Текст книги "Биосфероведение"

Глава 5. Биота – биосферное проявление живого вещества

О планетарной организации живого вещества. Вертикальная и горизонтальная организация жизни. Характеристика сгущений жизни на планете.

Посмотрим, как живое вещество действует в биосфере, как оно организовано. Прежде всего следует сказать, что оно существует как единая система. Как же это целое выглядит? Как миллионорукое, миллионоглазое, многоглавое существо? Да, многоглавое и миллионоглазое – но не чудовище. А превосходно отлаженная в пространстве биосферы система геоэкосистем (биогеоценозов), в пределах которых живое живёт и радует нас.

К таким основным геоэкосистемам относятся моря, реки, озёра, болота, леса, поля и так далее. Мозаика этих крупнейших экосистем и составляет (наряду с другими факторами) биосферу, в которой всепланетное живое вещество действует как единая сеть живого, называемая биотой. Биота – это то же живое вещество, но организованное как целое в пределах всей биосферы.

Количественно биота представляет собой как бы тончайшую плёнку на поверхности Земли, по весу составляющую 1/1000 массы атмосферы (около 2 трлн. тонн сухого веса). Причём, на сушу приходится 99,87 % (в основном это растения), а на море – 0,13 %.

Распределение живого вещества в биосфере крайне неравномерно. Плёнка жизни на Земле соткана как бы из больших прорех и небольших пространств уплотнения. Вернадский характеризовал его зонами «разрежения» и зонами «сгущения» жизни. Кроме того, распределение жизни в биосфере неравномерно как по вертикали, так и по горизонтали.

По вертикали (на суше и на море) живое вещество чаще всего распределяется в виде обширных экогоризонтов, которые Вернадский назвал плёнками. Как правило, это система двух плёнок: верхней и нижней. В верхней плёнке идёт фотосинтез. Поэтому Вассоевич назвал её фотосферой. Нижняя плёнка находится в темноте. Там отсутствует фотосинтез и осуществляется темновая фаза функционирования экосистем. Она названа меланосферой. В меланосфере идёт не менее интенсивная жизнь, чем в фотосфере. Оба экогоризонта, обе плёнки, как на суше, так и в океанах представляют собой единую систему и работают согласовано. Друг без друга они, как правило, не существуют.

В океане – это плёнка планктона (фотосфера) и, отделённая от неё толщей воды, придонная плёнка – бентос (меланосфера). Богатому планктону соответствует мощный слой бентоса. И наоборот. Они взаимосвязаны. Это единая система океанической жизни, океанической части биоты.

На суше эти две плёнки непосредственно примыкают друг к другу. Фотосферу представляют множества фотосинтезирующих организмов и тех нефотосинтезирующих, которые не могут обходится без света. Меланосфера на суше – это вся толща почвы, насыщенная жизнью (и растительной, и животной) не менее надземного слоя. Они также тесно взаимосвязаны – существование одной из них невозможно без существования другой. В частности, исходя только из этой закономерности, можно понять, что почва, лишённая растительного покрова, своей «напарницы»-фотосферы, обречена на гибель.

Теперь рассмотрим распределение живого вещества в биосфере по горизонтали. Здесь оно распределено тоже очень неравномерно: обширные безжизненные пустыни, такие как срединно-тихоокеанская, вдруг оживляются живыми оазисами мощных сгущений жизни. Эти очаги жизни разбросаны по лику Земли не как придётся – их местонахождение имеет свою логику и порядок. Как правило, это места «встреч» разных стихий-сред: земной с водной, водной с подземной стихией, источающей газы, тепловую энергию, вещества богатые химическими элементами.

На море различают пять видов сгущений жизни.

1. Прибрежные сгущения. Практически, это шельфовая зона, богатая кислородом, органикой и другими питательными веществами, поступающими с суши. Именно в этой зоне до 50-100 метров в глубину процветает планктон, а под ним на дне – его меланосферный «напарник» – бентос.

