Функции живого вещества в биосфере

Живое вещество (совокупность живых организмов) по массе составляет 0,01—0,02% всего вещества био­сферы. Однако благодаря исключи­тельно высокой скорости химиче­ских реакций, катализируемых фер­ментами, способности к быстрому воспроизводству и освоению пространства, живое вещество играет ведущую роль в геологических процессах и преобразовании земной коры. Черпая энергию и вещество из окружающей среды, живые организмы осуществляют важнейшие биогеохимические функции: энерге­тическую, концентрационную, газо­вую, окислительно-восстановитель­ную и др., преобразуя окружающую их среду и биосферу в целом.

Энергетическая функция осуще­ствляется главным образом растения­ми, улавливающими солнечную энер­гию и превращающими ее в химиче­скую энергию органических соедине­ний. По расчетам В. И. Вернадского, растения ежегодно аккумулируют около 10¹⁹ ккал энергии, за счет кото­рой образуется около 150 млрд тонн чистой биологической продукции. Остальная часть энергии рассеивает­ся, переходя в тепло, а также накапли­вается в отмершем органическом веществе и образует биогенные полез­ные ископаемые (каменный уголь, торф, нефть, горючие сланцы и др.), которые В. И. Вернадский образно на­зывал «солнечными консервами».

Концентрационная функция за­ключается в способности живых ор­ганизмов избирательно накапливать химические элементы, рассеянные во внешней среде. Благодаря этому содержание некоторых элементов в клетках живых организмов может в сотни тысяч раз превосходить их концентрацию в окружающей среде. В клетках микроорганизмов, напри­мер, содержание железа иногда уве­личено по сравнению с природной средой в 65 000 раз, марганца — в 1 200 000 раз. В результате жизнедеятельности ми­кроорганизмов образовались залежи железных руд; известковые скеле­ты морских беспозвоночных сформи­ровали осадочные породы мела и известняка.

Газовая функция проявляется в выделении растениями О₂ в процессе фотосинтеза, а животными и расте­ниями — СО₂ при дыхании. Некото­рые бактерии образуют азот и серово­дород. С газовой функцией живых орга­низмов связано образование в атмо­сфере Земли кислорода и уменьше­ние концентрации СО₂, которая сни­зилась от десятков процентов в ранний период развития жизни до 0,035% в настоящее время.

Окислительно-восстановитель­ная функция проявляется в интенси­фикации процессов окисления и вос­становления с помощью живых ор­ганизмов. В результате их жизнедеятельности ускоряется разложение и минерализация органического вещества мертвой биомассы, химическое разложение горных пород. Напри­мер, неорганические и органические кислоты, образуемые бактериями, грибами, водорослями и другими почвенными организмами, разруша­ют минералы, включая составляю­щие их химические элементы в био­геохимические циклы.

В результате комплексного прояв­ления указанных и многих других функций, организмы стали основ­ным фактором создания современ­ной природной среды. За время существования жизни на Земле продукция живого вещества составила примерно 2,4 х 10²⁰т, что в 12 раз больше массы земной коры. Благодаря уникальной химической активности такой грандиозной мас­сы живой материи, действовавшей в течение сотен миллионов лет, была создана и поддерживается природная среда всех геологических составляю­щих биосферы. Изменился химический состав первичной атмосферы и вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере; на поверхности суши возник плодородный слой почвы и т. п. Скорость биогенной миграции атомов и превращения энергии в биосфере постоянно увеличивались вследствие появления все более совершенных организмов и постоянного роста темпов увеличения их численности. По вы­ражению В, И. Вернадского, «на Земле нет химической силы более могущественной по результатам своего действия, чем живые организмы, взятые в целом». С возникновением человеческого общества процессы воздействия на среду еще более уско­рились, а сам человек стал одним из самых мощных факторов преобразо­вания лика Земли.

Биомасса биосферы

Биомасса биосферы составляет примерно 2,423 х 10¹² т. Она распре­деляется по трем средам обитания: литосфере, гидросфере и атмосфере. На долю литосферы и тропосферы приходится 2,42 х 10¹² т биомассы, гидросфера содержит 0,003 х 10¹² т живого вещества.

Биомасса литосферы

Биомасса литосферы образована, в основном, растениями (99,2%). Доля животных и микроорганизмов состав­ляет лишь 0,8% ее суммарной величи­ны. Основное количество биомассы со­средоточено в самом поверхностном слое литосферы, преимущественно в почве, толщина которой составляет от нескольких сантиметров до 2—3 м. Более глубоко проникают корни ряда растений и сопутствующие им орга­низмы. По трещинам земной коры анаэробные бактерии опускаются на глубину 2—3 км и на 1—2 км ниже дна океана. В нефтяных скважинах ана­эробные бактерии были обнаружены на глубине 7,5 км.

Большая часть организмов, насе­ляющих сушу, связана со своеобраз­ными биоценозами почвы — рыхлого поверхностного слоя коры Земли, из­мененного атмосферными влияния­ми и живыми организмами.

