,2% массы всего живого вещества. Она почти на 90% сосредоточена в лесных формациях. В море, наоборот, основ­ ная доля (93,7%) живого вещества приходится на животных.

Масса живого вещества континентов в связи с большей плотностью жизни многократно превышает биомассу океана. Большая часть зоомассы на суше приурочена к почвенному покрову, который отличается исключительной ее насыщеннос­ тью живыми организмами.

Вернадский рассматривал биосферу как динамическую сис­ тему, устойчивую на протяжении 1,5—2 млрд лет. Он считал, что фундаментальные черты биосферы в соответствии с неиз­ менностью количества солнечных лучей, приходящих на Зем­ лю, неизменны. Не меняются количественные соотношения

14*

419

живого и косного вещества биосферы, неизменны геохимиче­ ские функции живого вещества, не появляются в ходе его эволю­ ции новые функции. Ж ивое вещество меняется по форме со­ ставляющих его организмов. Согласно закону константности Вернадского, количество живого вещества биосферы для дан­ ного геологического времени есть константа. Оно сравнитель­ но мало изменяется в пределах больших отрезков времени.

В настоящее время человек снижает количество живого ве­ щества на Земле, забирая в свой антропогенный канал около 20% продукции биосферы.

Геохимические функции живого вещества. В докладе «Об усло­ виях появления жизни на Земле» (12 декабря 1930 г., Ленинград­ ское общество естествоиспытателей) Вернадский определил сле­ дующие биосферные функции живого вещества: газовую, кис­ лородную, окислительную, кальциевую, восстановительную, концентрационную, разрушения органических соединений, вос­ становительного разложения, метаболизма и дыхания организ­ мов. Вернадский указал, что все эти функции в биосфере могут выполняться бактериями и что нет организма, который мог бы исполнить их все. В ходе геологического времени, считал уче­ ный, происходила смена разных организмов, замещавших друг друга в исполнении каждой из этих функций. С появлением ци­ вилизованного человечества один организм в биосфере оказался способным вызывать разнообразные химические процессы, но человек достигает этого разумом и техникой, а не физиологиче­ ской работой своего организма. В этих словах Вернадского нашла отражение зарождающаяся мысль о ноосфере - сфере разума.

В обобщенном варианте основными биогеохимическими функциями живого вещества являются следующие.

Газовая функция. Организмы определили и поддерживают газовый состав атмосферы. В процессе фотосинтеза сформиро­ вался кислородный режим атмосферы. Доля кислорода абио­ генного происхождения (в процессе фотодиссоциации моле­ кул воды в верхних слоях атмосферы) очень незначительна. Кислород используется на окисление углерода при минерали­ зации органического вещества и при дыхании организмов, а также на окисление минеральных веществ. В верхних слоях тропосферы под влиянием ультрафиолетового излучения из кислорода образуется озон, благодаря чему живое вещество, по выражению Вернадского, «как бы само создает себе область жизни». В процессе дыхания живых организмов, минерализа­

420

тительного покрова оценивается в 30—35 тыс. км3 в год, что лишь немногим меньше суммарного речного стока с матери­ ков в Мировой океан (37 тыс. км3 в год). Пары воды, выделя­ емые растениями в атмосферу, содержат частицы солей (ионы хлора, сульфата аммония, калия, натрия, кальция, магния и др.). Для разнотравья средняя минерализация транспирированной влаги составляет 40 мг/л, а в среднем при транспирации в атмосферу выносится в течение года около 1,2—1,4 млрд т ми­ неральных веществ. Эта величина составляет около половины стока растворенных минеральных веществ в океан.

Некоторые древесные растения избирательно «перекачива­ ют» из почвы в воздух натрий, молибден, никель, литий, олово, цинк, хром, серебро, цинк, магний, стронций и другие микро­ элементы, которые мигрируют воздушным путем. На значи­ тельные расстояния (до 1500 км) переносятся воздушными те­ чениями споры и цветочная пыльца. При их рассеивании еже­ годно вовлекается в атмосферную миграцию около 160 млн т минеральных веществ. По выражению Вернадского, живое ве­ щество —самое могущественное из всех агентов распыления.

Биогеохимическая деятельность человека. Эта функция свя­ зана с деятельностью человека по добыче, производству, транс­ портировке и использованию в промышленности, сельском хо­ зяйстве и быту огромного количества разных веществ.

Функция разрушения органических соединений. Гетеротрофы, особенно бактерии и грибы, совершают гигантскую работу по разложению (минерализации) органического вещества с обра­ зованием простых минеральных соединений (С 0 2, Н20, NH3, соли, Mg, Са и т.д.) или менее сложных органических соедине­ ний (органические кислоты, метан, спирты, альдегиды). Мик­ роорганизмы почв разлагают гумус. Процесс протекает медлен­ но, чем достигается постоянство в обеспечении растений эле­ ментами минерального питания.

Таким образом, живое население Земли находится в состоя­ нии крайней напряженности, совершает разнообразную, гигант­ скую работу.

