Компоненты биосферы

Биосфера включает в себя 3 основных компонента:

1) живое вещество;

2) биогенное вещество – органо-минеральные и орга­нические продукты, созданные живым веществом (камен­ные угли, битум, горючие газы, нефть, торф, сапропель, лесная подстилка, гумус);

3) биокосное вещество – минеральные вещества, об­разующиеся в результате взаимодействия живых орга­низмов с неживой природой.

Главными компонентами биосферы как особой оболочки планеты являются также следующие составляющие.

1. Потоки космической энергии, электромагнитные и гравитационные поля, космическое вещество, поступаю­щее на Землю.

2. Биомасса живой растительности, способной путем фотосинтеза и роста фиксировать и преобразовывать космическую энергию в химическую потенциальную и хранить ее в виде органических соединений.

3. Почвенный покров, обеспечивающий существова­ние растений (механическая опора, корнеобитание, вод­ное, углекислотное, азотное, минеральное питание, тепло­вой режим, накопление запасов энергии в виде детрита и гумуса).

4. Биомасса живущих на почве и в почве консументов и редуцентов (животных, простейших микроорганиз­мов), потребляющих фитомассу и доводящих ее до пол­ной минерализации.

5. Гидросфера.

6. Атмосфера.

7. Литосфера (оболочка биогенных осадочных по­род).

1.9. Литосфера (земная кора)

Нижней границей земной коры принято считать гра­ницу Мохо – глубина, на которой происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн (название по фамилии югославского ученого Мохоровичича, впервые установившего это явление в 1909 году). Граница эта расположена на разных глубинах – на материках от 30 до 70 км, на дне океанов – от 5 до 15 км. Таким образом, земная кора имеет под горными хребтами наибольшую мощность – до 75 км, наименьшую – на дне океанов – от 5 до 15 км. Химический состав земной коры впервые установил американский ученый Ф.У. Кларк. Признанием заслуг Кларка в этом вопросе стало название величины среднего содержания хими­ческого элемента в земной коре (либо ее части, напри­мер, в почве либо в составе коры других планет) кларком. Кларки самых распространенных изверженных кислых пород установлены достаточно точно, много данных и о кларках базальтов, осадочных пород. Слож­нее с кларками земной коры, т.к. неизвестно соотноше­ние в ней групп различных горных пород. Почти по­ловина земной коры состоит из кислорода, т.е. земная кора – это кислородное вещество. Кларк О – 47%. На втором месте Si – 29,5, на третьем – А1 – 8,05, Fе – 4,65, Са – 2,96, Na – 2,50, К – 2,50, Мg – 1,87, Тi – 0,45 %. В сум­ме это составляет 99,48 %. Суммарное количество ос­тальных 80 элементов не превышают 1 %. Кларки большинства химических элементов – 0,01–0,0001 %. Такие элементы называют редкими. Если они обладают и слабой способностью к концентрированию – редкими рассеянными. Например, U и Вr – их кларки почти равны (2,5·10^–4 и 2,1·10^–4 %), но U – редкий элемент, так как известны его месторождения, а Вr – редкий рас­сеянный, т.к. он не концентрируется в земной коре. В геохимии также употребляют термин «микроэлементы», под которым понимают элементы, кларки которых в данной системе менее 0,01%. А.Е. Ферсман построил график зависимости атомных кларков для четных и нечетных элементов периодической системы. Выяви­лось, что с усложнением строения атомного ядра кларки уменьшаются. Но линии, построенные Ферсманом, оказались не монотонными, а ломанными. Ферсман прочертил гипотетическую среднюю линию: элементы, расположенные выше этой линии, он назвал избыточными (О, Si, Са, Fе, Ва, Рb и т.д.), ниже – дефицитными (Аr, Не, Nе, Sс, Со, Rе и т.д.).

Распределение химических элементов в земной коре подчиняется следующим закономерностям.

1. Закону Кларка-Вернадского, который гласит, что все химические элементы есть везде (закон о всеобщем рассеянии).

2. С усложнением строения атомного ядра химических элементов, его утяжелением, кларки элементов уменьшаются (Ферсман).

3. В земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и атомными массами.

4. Среди соседних элементов у четных всегда кларки выше, чем у нечетных (установили итальянский ученый Оддо и американский Гаркис).

5. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4 (О, Мg, Si, Са, …), а начиная с А1, наибольшими кларками обладает каждый шестой элемент (О, Si, Са, Fе).

Вообще химический состав минеральных объектов, как и живых организмов, удивительно разнообразен, но таким он является, если рассматривать их отдель­ных представителей, на видовом или родовом уровне. Если же брать в целом главные оболочки Земли – литосферу, почвы, растения, то выявляется удивительное сходство между этими, казалось бы, разными те­лами (табл. 1).