2. Саргассовые сгущения представляют собой большие поля плавающих на поверхности морей бурых или багрянковых водорослей, уснащённых множеством воздушных пузырьков. Самые известные сгущения такого рода находятся в Саргассовом и Чёрном морях.

З. Рифовые. Это всем известные коралловые рифы, которые изобилуют всяческой морской живностью. Тут тебе моллюски и водоросли, иглокожие и цианобактерии, кораллы и рыбы.

4. Апвелинговые сгущения. Эти сгущения жизни связаны с теми местами в море, где сильные восходящие потоки поднимают к поверхности соли и другие питательные вещества. Известны Перуанский, Калифорнийский, Сомалийский, Бенгальский, Канарский апвелинговые сгущения. Особенно богато Перуанское, где вылавливают до 20 % мирового промысла рыбы.

5. Абиссальное рифтовое. Это придонные сгущения жизни, образующиеся вокруг горячих источников рифтовой зоны океанического дна. В местах разлома дна, в рифтах, выходят сероводород, ионы железа и марганца, соединения азота и другие вещества, которыми питаются бактерии и архебактерии, являющиеся пищевой базой для более сложных организмов. Известны Галапагосские рифтовые сгущения, у острова Пасхи на глубине около 3 километров.

На суше различают четыре вида сгущений жизни.

1. Береговое – экологические системы на берегах морей.

2. Пойменное сгущение – в долинах и дельтах рек.

3. Тропические и среднеширотные леса.

4. Континентальные водоёмы.

Так как о наземных экосистемах вы имеете хотя бы внешнее представление, мы здесь ограничились их перечислением. В экологическом разделе они будут рассмотрены подробнее. Приведём лишь один пример неравномерности распределения живого вещества на суше. В среднем 1 гектар суши в лесостепной зоне «даёт» 160 тонн растительной биомассы, в тропиках – 440 тонн, а в пустыне – 7 тонн.

Глава 6. Работа живого вещества в биосфере

О видовом разнообразии живого вещества. Главные способы питания организмов и распределение работы между царствами биологического мира. О биотическом круговороте. Виды работы живого вещества.

Всё разнообразие современной биоты представлено двумя миллионами видов организмов. Большую часть из них относится к животным – около одного миллиона и 0,265 миллиона видов составляют растения. Причём 75 % видов животного мира принадлежит насекомым, лишь 4 % – к позвоночным, и совсем небольшая часть к млекопитающим – 0,4 %. На суше наблюдается большее разнообразие растений, чем на море.

Ни один вид, ни один организм из всего разнообразия живого мира не может быть лишним. Каждый выполняет свою, сугубую задачу в обширном хозяйстве биосферы. Даже вирусы, несмотря на их микроскопическую величину, играют большую эволюционную роль.

Попробуем разобраться какие задачи выполняют в биосфере самые крупные группы живого мира – царства и надцарства. Но для начала, чтобы понятно было дальнейшее, кратко перечислим основные типы питания организмов.

Все организмы по способу питания разделяются на три основных типа.

1. Автотрофы – питаются неорганикой и не поедают других существ. Автотрофы подразделяются на фототрофы (фотосинтетики), приобретающие энергию за счёт фотосинтеза (это растения, цианобактерии) – и на хемотрофы (хемосинтетики), добывающие энергию и питание из неорганических химических соединений (это различные бактерии).

2. Гетеротрофы – питаются органикой, поедая автотрофов и гетеротрофов (своих собратьев). Они не способны ассимилировать окружающую энергию. Это животные и микроорганизмы.

3. Миксотрофы – могут питаться и органикой, и неорганикой. К ним относятся некоторые бактерии. Есть ещё сапрофиты, питающиеся остатками жизнедеятельности других организмов. Сюда относятся грибы.

Как же распределили громадную работу в хозяйстве биосферы разные организмы? Начнём с надцарстра прокариотов (безъядерных), с царства бактерий. Они и эволюционно, и функционально идут в биосфере первыми, выполняя при этом гигантскую работу по созданию основы биосферы. Без них невозможно существование всего остального живого мира. В свою очередь царство бактерий имеет три подцарства.