18.2. Биосферные постулаты Вернадского

В.И. Вернадский наполнил концепцию биосферы биогеохимическим смыслом, показав, что живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, является мощной геологической силой, растущей с ходом времени, со­

423

вершает в биосфере гигантскую геохимическую работу путем биогенной миграции атомов химических элементов. Под мигра­ цией понимается всякое перемещение химических элементов. Оно происходит при извержении вулканов и излиянии магмы, испарении и транспирации, выпадении осадков, осуществляется движением водных масс, морскими течениями, ветром, тектони­ ческими перемещениями и др. Биогенная миграция, по Вернад­ скому, производится силами жизни и является одним из самых грандиозных и самых характерных процессов биосферы.

Вернадский не только поставил жизнь на надлежащее место в общей картине мироздания, но и обосновал законы (геохими­ ческие принципы), управляющие геохимической деятельнос­ тью живых организмов. Ими являются «всюдность» и «давле­ ние жизни», именуемые биосферными постулатами Вернадско­ го. Они отражают основные функциональные характеристики живого вещества и биосферы, показывая, что жизнь ускоряет процессы в биосфере и тем самым нарушает химическую кос­ ность планеты.

Всюдность жизни означает, что биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к макси­ мальному своему проявлению. Благодаря всюдности жизни био­ генная миграция захватывает все возможное пространство, жи­ вое вещество растекается по земной поверхности. Распростране­ ние живого вещества Вернадский сравнивал с распространени­ ем газов, с их способностью заполнять все пространство.

Всюдность обеспечивается не только повсеместным распро­ странением живых организмов, но и большим разнообразием форм живого, длительностью его существования, функцио­ нальной разнокачественностью, степенью адаптивности к сре­ дам обитания, избирательным характером биохимической де­ ятельности, исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы и постоян­ ным эволюционным процессом. Возникновение новых форм жизни увеличивает всюдность жизни, расширяет ее область. Ж изнь протекает в анаэробных и аэробных условиях, перено­ сит давление до тысячи атмосфер на больших глубинах, воз­ можна в вакууме, в концентрированных растворах солей и кис­ лот. Некоторые бактерии обнаружены даже в котлах ядерных реакторов, а ряд инфузорий выдерживает излучения, в 3 млн раз превышающие естественный радиационный фон на поверх­ ности Земли.

424

В постулате «всюдность жизни» нашли выражение мысли ученых разных времен, отражена связь великих умов, постепен­ ное развитие науки. Гумбольдт писал о «полноте жизни, повсе­ местно разлитой»; К. Бэр: «...мы видим распространение орга­ нической жизни всюду, куда человек может проникнуть»; Дар­ вин: «...подземные озера, скрытые в недрах вулканических гор, источники горячих минеральных вод, глубины океана, верхние области атмосферы, поверхность самых вечных снегов, всюду мы находим организованные существа».

Давление жизни заключается в том, что эволюция видов в хо­ де геологического времени, приводящая к созданию устойчи­ вых форм жизни в биосфере, идет в направлении, увеличива­ ющем проявление биогенной миграции, биологических кругово­ ротов атомов в биосфере. Новые формы не только расширяют область жизни, но и усиливают и меняют темп тока атомов че­ рез живое вещество, создают новые механизмы их движения.

Отдельными, наиболее крупными явлениями эволюции ви­ дов Вернадский обосновывал сущность давления жизни.

•С возникновением высших беспозвоночных (моллюсков, кораллов) резко возросла интенсивность миграции кальция по сравнению с микроскопическими организмами, его раньше от­ лагавшими.

•С формированием лесной растительности, наполненной жизнью, расцвет которой приходится на третичное время, про­ изошло существенное изменение в миграции атомов кислоро­ да, углерода, водорода и одновременно усилилась также мигра­ ция всех атомов, связанных с жизнью.

•Появление летающих организмов и особенно птиц в ме­ зозойское и третичное время привело к новому увеличению проявления биогенной миграции и особенно фосфора. Птицы, их образ жизни, переселения в целом играют огромную роль в обмене вещества между сушей и океаном. По масштабу пере­ двигаемых масс материи роль птиц приближается к роли рек, только имеет другое направление.

•Самое большое изменение в биогенной миграции по

сравнению с другими позвоночными произвело цивилизован­ ное человечество. Биогенная миграция для всех элементов, вы­ званная техникой жизни в геологически ничтожное время, пре­ обладает по своему значению над биогенной миграцией, произ­ водимой массой живого вещества.

425

Следовательно, всюдность жизни и ее давление регулируют биогенную миграцию химических элементов. Они обусловле­ ны не только наблюдаемой жизнью организмов, но и меняются в ходе геологического времени и достигаются в значительной мере эволюционным процессом, который не меняет сущности биогеохимической функции живого вещества.

18.3.Круговороты и биогеохимические циклы веществ

вбиосфере

Вбиосфере происходит постоянный процесс перемещения

иперераспределения веществ, чем обеспечивается многократ­ ное участие абиогенных и биогенных веществ в процессах и яв­ лениях в атмосфере, гидросфере и литосфере. Повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер, называются круговоротом веществ. Вещество, вовлеченное в круговорот, не только перемещается, но и испытывает транс­ формацию и нередко меняет свое физическое и химическое со­ стояние. Особенно большую роль в ускорении круговорота и трансформации вещества играют живые организмы. Возмож­ ность многократного использования одних и тех же атомов де­ лает жизнь на Земле практически вечной при условии постоян­ ного притока нужного количества энергии. Круговороты ве­ ществ, «вихри атомов», по Вернадскому, —основное условие су­ ществования биосферы.

Большой, или геологический, круговорот веществ представля­ ет собой обмен веществ между сушей и океаном и определяется особенностями строения земной коры. Она имеет обширные сравнительно плоские образования —платформы и протяжен­ ные зоны опускания, так называемые геосинклинали. Сложные тектонические процессы в геосинклиналях ведут к образова­ нию гор. Поднявшиеся вверх глыбы магматической породы подвергаются процессу выветривания. Продукты выветрива­ ния различной степени измельчения переходят в подвижное состояние и преимущественно водами сносятся в более глубо­ ко лежащие впадины. В геосинклинальных областях накапли­ ваются толщи осадочных пород, которые в условиях повышен­ ных температур и давлений подвергаются трансформации с об­ разованием магмы. Образовавшаяся магма в свою очередь под­ вергается трансформации по изложенной выше схеме. Таким

426

распада

Рис. 143. Большой круговорот веществ, миграция энергии, изменение инфор­ мации в земной коре (по А.И. Перельману, 1985):

1 - поглощение энергии; 2 —выделение энергии; 3 —рост информации (разнооб­ разия); 4 - уменьшение информации (разнообразия); 5 - начало нового цикла кру­ говорота

путем на суше происходит постоянное разрушение и вынос гор­ ных пород, а в океане —накопление в виде осадочных пород, вов­ лечение их в глубь земной коры. Развитие геосинклинали и со­ путствующих явлений отражает схема (рис. 143). В земной коре осадочные породы составляют 9,2%, метаморфические - 20,0, магматические —70,8%.

Малый, или биологический, круговорот веществ - явление непрерывного относительно циклического, но неравномерно­ го во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем. В от­ личие от круговорота большого биологический круговорот обязательно обусловлен жизнедеятельностью живых организ­ мов (растений, животных и микроорганизмов), которые обме­ ниваются веществом с атмосферой, гидросферой и литосфе­ рой. Биологический круговорот А.А. Ничипорович (1973) на­ зывает круговоротом жизни, движимым через процесс фото­ синтеза энергией солнечного света. В процессе его зольные элементы концентрируются в системе почва —растение. Пере­ нос веществ и энергии осуществляется посредством цепей пи­

427

тания. Круговорот включает в циклы неживую природу, обес­ печивает воспроизводство биомассы, оказывая тем самым вли­ яние на обмен и состояние каждой экосистемы и биосферы в целом.

Геологический и биологический круговороты взаимосвяза­ ны между собой, иногда сливаются в единый поток. Функцио­ нально и структурно они существенно различаются:

•биологический круговорот совершается в границах эко­ системы (биогеоценоза), а геологический — на больших тер­ риториях, в пределах материков и прилегающих к ним частях океанов;

•движущей силой биологического круговорота является функциональная разнокачественность продуцентов, консументов и редуцентов, геологического - круговорот воды, в резуль­ тате которого осуществляется разрушение, перенос и отложе­ ние пород;

•в биологическом круговороте участвуют биогенные эле­ менты, в геологическом —все химические элементы, находящи­ еся в земной коре;

•продолжительность циклов химических элементов срав­ нительно невелика - от года, нескольких лет до десятка —сотен лет. Продолжительность цикла в геологическом круговороте чаще всего измеряется геологическим отрезком времени.

Круговорот воды. Объем воды в атмосфере, литосфере, в Ми­

ровом океане определяется в 1,5 млрд км3. На поверхности зем­ ли она является самым мощным природным геохимическим потоком. Вода непрерывно переходит из одного состояния в другое и под влиянием солнечной радиации, силы тяжести и с участием живых организмов совершает малый и большой кру­ говороты (рис. 144).

Малый круговорот совершается путем испарения воды с по­ верхности океана, конденсации водяного пара в атмосфере в форме облаков и выпадения в виде осадков (дождь, снег, град) на его поверхность.

Большой круговорот протекает сложнее. Водяной пар пере­ носится воздушными течениями с океана на сушу, частично возвращается в него в виде осадков. Часть выпавших осадков на суше в процессе испарения и транспирации (она в среднем составляет около 30% выпадающих осадков) вновь поступает в атмосферу, другая — речным (поверхностным) и подземным стоками возвращается в океан, завершая круговорот. В целом

428