Биомасса, её распределение на планете.

В век научно-технического прогресса особое значение приобретают знания о жизненных процессах в целом, происходящих на всей планете. Исследования космоса позволили рассматривать Землю извне и изучать окружающие ее сферы. Увеличение народонаселения на Земле требует изыскания новых пищевых ресурсов. Вредные отходы промышленности и транспорта ставят проблему охраны не только живых организмов, но и чистоты вод и воздуха.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Биосфера и свойства биомассы планеты Земля

В век научно-технического прогресса особое значение приобретают знания о жизненных процессах в целом, происходящих на всей планете. Исследования космоса позволили рассматривать Землю извне и изучать окружающие ее сферы. Увеличение народонаселения на Земле требует изыскания новых пищевых ресурсов. Вредные отходы промышленности и транспорта ставят проблему охраны не только живых организмов, но и чистоты вод и воздуха. В связи с этим необходимо понять роль живой природы в круговороте веществ на Земле. Главное – определить значимость живой природы как носителя и трансформатора энергии. Необходимо знать структуру жизни на всей планете и основы ее устойчивости. При изучении в предшествующих классах растений, животных, человека и общей биологии вы познакомились с живой природой на всех уровнях ее организации: молекулярном, клеточном, организменном, популяционно-видовом и биогеоценотическом. При изучении данной темы вы познакомитесь с высшим уровнем организации жизни на нашей планете – биосферным.

Биосфера и ее границы. Изучение многообразия форм органического мира и закономерностей его развития не будет полным без понимания места и роли живых организмов в целом на всей планете Земля. Совокупность всех живых организмов составляет живое вещество, или биомассу, планеты.

Жизнедеятельность организмов изменила и изменяет земную кору и атмосферу. Растительная часть биомассы за миллиарды лет очистила атмосферу от углекислого газа, обогатила ее кислородом и привела к отложению углерода в известняках, каменных углях, нефти. В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка, или сфера, населенная живыми организмами. Эта земная оболочка, или область жизни, названа биосферой (греч. «биос» – жизнь, «сфера» – шар). Впервые это название было дано Ж. Б. Ламарком. Учение о биосфере создано академиком В. И. Вернадским (1863 – 1945), основоположником новой науки – биогеохимии, связывающей химию Земли с химией жизни и установившей роль живого вещества в преобразовании земной поверхности.

На планете Земля различают несколько геосфер .

Рис. 42. Литосфера (греч. «литос» – камень) – внешняя твердая оболочка земного шара. Она состоит из двух слоев: верхнего – осадочных пород с гранитом и нижнего – базальта. Слои расположены неравномерно. Гранит местами выходит на поверхность.

Все океаны, моря (совокупность их называют Мировым океаном), составляющие 70,8% поверхности Земли, а также озера, реки образуют гидросферу . Глубина океана в среднем 3,8 км, в отдельных впадинах – до 11,034 км.

Над поверхностью литосферы и гидросферы вверх до 100 км простирается атмосфера . Нижний слой атмосферы в среднем высотой 15 км называют тропосферой (греч. «тропэ» – перемена). Тропосфера включает взвешенные в воздухе водяные пары, перемещающиеся при неравномерном нагреве поверхности Земли. Над тропосферой различают стратосферу (лат. «стратум» – слой) высотой до 100 км. У границы ее возникают северные сияния. В стратосфере на высоте 15–35 км свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращается в озон (O 2 → O 3 ), который образует экран и отражает губительные для живых организмов космические излучения и частично ультрафиолетовые лучи Солнца.

Среди всех сфер Земли особое место занимает биосфера - геологическая оболочка, населенная живыми организмами . Она охватывает поверхность Земли, верхнюю часть литосферы всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы тропосферу . В биосфере проявляется деятельность живого вещества: растений, животных, микроорганизмов и человечества. Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов . Верхний предел жизни биосферы ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей; нижний высокой температурой земных недр (свыше 100° С). Крайних пределов ее достигают только низшие организмы – бактерии. Споры бактерий и грибов залетают на высоту 20 км, а анаэробных бактерий находят в земной коре на глубине свыше 3 км, в водах месторождений нефти.

Рис. 43.
Наибольшая концентрация живой массы в биосфере наблюдается у поверхности суши и океана, у границ соприкосновения литосферы и атмосферы, гидросферы и атмосферы, гидросферы и литосферы. В этих местах наиболее благоприятные условия жизни – температура, влажность, содержание кислорода и химических элементов, важных для питания организмов. К верхним слоям атмосферы, в глубь океана и недр литосферы концентрация жизни уменьшается. Накопление биомассы обусловливается жизнедеятельностью зеленых растений.

Масса живого вещества по сравнению с массой земной коры незначительна. И тем не менее многие изменения земной коры обусловлены жизнедеятельностью биомассы.

Свойства живого вещества. Организмы, составляющие биомассу, обладают громадной способностью воспроизводства – размножения и распространения по планете.

Энергия биомассы особенно проявляется в размножении. «Живое вещество – совокупность организмов, – подобно массе газа, растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его продвижение или ими овладевает, их покрывает. Это движение достигается путем размножения организмов ... Уже К. Линней ясно видел, что это свойство должно считаться основным для живого, той непроходимой гранью, которая отделяет его от мертвой косной материи» (Вернадский).

В некоторые годы размножение отдельных видов вспыхивает с такой силой, что влечет нашествие громадных масс насекомых (саранча), грызунов и других животных. Захват пространства разными организмами обусловлен интенсивностью их размножения.

Мелкие организмы, особенно в водной среде, размножаются и распространяются очень быстро. Численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 мин. Быстро размножаются членистоногие, составляющие главную массу животных суши.

Размножение и быстрое распространение организмов, особенно одноклеточных, определило «всюдность» (Вернадский) жизни – до крайних пределов биосферы.

Плотность жизни зависит от размеров организмов и необходимой для их жизни площади. Для ряски и водоросли хлореллы она определяется площадью, равной их размерам. Слону требуется площадь 30 км 2 , пчеле для сбора меда – 200 м 2 , травянистым растениям – в среднем 30 см 2 . Напор жизни создает борьбу организмов за площадь, пищу, воздух, воду.

Особенность каждого живого организма и всей биомассы состоит в постоянном обмене веществ с окружающей средой.

Различные элементы входят в живой организм, накапливаются в нем и выходят из него, частично при жизни и частично после смерти. Это главным образом кислород, водород, углерод, натрий, кальций, фосфор, калий, кремний и другие – более 20 элементов. В процессе питания происходит накопление энергии и передача ее другим организмам по цепи питания и путем размножения. Особенное значение в биосфере имеет выделение кислорода и поглощение углекислого газа при фотосинтезе зеленых растений.

В биосфере растительная масса во много раз превышает животную. В целом биомасса составляет лишь около 0,01% массы всей биосферы, но роль ее на планете грандиозна.

В среднем биомасса на Земле, по современным данным, составляет примерно 2,423 · 1012 т, при этом масса зеленых растений суши – 97%, животных и микроорганизмов – 3%.

Совокупность всех живых организмов образует биомассу (или, по выражению В. И. Вернадского, живое вещество) планеты.

По массе это составляет около 0,001% массы земной коры. Однако несмотря на незначительную общую биомассу, роль живых организмов в процессах, происходящих на планете, огромна. Именно деятельностью живых организмов обусловлены химический состав атмосферы, концентрация солей в гидросфере, образования одних и разорению других горных пород, формирование почвы в литосфере и т.д..

Биомасса суши. Наибольшая плотность жизни в тропических лесах. Здесь больше видов растений (более 5 тыс.). К северу и к югу от экватора жизнь становится беднее, уменьшаются его плотность и число видов растений и животных: в субтропиках около 3 тыс. видов растений, в степях около 2 тыс., далее идут широколиственные и хвойные леса и, наконец, тундра, в которой растет около 500 видов лишайников и мхов. В зависимости от интенсивности развития жизни в разных географических широтах меняется биологическая продуктивность. Подсчитано, что общая первичная продуктивность суши (биомасса, образована автотрофными организмами за единицу времени на единицу площади) составляет около 150 млрд т, в том числе на долю лесов земного шара приходится 8 млрд т органического вещества в год. Суммарная растительная масса на 1 га в тундре составляет 28,25 т, в тропическом лесу - 524 т. В умеренном поясе 1 га леса за год образует около 6 т древесины и 4 т листьев, составляет 193,2 * 109 Дж (~ 46 * 109 кал). Вторичная производительность (биомасса, образуемая гетеротрофными организмами за единицу времени на единицу площади) в биомассе насекомых, птиц и других в этом лесу составляет от 0,8 до 3% биомассы растений, то есть около 2 * 109 Дж (5 * 108 кал). < /p>

Первичная годовая производительность различных агроценозов значительно различается. Средняя мировая производительность в тоннах сухого вещества на 1 га составляет: пшеницы - 3,44, картофеля - 3,85, риса - 4,97, сахарной свеклы - 7,65. Урожай, который собирает человек, составляет лишь 0,5% общей биологической продуктивности поля. Значительная часть первичной продукции разрушается сапрофитами - жителями почв.

Одним из важных компонентов биогеоценозов поверхности суши являются почвы. Исходным материалом для почвообразования являются поверхностные слои горных пород. Из них под воздействием микроорганизмов, растений и животных формируется почвенный слой. Организмы концентрируют в себе биогенные элементы: после отмирания растений и животных и разложения их остатков эти элементы переходят в состав грунта, благодаря чему

в нем аккумулируются биогенные элементы, а также накапливаются не полностью разложены органические печовины. В почве содержится огромное количество микроорганизмов. Так, в одном грамме чернозема количество их достигает 25 * 108. Таким образом, почва имеет биогенное происхождение, состоит из неорганических, органических веществ и живых организмов (эдафон - совокупность всех живых существ почвы). Вне биосферы возникновения и существования почвы невозможно. Почва - среда для жизни многих организмов (одноклеточных животных, кольчатых и круглых червей, членистоногих и многих других). Почва пронизана корнями растений, из него растения впитывают питательные вещества и воду. С жизнедеятельностью живых организмов, которые есть в почве, связана урожайность сельскохозяйственных культур. Внесения химических веществ в почву часто пагубно влияет на жизнь в нем. Поэтому нужно рационально использовать почвы и оберегать их.

Каждая местность имеет свои почвы, которые отличаются от других по составу и свойствам. Образования отдельных типов почв связано с различными почвообразовательного породами, климатом и особенностями растений. В. В. Докучаев выделил 10 основных типов почв, сейчас их насчитывается более 100. На территории Украины выделяют следующие почвенные зоны: Полесье, Лесостепь, Степь, Сухой степь, а также Карпатскую и Крымскую горные области с присущими для каждой из них типами структуры почвенного покрова. Для Полесья характерны дерновопидзолисти, серые лесные,. Темносири лесные почвы, черноземы оподзоленные т.д.. Зона Лесостепи имеет серые и темносири лесные почвы. Зона Степи в основном представлена черноземами. В Украинских Карпатах преобладают бурые лесные почвы. В Крыму случаются разные почвы (черноземы, каштановые и т.д.), но они, как правило, щебнистыми и каменистые.

Биомасса Мирового океана. Мировой океан занимает более 2/3 площади поверхности планеты. Физические свойства и химический состав вод океана благоприятные для развития и существования жизни. Как и на суше, в океане плотность жизни крупнейшая в экваториальной зоне и снижается по мере виддаляння от нее. В верхнем слое, на глубине до 100 м, живут одноклеточные водоросли, которые составляют планктон, «общая первичная продуктивность фитопланктона Мирового океана составляет 50 млрд т в год (около 1/3 всей первичной продукции биосферы). Почти все цепи питания в океане начинаются с фитопланктона, которым питаются животные зоопланктона (например, рачки). Рачки являются пищей для многих видов рыб и усатых китов. Рыб поедают птицы. Крупные водоросли растут преимущественно в прибрежной части океанов и морей. Наибольшая концентрация жизни - в коралловых рифах. Океан беднее на жизнь, чем сушу, биомасса его продукции в 1000 раз меньше. Большинство образованной биомассы - одноклеточныеводоросли и прочие обитатели океана - отмирают, оседают на дно и их органическое вещество разрушается редуцентами. Лишь около 0,01% первичной продуктивности Мирового океана через длинную цепь трофических уровней доходит до человека в виде пищи и химической энергии.

На дне океана, в результате жизнедеятельности организмов, формируются осадочные породы: мел, известняки, диатомит и др..

Биомасса животных в Мировом океане приблизительно в 20 раз больше, чем биомасса растений, особенно велика она в прибрежной зоне.

Океан - колыбель жизни на Земле. Основой же жизни в самом океане, первичным звеном в сложной пищевой цепи является фитопланктон, одноклеточные зеленые морские растения. Эти микроскопические растения поедаются растительноядным зоопланктоном и многими видами мелкой рыбы, которые в свою очередь служат кормом целого ряда нектонных, активно плавающих хищников. В пищевой цепи океана принимают участие также и организмы морского дна - бентос (фитобентос и зообентос). Суммарная масса живого вещества в океане составляет 29,9∙109 т, при этом на биомассу зоопланктона и зообентоса приходится 90% от общей массы живого вещества океана, на биомассу фитопланктона - около 3 % и на биомассу нектона (главным образом рыба) - 4% (Суетова, 1973; Добродеев, Суетова, 1976). В целом биомасса океана по весу в 200 раз, а на единицу поверхности - в 1000 раз меньше, чем биомасса суши. Однако ежегодная продукция живого вещества океана составляет 4,3∙1011 т. В единицах живого веса она близка к продукции наземной растительной массы - 4,5∙1011 т. Так как морские организмы содержат гораздо больше воды, то в единицах сухого веса это соотношение выглядит как 1:2,25. Еще ниже (как 1:3,4) соотношение продукции чистого органического вещества океана в сравнении с таковым на суше, так как фитопланктон содержит больший процент зольных элементов, чем древесная растительность (Добродеев, Суетова, 1976). Достаточно высокая продуктивность живого вещества в океане объясняется тем, что простейшие организмы фитопланктона имеют короткий срок жизни, они обновляются ежедневно, а общая масса живого вещества океана в среднем примерно через каждые 25 дней. На суше обновление биомассы происходит в среднем за 15 лет. Живое вещество в океане распределяется очень неравномерно. Максимальные концентрации живого вещества в открытом океане - 2 кг/м2 - расположены в районах умеренного пояса северной части Атлантического и северо-западной части Тихого океанов. На суше такую же биомассу имеют зоны лесостепей и степей. Средние величины биомассы в океане (от 1,1 до 1,8 кг/м2) имеют области умеренного и экваториального поясов, на суше им соответствуют биомассы сухих степей умеренного пояса, полупустынь субтропического пояса, альпийских и субальпийских лесов (Добродеев, Суетова, 1976). В океане распределение живого вещества зависит от вертикального перемешивания вод, вызывающего подъем к поверхности питательных веществ из глубинных слоев, где происходит процесс фотосинтеза. Такие зоны подъема глубинных вод получили название зон апвеллинга, они наиболее продуктивны в океане. Зоны слабого вертикального перемешивания вод характеризуются низкими величинами продукции фитопланктона - первого звена в биологической продуктивности океана, бедностью жизни. Другая характерная черта распределения жизни в океане - концентрация ее в мелководной зоне. В районах океана, где глубина не превышает 200 м, сосредоточено 59% биомассы донной фауны; на глубины от 200 до 3000 м приходится 31,1% и на районы с глубиной более 3000 м - менее 10%. Из климатических широтных поясов в Мировом океане наиболее богаты субантарктический и северный умеренный пояс: их биомасса в 10 раз больше, чем в экваториальном поясе. На суше, напротив, наиболее высокие значения живого вещества приходятся на экваториальный и субэкваториальный пояс.

Основу биологического круговорота, обеспечивающего существование жизни, составляет солнечная энергия и улавливающий ее хлорофилл зеленых растений. В круговороте веществ и энергии участвует каждый живой организм, поглощая из внешней среды одни вещества и выделяя другие. Биогеоценозы, состоящие из большого числа видов и костных компонентов среды, осуществляют циклы, по которым передвигаются атомы различных химических элементов. Атомы постоянно совершают миграцию через многие живые организмы и костную среду. Без миграции атомов жизнь на Земле не могла бы существовать: растения без животных и бактерий вскоре исчерпали бы запасы углекислого газа и минеральных веществ, а животные баз растений лишились бы источника энергии и кислорода.

Биомасса поверхности суши – соответствует биомассе наземно-воздушной среды. Она увеличивается от полюсов к экватору. Вместе с тем возрастает количество видов растений.

Арктические тундры – 150 видов растений.

Тундры (кустарники и травянистые) – до 500 видов растений.

Зона лесов (хвойные леса + степи (зона)) – 2000 видов.

Субтропики (цитрусовые, пальмы) – 3000 видов.

Широколиственные леса (влажные тропические леса) – 8000 видов. Растения растут в несколько ярусов.

Биомасса животных. В тропическом лесу самая большая биомасса на планете. Такая насыщенность жизни вызывает жесткий естественный отбор и борьбу за существование а =>Приспособленность различных видов к усл-ям совместного сущ-я.

Биологи провели количественный анализ глобального распределения биомассы на Земле, которая суммарно составила 550 миллиардов тонн углерода. Оказалось, что более 80 процентов от этого числа приходится на растения, суммарная биомасса наземных организмов примерно на два порядка больше, чем морских, а доля человека составляет около 0,01 процента, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences .

Количественные данные об общей биомассе всех живых организмов на Земле и ее распределении между отдельными видами - важная информация для современной биологии и экологии: по ним можно исследовать общую динамику и развитие всей биосферы, ее реакцию на происходящие на планете климатические процессы. Как пространственное распределение биомассы (географическое, по глубине и средам обитания видов), так и ее распределение между различными видами живых организмов может служить важным показателем при оценке путей переноса углерода и других элементов, а также экологических взаимодействий или пищевых цепей. Тем не менее, на сегодняшний день количественные оценки распределения биомассы были сделаны либо для отдельных таксонов, либо внутри некоторых экосистем, а достоверных оценок всей биосферы на данный момент сделано не было.

Чтобы получить такие данные, группа ученых из Израиля и США под руководством Рона Мило (Ron Milo) из Института имени Вейцмана провела своеобразную перепись всех видов животных с оценкой их биомассы и географического распределения. Все данные ученые собирали по нескольким сотням актуальных научных статей, после чего обрабатывали эту информацию с помощью разработанной схемы интегрирования с учетом географического распределения видов. В качестве количественного показателя биомассы, приходящейся на различные виды, ученые использовали информацию о массе углерода, которая приходится на различные таксоны (то есть при рассмотрении не учитывалась, например, масса воды). Сейчас все полученные результаты, а также использованные для анализа программы, находятся в открытом доступе, и их можно найти на github .

Принципиальная схема получения данных о глобальном распределении биомассы на основе имеющихся неполных данных с учетом географического распределение параметров окружающей среды

Y. M. Bar-On et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018

Анализ полученных данных показал, что суммарная биомасса всех живых организмов на Земле составляет примерно 550 миллиардов тонн углерода. При этом ее подавляющую часть содержат представители царства растений: 450 гигатонн углерода - это более 80 процентов от общего числа. На втором месте идут бактерии: примерно 70 миллиардов тонн углерода, - а животные (2 миллиарда тонн) уступают также грибам (12 миллиардов тонн), археям (7 миллиардов тонн) и простейшим (4 миллиарда тонн). Среди животных самая большая биомасса у членистоногих (1 миллиард тонн), а, например, общая биомасса вида Homo sapiens составляет 0,06 миллиардов тонн углерода - это примерно 0,01 процент от всей биомассы на Земле.

Распределение биомассы между представителями разных царств (слева) и внутри царства животных (справа)

Y. M. Bar-On et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018

Распределение биомассы между различными средами обитания: суммарное для всех живых организмов (слева) и отдельно для представителей различных царств (справа)

Y. M. Bar-On et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018

Что интересно, максимальная по биомассе доля представителей основных царств обитает в различных средах обитания. Так, большая часть растений - это наземные виды. Максимальная биомасса животных обитает в морях и океанах, а, например, большая часть бактерий и архей находится глубоко под землей. При этом общая биомасса наземных организмов примерно на два порядка больше, чем морских, на которых, по оценкам авторов исследования, приходится всего 6 миллиардов тонн углерода.

Ученые отмечают, что из-за недостатка точной информации полученные данные вычислены с очень большой неопределенностью. Так, достаточно уверенно можно оценить лишь биомассу растений на Земле, а для бактерий и архей полученные данные могут отличаться от действительных и в 10 раз. Тем не менее, неопределенность данных об общей биомассе всех живых организмов на Земле не превышает 70 процентов.

По словам авторов работы, полученные ими результаты основаны на данных из актуальных научных исследований, поэтому могут быть использованы для современных экологических и биологических оценок, даже несмотря на довольно большую погрешность. Ученые также отмечают, что при анализе данных им удалось определить те географические области, для которых на сегодняшний день данных очень мало и необходимы дополнительные исследования. Исследователи надеются, что в будущем уточнение данных позволит не только проводить подобный анализ с достаточным географическим разрешением, но и следить за динамикой изменения подобных распределений с течением времени.

Совсем недавно ученые распределение биомассы в более мелких системах, рассмотрев крупные леса по всей Земле. Оказалось, что более половины всей биомассы леса приходится на всего один процент самых крупных деревьев, большая часть из которых превышает в диаметре 60 сантиметров. При этом для некоторых видов животных в отдельных географических областях уже сейчас удается провести и динамический анализ. Например, в прошлом году европейские экологи изучили биомассу летающих насекомых в национальных парках Германии и , что за 27 лет она снизилась сразу на 76 процентов.

Александр Дубов

Одним из главных общебиологических показателей является масса биосферы, или биомасса. Биомасса – это общая масса всех видов живого на Земле в определенный момент времени. На нашей планете биомасса состоит из трех главных видов: растения (99,75% массы биосферы), животные (0,25%) и микроорганизмы (10 - 6%). Биомасса на Земле изменяется в процессе эволюции. Она сначала медленно возрастала на протяжении 3340 миллионов лет, а потом стала сравнительно быстро уменьшаться на протяжении 263 миллионов лет. Для точной ориентации в эрах и периодах приводится таблица, где длительность периодов указана в миллионах лет.

А схема отражает этапы изменения массы биосферы.

Изменение растительной и животной биомассы Земли на протяжении 6 миллиардов лет существования планеты

Современную биомассу ученые оценивают в 10 14 кг (В.И. Вернадский), что составляет в 10 миллионов раз меньшую массу, чем «теоретически максимальная» масса биосферы Земли.

Можно выделить следующие эволюционные стадии количественного изменения биомассы.

1 . Безжизненная горячая Земля . Стадия длилась от возникновения планеты в течение 1500 миллионов лет до начала архейского эона.

2 . Медленное увеличение биомассы Земли . Длительность 3000 миллионов лет; время архейского, протерозойского эонов. Жизнь возникла, и начала медленно увеличивать свою биомассу до 10 13 - 10 15 кг к концу протерозоя, живые организмы содержались исключительно в морях и океанах. Несмотря на изобилие углекислого газа в атмосфере (80%) повсеместная теплота поверхности континентов планеты (в среднем около +250° С) не давало возможности распространению растений по суши. Растения существовали только в океанах.

3 . Быстрое увеличение биомассы происходило в течение палеозойской эры (на протяжении 335 миллионов лет) . Растительно-животный мир вышел из океанов и распространился по континентам. Изобилие углекислого газа в атмосфере (20-65%) и повсеместная теплота поверхности планеты (в среднем около +50° С) привели к сверхвысокому насыщению растительной жизнью океанов и континентов. В конце этой стадии, в каменноугольном и пермском периодах, из растительности образовались самые мощные пласты органического ископаемого - каменного угля.

В эти периоды возникает максимальная масса растительного мира на Земле в количестве 10 2 0 кг, что в миллион раз выше современной массы биосферы. Современную биомассу В.И. Вернадский оценивал массой в 10 14 кг.

4 . Медленное уменьшение биомассы . Происходило в мезозойскую эру (длительность 169 миллионов лет). При сверхбольшом количестве растительной массы началось глобальное и интенсивное поглощение углекислого газа из атмосферы. Процентное содержание углекислого газа медленно понижалось. Хотя атмосфера постоянно пополнялась им от десятков тысяч вулканов, но вулканическая деятельность медленно затихала. В Кайнозойскую эру (началась 70 миллионов лет назад - сайт) снизилось процентное содержание углекислого газа в атмосфере до 1-3%, охлаждение поверхности планеты и атмосферы достигло ниже 30° С. Поэтому растительная биомасса начала медленно сокращаться. К концу мезозоя ее масса уменьшилась в 3-5 раз и равнялась 5·10 19 кг. Жизнедеятельность растений привела к увеличению количества кислорода в атмосфере Земли с 5-10% до 15-20%. Это способствовало резкому увеличению биомассы животного мира, так как животные дышат кислородом. Триасовый и юрский периоды этой эры можно назвать «золотым веком» животного царства.

Континенты и океаны в то время заполняли самые крупные животные - динозавры. Это были травоядные и хищные звери, масса одного экземпляра достигала десятков тонн. Можно предположить, что по отношению к растительной массе животные занимали в то время около 1%, что составляет 10 18 кг. Если современная масса животных определяется цифрой 2,5·10 13 кг, то в юрский период она была в 4000 раз выше. Однако основную массу биосферы (99%) составляли растения. Наивысшая масса биосферы приходится на 5 периодов: два последних периода палеозойской эры (каменноугольный и пермский) и три периода мезозойской эры (триасовый, юрский и меловой).

5 . Быстрое уменьшение биомассы . Эта стадия уже длится на протяжении всей Кайнозойской эры (в течение 70 миллионов лет) и закончится полным исчезновением жизни на Земле приблизительно через 30 миллионов лет; общая длительность стадии 100 миллионов лет. Причина очень быстрого вымирания растений и животных в кайнозойскую эру состоит в катастрофическом уменьшении углекислого газа до 0,03% и в значительном похолодании атмосферы у поверхности Земли. Вулканическая деятельность почти затихла и не добавляет углекислого газа в атмосферу. Северный и южный полюса окружаются холодными зонами льдов и снегов, где почти нет растительно-животного мира. Через миллион лет процентный состав углекислого газа в атмосфере еще больше уменьшится, а планета станет значительно холоднее. Через 30 миллионов лет жизнь на Земле перестанет существовать.

6 . Безжизненная холодная Земля . Оставшееся время, вплоть до взрыва Солнца как «сверхновой», Земля будет без признаков жизни. Процесс уничтожения всех планет Солнечной системы, в том числе и планеты Земля, произойдет примерно через 3 миллиарда лет, когда ее возраст будет 8 миллиардов лет. За это время планета потеряет атмосферу и гидросферу, литосфера полностью остынет. Исчезнут все «среды жизни»: атмосфера, почва, гидросфера. Земля станет похожей на Луну.

7 . Сделаем некоторые общебиологические выводы .

Из 8 миллиардов лет существования Земли (в прошлом и будущем) жизнь будет сохраняться на планете около 3,57 миллиардов лет, то есть 45% времени существования планеты. Максимальная масса биосферы (мезозой) в количестве 1020 кг просуществовал на планете 0,1 миллиардов лет – 1,5% времени всего существования жизни на планете.

На протяжении 3340 миллионов лет происходил процесс возрастания биомассы, а за 263 миллионов лет биомасса уменьшится до минимума, до полного исчезновения жизни на Земле. Таким образом, вымирание жизни происходит в 13 раз быстрее, чем процесс возрастания биомассы.

Максимальная масса биосферы на Земле может быть не более 1,4×10 21 кг. Почему? Растительно-животный мир состоит из воды на 60-90%. На поверхности Земли находится 1,4×10 21 кг воды (в океанах, морях, озерах, реках, атмосфере). Следовательно, если даже растения и животные включат в свой состав всю воду океанов, морей, рек, озер (что практически невозможно), то их масса не сможет превысить эту величину (1,4×10 21 кг). Современная биомасса в 10 14 кг составляет в 10 миллионов раз меньшую массу, чем «теоретически максимальная» масса биосферы Земли.

Существуют две главные тенденции изменения биомассы планеты Земля. Первое: возрастание массы биосферы происходило во время протерозоя и палеозойской эры. Второе: уменьшение биомассы происходило во время мезозойской и кайнозойской эр. Следовательно, в определенные периоды палеозойской эры биомасса в количественном отношении была равнозначной биомассе определенного периода Мезозойской и Кайнозойской эрам. Определим некоторые периоды ее равенства. Биомасса в количестве 10 17 кг соответствует началу девонского периода палеозойской эры и началу Кайнозойской эры (палеогеновый период), в количестве 10 19 кг - каменноугольному периоду (палеозой) и середине юрского периода (мезозой). Биомасса 10 20 кг соответствует началу пермского (палеозой) и концу триасового (мезозой) периодов.

Рассчитано, что полное вымирание жизни на Земле произойдет через 30 миллионов лет. Понятно, что это очень приблизительная цифра. Невозможно установить точного момента исчезновения растительно-животного мира, так как нельзя предсказать время полного исчезновения углекислого газа из атмосферы, и трудно предвидеть темпы оледенения поверхности планеты.

Человечество возникло в период интенсивного вымирания жизни на Земле - в антропогеновый (четвертичный) период кайнозойской эры. Холод и голод заставили наших предков думать. Мышление является одним из способов борьбы за существование определенных видов животных, какими оказались древние обезьяны. Сильная воля к жизни трансформировалась в разум. Интересно отметить, что Человек Разумный возник 5 миллионов лет назад и в то же самое время образовались льды Арктики и Антарктиды. Если астрономы обнаружат планету с растительно-животным миром (с кислородом и углекислым газом в атмосфере), полюса которой начали покрываться снежно-ледяными шапками, то можно утверждать о возможности возникновения Разумных Существ на данной планете.

8 . Какова причина уменьшения растительно-животной массы (биомассы) на Земле ? Существует всего четыре главных причин, из-за которых биомасса стремительно уменьшается, и, в конце концов, полностью ликвидируется, станет равной нулю. Причины эти следующие: постоянное уменьшение углекислого газа в атмосфере, постоянное охлаждение поверхности Земли, резкое уменьшение испарения воды в атмосферу из-за холода и возникновение глобальной засухи (безжизненных песчаных пустынь), а также - медленное исчезновение атмосферы, окружающей планету.. Наивысшее развитие растительной массы происходило при концентрации углекислого газа в 10 - 30% в пермский и триасовый периоды. Дальнейшее уменьшение углекислого газа до 7% в мезозойскую эру привело к медленному сокращению биомассы (стадия 4), а уменьшение концентрации углекислого газа ниже 3% в начале кайнозойской эры (стадия 5) окончательно подорвало приспособительные механизмы земной растительности. Похолодание планеты вместе с углекислым «голодом» способствовало началу быстрого уменьшения биомассы планеты (стадия 5).

Многие виды растений (папоротники, лепидодендроны, сигиллярии) не смогли выработать в своих ферментативных системах способов поглощения углекислого газа CO 2 из атмосферы и водных растворов при значительном падении концентрации углекислого газа в атмосфере до 0,03%. Эти виды растений интенсивно вымирали. В меловом периоде (мезозойская эра) возникают первые покрытосеменные и распространяются лиственные и хвойные леса. Они оказались более приспособленными к холоду и низкому содержанию углекислого газа в атмосфере, когда в кайнозойскую эру его содержание упало с 3 до 0,03%. Дальнейшее снижение процентного содержания углекислого газа в атмосфере приведет к уменьшению существующей сейчас биомассы (сначала растений, а потом и животных), а при достижении концентрации 0,00003% (через 10 миллионов лет) на Земле останутся единичные виды растений, биомасса уменьшится в тысячи раз. Тогда на Земле, вероятно, будут существовать только мхи и травы, а из животного мира - мелкие насекомые.

Научно-технический прогресс, развитие сельского хозяйства, увеличение народонаселения на Земле в настоящее время оказывают огромное влияние на природу. Это сложная, глобальная проблема, волнующая все человечество. Освоение космоса создает возможности для исследования природных богатств Земли и влияния на нее деятельности человека. Вредные отходы промышленности, транспорта отрицательно сказываются на живых организмах и загрязняют воздух, воду и почву. Все это, в свою очередь, действует на круговорот веществ и энергии в природе. Для того чтобы всесторонне, с научной точки зрения, изучить все вредные изменения в природе, необходимо знать закономерности жизни на всей планете. При изучении биологии в предшествующих классах вы познакомились с живыми организмами на всех уровнях их развития. Теперь вы познакомитесь с высшим уровнем организации жизни на Земле - биосферным.

Биосфера и ее границы. В настоящее время ученые в составе планеты различают следующие геологические оболочки: литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу. Биосфера охватывает оболочку, населенную живыми организмами. Живые организмы и окружающая их среда в биосфере тесно взаимосвязаны и зависимы друг от друга. В целом биосфера-это непрерывно меняющаяся, развивающаяся единая открытая система.

В последнее время согласно научным данным существует мнение, что биосфера возникла со времен появления планеты Земля. Ученые пришли к выводу, что жизнь на Земле появилась 3,8 млрд. лет назад. Это мнение впервые поддержал известный ученый, основатель учения о биосфере В. И. Вернадский (1863-1945).

Главную роль в возникновении биосферы на планете играют живые организмы, и все закономерности в природе осуществляются благодаря их деятельности. Совокупность всех живых организмов на Земле составляет биомассу планеты.

Жизнедеятельность живых организмов изменила и изменяет земную кору (литосферу), гидросферу, атмосферу. Нынешнее состояние биосферы напрямую связано с деятельностью живых организмов. Например, процентное соотношение газового состава атмосферы формировалось постепенно в результате жизнедеятельности организмов. Зеленые растения за миллиарды лет очистили атмосферу от углекислого газа, обогатили ее кислородом и способствовали отложению торфа, каменного угля. В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка, или сфера жизни - биосфера (греч. bios - "жизнь", spharia - "шар"). Впервые этот термин был введен в науку французским ученым Ж. Б. Ламарком в 1802 г.

По мере накопления научных данных о биосфере они стали широко использоваться в различных науках естествознания. Австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г. широко применил термин "биосфера" в геологии. Первые научные представления о биосфере встречаются и в трудах известного русского ученого В. В. Докучаева.

Основу учения о биосфере создал известный русский ученый В. И. Вернадский - основоположник новой науки биохимии, связывающей химию Земли с химией жизни, установил роль живых организмов (или живого вещества) в преобразовании земной поверхности. В настоящее время ученые всего мира полностью признают учение В. И. Вернадского о биосфере.

Выдающийся русский ученый. Основоположник биохимии, кристаллографии, минералогии и других наук. Заложил основу учения о биосфере. Основал теорию о главной роли живых организмов в биохимических процессах. Основатель учения о ноосфере.

Геосферы планеты Земля. Литосфера (греч. lithos - "камень") - внешняя твердая оболочка суши земного шара. Она состоит из верхнего слоя - осадочных пород с гранитом и нижнего - базальта. Слои расположены неравномерно. В некоторых областях верхний слой литосферы превратился в почвенный, образовавшийся в результате деятельности живых организмов и их остатков. Этот слой в научной литературе называется педосфера (греч. pedon - "почва"). В слое литосферы живые организмы встречаются на глубине 3500-7000 м в нефтяных водных слоях.

Океаны и моря составляют 70,1% земного шара. В совокупности их называют Мировым океаном, они и составляют гидросферу. Глубина океана в среднем - 3,8 км, а самые глубокие места достигают 10 960 м (Марианская впадина). Живые организмы во всех слоях гидросферы распределены неравномерно. Самой благоприятной средой для живых организмов считается водная поверхность глубиной до 200 м.

Атмосфера - воздушная оболочка Земли. Вверх до 100 км над Землей простирается атмосфера. Нижний слой атмосферы, ближе к Земле, называется тропосферой (греч. tropos - "перемена"), высота - 15 км. Над тропосферой слой до 100 км называетсястратосферой (лат. stratum - "слой"). На высоте 20-50 км атмосферы находится озоновый слой, защищающий живые организмы от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей (схема 10).

Схема 10

Озоновый слой имеет важнейшее значение для жизни на Земле. В последнее время много говорят о том, что под действием различных остатков химических веществ образовались дыры в озоновом слое. Озоновый слой защищает все живые организмы от космических излучений и ультрафиолетовых лучей Солнца. Биосфера состоит из нескольких слоев живых организмов, распространенных на планете Земля. Микроорганизмы, грибы, растения, животные (человек) в биосфере называются живыми организмами.

Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов (рис. 83).

Рис. 83. Пределы жизни в биосфере

Верхний предел жизни биосферы ограничивается интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей, а нижний - высокой температурой недр (свыше 100°С). В верхней границе биосферы распространены только низшие организмы - бактерии и грибы.

Масса живых организмов (популяций, видов, природных сообществ), выражающаяся соотношением единицы веса на единицу площади или объема, называется биомассой.

Наибольшая концентрация биомассы живых организмов наблюдается у поверхности суши и океана, у границ соприкосновения литосферы и атмосферы, гидросферы и атмосферы, литосферы и гидросферы. В этих местах наиболее благоприятные условия для жизни - температура, влажность, содержание кислорода и химические элементы. Самое широкое распространение живых организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал "пленками жизни". К верхним слоям атмосферы, в глубь океана и недр литосферы концентрация жизни уменьшается. Накопление биомассы непосредственно связано с жизнедеятельностью зеленых растений.

Химический состав всех живых организмов значительно отличается от химического состава атмосферы и литосферы. Химический состав живых организмов соответствует химическому составу гидросферы. В составе гидросферы чаще встречаются атомы водорода и кислорода. В составе живых организмов объем водорода, кислорода, углерода, кальция и азота значительно выше. В составе живых организмов встречается около 70 элементов таблицы Менделеева. По словам В. И. Вернадского, живые организмы составляют самую активную часть мировой материи. Живые организмы осуществляют сложные геохимические процессы в биосфере, подвергают различным изменениям слой земного шара.

Основным свойством живых организмов является способность к воспроизводству - размножение и рост, распространение и образование своей биомассы. Главная планетарная функция организмов - накопление солнечной энергии и использование ее в геохимических процессах биосферы.

В. И. Вернадский высоко оценил роль живых организмов в природе. "Живое вещество - совокупность организмов - распространяется по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде. Это движение осуществляется путем размножения организмов..." Уже К. Линней ясно видел, что это свойство должно считаться основным для живого, той непроходимой гранью, которая отделяет его от неживой материи.

Основную биомассу животных на суше составляют насекомые в результате их интенсивного размножения.

В водной среде микроорганизмы размножаются и распространяются очень быстро. Численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 мин. В результате жизнедеятельности микроорганизмов биосферы проходят процессы окисления и восстановления химических элементов. Например, можно назвать бактерии, накапливающие азот, серу, железо, марганец и др.

В результате деятельности микроорганизмов, грибов и других животных разлагаются органические остатки. Большую роль в достижении современного уровня кислорода в составе атмосферы играли зеленые растения. Озоновый слой в верхней части тропосферы также возник в результате деятельности живых организмов.

Живые организмы сыграли значительную роль в перемещении атомов с одного места на другое благодаря большому и малому круговоротам в биосфере. Благодаря круговороту веществ и энергии живых организмов биосфера способна к саморегуляции. По данным В. И. Вернадского, общая биомасса живых организмов определяется в 2,4232 1012 т (в виде сухого вещества). Из них 2,42 1012 т встречается на суше, а 0,0032 1012 - в Мировом океане. Основную часть биомассы на суше составляют растения, т. е. 99,2%, а 0,8% - животные (табл. 10).

В Мировом океане на долю животных приходится 93,7% биомассы, а остальные 6,3% биомассы - на долю растений. Общая биомасса всех живых организмов суши в 800 раз больше, чем биомасса организмов океана, около 90% биомассы суши составляют лесные массивы. По этим данным можно представить, насколько важны тропические леса планеты для человечества. В настоящее время интенсивность вырубки леса составляет 11 млн. га в год. Главная задача, стоящая перед человечеством, - это защита и сохранение тропических лесов для обеспечения устойчивого равновесия количества кислорода на нашей планете.

Биосфера. Литосфера. Педосфера. Гидросфера. Атмосфера. Биомасса. Тропосфера. Стратосфера. Озоновый слой.

1. Область распространения жизни на Земле - биосфера. В ее состав входят оболочки: литосфера, гидросфера, атмосфера.

2.Основоположником учения о биосфере является русский ученый В. И. Вернадский.

3.Жизнь в биосфере связана непосредственно с круговоротом веществ и энергии в живых организмах.

4.В атмосфере на высоте 20-50 км есть озоновый слой, защищающий живых организмов от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей Солнца.

1.Что означает понятие биосфера1

2.Из каких сфер состоит земной шар?

3.В каких местах биосферы больше всего сосредоточены живые организмы?

1.Дайте характеристику литосферы как геологического слоя.

2.Какие слои различают в атмосфере?

3.На какой высоте расположен озоновый слой и каково его значение для жизни?

1.Что означает понятие биомасса?

2.Дайте характеристику гидросферы как геологического слоя.

3.Дайте характеристику биомассы суши и Мирового океана.

Составьте характеристику оболочек биосферы и их особенностей в виде таблицы.