1. Подцарство собственно бактерий – эубактерий. Оно имеет все типы питания: автотрофное, гетеротрофное, миксотрофное. Из них 50 видов бактерий относятся к фототрофам, но кислород они не выделяют. Основная задача бактерий в биосфере – вводить в биотический круговорот абиогенные неорганические вещества, фиксировать азот из атмосферы, накапливать органику и энергию для всей биоты, разлагать отжившие организмы, образовывать почву.

2. Подцарство архебактерий (древних бактерий). Их около 40 видов. Они относятся к хемотрофам и обладают способностью жить в экстремальных условиях: в горячих источниках при 100 °C и выше, при повышенной кислотности среды (при рН=1). Их задача – вовлекать в биотический круговорот новые массы химических элементов, «снабжать» энергией высокоорганизованные организмы.

З. Подцарство цианобактерий. Их больше всего, около 2500 видов. По способу питания среди них есть хемотрофы, фототрофы и гетеротрофы. Они обладают удивительной живучестью в самых суровых условиях: переносят очень низкие температуры, бескислородную среду, высокую радиоактивность (их находят даже в ядерных реакторах), жёсткий ультрафиолет. Образуют множество форм в виде колоний, нитей, глобул. В качестве зелёного налета их можно обнаружить на стволах деревьев, на камнях, в водоёмах. В симбиозе с бактериями они образуют «маты», своеобразные подушки. Фиксируют 90 % азота, потребляемого биотой. Цианоактерии представляют собой древнюю часть биоты. Их ещё называют пионерами биосферы, поскольку они первыми создали кислородную атмосферу, а вместе с бактериями – первую почву. Бактерии и цианобактерии – единственные из всего живого мира организмы, способные создавать собственные экосистемы, независимые от эукариотов, и благодаря этому выживать без их сложных экосистем. Все другие организмы зависят от синтетической и деструктивной деятельности этих пионеров биосферы.

Обратимся теперь к надцарству эукариотов (ядерных организмов), куда входят царство растений, царство грибов и царство животных. Рассмотрим их последовательно.

Царство растений представлено множеством видов водорослей, багрянковых (морские растения бурого цвета) и высших растений. Все они фототрофы. Основная их биосферная функция – трансформировать солнечную энергию в биологическую форму энергии, создавать энергетическую и пищевую базу биоты, «поставлять» свободный кислород в атмосферу.

Царство грибов относится к сапрофитам, то есть питающимся за счёт разложения органики. Они хорошо переносят экстремальные условия. В деструктивной функции им нет равных. Они, например, разлагают древесину, которая не поддаётся бактериям. Без них леса были бы завалены сухостоем. Это и является их главной ролью в биосфере. Кроме того, они имеют большое почвообразующее значение, так как обогащают её разложенной органикой, а своими гифами формируют почвенную структуру.

Царство животных – самое разнообразное царство. Все животные относятся к гетеротрофам. В отличие от представителей предыдущих царств, они способны к активному движению. К движению «против стока», то есть способны двигаться против течения, против ветра, преодолевать земное притяжение. С этим связана их роль регулятора биотического круговорота в биосфере. Эту роль они выполняют, питаясь растениями, планктоном; рассеивая по всему земному шару семена, споры и другой репродуктивный материал; создавая новые условия среды. Так мидии очищают воду в заливах и даже создают там циркуляцию воды. Бобры своими плотинами преобразуют пойменные экосистемы рек. Кроме того, регуляторная роль животных связана с тем, что они образуют в биоте сложную систему связей, повышая тем самым её устойчивость.

Разделение труда в биосфере между царствами – это условие целостности биоты.

М.М. Камшилов пишет, что весь биотический круговорот имеет как бы два этажа или два яруса. Первый – древний этаж, состоящий из одноклеточных синтетиков и деструкторов. Второй – более поздняя надстройка, состоящая из всего многообразия многоклеточных организмов. Понятно, что первый этаж более независим.