Почвы образуются из материн­ской породы, разрушившейся в про­цессе выветривания, которое вклю­чает физические процессы: замерза­ние — оттаивание, нагревание — ох­лаждение, механическое действие твердых частиц, переносимых водой или ветром, а также воздействие биологических факторов, например, давления и действия химических выделений корней растений, прони­кающих в мелкие трещины субстра­та. При выветривании растениям становятся доступны ионы биогенных (необходимых для жизни) эле­ментов (нитратов, фосфатов, и др.) и на осадочных породах начинает развиваться растительный покров. В грунте формируются детритные трофические цепи сапрофагов, в ре­зультате деятельности которых дет­рит перерабатывается в гумус — аморфное органическое вещество, в котором уже невозможно распо­знать первоначальный материал. Гумус находится в коллоидном со­стоянии. Отдельные его частицы прочно прилипают к глине и другим минеральным частицам почвы и об­разуют минерально-гуминовый комплекс.

Одновременно с процессом гумификации происходит процесс минера­лизации — превращение редуцента­ми органических соединений в неор­ганические, содержащие доступные для растений элементы минерально­го питания (нитраты, фосфаты, ка­лий, натрий, кальций и др.).

В гумусе почв накоплены огромные запасы химически связанной энер­гии, составляющие 1,2 х 10¹⁸ ккал, что соответствует запасам энергии во всей массе одновременно существую­щих живых организмов.

Почва — наиболее насыщенная организмами часть биосферы. Почвенный детрит поддерживает сложные пи­щевые цепи почвенных биоценозов, включающие множество видов чле­нистоногих, червей, моллюсков и других землероев, а также грибов, простейших и бактерий. Подсчита­но, что биомасса одних дождевых червей в суглинистых почвах дости­гает 1,2 т на 1 га, а количество бакте­рий в 1 г почвы составляет сотни мил­лионов. Некоторые позвоночные жи­вотные, например кроты и слепыши, всю жизнь проводят в почве. Многие грызуны (суслики, песчанки, полев­ки и другие животные) поддержива­ют высокую плотность своих популя­ций благодаря норному образу жиз­ни. Лисы, шакалы, барсуки в норах приносят потомство. Береговые лас­точки, удоды, сизоворонки гнездят­ся в норах.

В почве непрерывно протекают процессы газообмена и движения воды, совершаются разнообразные химические реакции, связанные с жизнедеятельностью многочислен­ных почвенных организмов. Ночью при охлаждении и сжатии газов в почву проникает некоторое количество воздуха. Проникающий в почву с воздухом кислород погло­щается растениями и животными, азот улавливается азотфиксирующими бактериями и превращается в форму, усваиваемую растениями. Днем при нагревании почвы из нее выделяются углекислый газ, амми­ак, сероводород и другие газы.

Дождевая и талая вода, попадая в почву, растворяет минеральные со­ли, при этом часть ее удерживается в ней, а часть выносится в реки и океан. Почва и растения в процессе транспирации испаряют поднимающуюся по мельчайшим порам грунтовую воду. В результате этих процессов в почве происходит постоянное движение растворов и выпадение солей в раз­ных почвенных горизонтах.

В каждой природной зоне почвообразова­тельные процессы приводят к формированию почвенного слоя разной мощности. В тундрах и полупустынях он составляет несколько сантиметров, на степных черноземах, особенно тучных, до 2—3 м. Для каждой природной зоны характерны свои типы почв: тундровая глеевая, подзоли­стая лесная, серая лесная, черноземная степ­ная, каштановая степная, пустынный серо­зем, тропический серозем и др.

Важнейшим компонентом биосфе­ры суши служит растительность. Она образует приземную пленку орга­нического вещества, заключенную между поверхностью почвы и верх­ней границей растительного покрова. Толщина этого слоя жизни варьирует от нескольких сантиметров (пусты­ни, тундры, болота и др.) до несколь­ких десятков метров (леса). Многие растения существуют в двух сферах: корни их находятся в литосфере, а стебли, листья и репродуктивные ор­ганы — в атмосфере. Наземная расти­тельность заключает около 90% биомассы биосферы и дает около ²/₃ об­щей первичной продукции растений биосферы. Растительность имеет бо­лее или менее зональный характер и обнаруживает тесную связь с природ­ными климатическими поясами. Многие из них получили названия в соответствии с типом растительно­сти: зона тундры, зона хвойных ле­сов, зона смешанных лесов, и пр.

Биомасса растений, в соответст­вии с разнообразием условий сущест­вования, распределена весьма нерав­номерно, но имеет общую тенденцию к увеличению от полюсов к экватору. Так, в тундре она составляет в сред­нем 140 г/м², в тайге — 800 г/м², во влажных тропических лесах — 2200 и более г/м². С севера к югу увеличивается так­же видовое разнообразие растений. В тундре, например, насчитывается около 1000 видов лишайников и мхов и около 1400 видов цветковых растений, тогда как в дождевых тро­пических лесах сосредоточено свыше 4/5 всех видов растений мира (флора Земли насчитывает около 375 тыс. видов растений). Однако, в зависимо­сти от количества осадков и распре­деления их по сезонам года, в одной природной зоне могут существовать биомы (крупные экологические так­соны) с очень большой и весьма не­значительной биомассой, например тропические дождевые леса, саван­ны, полупустыни и пустыни в тропи­ческой климатической зоне. Количество и видовое разнообра­зие животных различных биогеоце­нозов суши зависят от характера их фитоценозов и соответству­ют им.