Таблица 1

Средний химический состав компонентов биосферы, %

(по Виноградову, Малюге)

Конечно, по биогенным элементам раз­личия в составе золы растений, литосферы и почвы име­ются, но не столь значительные, как можно было бы ожидать. Это говорит о том, что в процессе эволюции отбирались некоторые механизмы и элементы, необходимые живым организмам. Таковы углерод, азот, фосфор, их доля в живом веществе резко повышена, но в среднем состав растительных организмов очень напоминает и средний состав пород, и средний состав почв. Исходя из этого факта, важнейшие структуры жизни формиро­вались в соответствии с составом литосферы. Живое ве­щество отбирало те элементы, которых много в природе, и на их основе строило организмы.

Разделение хими­ческих элементов по их содержанию в веществе на мак­ро-, микро-, ультра-микроэлементы отражает более важ­ную закономерность: в большинстве случаев элементы разных групп выполняют различные функции. Микроэлементы, как правило, служат катализаторами (входят состав ферментов). Макроэлементы, образно говоря, являются строительным материалом, «кирпичами» организмов. Конечно, есть химические элементы, осуществляющие смешанные функции. Например, железо в почвах и породах – макроэлемент (вещественная основа). В живых организмах железо является микроэлементов, входящим в состав ферментов, т.е. катализатор биохимических процессов.

Гидросфера

Всемирный океан с проникающей водной тропосфе­рой играет исключительную роль в биосфере. Он зани­мает 70,8 % поверхности земного шара (по весу 7–8 % земной коры). Ничего подобного ни для одной другой планеты не известно. Мировой океан насквозь пронизан жизнью, которая прямо или косвенно определяет все химические свойства океана. В.И. Вернадский считал, что в структуре планеты это самое мощное проявление жи­вого вещества. В океане (гидросфере) громадная мас­са воды сама по себе безжизненна, но переполнена вечно двигающимися живыми существами, являющимися цен­трами химических реакций. В нем можно различить сгу­щения живых организмов, среди которых преобладают, в конце концов, по числу и по мощности своего влияния микроскопические организмы – бактерии и грибы. Огром­ную роль играет планктон, покрывающий всю поверхность океана и идущий вглубь на десятки и сотни метров. Здесь в планктоне преобладают более высокоорганизованные организмы – одноклеточные растения и животные, нахо­дящиеся друг с другом в равновесии. Кроме поверхнос­тных слоев океана, известны еще три типа сгущения жиз­ни в гидросфере:

1) саргассовые «моря», состоящие из биогеоценозов, в которых преобладают высшие водоросли;

2) подводные «леса» и «поля» на шельфах, в которых сосредоточено огромное скопление организмов – бентос (моллюски, рыбы, ракообразные, актинозоа и т.д.);

3) особняком стоят коралловые острова – рифы, развивающиеся в тропических и подтропических обла­стях планеты. Эти сгущения жизни играют огромную роль в геохимической истории кальция, углекислоты и частично магния.

Вся вода планеты, в каком бы состоянии она ни была, – жидкая, твердая или газообразная – представляет собой единое и неразрывное целое, проникнутое газами и, как губка, охватывающее всю сушу, гидросферу и тропосферу, составляет единую водную оболочку планеты.

Химический состав этой оболочки достаточно хорошо известен. Выделяют с этой точки зрения два вида воды: океаническую и морскую.

Океаническая вода принадлежит к группе соленых вод, в то время как морские воды иногда являются рассола­ми (Красное море, Мертвое море) или полупресными (Азовское море), т.е. имеют иную концентрацию, чем мало меняющаяся в среднем составе океаническая вода (табл. 2).

Таблица 2

Элементный химический состав океанической и морских вод, %

В составе океанических и морских вод обнаружены также Si, Р, Fе, Аl, В, Zn, Н, F, Li, Сu, Рb, Аs, I, Ва, Мn, Sе, U, Сs, Аg, V, Мо, Аu, Се, La, Y, Нg, Rа, Bi, Gе, Ti, W, Su, Gа, Zr, Тh, и газы: Не, Nе, Аr, Кr, Хе, Rn.

Состав океанических вод очень часто ошибочно рас­сматривают как результат накопления речных вод. Од­нако В.И. Вернадский указывает, что это два разных типа вод. Порядок распространенности химических эле­ментов в речной и в океанической водах и их процент­ное увеличение и уменьшение прямо противоположны. В.И. Вернадский пишет, что, по-видимому, главная мас­са солей океанических и морских вод создавалась и про­должает создаваться из наземных вулканических извер­жений или выходами вулканов на морском дне.

Особая часть гидросферы – почвенно-грунтовые воды. Их химический состав, как и состав почв, может быть очень разным. Его надежное предсказание без конкретного анализа почвенно-химической ситуации, формирующей­ся в данном регионе, практически невозможно.

Элемент­ный состав почвенно-грунтовых вод обусловлен составом почв, почвообразующих пород, реакцией среды и четко связан с зональными особенностями почвообразования. Обобщение по природным зонам было выполнено В.А. Ковдой (табл. 3).

Почвенные растворы и водные вытяжки из различных почв и различных природных зон разнятся очень четко. На севере преобладают пресные гидрокарбонатно-кальциевые воды, к югу увеличивается минерализованность, возрастает содержание катионов и анионов. В нарастаю­щих количествах появляются карбонат-ион, сульфат-ион, а в бессточных впадинах юга России и хлорид-ион. Уров­ни накопления увеличиваются от сотых и десятых долей до целых единиц и даже десятков процентов.

Таблица 3

Педохимическая классификация почвенно-грунтовых вод (Ковда,1973)

Меняется и катионный состав. Если на севере преобла­дают ионы водорода, кальция, частично магния, то на юге появляются, а затем и начинают преобладать катионы магния, натрия, иногда калия.

Таким образом, состав почвенно-грунтовых вод чрезвы­чайно изменчив по почвенным зонам, более того, можно ут­верждать, что состав почвенных растворов изменяется более значимо, чем состав твердой части почв. Это принци­пиальное положение (на которое редко обращают вни­мание в почвоведении), так как отражает различную спо­собность химических элементов к миграции.

Живое вещество

Итак, живое вещество – совокупность всей массы орга­низмов, населяющих нашу планету в тот или иной мо­мент. Живое вещество суши делится на фитобиомассу (леса – 10¹¹–10¹² т; травы – 10¹⁰–10¹¹ т), зообиомассу (n·10⁹ т) и микробиомассу (n·10⁸ – n·10⁹ т).

Оценивая геологическую и почвообразующую роль живого вещества, В.И. Вернадский различал следующие формы воздействия организмов на окружающую среду.

1. Медленный, но непрерывный процесс развития жизни на Земле, образование новых видов и их исчезновение (в среднем каждый самостоятельный вид живет примерно 1 геологический период, т.е. около 30 млн. лет).

2. Смена типов растительных и животных ценозов в связи с их размножением и захватом поверхности, из­менениями рельефа, климата, почвы. Таковы взаимоот­ношения лесов и тундры, степей и лесов, пустынь и сте­пей. Эта смена носит ритмический характер и охваты­вает 3–5 тыс. лет.

3. Последовательная смена поколений определенных видов растений и животных и связанных с ними цик­лов миграции веществ. Благодаря исключительному разнообразию видов наблюдается и разнообразие про­должительности циклов: от 20 минут до 20 лет на 1 поколение.

4. Прижизненный обмен веществом между организ­мами и средой. Этот обмен затрагивает твердую, жидкую и газообразную фазы и играет огромную геологи­ческую и почвообразующую роль.

5. Посмертное влияние продуктов распада органичес­ких веществ на минеральные образования и процессы в природе.

Биогеохимическая роль организмов зависит от их раз­меров, быстроты размножения и энергии взаимодействия с окружающей средой. Чем меньше величина организма, тем быстрее идет размножение (и в большем количестве), тем быстрее смена поколений, тем больше их роль в гео­логических, геохимических, почвенных процессах.

Роль живого вещества и биосферы в процессах вы­ветривания и почвообразования непрерывно возрас­тает, т.к. количество возникающих в единицу време­ни организмов непрерывно растет. Возрастает и раз­нообразие форм организмов. Расширяются границы биосферы. Тесная взаимозависимость различных жи­вотных и растений и связанных с ними низших орга­низмов приводит к тому, что минеральные соединения, выхваченные живым веществом из геологического круговорота, имеют тенденцию удерживаться в биоло­гическом круговороте, что защищает их от выноса в мировой океан.

О соответствии химического состава растительного покрова и почв, на которых он формируется, говорилось выше. По данным А.П. Виноградова (1957), наиболь­шая доля в составе живого вещества приходится на кис­лород и водород (около 80 %). Остальная часть пред­ставлена большим числом элементов, среди которых со­держание С, N, Ca находится в пределах от 1 до 10 %, содержание S, Р, K измеряется величинами порядка 0,1–1,0 %, а содержание Fе, Nа, Мg, Al составляет 0,01–0,1 %. Важно, что потенциально токсичные химические элемен­ты в живом веществе представлены ничтожно малыми величинами Zn, Мn, Сu – 10^–2–10^–3 %; Аs, F, Рb, Сr – 10^–3–10^–4 %; Со, Ba – 10^–4–10^–5 %; Нg, U, Rа – 10^–6– 10^–12 %.

В биомассе животных также господствуют С, N, H, О, заметная доля принадлежит Р и S — компонентам бел­ка. Анализируя мировую информацию о химическом составе биомассы, В.А. Ковда (1980) пришел к заклю­чению, что относительное значение химических факто­ров в формировании свежей биомассы можно выразить величинами, приведенными в табл. 4.

Как подчеркивал сам В.А. Ковда, эти отношения крайне приблизитель­ны, но они отражают роль ведущих биофильных элемен­тов в биосфере и показывают, как велико значение оп­тимизации водного, углеродного, азотного, кислородно­го, минерального режимов в продуктивности биосферы.

Таблица 4

Относительное значение химических факторов в формировании биомассы

Вместе с тем, ведущая роль принадлежит все-таки по­ступлению, преобразованию, накоплению и многократ­ному использованию космической энергии, т.е., солнечному свету и теплу. Таким образом, многие свойства земной коры и почв находятся под прямым и косвенным влиянием биологического круговорота веществ. Направление почвообразователь­ных процессов, формирование определенных типов почв и почвенного плодородия в значительной мере опреде­ляются влиянием живого вещества.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: