ПОТОК ЭНЕРГИИ И ПРОДУКТИВНОСТЬ НА УРОВНЕ БИОСФЕРЫ

Поток энергии в биосфере. Все живое — растения, животные, микроорганизмы, все, что движется, питается и размножается на Земле, требует для обеспечения своей жизнедеятельности громадного количества энергии. Живая оболочка планеты непрерывно поглощает не только энергию Солнца, но и энергию, идущую из недр Земли; она изменяется (трансформируется) и передается от одних организмов к другим и вновь излучается в окружающую среду. Необходимо иметь четкое представление об источниках энергии в биосфере, куда «текут» энергетические потоки и какова их роль в создании биомассы.

Единственный первичный источник внешней энергии на Земле — это световое и тепловое излучение Солнца (см. гл. 2). Согласно расчетам ежегодно на земную поверхность попадает около 21 • 1023 кДж радиации: на участки Земли, покрытые растениями, а также на водоемы с содержащейся в них растительностью приходится только около 40 %, т. е. около 8,4 • 1023 кДж. С учетом потери энергии радиации вследствие отражения и других причин, а также энергетического выхода фотосинтеза, не превышающего 2 %, общее количество энергии, запасаемой ежегодно в продуктах фотосинтеза, составляет 20 • 1022 кДж.

Помимо создания чистой продукции живой покров суши использует захваченную им энергию Солнца для процесса дыхания. Эти энергетические затраты составляют около 30...40 % энергии, расходуемой на создание чистой продукции. Таким образом, в год растительность суши, этот живой зеленый экран Земли, преобразует суммарно (на дыхание и создание чистой продукции) около 4,2 • 1018 кДж солнечной энергии.

Создание и существование биомассы неразрывно связаны с поступлением энергии и веществ из окружающей среды. Большинство веществ земной коры проходит через живые организмы и вовлекается в биологический круговорот веществ, создавший биосферу и определяющий ее устойчивость. В энергетическом отношении жизнь в биосфере поддерживается за счет постоянного притока энергии от Солнца и использования ее в процессах фотосинтеза.

Поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. В процессе фотосинтеза растения используют лучистую энергию солнечного света для превращения веществ с низким содержанием энергии (С02 и Н20) в более сложные органические соединения, где часть солнечной энергии находится в форме химических связей (рис. 14).

Образованные в процессе фотосинтеза органические вещества могут служить источником энергии для самого растения или переходить в процессе поедания и последующего усвоения от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным, от них — к плотоядным и др. Высвобождение заключенной в органических соединениях энергии происходит в процессе дыхания или брожения. Разрушение использованных или отмерших остатков биомассы осуществляют разнообразные организмы, относящиеся к числу сапрофитов (гетеротрофные бактерии, грибы, некоторые животные и растения).

Превращения энергии в биосфере

Рис. 14. Превращения энергии в биосфере: сплошные стрелки — круговорот веществ, прерывистые — поток энергии

Они разлагают остатки биомассы на неорганические составные части (минерализация), способствуя вовлечению в биологический круговорот соединений и химических элементов, что обеспечивает очередные циклы продуцирования органического вещества. Однако содержащаяся в пище энергия не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию. В конечном итоге вся поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения. Поэтому биосфере необходим постоянный приток энергии извне: уже много миллиардов лет от Солнца поступает постоянный поток энергии через биосферу.

Следует уточнить, что биосфера не находится и никогда не находилась в состоянии равновесия (Н. Н. Моисеев, 1996). Как уже указывалось, она получает энергию Солнца и, в свою очередь, излучает определенное количество энергии в космос. Но это энергии разного качества, поскольку к Земле приходит коротковолновое излучение (свет), а уходит от нее длинноволновое тепловое излучение. Существенно, что баланс этих энергий не соблюдается: планета излучает в космос несколько меньше энергии, нежели получает от Солнца. Эту разность (доли процента) и усваивает биосфера, постоянно тем самым накапливая энергию. Этой энергии оказалось достаточно для того, чтобы однажды на планете появилась жизнь, возникла биосфера, чтобы и ныне поддерживать все грандиозные процессы развития планеты.