Теперь дадим представление о биотическом круговороте. Бесчисленное количество организмов биоты быстро исчерпало бы все вещественные и энергетические ресурсы биосферы, если бы биота не имела хорошо отлаженной системы деструкции (разложения) уже отживших организмов и не возвращала бы природе взятое у неё как бы напрокат. Но биота благодаря деструкторам (бактериям, грибам и другим организмам) постоянно возвращает в природу «отработанное» вещество и затем снова его использует. Этот постоянный круговорот вещества, идущий через биоту и осуществляемый живым веществом за счёт вбираемой им солнечной и земной энергий, называется биотическим круговоротом. Он существует столько же лет, сколько существует биота и биосфера.

Скорость биотического круговорота фантастическая. Вся масса биоты обновляется в среднем за 8 лет. Фитомасса суши (растения и другие) обновляется за 14 лет; фитомасса океана – за 33 дня; фитопланктон – за 1 день. Вся вода гидросферы проходит через биоту за 2800 лет; кислород атмосферы – за 2000–5000 лет; углекислый газ атмосферы – за 6,3 года. Более длительны в биосфере циклы углерода, азота, фосфора – они совершаются за миллионы лет.

Следует сказать, что биотический круговорот не замкнут. Часть вещества (около 10 %) не возвращается в него, а уходит в виде отложений и захоронений в литосферу, трансформируясь там в биогенные породы. Чтобы восполнить потерю, биота, благодаря синтетической деятельности своего древнего «этажа» – архебактерий, бактерий-хемосинтетиков, цианобактерий – добавляет недостающий материал из продуктов магматической активности недр Земли. Так живое вещество производит определённую большую геологическую работу. И образуется уже грандиозный геологический или биосферный кругооборот вещества. О его особенностях и значении будем говорить в других главах.

Сначала Вернадский всю работу живого вещества разделил на два рода: химическую и механическую. А затем более подробно распределял её на 9 функций: газовую; кислородную; окислительную; кальциевую; восстановительную; концентрационную; функцию разрушения органики; функцию восстановительного разложения; функцию метаболизма и дыхания организмов.

Ф.Я. Шипунов же выделяет 5 функций биоты: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную, просто биохимическую и биохимическую функцию человеческой цивилизации.

Мы будем рассматривать функции живого вещества, описанные А.В. Лапо: энергетическую, концентрационную, деструктивную, средообразующую, транспортную. На наш взгляд они более наглядно характеризуют работу живого вещества в биосфере.

1. Энергетическая функция. Это фундаментальная функция живого вещества, благодаря которой биосфера насыщается энергией и происходит запас её впрок. Как мы уже упоминали, эту энергию живое вещество вбирает благодаря фотосинтезу из потока солнечного излучения и благодаря процессу хемосинтеза – из химических соединений веществ в земных недрах. Будучи «уловленной» живым веществом, эта энергия частично (10 %) потребляется самими «энергетиками», а другая часть распределяется по биологическим цепям и экосистемам всей биоты. Часть её «запасается» в виде горючих ископаемых и других горных пород, насыщая энергией глуби Земли. Ныне человечество эту, накопленную за миллионы лет энергию, выпускает в «воздух», и почти всю уже выпустило, не считаясь с законами биосферы.

2. Концентрационная функция. Эта функция заключается в концентрации, собирании в живых организмах тех или иных химических элементов, рассеянные в биосфере. Живое вещество собирает их из разбавленных растворов в морях, из почвы, из воздуха. Активнейшими собирателями-концентраторами являются микроорганизмы. Одни бактерии концентрируют марганец, другие железо, третьи серебро. Так содержание марганца в своих клетках они увеличивают (по сравнению с концентрацией в среде) в 1 200 000 раз; железа – в 650 000 раз; ванадия – в 420 000 раз. Благодаря этим бактериям появились огромные залежи железных и марганцевых руд, бокситов и другие. Организмы, строящие свои скелеты на основе кремния (диатомовые водоросли, радиолярии) или кальция (фораминиферы, коралловые полипы), являются «виновниками» мощных отложений кремнезёмов, мела, мрамора и так далее. Технологи научились, используя эти свойства бактерий, обогащать бедные урановые, медные, цинковые и другие руды.

Способность концентрировать отдельные химические элементы, причём в заметных количествах, есть и у некоторых растений. Так водоросль фукус накапливает титан в 10000 раз больше, чем его имеется в окружающей морской воде. Бурые водоросли содержат в 1 тонне биомассы до нескольких килограммов йода и много никеля. В золе плауна булавовидного – 52 % окиси алюминия, а в золе древесины австралийского шелковистого дуба её оказывается даже 79,6 %. В США германий и селен получают из растений. Американский дуб крупноплодный в 1 килограмме древесины имеет до 200 миллиграмм чистой меди. Сосна концентрирует бериллий; ива и берёза в листьях – стронций и барий; лиственница – марганец и ниобий; черёмуха, осина, пихта – торий; все растения – цинк. Золото «собирают» – кукуруза, дуб, хвощ полевой, бурые и красные водоросли. Полынь может содержать до 85 грамм золота в 1 тонне золы.

Некоторые морские животные также способны в тысячи и миллионы раз концентрировать элементы из морской воды. Асцидии содержат до 15 % соединений ванадия. Моллюски «выбирают» никель; медузы – цинк, алюминий, свинец; омары – кобальт; осьминоги – медь.

3. Деструктивная функция. Эта функция состоит в механическом, химическом и биохимическом разрушении органической и неорганической материи. Морские сверлильщики (цианобактерии, водоросли, черви) «просверливают» известняки, рыбы «раскусывают» коралловые рифы. Некоторые бактерии разрушают стекло. Для своей деструктивной деятельности цианобактерии, бактерии, грибы и лишайники выделяют кислоты: серную, азотную, угольную, органические кислоты. Есть бактерии, которые окисляют даже золото. Растения тоже выделяют разъедающие агенты. Так корни ели выделяет кислоты.

4. Средообразующая функция. Это самая интересная, самая творческая функция живого вещества. Часто говорят, что среда действует на живое – и гораздо реже вспоминают, что живое не остаётся в долгу и тоже действует на среду и изменяет её, приспосабливая для «своих нужд». Живое вещество изменяет механические, электрические, магнитные, химические, климатические и другие параметры среды. Черви и земляные насекомые разрыхляют почву, цианобактерии своими нитями укрепляют её. Бактерии образуют плывуны. На Чёрном и Белом морях обнаружены большие электрические поля, созданные фитопланктоном: отрицательные поля – живым планктоном, и положительные поля – отмирающим. Светящиеся организмы освещают водные массы морей. Байкал славится чистотой своей воды благодаря деятельности маленького байкальского рачка эпишуры, который трижды за год процеживает всю воду озера. Морские животные поддерживают солевой состав океана на определённом уровне. Эвкалипты осушают заболоченные места. Леса создают свой климат: увеличивают количество осадков, очищают атмосферу, изменяют динамику ветров. Бобры, строя 100-метровые плотины, и затопляя поймы лесных рек, создают новые экосистемы. Эти примеры говорят о многообразной творческой работе живого вещества по изменению среды в биосфере.

5. Транспортная функция. Это работа живого вещества по перемещению в вертикальном и горизонтальном направлениях масс вещества. Ветры, течения, оползни переносят большие количества вещества. Но живое вещество отличается в этой своей работе от неживых факторов тем, что оно способно активно действовать и перемещать вещество против «стока» – против течения, против ветра, против сил гравитации. Чего стоят передвижения масс рыбы, идущей против течения на нерест, перелёты птиц, а перекочёвка больших стад животных. Роющие животные передвигают горы почвы. Растения переносят массы воды своей всасывающей и испаряющей функциями. Так при образовании 1 грамма биомассы высшие растения расходуют до 100 грамм воды.

Таким образом становится понятно, что живое вещество активно участвует во всех процессах биосферы, производя громадную геологическую работу и тем самым формируя биосферу, её облик и характер. Отсюда можно заключить, что функционирование, работа живого вещества – основа существования биосферы.