Массо-энергообмен – основа целостности и относительной устойчивости биосферы
Биосфера – земная оболочка, занятая совокупностью организмов, населяющих Землю, включает нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), или тропосферу, всю водную оболочку (гидросферу) и верхнюю часть твердой оболочки (литосферы).
Для биосферы характерно не только присутствие живого вещества — совокупности всех обитающих в ней существ. Она обладает также следующими тремя особенностями:
1. в ней в значительном количестве содержится жидкая вода;
2. на нее падает мощный поток солнечной энергии;
3. в биосфере проходят поверхности раздела между веществами, находящимися в трех фазах — твердой, жидкой и газообразной.
Все это служит предпосылкой для активного обмена веществом и энергией, в котором большую роль играют организмы.
Раскрывая характер биогеохимических процессов, следует показать значение основных функций живого вещества: энергетической, деструктивной, концентрационной и средообразующей.
Энергетическая функциязаключается в поглощении солнечной энергии при фотосинтезе, передаче энергии по пищевой цепи. На собственные нужды организмы в среднем расходуют 10—12% ассимилированной ими энергии, остальная ее доля перераспределяется внутри экосистемы. Частично энергия рассеивается, а частично накапливается в биогенном веществе. После перехода этого вещества в ископаемое состояние энергия «консервируется» в земной коре и служит базой для экзогенных геологических процессов, обеспечивает энергетические потребности человечества.
Деструктивная функциясостоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т. д.), которые вновь используются в начальном звене круговорота специальной группой организмов — редуцентами (деструкторами).
Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. Благодаря живому веществу биотический круговорот пополняется минералами, высвобождаемыми из литосферы. Например, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождал из базальта 3% содержащегося в нем кремния, 11% алюминия, 59% магния, 64% железа. Пионеры жизни на скалах — бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и лишайники — оказывают на горные породы сильнейшее химическое воздействие растворами целого комплекса кислот — угольной, азотной, серной и разнообразных органических. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы —Са, К, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы.
Общая масса зольных элементов, вовлекаемая ежегодно в биотический круговорот только на суше, составляет около 8 млрд т. Это в несколько раз превышает массу продуктов извержения всех вулканов мира на протяжении года.
Концентрационная функциязаключается в избирательном накоплении при жизнедеятельности организмов атомов веществ, рассеянных в природе. Способность концентрировать элементы из весьма разбавленных растворов — это характерная особенность живого вещества. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них по сравнению с природной средой содержание марганца увеличено в 1 200 000 раз, железа — в 65 000, ванадия — в 420 000, серебра — в 240 000 раз и т. д.
Морские организмы активно концентрируют рассеянные минералы для построения своих скелетов или покровов. Существуют, например, кальциевые организмы (моллюски, кораллы, мшанки, иглокожие, известковые, водоросли и т. п.) и кремневые (диатомовые водоросли, кремневые губки, радиолярии). Особо следует обратить внимание на способность морских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. Их концентрация в теле беспозвоночных и рыб может в сотни тысяч раз превосходить содержание в морской воде. Благодаря этому морские организмы полезны как источник микроэлементов, но вместе с тем употребление их в пищу может грозить отравлением тяжелыми металлами или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью.
Средообразующая функциясостоит в трансформации физико-химических параметров среды (лито-, гидро-, атмосферы) в условия, благоприятные для существования организмов. Можно сказать, что она является совместным результатом всех рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для организма элементов.
В результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы; изменился химический состав вод первичного океана; образовалась толща осадочных пород в литосфере; на поверхности суши возник почвенный покров, обладающий уникальной способностью — плодородием (также плодородны воды океана, рек и озер).
Рассмотрим влияние средообразующей функцииорганизмов на содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере. Напомним, что повышение концентрации СО2в атмосфере вызывает «парниковый эффект» и способствует потеплению климата. Свободный кислород выделяется при фотосинтезе. Впервые на Земле массовое развитие фотосинтезирующих организмов — сине-зеленых водорослей — имело место 2,5 млрд. лет назад. Благодаря этому в атмосфере появился О2, что дало импульс быстрому развитию животных. Однако интенсивный фотосинтез сопровождался усиленным потреблением СО2и уменьшением его содержания в атмосфере.
Это привело к ослаблению «парникового эффекта», резкому похолоданию и первому в истории планеты (гуронскому) оледенению.
В наши дни накопление углекислого газа в атмосфере от сжигания углеводородного топлива рассматривается как тревожная тенденция, ведущая к потеплению климата, таянию ледников и грозящая повышением уровня Мирового океана более чем на 100 м. В этой связи следует отметить функцию захвата и захоронения избыточной углекислоты морскими организмами путем перевода ее в соединения углекислого кальция, а также путем образования биомассы живого вещества на суше и в океане.
Чистота морских вод во многом результат фильтрации, осуществляемой разнообразными организмами, но особенно зоопланктоном. Большинство из этих организмов добывают пищу, отцеживая из воды мелкие частицы. Работа их настолько интенсивна, что весь океан очищается от взвеси за 4 года. Байкал исключительной чистотой своих вод во многом обязан веслоногому рачку эпишуре, который за год трижды процеживает его воды.
Обратим внимание на деятельность дождевых червей. На плодородных почвах в умеренном климате пласт мощностью 1 м дождевые черви полностью пропускают через кишечник за 200 лет. Можно себе представить, каков суммарный эффект деятельности дождевых червей, если по расчетам, например, в США биомасса их в 10 раз превышает массу человеческого населения. Почва, в которой находится достаточное количество червей, благодаря их жизнедеятельности содержит вдвое больше магния, впятеро — азота, в 11 раз — кальция.
Особенно внимательно нужно отнестись к объяснению парадокса: почему, несмотря на то, что общая масса живого вещества — пленки жизни, покрывающей Землю,— ничтожно мала относительно массы земной коры, результаты жизнедеятельности организмов сказываются на составе и литосферы, и гидросферы, и атмосферы?
Как указывал геохимик В.М. Голдшмидт, если всю литосферу уподобить каменной чаше массой 10,5 фунта (~ 4,2 кг), то на гидросферу, помещающуюся в этой чаше, придется 1 фунт, атмосфера будет примерно равна по весу разменной медной монете, а живое вещество — почтовой марке. При такой незначительной массе организмы осуществляют свою планетарную роль за счет весьма быстрого размножения, т. е. весьма энергичного круговорота веществ, связанного с этим размножением.
Масса живого вещества, соответствующая данному моменту времени, с трудом сопоставляется с тем грандиозным ее количеством, которое производило свою работу в течение сотен миллионов лет существования организмов. Если рассчитать всю массу живого вещества, воспроизведенного за это время биосферой, оно окажется равным 2,4*10²º т. Это в 12 раз превышает массу земной коры.
На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Глины, известняки, доломиты, бурые железняки, бокситы, породы органогенного происхождения, наконец, вода, соленость Мирового океана и газовый состав атмосферы — все это продукт жизнедеятельности населяющих планету существ.
Главная геохимическая особенность биосферызаключается в тесной взаимосвязи лито-, гидро- и атмосферы, которая осуществляется в форме закономерного массообмена. Этот обмен имеет циклический характер. Глобальные циклы миграции химических элементов не только связывают три наружные оболочки нашей планеты в единое целое, но и обусловливают непрерывную эволюцию ее состава.
Биотический круговорот веществ обеспечивается взаимодействием трех основных групп организмов:
1. продуцентов — зеленых растений, осуществляющих фотосинтез, и бактерий, способных к хемосинтезу,— они создают первичное органическое вещество;
2. консументов, потребляющих органическое вещество,— это травоядные и хищные животные;
3. редуцентов (деструкторов), разлагающих мертвое органическое вещество до минерального,— это в основном бактерии, грибы и простейшие животные.
Итак, круговорот реализуется при участии представителей всех трех групп организмов: без продуцентов невозможна жизнь, поскольку лишь они производят основу жизни — первичное органическое вещество; консументы разных порядков, потребляя первичную и вторичную продукцию и переводя органическое вещество из одной формы в другую, способствуют возрастанию многообразия форм жизни на Земле; наконец, редуценты, разлагая органическое вещество до минерального, возвращают его к началу круговорота.
Движущей силой биотического круговорота служит энергия Солнца. Основной процесс, в результате которого образуются органические вещества — процесс фотосинтеза, осуществляется благодаря использованию солнечной энергии зелеными растениями. Автотрофы, синтезируя органическое вещество, по сути дела «консервируют» солнечную энергию в географической оболочке. Проникая из космоса в биосферу, энергия накапливается не только в растениях, но и в животных, почвах, горных породах. «Энергия Солнца движет по кругу плеяды химических элементов, которые то сцепляются в гроздья органических молекул, то рассыпаются опять в неорганические вещества...», — пишет П. П. Второв.
В биотическом круговороте помимо образующих органическое вещество элементов (кислород, углерод, водород) принимают участие большое число биологически важных элементов (азот, кальций, натрий, калий, кремний, фосфор, сера), а также микроэлементы (бром, йод, цинк, серебро, молибден, медь, магний, свинец, кобальт, никель). Список элементов, поглощающихся живым веществом, можно значительно расширить, причем в него входят даже ядовитые элементы (ртуть, селен, мышьяк) и радиоактивные.
Отметив циклический характер массо-энергообмена, ответим на вопрос о скорости круговорота различных веществ в биосфере. Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет. В океане Циркуляция идет во много раз быстрее: вся масса живого вещества обновляется за 33 дня, а масса фитопланктона — каждый день. В атмосфере смена кислорода происходит за 2000 лет, углекислого газа — за 6,3 года. Процесс полной смены вод в гидросфере осуществляется за 2800 лет, а время, необходимое для фотосинтетического разложения всей массы воды в ней, исчисляется 5—6 млн. лет.
Характерной чертой круговорота любого вещества в биосфере является его неуравновешенность. Геохимические циклы нельзя представить как круговые процессы, совершающиеся в непроницаемых границах. Скорее это вихри материи, неразрывно связанные с природной средой. Именно в силу своей незамкнутости геохимические циклы способствуют закономерному перераспределению химических элементов и направленному изменению состава наружных оболочек Земли.