Продуктивность биосферы. Биомасса Земли составляет около 1,841 • 1012т (в пересчете на сухое вещество), при этом биомасса суши — 1,837 • 1012т, а Мирового океана — 3,9 ? 109 т. Это связано с меньшей эффективностью фотосинтеза, так как использование лучистой энергии Солнца на площади океана равно 0,04 %, на суше —0,1%. Зеленые растения в биомассе суши составляют 99 %, животные и микроорганизмы — 1 %. Биомасса на суше распределена неравномерно и возрастает от полюсов к экватору, так же возрастает видовое разнообразие.

Если принять общую первичную продукцию суши за 100 %, то вклад разных континентов будет примерно следующим (Н. М. Чернова и др., 1995): Европа — 6 %, Азия — 28, Африка — 22, Северная Америка — 13, Южная Америка — 26, Австралия с островами Океании — 5 %. Если же сравнить продуктивность растений в расчете на 1 га, то она составляет, %, от средней по всем континентам: в Европе — 89, в Азии — 103, в Африке — 108, в Северной Америке — 86, в Южной Америке — 220, в Австралии — 90.

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.

Биомасса Мирового океана почти в 1000 раз меньше, чем суши, хотя поверхность океана занимает 72,2 % всей поверхности Земли. Однако удельная продуктивность океанических биоценозов настолько высока, что ничтожная по сравнению с сушей фитомасса океанов создает ежегодно чистую продукцию, вполне сравнимую с чистой продукцией на суше. Так, в океанах ежегодно образуется 5,5 • Ю10т растительной массы, что составляет примерно треть общей биомассы продукции планеты.

Происходящие в биосфере рост и размножение организмов обеспечивают биогенную миграцию атомов, которая обусловила в процессе эволюции создание современной природной системы. За миллиарды лет растения поглотили огромное количество диоксида углерода и обогатили атмосферу кислородом. Живые организмы глубоко воздействуют на природные свойства биосферы и всей планеты. Из скелетов беспозвоночных образовались такие осадочные породы, как известняк и мел, из растительных остатков — каменный уголь и нефть. Биогенное происхождение имеет и почва, представляющая собой продукт жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных в их взаимодействии с неорганическими компонентами природы. Отметим, что возникновение в процессе эволюции более сложно устроенных, но менее зависимых от изменений среды организмов, а также развитие относительно устойчивых экосистем привело к увеличению скорости движения энергии и веществ в сформировавшихся биогеоценозах.

Ярко свидетельствуют о «напоре жизни» следующие данные. Вся масса живого вещества, которое было на Земле, хотя бы в течение 1 млрд лет, уже превышает массу земной коры. Действительно, биомасса Земли составляет 1,84 - 1012 т, т. е. около 0,00001 % земной коры (2- 1019т), ежегодная продукция живого вещества близка к 1,7- 1011 т. Полагая, что последний миллиард лет эта продукция была близка к современной, можно рассчитать ее суммарное количество: 1,7 • 1011 • 109 = 1,7 ? 10т, т. е. почти в 9 раз больше массы земной коры.

Если можно было бы собрать всю биомассу, произведенную на Земле за последние 600 млн лет, то она покрыла бы Землю слоем в сотни километров (Н. М. Чернова).

Согласно В. И. Вернадскому вышеуказанная «пленка жизни» представляет уже длительное время главную геологическую силу, придающую современный облик трем оболочкам Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере. Он подчеркивал, что развитие и характер этих оболочек определяется уже не астрономическими, а биогенными причинами. Исключение составляют лишь проявления вулканической деятельности, порожденные находящимися под литосферой глубинными геофизическими слоями Земли.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >