Биосфера. Строение и состав. Природные зоны России. Приспособляемость животных и растений

Большое значение имеет также  количество пропускаемого через организм вещества. В этом отношении максимальный геохимический эффект на суше имеют грунтоеды, а в океане – илоеды и фильтраторы. Еще Чарльз Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год! Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые черви полностью пропускают через свой кишечник за 200 лет. В океане с дождевыми червями по “пропускной способности” могут конкурировать их близкие родственники, представители того же типа кольчатых червей – полихеты, а также ракообразные. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 м2, чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20–30 см ежегодно проходил через их кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами.

Копролиты (ископаемые остатки  экскрементов) известны в геологических отложениях, начиная с ордовика, однако бесспорно, что большинство их при геологических описаниях не учитывается. Происходит это из-за слабой изученности вопроса и из-за отсутствия диагностических признаков для определения копролитов.

Между тем в донных отложениях современных водоемов фекальные комочки беспозвоночных распространены очень широко и нередко являются основной частью осадка. В Южной Атлантике, например, илы почти нацело слагаются фекалиями планктонных ракообразных, а по берегам Северного моря донные осадки, образованные фекалиями мидий, имеют мощность до 8 м.

Биогенная миграция атомов II рода – механическая – отчетливо проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2–4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Недаром известный геолог Г.Ф. Мирчинк (1889 – 1942) называл сурка-тарбагана “лучшим геологом Забайкалья” – его норы окружены “коллекциями” горных пород, добытых с глубины нескольких метров!

Понятие “нора” и “гнездо” обычно ассоциируются у нас с грызунами и птицами. Между тем биогенная миграция атомов II рода распространена не только в наземных, но и в морских экосистемах, и здесь ее роль, может быть, еще более значительна. И на дне моря организмы строят себе укрытия, причем не только в мягком, но и в скальном грунте. Олигохеты и полихеты углубляются в грунт на 40 см и более. Двустворчатые моллюски зарываются обычно неглубоко, но некоторые из них – соленоиды и миа – роют норы, которым позавидует и сурок: они достигают глубины нескольких метров. В зоне прибоя и на перемываемом волнами песке – вот беда! – норы не выроешь и гнездо не совьешь. Приходится сверлить скальные породы. И сверлят. Сверлят водоросли и губки, бактерии и моллюски, полихеты, морские ежи, рачки...

Сверлильщики появились  в далеком геологическом прошлом. Источенные ими породы находят даже в докембрийских отложениях; и поныне они продолжают свою разрушительную работу. Сверлящая деятельность моллюсков фолад вызывает иногда катастрофические последствия. Когда в районе Сочи в результате непродуманного строительства берег обнажился от гальки, он начал отступать со скоростью до 4 м в год. Главным виновником разрушения были фолады, которые заселили каждый метр скального берега, сложенного глинистыми сланцами, и принялись дружно сверлить себе подводные норки. К счастью, был найден выход: берег стали укреплять поперечными стенками, а между ними засыпать гальку. В результате сверлильщики были уничтожены, движущаяся под ударами волн галька перемолола их. А в Западной Европе не менее опасную деятельность проводит случайно завезенный из Китая мохнаторукий краб – он проник во многие реки, и, строя свои норы, подрывает берега и разрушает плотины.

К биогенной миграции II рода можно отнести и перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно, что все эти разнообразные формы движения живого вызывают и транспортировку не биогенного вещества.

Вернадский, как мы видели, подразделял процессы, осуществляемые в биосфере живым веществом, по характеру самих процессов. Несколько иначе подошел к этому вопросу современник Владимира Ивановича Н.А. Андрусов. “Химическая деятельность организма вообще, имеющая геологическое значение,– писал Андрусов,– может быть сведена к двум категориям: во-первых, к образованию на наружной поверхности или внутри твердых выделений, способных сохраняться; во-вторых, к образованию жидких и газообразных выделений, способных вступать в различные химические реакции с окружающим неорганическим миром”. По существу, эту же мысль развивала на современном материале микробиолог Т.В. Аристовская. Она указала, что миграция атомов химических элементов может быть как прямым, так и косвенным результатом жизнедеятельности организмов (в первую очередь бактерий). В таблице совмещены классификационные подходы Вернадского (горизонтальные ряды) и Андрусова – Аристовской (вертикальные столбцы). Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных положения, которые Владимир Иванович называл “биогеохимическими принципами”.

