Строение и состав биосферы

Как уже отмечалось ранее, согласно учению В. И. Вернадского, биосфера представляет собой оболочку Земли, включающую область распространения живого вещества и само живое вещество. Биосфера состоит из живого и неживого компонентов.

Биосфера — это часть основных оболочек планеты (атмосферы, гидросферы и литосферы), в которой сконцентрировано живое вещество — биота Земли. Поэтому границы жизни на планете являются одновременно и границами биосферы. Органическая жизнь сосредоточена в литосфере, в гидросфере (море, реки, озера и Мировой океан), а также в тропосфере (рис. 9.1).

Нижняя граница биосферы простирается на 2—8 км ниже дна океана. Верхней границей служит так называемый защитный озоновый экран на высоте 20—30 км, выше которого ультрафиолетовая часть солнечного спектра исключает существование жизни.

В настоящее время в составе биоты Земли обнаружено более 70 химических элементов, причем 47 являются постоянными составными частями живых организмов.

Суммарная масса (биомасса) живых организмов Земли, по разным источникам, оценивается величиной от 1,8 • 10¹² до 4,4 • 10¹² т.

Рис. 9.1. Положение биосферы среди других оболочек Земли.

Впервые химический состав живого вещества биосферы определил В. И. Вернадский. Он показал, что живое вещество планеты в основном состоит из следующих макроэлементов, % масс.: О — 70, С — 18, Н — 10, Са — 0,5, N — 0,3, К — 0,3, Р — 0,07, S — 0,05, С1 — 0,02, Na — 0,02, Fe — 0,01, Mn — 0,001; всего — 99,4.

Формирование собственной среды живыми организмами регистрируется при анализе любого уровня организации от отдельных организмов до биосферы в целом, которая по избирательности использования химических элементов на порядки величин отличается от атмосферы, литосферы и гидросферы.

Также В. И. Вернадский доказал и важнейшую роль кислорода в жизнедеятельности организмов. К тому же кислород является важнейшим составным и связующим элементом всех оболочек планеты (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Самые распространенные химические элементы в оболочках планеты и их взаимосвязь.

В количественном соотношении это выглядит следующим образом (табл. 9.1).

Средний элементный состав живого вещества суши, по данным А. И. Виноградова, приведен в табл. 9.2.

Таблица 9.1

Средний химический состав оболочек планеты.

Таблица 9.2

Средний элементный химический состав живого вещества суши.

Из данных табл. 9.1 и 9.2 видно: живое вещество в основном состоит из тех же химических элементов, составляющих атмосферу, гидросферу и литосферу, однако в живом веществе они содержатся в иных соотношениях. Они дают более сложные образования по структуре, составу, типу химической связи. Соответственно, несмотря на то, что в состав живых организмов входят те же химические элементы, соединения которых образуют атмосферу, гидросферу и литосферу, организмы не повторяют полностью химического состава среды. Более того, начиная с колоний прокариотических организмов (Носток), отличие организмов от окружающей среды настолько очевидно и существенно, что мы об этом даже не задумываемся.

Наиболее важными для живых организмов являются шесть химических элементов, которые называются органогенами (биогенными). Это: О, С, Н, N, Р и S, чей суммарный вклад составляет около 94,7%.

Если учесть, что Р — аналог N, S — О, a Si — С, то видно очень компактное расположение в периодической системе основных составляющих всех оболочек планеты.

Суммарно в живом веществе планеты содержится огромное количество (по массе) различных химических элементов, в том числе: О, С и Н — примерно по 10¹² т каждого, N, К, Si и Са — примерно по 10¹¹ т, S, Р, Na, Mg, Fe, F и Cl — примерно по 10¹⁰ т каждого, А1, В, Mn, Sr, Ва — около 10⁹ т каждого. Даже таких элементов, как U, в составе биоты более 10⁶ т, Hg — более 10⁵ т, Ra — десятки тонн. Мы специально не приводим здесь более точные данные, поскольку у разных авторов они различные. Главное — порядок величин.

Растительные и животные организмы, несмотря на относительно близкое содержание отдельных элементов, все же существенно различаются по химическому составу.

Так, в животных организмах наблюдается более высокая степень аккумуляции таких элементов, как N, Р, S, С1, Са, тогда как в растениях наблюдается более высокое накопление Si, А1, Мп и некоторых других. Даже в разных частях одного и того же организма или растения может содержаться разное количество химических элементов и их соединений.

Нужная информация

Например, у многих грибов основное содержание вредных веществ накапливается в нижней трети ножки.

Аккумуляция химических элементов и их соединений может проходить и по цепочкам. Например, если в растениях концентрацию пестицидов принять за единицу, то у травоядных животных она может увеличиваться на порядок, у первичных хищников на два-три порядка, у вторичных хищников — более чем на три порядка. С другой стороны, все теплокровные животные и люди имеют постоянную температуру тела. У человека она составляет ~36,6°С. Это является показателем сбалансированности всех метаболических процессов организма, независимо от окружающих условий, качества и количества потребляемой пищи.

Высшая степень контроля и поддержания параметров внутренней среды достигается у теплокровных животных и человека.

Рассматривая химический состав биосферы, нельзя не коснуться вопроса о биологической миграции химических элементов.

Установлено, что степень интенсивности биологической миграции элементов практически не связана с их количеством в окружающей среде, в частности в земной коре. Например, одним из наиболее активных мигрантов является йод (I), хотя его содержание в земной коре составляет всего 3 • 10^_5%. С другой стороны, кремний, содержание которого в земной коре составляет 26% (см. табл. 9.2), мигрирует на три порядка менее интенсивно, чем йод.

Результаты исследований показывают, что наибольшей биологической миграцией обладают химические элементы, важные для функционирования организмов, но содержащиеся в окружающей среде в небольших концентрациях.

Биота, активно выполняя концентрационную функцию, выбирает из среды обитания те химические элементы и в том количестве, которые ей необходимы.

Это интересно

Благодаря осуществлению концентрационной функции, живые организмы сформировали многие осадочные породы, залежи мела и известняка.

Иногда живые организмы способны накапливать химические элементы в больших количествах, чем необходимо для их жизнедеятельности, значительно превышающих содержание этих элементов в окружающей среде.

Это интересно

Например, некоторые морские организмы содержат бора, калия, серы в десятки раз больше, чем морская вода; железа, серебра, брома — в сотни раз; кремния, фосфора — в тысячи раз, меди и йода — в десятки тысяч, а цинка, марганца и ртути — в сотни тысяч раз.

По данным Е. И. Шиловой, только растительный покров Земли за год концентрирует такое количество минеральных веществ, которое сопоставимо с их запасами в литосфере, накопленными за миллионы лет (табл. 9.3, расчет на элементы).

Таблица 93

Разведанные запасы некоторых химических элементов и их ежегодное накопление живым веществом.

В целом, говоря об организмах и окружающей их среде, можно сделать вывод, что для любых из них химический состав среды имеет существенное значение, поскольку среда и организм неразрывно связаны общей историей атомов химических элементов.

Существенное значение имеют так называемые фотонериодические реакции — «биологические часы», используемые для инициации различных программ жизнедеятельности организмов, обусловленные сезонной динамикой поступления энергии Солнца к различным площадям поверхности Земли и сопряженной с ними динамикой климата. Наблюдаются у растений и животных.

Открыты В. Гарнером и Н. Аллардом в 1920 г. (далее по В. В. Горшкову с изменениями).

Фотопериодические реакции животных контролируют наступление и прекращение брачного периода, плодовитость, осенние и весенние линьки, переход к зимней спячке, миграции, развитие (активное или с диапаузой) и другие сезонные приспособления. Зарегистрированы у насекомых, клещей, рыб, птиц, млекопитающих.

Погодные условия конкретного года характеризуются очень сильными колебаниями. Изменения температуры или осадков в отдельные годы далеко не всегда соответствуют конкретному сезону.

Соотношение продолжительности светлого и темного времени суток — прямое следствие сезонного изменения наклона земной оси и, в отличие от погодных условий, точно отражает смену сезона.

Для наглядности, на рис. 9.3 представлены сезонные изменения длины дня для разных широт северного полушария, где мы живем.

В табл. 9.4 представлены данные, показывающие разницу в количестве солнечного излучения (зависит от места на планете и сезона). Указанные различия, несомненно, влияют на все организмы и окружающую их среду.

Рис. 9.3. Сезонное изменение длины дня на разных широтах северного полушария (по А. С. Данилевскому, 1961).

Месяц Изменение количества солнечного излучения (солнечной радиации) (кДж/см²) с географической широтой (но К. Я. Кондратьеву, 1954).

В заключение отметим, что летом количество света, поступающее на поверхность земли в разных широтах, от тропических до полярных областей, различается значительно. Реально же лимитирующим фактором свет выступает в сомкнутых растительных сообществах, где растения верхних ярусов перехватывают его большую часть.

В настоящее время биота Земли представлена примерно 3 млн видов животных, растений, микроорганизмов. Из них на растения приходится около 300 тыс. видов, но именно они, благодаря фотосинтезу, являются одной из главных основ биосферы. Сейчас мы хорошо знаем, что растений, как и животных, с каждым годом становится все меньше.