В настоящее время на Земле известны около 500 тыс. видов растений, более 1,5 миллионов видов животных. 93% их населяют сушу, а 7% являются обитателями водной среды (таблица).

Таблица. Биомасса организмов на Земле

Масса сухого вещества	Континенты			Океаны
	Зелёные расте-ния	Живот-ные и микро-организ-мы		Зелёные расте-ния	Живот-ные и микроорга-низмы		Общее коли-чество
Проценты

Из данных таблицы видно, что хотя океаны и занимают около 70% земной поверхности, однако они образуют всего 0,13% биомассы Земли.

Образование почвы происходит биогенным путём, она состоит из неорганических и органических веществ. Вне биосферы образование почвы невозможно. Под воздействием микроорганизмов , растений и животных на горных пород ах начинает постепенно формироваться почвенный слой Земли. Накопленные в организмах биогенные элементы после их гибели и разложения опять переходят в почву.

Процессы, происходящие в почве, являются важным компонен-том круговорота веществ в биосфере . Хозяйственная деятельность человека может привести к постепенному изменению состава почвы и гибели живущих в ней микроорганизмов. Вот почему необходима разработка мер разумного использования почвы. Материал с сайта

Гидросфера играет важную роль в распределении тепла и влажности по планете , в круговороте веществ , поэтому она также оказывает мощное влияние на биосферу. Вода является важным компонентом биосферы и одним из наиболее необходимых факторов для жизни организмов. Основная часть воды находится в океанах и морях. В состав океанической и морской воды входят минеральные соли, содержащие около 60 химических элементов. Кислород и углерод, необходимые для жизни организмов, хорошо растворяются в воде. Водные животные в процессе дыхания выделяют углекислый газ, а растения в результате фотосинтеза обогащают воду кислородом.

Планктон

В верхних слоях океанических вод, достигающих в глубину 100 м, широко распространены одноклеточные водоросли и микроор-ганизмы, которые образуют микропланктон (от греч. plankton — блуждающий).

Около 30% фотосинтеза, осуществляющегося на нашей планете , происходит в воде. Водоросли, воспринимая солнечную энергию, превращают её в энергию химических реакций. В питании водных организмов основное значение имеет планктон .

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

Жив а я о б о л о ч к а з е м л и

Повсюду на Земле, куда ни обрати свой взгляд, господствует жизнь. Повсюду можно встретить какие-либо растения и животных. А сколько еще организмов, которые не видны невооруженному глазу! Простейшие одноклеточные животные и микроскопические водоросли, многочисленные грибы, бактерии, вирусы...

В наше время известно до 500 тысяч видов растений и около 1,5 миллиона видов животных. Но еще далеко не все виды открыты и описаны. А если представить себе, сколько особей у каждого вида!.. Попробуйте сосчитать количество пихт в тайге, или одуванчиков на лугу, или колосьев на одном поле пшеницы... Сколько живет муравьев в одном муравейнике, сколько рачков циклопов или дафний в одной луже, сколько белок в лесу, сколько щук, окуней или плотвы в одном озере?.. И поистине сказочные цифры получаются при попытке сосчитать микроорганизмы.

Так, в 1 грамме лесной почвы в среднем насчитывается:

бактерий —400 000 000,

грибов — 2 000 000,

водорослей — 100 000,

простейших — 10 000.

Микробиологи из университета штата Джорджия считают, что на Земле всего 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (5 нониллионов) бактерий . Это составляет 70% от массы всего живого на планете.

Все это неисчислимое множество живых существ размещается не хаотически и беспорядочно, а строго закономерно, в определенном порядке, по исторически сложившимся на Земле законам жизни. Вот что по этому поводу пишет американский ученый-биолог К. Вилли: «На первый взгляд может показаться, что мир живых существ состоит из невообразимого множества растений и животных, отличных друг от друга и идущих каждый своим путем. Однако более детальное изучение показывает, что все организмы, как растительные, так и животные, имеют одни и те же основные жизненные потребности, перед ними стоят одни и те же проблемы: добывание пищи как источника энергии, завоевание жизненного пространства, размножение и т. п. В ходе разрешения этих проблем растения и животные образовали огромное множество различных форм, каждая из которых приспособлена к жизни в данных условиях внешней среды. Каждая форма приспособилась не только к физическим условиям среды — приобрела устойчивость к колебаниям в определенных границах влажности, ветра, освещения, температуры, силы тяжести и т. д., но также и к биотическому окружению — ко всем растениям и животным, обитающим в той же зоне.

Закономерно распределяясь на Земле, вся совокупность организмов образует живую оболочку нашей планеты — биосферу. Заслуга в разработке понятия «биосфера» и выяснении ее планетарной роли принадлежит русскому академику В. И. Вернадскому, хотя сам термин употребляли еще в конце прошлого столетия. Что же такое биосфера и почему ей придается такое большое значение?

Поверхностные части Земли состоят из трех минеральных, неорганических оболочек: литосфера — твердый каменный панцирь Земли; гидросфера — жидкая, несплошная оболочка, включающая все моря, океаны и внутренние воды,—Мировой океан; атмосфера — газообразная оболочка.

Вся гидросфера, верхние части литосферы и нижние слои атмосферы заселены животными и растениями. Современная биосфера образовалась в процессе возникновения и дальнейшего исторического развития живой материи. Со времени зарождения жизни на Земле по различным оценкам прошло от 1,5—2,5 до 4,2 миллиарда лет. В. И. Вернадский пришел к выводу, что за это время все наружные слои земной коры переработаны жизнедеятельностью организмов на 99 процентов. Следовательно, Земля в том виде, как мы ее воспринимаем, на которой мы живем, в значительной степени есть продукт деятельности организмов.

Жизнь, возникнув на Земле в результате закономерного развития материи, на протяжении многих миллионов лет своего существования в форме различных организмов изменила облик нашей планеты.

Все организмы биосферы в совокупности образуют биомассу, или «живое вещество», обладающее мощной энергией, которая изменяет земную кору и атмосферу. Общий вес растительной массы около 10 000 миллиардов, а животной — около 10 миллиардов тонн, что составляет примерно 0,01 процента веса всей биосферы с ее твердой, жидкой и газообразной средой обитания. Подсчитано, что биомасса всех живых существ, населявших Землю, примерно через миллиард лет после появления жизни должна была бы во много раз превысить массу нашей планеты. Но этого не произошло.

Почему же биомасса существенно не накапливается? Почему она удерживается на каком-то определенном уровне? Ведь биомасса как живая материя имеет тенденцию к беспрерывному развитию, совершенствованию и постоянному накоплению в процессе этого развития, в процессе размножения и роста живых существ.

А не происходит этого потому, что каждый элемент, из которых построено тело организма, воспринимается из окружающей среды, а затем через целый ряд других организмов опять возвращается в окружающую, неорганическую среду, из которой вновь поступает в состав живого вещества, биомассы. Следовательно, каждый элемент, входящий в состав живой материи, используется ею многократно.

Не следует, однако, это понимать в абсолютном смысле. С одной стороны, какая-то часть элементов выходит из круговорота веществ, так как на Земле само по себе происходит накопление органических соединений в виде залежей каменного угля, нефти, торфа, горючих сланцев и т. д. С другой стороны, человек своей деятельностью может обеспечить более интенсивный процесс накопления биомассы, что проявляется в беспрерывном повышении урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности домашних животных.

Но все это отнюдь не отвергает общего правила. Существенно биомасса на Земле все же не накапливается, а постоянно удерживается на каком-то определенном уровне, хотя этот уровень и не является абсолютным и постоянным. Происходит это потому, что биомасса беспрерывно разрушается и вновь созидается из одного и того же строительного материала, в ее пределах протекает беспрерывный круговорот веществ. В. И. Вернадский пишет: «Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет, от древнейших археозойских эр до нашего времени. На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом.

Этот круговорот, совершающийся в результате жизнедеятельности организмов, называется биологическим круговоротом веществ. Он принял современный характер с появлением зеленых растений, осуществляющих процесс фотосинтеза. С этого времени и условия для эволюции живой материи на Земле приобрели совершенно иной характер.

Ход круговорота веществ вкратце можно рассмотреть на примере с углеродом, атомы которого входят в состав сложной белковой молекулы. Именно с белковой молекулой и связана жизнь, обмен веществ.

Над каждым гектаром Земли содержится в составе углекислого газа (С02) до 2,5 тонны углерода. Как показали расчеты, посевы, например, сахарного тростника каждым гектаром поглощают до 8 тонн углерода, который используется на построение тела этих растений. В результате зеленые растения примерно за несколько сот лет использовали

Бы весь запас углерода. Но этого не происходит, потому что организмы процессе дыхания выделяют значительные количества углекислоты А еще больше углерода освобождают гнилостные бактерии и грибы, разрушая углеродистые соединения, содержащиеся в мертвых телах животных и растений. Какая-то часть углерода все же выходит ни сферы «обращения», откладываясь в виде залежей нефти, каменного угля, торфа и т. д., в которые превращаются отмершие растения и животные. Но эта потеря углерода компенсируется разрушением карбонатов горных пород, а в современных условиях также сжиганием огромного количества добываемого топлива. В результате углерод как бы постоянно течет из атмосферы через зеленые растения, животных, микро организмы снова в атмосферу. Таким образом, общие запасы углерода в биосфере остаются примерно постоянными. Можно предположить с высокой степенью достоверности, что почти каждый атом углерода в биосфере со времени возникновения жизни на Земле неоднократно находился в составе живой материи, переходил в углекислоту атмосферы и снова возвращался в состав живого вещества, биомассы.

В современных условиях углерод в процессе биологического круговорота веществ проходит следующие этапы: 1) зеленые растения, созидатели органического вещества, поглощают углерод из атмосферы и вводят его в состав своего тела; 2) животные, или потребители, питаясь растениями, из их углеродистых соединений строят углеродистые соединения своего тела; 3) бактерии, а также некоторые другие организмы, или разрушители, разрушают органическое вещество умерших растений и животных и освобождают углерод, который снова уходит в атмосферу в составе углекислого газа.

Другой важной составной частью аминокислот и белков биомассы является азот. Источником азота на Земле служат нитраты, которые по глотаются растениями из почвы и воды. Животные, поедая растения, из аминокислот растительных белкой синтезируют свою протоплазму. Гнилостные бактерии переводят соединения азота мертвых тел этих организмов в аммиак. Затем нитрифицирующие бактерии превращаю аммиак в нитриты и нитраты. Часть азота денитрифицирующими бактериями возвращается в атмосферу. Но на Земле в процессе эволюции живого вещества появились организмы, способные связывать свободный азот и превращать его в органические соединения. Это некоторые сине-зеленые водоросли, почвенные, а также клубеньковые бактерии вместе с клетками корней бобовых. При отмирании этих организмов азот их тела нитрифицирующими бактериями переводится в соли азотной кислоты.

Подобный круговорот совершают и вода, и фосфор, и многие другие вещества, входящие в состав живой материи и минеральных оболочек биосферы, В результате все элементы, за редким исключением, деятельностью живого вещества биосферы вовлекаются в грандиознейший по своим масштабам беспрерывно движущийся поток — биологический круговорот веществ. «Прекращение жизни было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений, если не всей земной коры, то во всяком случае ее поверхности — лика Земли, биосферы»,— пишет академик В. И. Вернадский.

Особенно ярко эта мысль Вернадского подтверждается той ролью, которую играет в процессе своего круговорота кислород, продукт фотосинтеза растений. Практически весь кислород в земной атмосфере возник и поддерживается на определенном уровне деятельностью зеленых растений. В большом количестве он расходуется организмами в процессе дыхания. Но, кроме того, обладая огромной химической активностью, кислород непрерывно вступает в соединения почти со всеми другими элементами.

Если бы зеленые растения не выделяли такого огромного количества кислорода, то он полностью исчез бы из атмосферы примерно за 2000 лет. Преобразился бы весь облик Земли, исчезли бы почти все организмы, прекратились бы все окислительные процессы в физической части биосферы... Земля стала бы безжизненной планетой. Именно наличие свободного кислорода в атмосфере планеты свидетельствует о том, что на ней есть жизнь, живое вещество, есть биосфера. А раз есть биосфера, почти все элементы среды вовлекаются ею в грандиозный, нескончаемый круговорот веществ.

Подсчитано, что в современную эпоху весь кислород, содержащийся в атмосфере, оборачивается через организмы (связываясь при дыхании и высвобождаясь при фотосинтезе) за 2000 лет, что вся углекислота атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за каждые 300 лет и что все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 000 000 лет.

В основе учения о биосфере лежат геохимические исследования, в первую очередь изученные В. И. Вернадским круговороты кислорода и углерода. Он первым высказал предположение, что кислород, содержащийся в современной атмосфере, образован в результате фотосинтетической деятельности растений.

Выдающийся естествоиспытатель В. И. Вернадский обладал поразительной способностью охватывать своей острой и гениальной мыслью почти все области современного естествознания. В своих мыслях и концепциях он далеко опережал современный ему уровень знаний и предвидел на десятилетия вперед их развитие. Еще в 1922 г. Вернадский писал о близком овладении человеком грандиозными запасами ядерной энергии, а в конце 30-х годов предсказывал наступающую эру выхода человека в космос. Он стоял у истоков многих наук о Земле — генетической минералогии, геохимии, биогеохимии, радиогеологии и создал учение о биосфере Земли, ставшее вершиной его творчества.

Научные искания В. И. Вернадского постоянно были связаны с огромной организаторской работой. Он был инициатором создания Комиссии по изучению естественных производительных сил России, одним из организаторов Украинской Академии наук и ее первым президентом. По инициативе Вернадского в системе Академии наук СССР были созданы Институт географии, Институт минералогии и геохимии имени М. В. Ломоносова, Радиевый, Керамический и Оптический институты, Биогеохимическая лаборатория ставшая теперь Институтом геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского, Комиссия по изучению вечной мерзлоты, преобразованная затем в Институт мерзлотоведения имени В. А. Обручева, Комиссия по истории знаний, ныне Институт истории естествознания и техники, Комитет по метеоритам, Комиссии по изотопам, урану и многие другие. Наконец, ему принадлежит идея создания Международной комиссии по определению геологического возраста Земли

ПОТОК ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ

Круговороты всех веществ замкнуты, в них многократно используются одни и те же атомы. Поэтому нового вещества для осуществления круговорота не требуется. Закон сохранения материи, по которому материя никогда не возникает и не исчезает, здесь налицо. Но для превращения веществ в пределах биогенного круговорота необходима энергия. За счет какой же энергии осуществляется этот грандиозный процесс?


Основным источником энергии, необходимой для жизни на Земле, а значит, и для осуществления биологического круговорота веществ, служит солнечный свет, т. е. энергия, которая возникает в недрах Солнца во время ядерных реакций при температуре приблизительно 10 000 000 градусов. (Температура на поверхности Солнца значительно ниже, всего 6000 градусов.) До 30 процентов энергии рассеивается в атмосфере или отражается облаками и поверхностью Земли, до 20 процентов поглощается в верхних слоях облаками, приблизительно 50 процентов достигает суши или поверхности океана и поглощается в форме тепла. Лишь ничтожное количество энергии, всего около 0,1—0,2 процента, улавливается зелеными растениями; оно-то и обеспечивает весь биологический круговорот веществ на Земле.

Зеленые растения аккумулируют энергию солнечного луча, накапливают ее в своем теле. Животные, поедая растения, существуют за счет той энергии, которая поступила в их организм вместе с пищей, со съеденными растениями. Хищники в конечном итоге также существуют за счет энергии, накопленной зелеными растениями, ибо питаются растительноядными животными.

Таким образом, энергия Солнца, первоначально использованная зелеными растениями в процессе фотосинтеза, превращается в потенциальную энергию химических связей тех органических соединений, из которых строится само тело растений. В организме животного, съевшего растение, происходит окисление этих органических соединений с выделением такого количества энергии, которое было затрачено на синтезирование органического вещества растением. Часть этой энергии и используется для жизни животного, а часть, согласно второму закону термодинамики, превращается в тепло и рассеивается в пространстве.

В конечном итоге энергия, полученная от Солнца зеленым растением, переходит от одного организма к другому. При каждом таком переходе энергия превращается из одной формы (энергия жизни растения) в другую (энергия жизни животного, микроорганизма и т. д.). При каждом таком превращении происходит снижение количества полезной энергии. Следовательно, в отличие от круговорота веществ, который протекает по замкнутому кругу, энергия перемещается от организма к организму в определенном направлении. Происходит односторонний поток энергии, а не круговорот.

Нетрудно себе представить, что, как только погаснет Солнце, вся накопленная Землей энергия постепенно через какой-то определенный и сравнительно небольшой промежуток времени превратится в тепло и рассеется в пространстве. Прекратится круговорот веществ в биосфере, все животные и растения погибнут. Довольно мрачная картина... Конец жизни на Земле...

Однако нас не должен смущать такой вывод. Ведь Солнце будет светить еще несколько миллиардов лет, т. е. как минимум столько, сколько на Земле уже существует жизнь, которая развилась от примитивных комочков живой материи до современного человека. Причем сам человек на Земле появился всего около миллиона лет тому назад. За этот срок он прошел путь от каменного топора до сложнейших электронно-вычислительных машин, проник в глубь атома и Вселенной,

Всякий переход энергии из одной формы в другую сопровождается снижением количества полезной энергии вышел за пределы Земли и успешно осваивает космическое пространство.

Появление человека и такой высокоорганизованной материи, как его головной мозг, имело и имеет исключительное значение для эволюции живой материн и всей биосферы. С момента возникновения человечество, как часть биомассы, значительное время находилось в полной зависимости от окружающей среды. Но но мере развития мозга, мышления человек все более и более завоевывает природу, поднимается над ней, подчиняет ее своим интересам. Еще в 1929 году А. П. Павлов, подчеркивая всевозрастающую роль человека в развитии органического мира на Земле, предложил четвертичный период именовать «антропогеном», а затем В. И. Вернадский, считая, что человечество создает новую, разумную оболочку Земли, или сферу разума, предложил название «ноосфера».

Деятельность человека существенно изменяет круговорот веществ в биосфере. Добыто и сожжено около 50 миллиардов тонн угля; миллиардами тонн добываются железо и другие металлы, нефть, торф. Человек овладел различными формами энергии, в гом числе и атомной. В результате на Земле появились совершенно новые химические элементы и возникла возможность превращать одни элементы в другие, а в биосферу включилось большое количество радиоактивных излучений. Человек стал величиной космического порядка и силой разума своего в скором будущем сможет овладеть такими формами энергии, о которых мы сейчас и не подозреваем.

Жив а я о б о л о ч к а з е м л и

Повсюду на Земле, куда ни обрати свой взгляд, господствует жизнь. Повсюду можно встретить какие-либо растения и животных. А сколько еще организмов, которые не видны невооруженному глазу! Простейшие одноклеточные животные и микроскопические водоросли, многочисленные грибы, бактерии, вирусы...

В наше время известно до 500 тысяч видов растений и около 1,5 миллиона видов животных. Но еще далеко не все виды открыты и описаны. А если представить себе, сколько особей у каждого вида!.. Попробуйте сосчитать количество пихт в тайге, или одуванчиков на лугу, или колосьев на одном поле пшеницы... Сколько живет муравьев в одном муравейнике, сколько рачков циклопов или дафний в одной луже, сколько белок в лесу, сколько щук, окуней или плотвы в одном озере?.. И поистине сказочные цифры получаются при попытке сосчитать микроорганизмы.

Так, в 1 грамме лесной почвы в среднем насчитывается:

бактерий —400 000 000,

грибов — 2 000 000,

водорослей — 100 000,

простейших — 10 000.

Микробиологи из университета штата Джорджия считают, что на Земле всего 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (5 нониллионов) бактерий . Это составляет 70% от массы всего живого на планете.

Все это неисчислимое множество живых существ размещается не хаотически и беспорядочно, а строго закономерно, в определенном порядке, по исторически сложившимся на Земле законам жизни. Вот что по этому поводу пишет американский ученый-биолог К. Вилли: «На первый взгляд может показаться, что мир живых существ состоит из невообразимого множества растений и животных, отличных друг от друга и идущих каждый своим путем. Однако более детальное изучение показывает, что все организмы, как растительные, так и животные, имеют одни и те же основные жизненные потребности, перед ними стоят одни и те же проблемы: добывание пищи как источника энергии, завоевание жизненного пространства, размножение и т. п. В ходе разрешения этих проблем растения и животные образовали огромное множество различных форм, каждая из которых приспособлена к жизни в данных условиях внешней среды. Каждая форма приспособилась не только к физическим условиям среды — приобрела устойчивость к колебаниям в определенных границах влажности, ветра, освещения, температуры, силы тяжести и т. д., но также и к биотическому окружению — ко всем растениям и животным, обитающим в той же зоне.

