Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Аккумуляция энергии в биосфере

Значительная часть энергии, аккумулированная ранее живым веществом, теперь представлена в форме поверхностной энергии дисперсных частиц в зоне выветривания, она расходуется во многих геологических процессах. Живое вещество, участвуя в раздроблении горных пород на тонкодисперсные коллоидные вещества, передает им дополнительную энергию. Чем больше суммарная поверхность, тем больше энергия. Наибольшей поверхностной энергией обладают глины, илы, ископаемые угли, чернозем, которые способны сорбировать из окружающей среды различные соединения.

Аккумуляторами энергии являются и сульфиды: чтобы восстановить серу (S⁶⁺→ S^2-) и железо (Fe³⁺ →Fe²⁺), надо затратить энергию, и она в скрытом виде содержится в пирите и других сульфидах. При окислении на земной поверхности сульфиды отдают энергию окружающей среде. Поэтому в зоне окисления сульфидных руд повышается температура, в Сибири тает вечная мерзлота, во многих странах на участках разработки сульфидных руд известны “колчедановые пожары”. Энергия выделяется и в химической форме, так как при окислении пирита образуется серная кислота, разрушающая окружающие породы.

Благодаря энергетической функции биосфера оказалась способной поддерживать жизнь на планете, умножать численность и усложнять виды организмов, обеспечивать потребность гетеротрофных организмов - животных и человека в энергии.

Накопление энергии в биосфере обеспечивается благодаря выработке у растительного покрова адаптаций к максимальному захвату солнечной энергии. На континентах оно достигается путем увеличения фотосинтезирующей поверхности (образование листовой мозаики, непрерывный растительный покров, его ярусная структура, дифференциация растений по сезонам вегетации).

В целом в биосфере используется лишь 0,1-0,2 % годовой величины солнечной радиации, аккумулированной фотосинтезом. На суше она колеблется в пределах 0,3-0,46 % (оптимум 1-2 %), эффективность использования энергии фитопланктоном ниже (0,04 % энергии, достигающей поверхности океана). Обнаружено увеличение энергетической эффективности экосистем различного эволюционного возраста (по отношению продукции к биомассе). В ландшафтах хвойных лесов, возникших в середине пермского периода, отношение продукции к биомассе составляет 0,54-0,55, в ландшафтах с покрытосеменными деревьями, возникших в середине мела, - 0,59-0,68. В ландшафтах с травянистыми покрытосеменными (степи, саваны), возникших в неогене, достигает 0,96. Возрастание ежегодной продукции на единицу биомассы следует рассматривать как показатель прогрессивного развития экосистем. Экстраполяция закономерностей на вымершие формации (влажные папоротникообразные среднего палеозоя и прапапоротникообразные нижнего палеозоя) дали показатели 0,4 и 0,3. Существует мнение, что эффективность наземных экосистем по использованию солнечной энергии возросла за последние 540 млн лет в 100 раз.

Появление гомойотермных животных было подлинной революцией в энергетике биосферы, так как расходование ими громадного количества энергии для поддержания физиологического оптимума потребовало дополнительных запасов биомассы на низших уровнях трофических цепей. В древних биогеоценозах биомасса растений всего в 4-5 раз превышала биомассу животных и не менее 15% энергии, накопленной в низших звеньях пищевых цепей, переходило в верхние звенья. В третичных биогеоценозах биомасса автотрофов уже в сотни раз превышает биомассу консументов и лишь 2-3 % фитомассы идет на построение органов и на размножение животных. Это еще одно доказательство связи энергетической эволюции биосферы с общим повышением активности животных, расширением ареала миграции.

Высказаны интересные гипотезы об эволюции энергетики планеты под влиянием эволюции живого вещества. Аккумулированная солнечная энергия, погружаясь в глубинные слои Земли, становится источником мощных тектонических и магматических процессов (рис. 2). Минералы, заряженные энергией, образуются практически при всех процессах, где участвуют или живое вещество, или его продукты (гипергенез, образование глин, кремниевых пород, бокситов, известняков, солей). Погружаясь в зонах геосинклиналей в недра, минералы «разряжаются». Освободившаяся энергия способствует разогреванию земных недр и используется в процессах гранитизации, образования месторождений рудных ископаемых, а также орогенетической и интрузивной деятельности Земли. Возрастание интенсивности геологических процессов на протяжении истории Земли свидетельствует о том, что их энергетическими источниками служат радиоактивный распад вещества и эволюция живых организмов. Ускорение эволюции геологических процессов происходит параллельно усилению интенсивности биологических круговоротов, скорости миграции элементов в биосфере, скорости накопления в минеральном веществе потенциальной химической энергии. Деятельность живого вещества является движущей силой развития земной коры.

Изменение информационного "фонда". В современной биологии и экологии под информацией, как правило, понимают меру многообразия и сложности организации жизни и биосферы в целом. В ходе истории живых организмов наблюдалось увеличение информационной «емкости», рост количества форм организмов. Изменение информации - это главная тенденция и в эволюции биосферы, выражалась в возрастании многообразия и структурированности биосферы: увеличение количества геохимических барьеров, рост дифференцированности физико-географического и геохимического строения биосферы и т.д.

Для количественной оценки роста информации применили данные о видовом разнообразии организмов (рис. 3). В отдельные периоды широкого распространения зон с теплым и влажным климатом (карбон, мезозой) объем живого вещества был больше, чем в современной биосфере. Однако разнообразие современных физико-географических условий (наличие аридных и гумидных зон, высокогорий и т.д.), в которых обитают организмы, обусловливает большее разнообразие видов животных и растений или, иными словами, большее количество биологической информации.

Согласно теории симбиогенеза в основе эволюции эукариот находится механизм включения генетического материала микроорганизмов в наследственные клетки растений или животных. Возникающие в результате новые генетические системы – гибриды бактериальной и растительной или бактериальной и животной клетки – являются чем-то подлинно новым, принципиально отличающимся от исходных клеток, не содержащих материалы симбионта.

Разделение веществ земной коры в ходе истории биосферы означало рост количества неорганической информации. Он проявляется в прогрессивной дифференциации химических элементов, образовании различных биогенных осадочных пород, месторождений полезных ископаемых, в возникновении геохимических барьеров (усиление окислительно-восстановительной, кислотно-щелочной контрастности среды), в изменении кларков концентрации отдельных химических элементов и т. д.

Образование и эволюция почвенного покрова также представляют собой пример увеличения информации. Многообразие почв, дифференцированность их строения, сложность организации этих биокосных тел есть результат переноса биологической информации на косную среду. Формирование всех биокосных систем планеты свидетельствует о процессе повышения сложности их организации, увеличения разнообразия и, следовательно, идет с накоплением информации.

Устойчивость экосистем и их возможность приспособиться к изменяющимся абиотическим факторам в значительной степени зависят от их сложности, т.е. от числа составляющих их видов животных, растений, микроорганизмов, и взаимодействия между ними и окружающей средой. Эволюция идет в сторону достижения наибольшей суммы жизни (биомассы, продуктивности), которая возможна лишь при наибольшем разнообразии видов в экосистемах. Возрастание структурной сложности биосферы и усложнение взаимодействий между ее компонентами вели к повышению ее целостности и независимости от космоса и других геологических оболочек Земли.

Эволюция биологического круговорота. Увеличение биомассы живого вещества, возрастание энерговооруженности биосферы и ее информационной «емкости» являются сторонами единого процесса - эволюции биологического круговорота. Живое вещество, избирательно извлекая из окружающей среды элементы и их изотопы, создает и сохраняет в охваченной ими области общепланетарный биологический круговорот. Единственный способ придать количественно ограниченному свойство бесконечного - это придать ему циклическое движение, заставить его вращаться в круговороте. Этот способ использовала жизнь, выработав его в процессах длительного отбора и дошлифовки биотических отношений. Уже развитие примитивных флоро-фаунистических комплексов и начальная их дифференциация вели к возникновению особых биогенных циклов в сложных круговоротах вещества и превращениях энергии. Формирующиеся трофические отношения в зарождающейся биосфере способствовали изыманию элементов из большого геологического круговорота и вовлечению их в новый, меньший по сравнению с исходным биологический круговорот. Эти элементы стали вращаться в круговороте «расширяющейся спиралью». Сложившаяся в биосфере система отношений продуцентов, консументов и редуцентов обеспечивает удержание зольных элементов в биологическом круговороте. Постепенно биогенные циклы вещества и энергии приобрели общепланетарный характер, используя при этом особенности геологического цикла.

В ходе эволюции биосферы шел отбор более совершенных организмов - трансформаторов энергии, осуществляющих более совершенно в данных условиях круговорот материального фактора-минимума, элементов зольного и азотного питания.

В протобиосфере существовала очаговая «оболочка», составленная из абиогенных органических и активных координационных соединений микроэлементов. Эти соединения могли выполнять зачаточные биогеохимические функции (концентрационную, окислительную, восстановительную). Так зарождался биологический круговорот химических элементов.

Становление биологического круговорота относят к докембрию, когда жизнь пробовала различные варианты биологического круговорота, вовлекая в интенсивную миграцию разные элементы, пока не возник наиболее целесообразный круговорот. Со временем нарастала дифференциация биологического круговорота, связанная с появлением новых циклов элементов, изменения их форм миграции, ускорение темпа круговорота, совершенствование способности к максимальному использованию минерального вещества и воды, к повышению продуктивности ландшафтов. В ходе завоевания жизнью гидросферы, нижней части тропосферы, верхней части литосферы возрастало воздействие жизни на миграцию химических элементов.

Появление водорослей повысило роль биологического круговорота минеральных элементов, так как зольность водорослей в 3-4 раза выше, чем бактерий. Особенно возросла доля натрия, серы и хлора, наметилась тенденция к увеличению доли кремния и фосфора, получившая дальнейшее развитие у наземных растений. Размеры биологического круговорота непрерывно увеличивались как вследствие увеличения количества видов и массы живого, так и ввиду общего возрастания зольности от хвойных к лиственным древесным породам и от последних к травянистым. Увеличение в тканях растений содержания фосфора, серы, железа, магния, кальция и особенно калия происходило с колебаниями и отклонениями. Содержание кремния, достигнув максимума в хвощах, хвойных и злаках, в дальнейшем уменьшается. Доля хлора в наземных растениях в целом постепенно снижалась.

При заселении суши в процессе приспособления растений постепенно формировался сплошной биоценотический покров, появлялись все более сложные по структуре и видовому составу биогеоценозы. Усложнялась пищевая цепь и повышалась интенсивность биологического круговорота. В его орбиту стали вовлекаться все большие массы вещества, все более разнообразные по своему составу химические соединения, которые на более ранних этапах геологической истории свободно мигрировали, не захватываясь организмами, в поверхностных и грунтовых водах и достигали океана. Возрастающее влияние живого на среду, расширение сферы существования жизни и вызванные этим изменения геохимических отношений между океаном и сушей в свою очередь оказывали воздействие на дальнейшую эволюцию живого.

Эволюция активности животных также связана с усовершенствованием биологического круговорота. Рост активности способствовал расширению используемых животными территорий и их пищевых ресурсов. Животные, расширяющие арсенал ресурсов, способствуют интенсификации биологического круговорота.

Появление почвообразовательного процесса рассматривают как важнейшее событие в эволюции биологического круговорота. Постепенно почвенный покров превратился в важнейший компонент биосферы, представляя область концентрации процессов разложения останков животных и растений, а следовательно, и освобождения громадного количества энергии и накопления питательных веществ. Почва стала важнейшим аккумулятором вещества и энергии, используемых в биологическом круговороте.