В формулировке В.И. Вернадского [5] они звучат следующим образом:

I принцип: ”Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению”.

II принцип: “Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы” (или в другой формулировке: “При эволюции видов выживают те организмы, которые своею жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию”).

III принцип: “В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало”.

Для Вернадского I биогеохимический принцип был тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. “Вихрь атомов”, который представляет собой жизнь, по определению Жоржа Кювье, стремится к безграничной экспансии. Следствием этого и является максимальное проявление биогенной миграции атомов в биосфере.

II биогеохимический принцип, по существу, затрагивает кардинальную проблему современной биологической теории – вопрос о направленности эволюции организмов. По мысли Вернадского, преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или “научились” полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах. В ходе биологической эволюции, таким образом, увеличивается “КПД” биосферы в целом. Чисто математически это показал В.В. Алексеев, который на основе расчетов пришел к следующим выводам: “Эволюция должна идти в направлении увеличения скорости обмена веществом в системе”. И далее: “Становится понятным, почему образовались ферменты, роль которых заключается в резком увеличении скоростей реакций, идущих при обычных условиях исключительно медленно”.

II биохимический принцип  Вернадского получает подтверждения на самом разнообразном эмпирическом материале. Так, в 1956 году почвовед В.Л. Ковда изложил результаты химического исследования более 1300 образцов золы современных высших растений. На этом обширнейшем фактическом материале автор пришел к выводу, что (за несколькими исключениями) зольность растений возрастает от представителей древних таксонов к более молодым. Эта закономерность – одно из частных проявлений II биогеохимического принципа. Вообще же его проявления в биосфере очень многообразны и довольно неожиданны. Возьмем другой пример из области ботаники.

Магаданский ботаник А.П. Хохряков недавно установил своеобразную направленность эволюции высших растений – интенсификацию смен органов входе индивидуального развития организма. “Так, по мнению Хохрякова, у древних древовидных плаунов – лепидодендронов – смене была подвержена только часть листьев. У более продвинутых в эволюционном отношении растений– папоротникообразных – опадают также только листья, но у них в единицу времени по отношению к массе всего тела сменяется большая часть, чем у лепидодендронов. У наиболее примитивных голосеменных – саговников – сменам также подвержены только листья, да и то за исключением оснований. У хвойных периодически сменяются ветви и кора. Наконец, на примере цветковых мы наиболее четко видим переход от многолетних форм (деревья и кустарники) к однолетним (травы). Этот же переход наблюдается и у других таксонов высших растений: среди древних хвощей и плаунов господствовали древовидные формы, а современные нам овощи и плауны – травы; среди папоротников в геологическом прошлом было много древовидных, а сейчас древовидные папоротники вымирают. Такая интенсификация смен, естественно, приводит к усилению биогенной миграции атомов в биосфере. И здесь “работает” II принцип...

III биогеохимический принцип также связан со “всюдностью” или “давлением” жизни. Этот фактор обеспечивает безостановочный захват живым веществом любой территории, где возможно нормальное функционирование живых организмов.

_{Глава 3. Круговорот веществ и энергии в биосфере}

Все живые организмы находятся  во взаимосвязи с неживой природой и включены в непрерывный круговорот веществ и энергии (рис. 44). В результате происходит биогенная миграция атомов. Необходимые для жизни организмов химические элементы переходят из внешней среды в организм. При разложении органических веществ эти элементы вновь возвращаются в окружающую среду.

Рис. 2. Круговорот веществ в природе: 1 – круговорот воды, кислорода и углерода; 2 – круговорот азота

Атмосфера состоит из смеси  газов. В процессе фотосинтеза зеленые  растения поглощают углекислый газ  и выделяют кислород. Углекислый газ  идет на построение органических веществ  и через растительные организмы  в виде питательных веществ переходит в организм животных. Кислород используется всеми живыми организмами в процессе дыхания, для окисления органических веществ, при разложении отмерших остатков организмов. В результате этих процессов углекислый газ вновь выделяется в атмосферу. Свободный азот атмосферы поглощается в почве азотфиксирующими бактериями и переводится в связанное, доступное для усвоения состояние. Растения получают из почвы соединения азота для синтеза органических веществ. После отмирания другая группа микроорганизмов освобождает азот и возвращает его в атмосферу.

Таким образом, кислород, азот и углекислый газ поглощаются  живыми организмами и ими же выделяются в атмосферу вновь в результате других процессов. Благодаря сбалансированному  круговороту газов поддерживается постоянство состава атмосферы.

В горных породах содержится большое количество фосфора. При  разрушении горных пород фосфор оказывается  в почвах, а оттуда поступает в  живые организмы. Часть фосфатов растворяется в воде и попадает в  Мировой океан, где накапливается  на дне, образуя осадочные горные породы.

Вода также участвует  в круговороте. В процессе фотосинтеза  она используется для синтеза  органических веществ, а при дыхании  и разложении органических остатков выделяется в окружающую среду. Кроме  того, вода необходима для жизнедеятельности  всем живым организмам. В ней растворяются минеральные соли и органические вещества, необходимые живым организмам. Через водную среду проходит круговорот элементов натрия, магния, кальция, железа, серы и других элементов, что  в общей сложности составляет 1,7 % общего количества веществ, включаемых в круговорот.

В результате круговорота  веществ происходит непрерывное перемещение химических элементов из живых организмов в неживую природу и обратно. Круговорот веществ включает два противоположно направленных процесса, связанных с аккумуляцией элементов в живых организмах и минерализацией в результате их разложения. Причем на поверхности Земли преобладает образование живого вещества, а в почве и морских глубинах – минерализация.

Одновременно с миграцией  атомов происходит и преобразование энергии. Единственным источником энергии  на Земле является Солнце. Часть  тепла расходуется на обогрев  Земли и испарение воды. И только 0,2 % солнечной энергии используется в процессе фотосинтеза. Эта энергия преобразуется в энергию химических связей органических веществ. При расщеплении и окислении органических веществ в процессе питания энергия освобождается и расходуется на процессы жизнедеятельности организмов: рост, движение, размножение, развитие, обогрев тела. Таким образом, постоянно поступающая солнечная энергия аккумулируется в органических веществах и ее используют все живые организмы.

Итак, биосфера представляет собой большую систему, состоящую  из разнородных компонентов, связанных  между собой процессами миграции энергии и вещества. Источником энергии  служит Солнце. Цикличность процессов  миграции – круговорот веществ обеспечивает непрерывное существование биосферы.

Количество живого вещества (биопродукция) колеблется: размножение и рост живых организмов приводят к ее росту, подавление и ограничение скорости размножения и роста, гибель организмов способствуют ее уменьшению.

К ограничивающим факторам относятся  концентрация углекислого газа в  атмосфере, недостаток влаги, нехватка питательных элементов, интенсивность  света. Эти факторы ограничивают не только скорость образования органического  вещества, но и скорость других геохимических  процессов, протекающих в неживой  природе.

_{Глава 4. Географическая оболочка}

_{4.1. Компоненты географической оболочки и их взаимодействие}

Атмосфера, литосфера, гидросфера и биосфера – четыре оболочки земного  шара находятся в сложном взаимодействии, взаимопроникают друг в друга. Все  вместе они составляют географическую оболочку.

В географической оболочке развивается  жизнь, проявляется деятельность воды, льда, ветра, образуются почвы, осадочные  горные породы.

Географическая оболочка – это область сложного взаимопроникновения, взаимодействия космических и земных сил. Она продолжает развиваться  и усложняться в результате взаимодействия живой и неживой природы.

Верхняя граница географической оболочки соответствует тропопаузе – переходному слою между тропосферой  и стратосферой. Над экватором  этот слой располагается на высоте 16–18 км, а на полюсах – 8-10 км. На этих высотах затухают и прекращаются процессы, порождаемые взаимодействием геосфер. В стратосфере практически отсутствует водяной пар, нет вертикального перемещения воздуха, изменение температур не связано с влиянием земной поверхности. Невозможна здесь и жизнь.