Закономерно распределяясь на Земле, вся совокупность организмов образует живую оболочку нашей планеты — биосферу. Заслуга в разработке понятия «биосфера» и выяснении ее планетарной роли принадлежит русскому академику В. И. Вернадскому, хотя сам термин употребляли еще в конце прошлого столетия. Что же такое биосфера и почему ей придается такое большое значение?

Поверхностные части Земли состоят из трех минеральных, неорганических оболочек: литосфера — твердый каменный панцирь Земли; гидросфера — жидкая, несплошная оболочка, включающая все моря, океаны и внутренние воды,—Мировой океан; атмосфера — газообразная оболочка.

Вся гидросфера, верхние части литосферы и нижние слои атмосферы заселены животными и растениями. Современная биосфера образовалась в процессе возникновения и дальнейшего исторического развития живой материи. Со времени зарождения жизни на Земле по различным оценкам прошло от 1,5—2,5 до 4,2 миллиарда лет. В. И. Вернадский пришел к выводу, что за это время все наружные слои земной коры переработаны жизнедеятельностью организмов на 99 процентов. Следовательно, Земля в том виде, как мы ее воспринимаем, на которой мы живем, в значительной степени есть продукт деятельности организмов.

Жизнь, возникнув на Земле в результате закономерного развития материи, на протяжении многих миллионов лет своего существования в форме различных организмов изменила облик нашей планеты.

Все организмы биосферы в совокупности образуют биомассу, или «живое вещество», обладающее мощной энергией, которая изменяет земную кору и атмосферу. Общий вес растительной массы около 10 000 миллиардов, а животной — около 10 миллиардов тонн, что составляет примерно 0,01 процента веса всей биосферы с ее твердой, жидкой и газообразной средой обитания. Подсчитано, что биомасса всех живых существ, населявших Землю, примерно через миллиард лет после появления жизни должна была бы во много раз превысить массу нашей планеты. Но этого не произошло.

Почему же биомасса существенно не накапливается? Почему она удерживается на каком-то определенном уровне? Ведь биомасса как живая материя имеет тенденцию к беспрерывному развитию, совершенствованию и постоянному накоплению в процессе этого развития, в процессе размножения и роста живых существ.

А не происходит этого потому, что каждый элемент, из которых построено тело организма, воспринимается из окружающей среды, а затем через целый ряд других организмов опять возвращается в окружающую, неорганическую среду, из которой вновь поступает в состав живого вещества, биомассы. Следовательно, каждый элемент, входящий в состав живой материи, используется ею многократно.

Не следует, однако, это понимать в абсолютном смысле. С одной стороны, какая-то часть элементов выходит из круговорота веществ, так как на Земле само по себе происходит накопление органических соединений в виде залежей каменного угля, нефти, торфа, горючих сланцев и т. д. С другой стороны, человек своей деятельностью может обеспечить более интенсивный процесс накопления биомассы, что проявляется в беспрерывном повышении урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности домашних животных.

Но все это отнюдь не отвергает общего правила. Существенно биомасса на Земле все же не накапливается, а постоянно удерживается на каком-то определенном уровне, хотя этот уровень и не является абсолютным и постоянным. Происходит это потому, что биомасса беспрерывно разрушается и вновь созидается из одного и того же строительного материала, в ее пределах протекает беспрерывный круговорот веществ. В. И. Вернадский пишет: «Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет, от древнейших археозойских эр до нашего времени. На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом.

Этот круговорот, совершающийся в результате жизнедеятельности организмов, называется биологическим круговоротом веществ. Он принял современный характер с появлением зеленых растений, осуществляющих процесс фотосинтеза. С этого времени и условия для эволюции живой материи на Земле приобрели совершенно иной характер.

Ход круговорота веществ вкратце можно рассмотреть на примере с углеродом, атомы которого входят в состав сложной белковой молекулы. Именно с белковой молекулой и связана жизнь, обмен веществ.

Над каждым гектаром Земли содержится в составе углекислого газа (С02) до 2,5 тонны углерода. Как показали расчеты, посевы, например, сахарного тростника каждым гектаром поглощают до 8 тонн углерода, который используется на построение тела этих растений. В результате зеленые растения примерно за несколько сот лет использовали

Бы весь запас углерода. Но этого не происходит, потому что организмы процессе дыхания выделяют значительные количества углекислоты А еще больше углерода освобождают гнилостные бактерии и грибы, разрушая углеродистые соединения, содержащиеся в мертвых телах животных и растений. Какая-то часть углерода все же выходит ни сферы «обращения», откладываясь в виде залежей нефти, каменного угля, торфа и т. д., в которые превращаются отмершие растения и животные. Но эта потеря углерода компенсируется разрушением карбонатов горных пород, а в современных условиях также сжиганием огромного количества добываемого топлива. В результате углерод как бы постоянно течет из атмосферы через зеленые растения, животных, микро организмы снова в атмосферу. Таким образом, общие запасы углерода в биосфере остаются примерно постоянными. Можно предположить с высокой степенью достоверности, что почти каждый атом углерода в биосфере со времени возникновения жизни на Земле неоднократно находился в составе живой материи, переходил в углекислоту атмосферы и снова возвращался в состав живого вещества, биомассы.

В современных условиях углерод в процессе биологического круговорота веществ проходит следующие этапы: 1) зеленые растения, созидатели органического вещества, поглощают углерод из атмосферы и вводят его в состав своего тела; 2) животные, или потребители, питаясь растениями, из их углеродистых соединений строят углеродистые соединения своего тела; 3) бактерии, а также некоторые другие организмы, или разрушители, разрушают органическое вещество умерших растений и животных и освобождают углерод, который снова уходит в атмосферу в составе углекислого газа.

Другой важной составной частью аминокислот и белков биомассы является азот. Источником азота на Земле служат нитраты, которые по глотаются растениями из почвы и воды. Животные, поедая растения, из аминокислот растительных белкой синтезируют свою протоплазму. Гнилостные бактерии переводят соединения азота мертвых тел этих организмов в аммиак. Затем нитрифицирующие бактерии превращаю аммиак в нитриты и нитраты. Часть азота денитрифицирующими бактериями возвращается в атмосферу. Но на Земле в процессе эволюции живого вещества появились организмы, способные связывать свободный азот и превращать его в органические соединения. Это некоторые сине-зеленые водоросли, почвенные, а также клубеньковые бактерии вместе с клетками корней бобовых. При отмирании этих организмов азот их тела нитрифицирующими бактериями переводится в соли азотной кислоты.

Подобный круговорот совершают и вода, и фосфор, и многие другие вещества, входящие в состав живой материи и минеральных оболочек биосферы, В результате все элементы, за редким исключением, деятельностью живого вещества биосферы вовлекаются в грандиознейший по своим масштабам беспрерывно движущийся поток — биологический круговорот веществ. «Прекращение жизни было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений, если не всей земной коры, то во всяком случае ее поверхности — лика Земли, биосферы»,— пишет академик В. И. Вернадский.

Особенно ярко эта мысль Вернадского подтверждается той ролью, которую играет в процессе своего круговорота кислород, продукт фотосинтеза растений. Практически весь кислород в земной атмосфере возник и поддерживается на определенном уровне деятельностью зеленых растений. В большом количестве он расходуется организмами в процессе дыхания. Но, кроме того, обладая огромной химической активностью, кислород непрерывно вступает в соединения почти со всеми другими элементами.

Если бы зеленые растения не выделяли такого огромного количества кислорода, то он полностью исчез бы из атмосферы примерно за 2000 лет. Преобразился бы весь облик Земли, исчезли бы почти все организмы, прекратились бы все окислительные процессы в физической части биосферы... Земля стала бы безжизненной планетой. Именно наличие свободного кислорода в атмосфере планеты свидетельствует о том, что на ней есть жизнь, живое вещество, есть биосфера. А раз есть биосфера, почти все элементы среды вовлекаются ею в грандиозный, нескончаемый круговорот веществ.

Подсчитано, что в современную эпоху весь кислород, содержащийся в атмосфере, оборачивается через организмы (связываясь при дыхании и высвобождаясь при фотосинтезе) за 2000 лет, что вся углекислота атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за каждые 300 лет и что все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 000 000 лет.

В основе учения о биосфере лежат геохимические исследования, в первую очередь изученные В. И. Вернадским круговороты кислорода и углерода. Он первым высказал предположение, что кислород, содержащийся в современной атмосфере, образован в результате фотосинтетической деятельности растений.

Выдающийся естествоиспытатель В. И. Вернадский обладал поразительной способностью охватывать своей острой и гениальной мыслью почти все области современного естествознания. В своих мыслях и концепциях он далеко опережал современный ему уровень знаний и предвидел на десятилетия вперед их развитие. Еще в 1922 г. Вернадский писал о близком овладении человеком грандиозными запасами ядерной энергии, а в конце 30-х годов предсказывал наступающую эру выхода человека в космос. Он стоял у истоков многих наук о Земле — генетической минералогии, геохимии, биогеохимии, радиогеологии и создал учение о биосфере Земли, ставшее вершиной его творчества.

Научные искания В. И. Вернадского постоянно были связаны с огромной организаторской работой. Он был инициатором создания Комиссии по изучению естественных производительных сил России, одним из организаторов Украинской Академии наук и ее первым президентом. По инициативе Вернадского в системе Академии наук СССР были созданы Институт географии, Институт минералогии и геохимии имени М. В. Ломоносова, Радиевый, Керамический и Оптический институты, Биогеохимическая лаборатория ставшая теперь Институтом геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского, Комиссия по изучению вечной мерзлоты, преобразованная затем в Институт мерзлотоведения имени В. А. Обручева, Комиссия по истории знаний, ныне Институт истории естествознания и техники, Комитет по метеоритам, Комиссии по изотопам, урану и многие другие. Наконец, ему принадлежит идея создания Международной комиссии по определению геологического возраста Земли

ПОТОК ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ

Круговороты всех веществ замкнуты, в них многократно используются одни и те же атомы. Поэтому нового вещества для осуществления круговорота не требуется. Закон сохранения материи, по которому материя никогда не возникает и не исчезает, здесь налицо. Но для превращения веществ в пределах биогенного круговорота необходима энергия. За счет какой же энергии осуществляется этот грандиозный процесс?


Основным источником энергии, необходимой для жизни на Земле, а значит, и для осуществления биологического круговорота веществ, служит солнечный свет, т. е. энергия, которая возникает в недрах Солнца во время ядерных реакций при температуре приблизительно 10 000 000 градусов. (Температура на поверхности Солнца значительно ниже, всего 6000 градусов.) До 30 процентов энергии рассеивается в атмосфере или отражается облаками и поверхностью Земли, до 20 процентов поглощается в верхних слоях облаками, приблизительно 50 процентов достигает суши или поверхности океана и поглощается в форме тепла. Лишь ничтожное количество энергии, всего около 0,1—0,2 процента, улавливается зелеными растениями; оно-то и обеспечивает весь биологический круговорот веществ на Земле.

Зеленые растения аккумулируют энергию солнечного луча, накапливают ее в своем теле. Животные, поедая растения, существуют за счет той энергии, которая поступила в их организм вместе с пищей, со съеденными растениями. Хищники в конечном итоге также существуют за счет энергии, накопленной зелеными растениями, ибо питаются растительноядными животными.

Таким образом, энергия Солнца, первоначально использованная зелеными растениями в процессе фотосинтеза, превращается в потенциальную энергию химических связей тех органических соединений, из которых строится само тело растений. В организме животного, съевшего растение, происходит окисление этих органических соединений с выделением такого количества энергии, которое было затрачено на синтезирование органического вещества растением. Часть этой энергии и используется для жизни животного, а часть, согласно второму закону термодинамики, превращается в тепло и рассеивается в пространстве.

В конечном итоге энергия, полученная от Солнца зеленым растением, переходит от одного организма к другому. При каждом таком переходе энергия превращается из одной формы (энергия жизни растения) в другую (энергия жизни животного, микроорганизма и т. д.). При каждом таком превращении происходит снижение количества полезной энергии. Следовательно, в отличие от круговорота веществ, который протекает по замкнутому кругу, энергия перемещается от организма к организму в определенном направлении. Происходит односторонний поток энергии, а не круговорот.

Нетрудно себе представить, что, как только погаснет Солнце, вся накопленная Землей энергия постепенно через какой-то определенный и сравнительно небольшой промежуток времени превратится в тепло и рассеется в пространстве. Прекратится круговорот веществ в биосфере, все животные и растения погибнут. Довольно мрачная картина... Конец жизни на Земле...

Однако нас не должен смущать такой вывод. Ведь Солнце будет светить еще несколько миллиардов лет, т. е. как минимум столько, сколько на Земле уже существует жизнь, которая развилась от примитивных комочков живой материи до современного человека. Причем сам человек на Земле появился всего около миллиона лет тому назад. За этот срок он прошел путь от каменного топора до сложнейших электронно-вычислительных машин, проник в глубь атома и Вселенной,

Всякий переход энергии из одной формы в другую сопровождается снижением количества полезной энергии вышел за пределы Земли и успешно осваивает космическое пространство.

Появление человека и такой высокоорганизованной материи, как его головной мозг, имело и имеет исключительное значение для эволюции живой материн и всей биосферы. С момента возникновения человечество, как часть биомассы, значительное время находилось в полной зависимости от окружающей среды. Но но мере развития мозга, мышления человек все более и более завоевывает природу, поднимается над ней, подчиняет ее своим интересам. Еще в 1929 году А. П. Павлов, подчеркивая всевозрастающую роль человека в развитии органического мира на Земле, предложил четвертичный период именовать «антропогеном», а затем В. И. Вернадский, считая, что человечество создает новую, разумную оболочку Земли, или сферу разума, предложил название «ноосфера».

Деятельность человека существенно изменяет круговорот веществ в биосфере. Добыто и сожжено около 50 миллиардов тонн угля; миллиардами тонн добываются железо и другие металлы, нефть, торф. Человек овладел различными формами энергии, в гом числе и атомной. В результате на Земле появились совершенно новые химические элементы и возникла возможность превращать одни элементы в другие, а в биосферу включилось большое количество радиоактивных излучений. Человек стал величиной космического порядка и силой разума своего в скором будущем сможет овладеть такими формами энергии, о которых мы сейчас и не подозреваем.

Биомасса Земли - совокупность всех живых организмов планеты. Биомасса Земли составляет примерно 2,4 10 12 т (около 0,01% массы всей биосферы): 97% из этого количества занимают растения, 3% - животные. В настоящее время на Земле известно несколько миллионов видов живых организмов. Биомасса суши составляет 99,87%, Мирового океана - 0,13%. Это связано с меньшей эффективностью фотосинтеза (использование лучистой энергии Солнца на площади океана равно 0,04%, на суше - 0,1%).