Выделяют следующие основные этапы эволюции биологического круговорота:

- круговорот, осуществляемый прокариотными формами жизни;

- возникновение одноклеточных эукариотов;

- усложнение циклической структуры жизни в результате надстройки трофических отношений из многоклеточных животных, растений и грибов;

- превращение биологического круговорота в общепланетарный процесс в связи с завоеванием жизнью суши;

- усложнение и расширение области действия биологического круговорота с завоеванием доминирующего положения гомойотермными животными;

- возникновение человеческого общества, переход к биологическому круговороту, сознательно регулируемому людьми;

- распространение биологического круговорота на космическое пространство.

Новые формы жизни возникают на базе старых и нередко могут существовать лишь вместе с ними. Это не только усложняет биологический круговорот, но и повышает надежность его функционирования. Постоянно возрастает темп эволюции в силу усложнения биотических взаимоотношений, выступающих в роли факторов адаптивных преобразований.

Само развитие биосферы связано с постоянным разрешением противоречия между безграничной способностью организмов к размножению и ограниченностью материальных ресурсов. Разрешение этого противоречия способно только на пути создания все более прогрессивных форм, способных к овладению новыми источниками вещества и энергии и к рациональному их использованию. Все это усложняло структуру биологического круговорота.

Саморегуляция биосферы и биосферные адаптации. В современном представлении биосфера есть глобальная открытая система со своим «входом и выходом». Ее «вход» - это поток солнечной энергии, поступающий из космоса. Кроме того, биосфера получает некоторое количество вещества из космоса. Общее количество поступающего на Землю метеоритного вещества и пыли ежегодно составляет n ^. 10^-6 - n ^. 10^-9 г/см², что в пересчете на поверхность Земли дает астрономическую величину - ежегодно 10⁶ - 10⁸ т вещества. Биосфера теряет небольшую часть молекул газов из верхних слоев атмосферы, но основной ее «выход» - образованные в ходе жизнедеятельности организмов вещества, которые ускользнули из биологического круговорота в результате погружения в литосферу (иногда на миллионы лет). Биосфера как открытая система, обладает свойством саморегуляции.

Одно из наиболее характерных проявлений саморегуляции (адаптации) биосферы В.И. Вернадский видел в наличии озонового экрана, находящегося за пределами биосферы и поглощающего губительные для жизни ультрафиолетовые лучи. Проблема организованности биосферы остается по-прежнему слабоизученной. Рассмотрим некоторые проявления ее саморегуляции.

1. Разнородность трофических уровней, каждый из которых включает сотни и тысячи видов, состоящих в свою очередь из миллионов и миллиардов особей, повышает вероятность сохранения геохимических и энергетических функций биосферы в случае каких-то катастроф планетарного масштаба.

2. Реки ежегодно приносят в мировой океан 1,5 млн т карбоната кальция, а солевой состав воды существенно не меняется. Организмы используют карбонаты для построения своих скелетов, а после их отмирания карбонаты опускаются на дно. Так путем создания “кальциевых покровов” стабилизируется состав океанических вод. Этот механизм действует в биосфере уже многие миллионы лет и обеспечивается живыми организмами.

3. Выветривание, почвообразование, делювиальные и аллювиальные наносы покрыли органоминеральными покровами мелкозема монолитные бесплодные и безводные скалы, создав рыхлые горизонты, благоприятные по физическим и химическим свойствам для существования растений, особенно их корневых систем, и животных (экологические ниши). Фотосинтез растений явился механизмом накопления активной биохимической энергии в массах органического вещества, в форме почвенного гумуса, в виде ископаемых горючих, как бы гарантирующих удовлетворение запросов организмов на случай стрессовых условий и неблагоприятных периодов.

4. Ограниченность ресурсов азотно-углеродного, водного, воздушного, минерального питания живое вещество преодолело путем создания почвенного покрова. В почвах происходит неосинтез высокодисперсных минералов, обеспечивающих физико-химическую поглотительную способность (сорбция соединений азота, фосфора, кальция, калия и др.). Еще более эффективным путем осуществляется аккумуляция гумусоорганическими соединениями макроэлементов (С, N, P, Ca, S, K) и микроэлементов (I, Zn, Cu, Co, Se и др.), происходящая в прижизненных выделениях организмов, опаде, подстилках, корнях, в поверхностных почвенных горизонтах, подпочвенных, грунтовых, речных водах.

Характерной особенностью биосферы является мозаичность строения, она функционирует в виде отдельных экосистем, представляющих собой комплекс взаимосвязанных организмов разных видов и изменяемой ими абиотической среды, обладающий способностью к саморегуляции и полному самовозобновлению биоты. В природных ненарушенных экосистемах складываются биогеохимический круговорот и последовательность многократного повторного вовлечения в ткани живого вещества главных биофильных элементов и соединений: энергия, вода, органика, углекислота, кислород, азот, фосфор, сера, кальций, калий и т.д. Эти локальные циклические процессы являются «почти замкнутыми», так как экосистема отдает за пределы лишь малую часть (5-10 %) своего вещества. Пищевые цепи обеспечивают длительное удержание внутри экосистем энергии, связанной фотосинтезом, и резерва биофильных элементов, необходимых для новых поколений живого вещества.

Экосистемы находятся в постоянном взаимодействии друг с другом, и все вместе образуют гигантский круговорот веществ в биосфере. Часть энергии и биофильных элементов, вырванных из экосистемы, поступает в биогеохимический цикл вещества бассейна, континента, мигрируя с водными и воздушными потоками. На этой основе слагаются главные звенья биогеохимического круговорота суши.

Экосистемы, сложившиеся в процессе длительной эволюции, приспособления видов и популяций между собой и к условиям среды, становятся интегрированными, устойчивыми образованиями, способными путем саморегулирования противостоять изменениям как в среде, так и в количестве компонентов экосистемы. Понятие устойчивости, саморегуляции с экосистем распространяется на природные зоны, на биосферу в целом.

Основными элементами, участвующими в круговороте биогенных элементов в биосфере, являются Н, С, N, Ca, K, Mg, Si, P, S, Mn, B, Sr, Ba, Zn, Mo, Cu, Co. Биологический круговорот не является замкнутым. Степень воспроизводства циклов - 90-98%. В масштабе геологического времени эта незамкнутость приводит к дифференциации элементов и накоплению их в атмосфере, гидросфере или осадочной оболочке. В то же время в биологический круговорот поступают элементы из геологического оборота (например, СО₂ из недр планеты).

Непрерывному круговороту в биосфере подвергаются только вещества, в отношении энергии можно говорить лишь о направленном потоке.. Общую картину преобразования энергии в живых организмах представляют в форме энергетической пирамиды. Солнечная энергия частично расходуется на синтез органического вещества: автотрофные организмы, поглощая энергию, превращают мелкомолекулярные бедные энергией неорганические вещества в крупномолекулярные богатые энергией соединения. Из этого органического вещества значительная часть расходуется в процессе жизнедеятельности самих растений, часть усваивается организмами, непосредственно поедающими растения.

Второй этаж энергетической пирамиды характеризует приход энергии от автотрофных растений к животным и гетеротрофным растениям, которые потребляют энергию, заключенную в автротрофных растениях. В среднем не более 10% первоначально усвоенной энергии передается живым организмам, потребляющим энергию автотрофных растений. Эти организмы в ходе своей жизнедеятельности также теряют много энергии, в том числе на дыхание и другие функции. Третий ярус пирамиды соответствует приходу энергии у животных, которые существуют за счет потребления энергии, усвоенной другими животными. В этот ярус входят плотоядные животные. Многие живые организмы, в том числе и человек, потребляют часть энергии, непосредственно созданной растениями, и часть энергии, созданной животными. Передаваясь с одного трофического уровня на другой, энергия постепенно рассеивается. После окончательного разложения органических остатков энергия частично накапливается в земной коре в виде алюмосиликатов, которые называются «геохимическими аккумуляторами».

Таким образом, биосфера Земли - открытая сложная многокомпонентная саморегулирующаяся, связанная с космосом система живого вещества и минеральных соединений, образующей внешнюю оболочку планеты.