Биомасса на суше распределена неравномерно и увеличивается от полюсов к экватору, так же возрастает видовое разнообразие. Продуктивность различных экологических систем различна и зависит от ряда климатических факторов, в первую очередь от обеспеченности теплом и влагой. Наиболее продуктивны экосистемы тропических лесов, затем следуют обрабатываемые земли, степи и луга, пустыни, полярные зоны.

Почва как среда жизни характеризуется большой плотностью, непрозрачностью, бедностью кислородом, она содержит воду, в которой растворены минеральные вещества; она образуется из горной породы в результате выветривания и деятельности живых организмов. Минеральный состав почвы представлен кремнеземом (около 50%), глиноземом (до 25%), оксидами железа, магния, калия, фосфора, кальция (до 10%). Органические вещества в почве минерализуются с образованием более простых соединений (СО2, NH3 и др.) или превращаются в более сложные соединения - перегной или гумус. Почву покрывает органический опад, еще не измененный или состоящий из слегка разложившихся растительных остатков лесной подстилки, степного войлока и др. Биогеоценозы почвы плотно заселены живыми организмами, влияющими на ее физико-химические характеристики: корни растений, бактерии, грибы, водоросли, простейшие, животные. В почве протекают разнообразные химические реакции преобразования веществ, связанные с жизнедеятельностью бактерий. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до солей азотистой и азотной кислоты. В анаэробных условиях идет обратный процесс - денитрификация - связанный с восстановлением солей азотной кислоты. В верхних слоях почвы обитает наибольшее количество организмов: бактерии минерализуют органические вещества, простейшие уничтожают избыточное количество бактерий; дождевые черви, личинки насекомых, клещи разрыхляют почву, способствуют ее аэрации.

Биомасса Мирового океана. Гидросфера занимает около 70% биосферы Земли. Гидросфера отличается от наземной среды обитания главным образом своей плотностью и вязкостью. Наибольшим разнообразием жизни отличаются теплые моря и океаны в области экватора и в тропиках, к северу и югу происходит обеднение флоры и фауны морей в сотни раз. Основная масса их сосредоточена в поверхностных слоях и в прибрежной зоне. В зависимости от способа передвижения и пребывания в определенных слоях морские обитатели подразделяются на три экологические группы: нектон, планктон и бентос. Нектон - активно передвигающиеся крупные животные, способные преодолевать большие расстояния и сильные течения: рыбы, кальмары, ластоногие, киты. В пресных водоемах к нектону относятся и земноводные и множество насекомых. Планктон - совокупность растений (водоросли и др.) и мелких животных организмов (мелкие ракообразные, медузы, гребневики, некоторые черви), обитающих на разной глубине, но не способных к активным передвижениям и к противостоянию течениям. Бентос представлен в основном прикрепленными или медленно передвигающимися животными (некоторые рыбы, губки, кишечнополостные, черви, моллюски, асци- дии и др.), более многочисленными на мелководье. На мелководье в бентос входят и растения (диатомовые, зеленые, бурые, красные водоросли, бактерии). На глубине, где нет света, фитобентос отсутствует. По количеству проникающего света водоемы подразделяют на две горизонтальные зоны: верхнюю, или эфотическую (до 100- 200 м в водах океанической области), и нижнюю, простирающуюся до больших глубин, - афотическую, где света для фотосинтеза недостаточно (рис. 15.1).

Биомасса характеризуется большим запасом энергии. Протекание реакций обмена веществ в живом веществе в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее. Входящие в состав живого многие химические соединения устойчивы только в живых организмах. Способность к движению является общим признаком живого вещества в биосфере. Биомасса обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Организмы, составляющие биосферу, способны к размножению и распространению по планете. Свойства живого лежат в основе биогеохимические функций:

• энергетическая функция заключается в фотосинтетической деятельности зеленых растений, в процессе этой деятельности происходит накопление солнечной энергии, за счет которой протекают жизненные явления на Земле;
• газовая функция - постоянный газообмен с окружающей средой в процессе дыхания растений и животных и фотосинтеза растений. Это обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.;
• концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Атомы сначала концентрируются в живых организмах, а затем после их отмирания и минерализации переходят в неживую природу;
• окислительно-восстановительная функция заключается в обмене веществ и энергии с внешней средой: диссимиляции и ассимиляции. При этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления;
• деструктивная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещества биосферы;
• средообразующая функция заключается в преобразовании физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности.

Обмен веществ, рост и размножение организмов лежат в основе биогенной миграции атомов, обусловившей в процессе эволюции создание современной природной системы. За миллиарды лет растения поглотили громадное количество диоксида углерода и обогатили атмосферу кислородом, из которого образовался озоновый экран. Наличие защиты от ультрафиолетовых лучей позволило живому выйти из воды и распространиться на суше. Живые организмы оказывают исключительно глубокое воздействие на природные свойства биосферы и всей Земли. Известковые скелеты беспозвоночных образовали такие осадочные породы, как мел и известняк; каменный уголь и нефть возникли из растительных остатков. В значительной мере биогенный характер имеет почва. Она представляет собой продукт жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных в их взаимодействии с неорганической природой. Появление в процессе эволюции более сложно устроенных организмов, менее зависимых от изменений среды, а также развитие относительно устойчивых экосистем привели к возрастанию скорости миграции энергии и веществ в сформировавшихся биогеоценозах.