Биомасса, или «живое вещество» планеты. Что такое биомасса? Каково ее назначение

Биомасса

Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские препараты и химические вещества. Биомасса используется для энергетических целей с момента открытия человеком огня. Сегодня топливо из биомассы может использоваться для различных целей - от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для автомобилей.

Химический состав биомассы

Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Обычно растения состоят из 25% лигнина и 75% углеводов или сахаридов. Углеводородная фракция состоит из множества молекул сахаридов, соединенных между собой в длинные полимерные цепи. К наиболее важным категориям углеводородов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул несахаридного типа. Природа использует длинные полимерные молекулы целлюлозы для образования тканей, обеспечивающих прочность растений. Лигнин представляет собой "клей", который связывает молекулы целлюлозы между собой.

Каким образом образуется биомасса?

Двуокись углерода из атмосферы и вода из грунта участвуют в процессе фотосинтеза с получением углеводов (сахаридов), которые и образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная энергия , используемая при фотосинтезе, сохраняется в химической форме в биомассовой структуре. Если мы сжигаем биомассу эффективным образом (извлекаем химическую энергию), то кислород из атмосферы и углерод, содержащийся в растениях, вступают в реакцию с образованием двуокиси углерода и воды. Процесс является циклическим, потому что двуокись углерода может вновь участвовать в производстве новой биомассы.

В дополнение к своему эстетическому значению земной флоры биомасса представляет собой полезный и значимый ресурс для человека. В течение тысячелетий люди добывали энергию Солнца, сохраненную в виде энергии химических связей, сжигая биомассу в качестве топлива или употребляя ее в пищу, используя энергию сахаров и крахмала. В течение нескольких последних веков человечество научилось добывать ископаемую биомассу, в частности , в виде угля. Ископаемые виды топлива представляют собой результат очень медленной химической трансформации полисахаридов в химические соединения, сходные с лигниновой фракцией. В результате химический состав угля обеспечивает более концентрированный источник энергии. Все виды ископаемого топлива, которые потребляет человечество - уголь, нефть, природный газ - представляют собой древнюю биомассу. В течение миллионов лет на Земле остатки растений превращаются в топливо. Несмотря на то, что ископаемое топливо состоит из тех же компонентов - водорода и углерода - как и "свежая" биомасса, оно не может рассматриваться в качестве возобновляемого источника, потому что его образование требует весьма длительного времени.

Другое важное различие между биомассой и ископаемыми видами топлива определяется их воздействием на окружающую среду. В процессе разложения растения химические вещества попадают в атмосферу. Напротив, ископаемое топливо "заперто" глубоко под землей и не воздействует на атмосферу до тех пор, пока не будет сожжено.

Потребление биомассы растет быстрыми темпами и в развитых странах. В некоторых развитых странах биомасса используется весьма интенсивно. Например, Швеция и Австрия обеспечивают 15% потребности в первичных энергоносителях за счет биомассы. Швеция планирует увеличить потребление биомассы в будущем, сопроводив этот рост закрытием атомных и тепловых электростанций, использующих ископаемые виды топлива.

В США, где 4% энергии получают из биомассы (почти столько же, как от атомных электростанций), сегодня работают установки, сжигающие биомассу для получения электроэнергии общей установленной мощностью 9000 МВт. Биомасса может с легкостью обеспечить более 20% энергетических потребностей страны. Другими словами, имеющиеся земельные ресурсы и инфраструктура сельского хозяйства позволяют заменить все работающие атомные станции без изменения цен на продовольственные товары. Более того, использование биомассы для производства этанола могло бы уменьшить импорт нефти на 50%.

Распределение биомассы в мире

Общая масса живой материи (включая влажность) - 2000 миллиардов тонн
Общая масса наземных растений - 1800 миллиардов тонн
Общая масса леса -1600 миллиардов тонн
Количество наземной биомассы на одного жителя - 400 тонн
Количество энергии, накопленной наземной биомассой - 25 000 ЭДж (1 ЭДж=10 +18 Дж)
Годовой прирост биомассы - 400 000 миллионов тонн
Скорость накопления энергии наземной биомассой - 3000 ЭДж/год (95 TВт)
Общее потребление всех видов энергии - 400 ЭДж/год (12 TВт)
Потребление энергии биомассы - 55 ЭДж/год (1,7 TВт)

Биомасса в развивающихся странах

Несмотря на широкое применение биомассы в развивающихся странах, обычно оно неэффективно. Общая эффективность традиционного использования биомассы составляет только 5-15%. Кроме того, биомасса менее удобна для использования, чем ископаемое топливо. В некоторых случаях ее использование может быть опасно для здоровья , например, при использовании биомассы для приготовления пищи в плохо проветриваемых помещениях. При этом могут образовываться твердые частицы, CO, NОx, формальдегиды и другие органические вещества, концентрация которых может превысить уровень, рекомендуемый ВОЗ (Всемирная Организация Здравоохранения). Более того, традиционное использование биомассы (обычно сжигание древесины) часто ассоциируется с увеличивающимся дефицитом выращиваемой древесины, истощением запасов питательных веществ, проблемами уменьшения площади лесов и расширения пустынь. В начале 80-х годов почти 1.3 миллиарда жителей Земли обеспечивали свои потребности в топливе за счет уменьшения запасов древесины.

Доля биомассы в общем потреблении энергии:

Пища или топливо?

Большая часть критики использования биомассы, особенно в крупномасштабном производстве топлива, связана с опасениями , что оно отвлекает сельское хозяйство от производства пищи, особенно в развивающихся странах. Основной аргумент заключается в том, что программы выращивания энергетических растений конкурируют с выращиванием пищевых культур различными способами (сельское хозяйство, инвестиции в сельские районы, инфраструктура, вода, удобрения, обученные человеческие ресурсы и т.д.), а это может привести к нехватке продовольствия и повышению цен. Однако, это так называемое противоречие "пища против топлива" оказывается преувеличенным во многих случаях. Предмет обсуждения более сложен, чем это обычно представляется, поскольку сельскохозяйственная и экспортная политика снабжения продовольствием представляют собой факторы огромного значения. Аргументы должны анализироваться с учетом реальной ситуации в мире , отдельной стране или регионе с обеспечением и потребностью в продовольствии (увеличением излишков продуктов питания в большинстве промышленных и некоторых развивающихся странах), использованием продовольствия в качестве корма для скота, недостаточным использованием аграрного потенциала, увеличивающимся потенциалом сельскохозяйственного производства и преимуществами или недостатками производства биотоплива.

Недостаток продовольствия и увеличение цен, с которыми столкнулась Бразилия несколько лет тому назад, часто связывали с реализацией программы "ProAlcool". Однако тщательное изучение не подтверждает, что производство этанола отрицательно воздействует на рынок продовольствия, поскольку Бразилия остается одним из самых больших экспортеров сельскохозяйственной продукции, а рост производства продуктов питания обгоняет темпы роста населения. Производство зерновых в стране в 1976 году составляло 416 кг на человека, а в 1987 году - 418 кг. Из 55 млн га земельных угодий , предназначенных для выращивания пищевых культур, только 4.1 млн га (7.5%) были использованы для выращивания сахарного тростника, что составляет только 0.6% общей площади страны, пригодной для экономического использования или 0.3% территории Бразилии. При этом только 1.7 млн га были использованы для производства этанола. Таким образом, противоречие между пищевыми и энергетическими культурами не является критическим. Более того, замена выращиваемых культур на сахарный тростник привела к увеличению выращиваемой пищи, поскольку багасса (тростник после гидролизной обработки) и сухие дрожжи используются для питания животных. Недостаток продовольствия и увеличение цен в Бразилии были вызваны комбинацией политических и экономических причин - политикой увеличения экспорта, гиперинфляцией, обесцениванием денег , политикой контроля цен на продукты местного производства и т.д. В этих условиях любые возможные негативные воздействия производства этанола могут рассматриваться как часть общих проблем, но не единственной проблемой.

Важно отметить, что развивающиеся страны испытывают на себе как продовольственную, так и энергетическую проблемы. Поэтому адаптация сельскохозяйственной практики должна учитывать это обстоятельство и развивать эффективные методы использования имеющейся земли и других ресурсов для удовлетворения как пищевых, так и энергетических потребностей с использованием агролесной системы.

Наличие земли

Фундаментальным отличием биомассы от других видов топлив является потребность в земле для ее выращивания. При этом возникает вопрос, как и кем эта земля будет использоваться. Существует два базовых подхода для определения способа использования земли. В рамках "технократического" подхода рассматриваются потребности, затем идентифицируются биологические источники, территории для выращивания и возможный экологический эффект. Такой подход игнорирует многие местные и большинство удаленных эффектов, вызываемых плантациями биомассы , а также игнорирует мнение местных фермеров, которые знают местные условия. В результате многие проекты в прошлом оказались неудачными. В рамках "комплексного" подхода задается вопрос, каким образом нужно использовать землю для обеспечения устойчивого развития, и рассматривается, какое сочетание методов и выращиваемых культур приведет к оптимальному использованию конкретного участка земли для удовлетворения потребностей в пище, топливе, корме для скота, социальном развитии и т.д. Такой подход требует полного понимания сложных вопросов землепользования.

Необходимо отметить, что продуктивность биомассы может быть увеличена, потому что во многих местах сегодня она низкая и составляет менее 5 т/га в год для древесных видов в условиях неэффективного менеджмента. Повышение эффективности является ключевым моментом как для формирования конкурентоспособных цен , так и для лучшей утилизации пригодных земель. Улучшение может включать идентификацию быстрорастущих видов, успешное размножение и использование комбинаций культур, новые знания о выращивании растений и биотехнологиях, которые могут привести к увеличению производительности растений в 5 - 10 раз по сравнению с их природным ростом.

Сегодня является возможным, в случае хорошего менеджмента, проведения исследований и выращивания отобранных видов растений на пригодных землях получить от 10 до 15 т/га в год в районах с умеренным климатом и от 15 до 25 т/га в год в тропических странах. Рекордное значение 40 т/га в год (сухой вес) достигнуто при выращивании эвкалипта в Бразилии и Эфиопии. Высокий выход биомассы может быть достигнут при выращивании трав, если существуют пригодные агроэкологические условия. Например, в Бразилии средний выход сахарного тростника вырос от 47 до 65 т/га (вес урожая) в течение последних 15 лет, в то время как в таких регионах, как Гавайи , Южная Африка и Квинсленд (Австралия) обычным урожаем считается 100 т/гa. Представляется возможным достичь трехкратного увеличения производительности для различных видов выращиваемых культур, как это было сделано для зерновых в течение последних 45 лет. Однако это потребует интенсивных аналогичных усилий и развития инфраструктуры.

Энергетическая емкость

При рассмотрении энергетического потенциала к биомассе относят все формы материалов растительного происхождения, которые могут быть использованы для получения энергии: древесину, травяные и зерновые культуры, отходы лесного хозяйства и животноводства и т.д. Поскольку биомасса представляет собой твердое топливо, ее можно сравнивать с углем. Теплотворная способность сухой биомассы составляет около 14 МДж/кг. Аналогичное значение для каменного угля и лигнита составляет 30 МДж/кг и 10-20 МДж/кг (см. таблицу далее). В момент образования (сбора урожая) биомасса содержит большое количество воды, от 8 до 20% в пшеничной соломе, 30 - 60% в древесине, до 75 - 90% в навозе сельскохозяйственных животных и 95% в водном гиацинте. В противоположность этому , влажность каменного угля находится в диапазоне от 2 до 12%. Поэтому плотность энергии в биомассе на этапе возникновения ниже, чем у каменного угля. С другой стороны, биомасса имеет преимущества с точки зрения химического состава. Зольность биомассы значительно ниже, чем угля. Кроме того, в золе биомассы обычно не содержатся тяжелые металлы и другие загрязнители, поэтому она может вноситься в почву в качестве удобрения.

Обычно биомассу ошибочно причисляют к низкосортным видам топлива, поэтому во многих странах ее использование даже не отражается в статистических отчетах. Однако она обеспечивает большую гибкость снабжения энергоносителями ввиду большого количества видов топлива, которые могут быть из нее получены. Энергия биомассы может использоваться для производства тепловой и электрической энергии посредством сжигания в современных устройствах - от миниатюрных домашних котлов до многомегаваттных электростанций, использующих газовые турбины. Системы, использующие биомассу в энергетических целях , обеспечивают экономическое развитие без увеличения парникового эффекта, поскольку биомасса является нейтральной по отношению к выбросам СО 2 в атмосферу в случае, если ее производство и использование осуществляется разумным образом. Биомасса обладает другими щадящими экологическими свойствами (малой эмиссией серы и оксидов азота) и может способствовать реабилитации деградированных земель. Растет понимание того, что использование биомассы в больших коммерческих системах основано на устойчивых, аккумулированных ресурсах и отходах и может улучшить управление природными ресурсами в целом.

Энергетическая емкость - сравнительная таблица

Биомасса - это термин, который используется для характеристики любого органического вещества, созданного при фотосинтезе. Данное определение подразумевает наземную и водную растительность и кустарники, а также водные растения и микроорганизмы.

Особенности

Биомасса - это остатки жизнедеятельности животных (навоз), промышленные и сельскохозяйственные отходы. Данный продукт имеет промышленное значение, он востребован в энергетике. Биомасса - это естественный продукт, в котором содержание углерода настолько высоко, что его можно использовать в качестве альтернативного вида топлива.

Состав

Биомасса - это смесь зеленых растений, микроорганизмов, животных. Для того чтобы восстановить ее, необходим незначительный временной промежуток. Биомасса живых организмов является единственным источником энергии, способным выделять в процессе переработки углекислый газ. Основаная ее часть сосредоточена в лесах. На суше в нее входят зеленые кустарники, деревья, а объем их оценивается примерно в 2 400 миллиардов тонн. В океанах биомасса организмов образуется гораздо быстрее, здесь она представлена микроорганизмами и животными.

В настоящее время рассматривают такое понятие, как прирост количества зеленых растений. На долю древесной растительности приходится примерно два процента. Большую часть (около семидесяти процентов) от общего состава вносят пашни, зеленые луга, мелкая растительность.

Около пятнадцати процентов всей биомассы приходится на морской фитопланктон. Благодаря тому, что процесс его деления происходит за короткий временной промежуток, можно вести речь о существенном обороте растительности мирового океана. Ученые приводят интересные факты, согласно которым достаточно трех суток для того, чтобы полностью обновить зеленую часть океана.

На суше данный процесс протекает примерно за пятьдесят лет. Ежегодно происходит процесс фотосинтеза, благодаря которому получают около 150 миллиардов тонн сухого органического продукта. Суммарная биомасса, образуемая в мировом океане, несмотря на незначительные показатели, сравнима с продукцией, образующейся на суше.

Незначительность веса растений в мировом океане можно объснить тем, что они за короткий промежуток времени поедаются животными и микроорганизмами, но достаточно быстро здесь растительность полностью восстанавливается.

Самыми продуктивными в континентальной части земной биосферы считают субтропические и тропические леса. Океаническая биомасса представлена в основном рифами и эстуариями.

Из биоэнергетических технологий, применяемых в настоящее время, выделим: пиролиз, газификацию, ферментацию, анаэробное брожение, различные виды сжигания топлива.

Возобновление количества биомассы

В последнее время во многих европейских странах осуществляются разнообразные эксперименты, связанные с выращиванием энергетических лесов, из которых получается биомасса. Значение слова особенно актуально в наши дни, когда уделяется пристальное внимание вопросам экологии. Процесс получения биомассы, а также переработки в промышленности бытовых твердых отходов, древесной целлюлозы, сельскохозяйственных котлов, сопровождается выделением пара, приводящего в движение турбину. С экологической точки зрения он абсолютно безопасен для окружающей среды.

Благодаря этому наблюдается вращение ротора генератора, способного вырабатывать электрическую энергию. Постепенно происходит накапливание золы, снижающей эффективность выработки электроэнергии, поэтому периодически происходит ее выведение из реакционной смеси.

На огромных экспериментальных плантациях выращивают быстрорастущие деревья: акации, тополя, эвкалипты. Проведены испытания около двадцати видов растений.

Интересным вариантом были признаны комбинированные плантации, на которых помимо деревьев, выращивают иные сельскохозяйственные культуры. Например, между рядами тополей высаживают ячмень. Продолжительность ротации создаваемого энергетического леса составляет шесть-семь лет.

Переработка биомассы

Продолжим разговор о том, что такое биомасса. Определение данному термину дано разными учеными, но все они убеждены в том, что именно зеленые растения являются перспективным вариантом получения альтернативного топлива.

В первую очередь необходимо отметить, что основным продуктом газификации является углеводород - метан. Его можно использовать в качестве исходного сырья в химической промышленности, а также в виде эффективного вида топлива.

Пиролиз

При быстром пиролизе (термическом разложении веществ) получают бионефть, что является горючим топливом. Тепловая энергия, выделяемая в данном случае, применяется для химического превращения в синтетическую нефть зеленой биомассы. Ее гораздо легче транспортировать и хранить, нежели твердые материалы. Далее, бионефть сжигают, получая при этом электрическую энергию. Путем пиролиза можно осуществить преобразование биомассы в феноловое масло, применяемое для производства древесного клея, изоляционной пены, литьевых пластических масс.

Анаэробное брожение

Данный процесс осуществляется благодаря анаэробным бактериям. Микроорганизмы проживают в тех местах, где нет доступа кислорода. Они употребляют органическое вещество, образуя в ходе реакции водород и метан. При подаче навоза, сточных вод в специальные варочные чаны, внося в них анаэробные микроорганизмы, можно использовать образующийся газ в качестве источника топлива.

Бактерии способны разлагать органические вещества, содержащиеся в мусорных свалках, пищевых отходах, образуя метан. Для извлечения газа, его использования в виде топлива, можно применять специальные установки.

Заключение

Биотопливо не только является отличным источником получения энергии, но и способом извлечения ценных химических веществ. Так, при химической переработке метана можно получить разнообразные органические соединения: метанол, этанол, ацетальдегид, уксусную кислоту, полимерные материалы. К примеру, этанол является ценным веществом, применяемым в разных отраслях промышленности.

Для осуществления любых жизненных процессов необходима энергия. Единственным источником энергии для земных растений является Солнце. Солнечная энергия, попадающая на фотосинтезирующие органы растений, аккумулируется во вновь образующихся органических соединениях. Эта энергия используется продуцентами по-разному. Часть ее тратится на дыхание, т.е. на биологическое окисление, часть запасается в виде вновь возникшей биомассы.

Биомасса – это масса организмов определенной группы или сообщества в целом. Некоторую долю созданной продуцентами биомассы съедают травоядные животные. Хищники потребляют травоядных животных и получают долю энергии. Большая часть энергии, полученная консументами с пищей, тратится на процессы, происходящие в клетках, а также выводится с продуктами жизнедеятельности в окружающую среду. Меньшая часть энергии идет на увеличение массы тала, рост и размножение. Часть биомассы продуцентов, не съеденная животными, отмирает, и с отмершей аккумулированная в ней энергия поступает в почву в виде растительного опада.

Растительный и животный опад (трупы, экскременты) пища редуцентов. Определенное количество энергии запасается в биомассе редуцентов, а часть рассеивается. Таким образом, энергия аккумулируется на уровне продуцентов, проходит через консументы и редуценты, входит в состав органических веществ, почвы, и рассеивается при разрушении ее разнообразных соединений. Через любую экосистемы проходит поток энергии, определенная часть которого используется каждым живым существом.

Биомасса представляет собой концентрацию живого вещества. Вторым важным показателем экосистемы является продуктивность, которая выражается в скорости нарастания биомассы. За счет на Земле создается 98 % органического вещества; 2 % приходится на хемосинтез. Различают валовую первичную продукцию (ВПП), которая представляет собой все органическое вещество экосистемы с затратами на дыхание. Чистая первичная продукция (ЧПП) – это то количество органического вещества, которое остается в экосистеме после затрат на дыхание. Формулой это можно выразить так:

ЧПП = ВПП – затраты на дыхание.

ЧПП очень различается в разных экосистемах. Например, на коралловых рифах она составляет 2500 г/м кв. в год, во влажных тропических лесах – 2300 г/м кв. в год. Коралловые рифы и влажные тропические леса являются самыми продуктивными экосистемами. Наиболее бедными экосистемами являются открытый океан (125 г/м кв. в год) и пустыня (3 г/м кв. в год).

Цепь питания – перенос энергии от его источника через ряд организмов. Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов. Травоядные животные (потребители первого порядка) поедают растения, первичные хищники (потребители второго порядка) поедают травоядных, вторичные хищники (потребители третьего порядка) поедают хищников помельче.

Таким образом, создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов, которые на разных этапах смыкаются с сообществом редуцентов.

Цепи питания представляют собой возможные варианты поедания организмами друг друга. Цепи питания, как правило, состоят из трех звеньев:

Продуценты консументы редуценты неорганические вещества

Приведем несколько примеров пищевых цепей, где для удобства изображения опустим группу редуцентов, представленных бактериями.

В лесу : малина рыжая полевка ушастая сова

В озере : диатомовая дафния карась

Приведенные пищевые цепи конечно являются крайне упрощенными. На практике цепи питания разветвляются и образуют пищевую сеть, так как каждый из консументов не может потреблять в пищу только один вид организмов.

Каждый из уровней питания называется трофическим уровнем. Фактически при поедании организмами друг друга по трофическим уровням переносится энергия. В каждом последующем трофическом звене количество энергии убывает. Это связано с тем, что какое-то количество энергии, поступившей в трофический уровень, всегда будет рассеиваться в виде тепла.

Состояние экосистемы описывается с помощью пирамиды. Экологическая пирамида представляет собой график состояния каждого трофического уровня. Эти графики строятся на основе изменения в каждом последующем трофическом уровне таких показателей как численность на единицу площади; биомассе на единицу площади, энергии. Пирамиды, построенные на основе изменений численности и биомассы могут иметь перевернутый вид, а на основе изменений энергии – никогда.

В классической пирамиде каждое следующее основание меньше предыдущего. При составлении экологической пирамиды в нижних основаниях пирамиды оказываются продуценты, а вверху – консументы.

Согласно исследованиям американского гидробиолога Линдеманна только часть энергии поступает на следующий трофический уровень (закон передачи энергии по цепям питания). Это количество энергии равно 10–20 % от предыдущего. Согласно этому закону в природе не может быть более 3–5 трофических звеньев в одной цепи. Наиболее выгодные с энергетической точки зрения цепи, содержащие 2 – 3 звена.

Пищевые цепи разделяются на два типа:

Цепь выедания – начинается с растений, идет к растительноядным животным, далее к хищникам.
Цепь разложения – начинается от растительных и животных остатков, экскрементов животных, далее мелкие животные и микроорганизмы.
Все типы пищевых цепей всегда существуют в сообществе таким образом, что член одной цепи является также членом другой. Соединения цепей образую пищевую сеть экосистемы. Угнетение или разрушение любого звена экосистемы с неизбежностью отразится на экосистеме в целом.

Одним из главных общебиологических показателей является масса биосферы, или биомасса. Биомасса – это общая масса всех видов живого на Земле в определенный момент времени. На нашей планете биомасса состоит из трех главных видов: растения (99,75% массы биосферы), животные (0,25%) и микроорганизмы (10 - 6%). Биомасса на Земле изменяется в процессе эволюции. Она сначала медленно возрастала на протяжении 3340 миллионов лет, а потом стала сравнительно быстро уменьшаться на протяжении 263 миллионов лет. Для точной ориентации в эрах и периодах приводится таблица, где длительность периодов указана в миллионах лет.

А схема отражает этапы изменения массы биосферы.

Изменение растительной и животной биомассы Земли на протяжении 6 миллиардов лет существования планеты

Современную биомассу ученые оценивают в 10 14 кг (В.И. Вернадский), что составляет в 10 миллионов раз меньшую массу, чем «теоретически максимальная» масса биосферы Земли.

Можно выделить следующие эволюционные стадии количественного изменения биомассы.

1 . Безжизненная горячая Земля . Стадия длилась от возникновения планеты в течение 1500 миллионов лет до начала архейского эона.

2 . Медленное увеличение биомассы Земли . Длительность 3000 миллионов лет; время архейского, протерозойского эонов. Жизнь возникла, и начала медленно увеличивать свою биомассу до 10 13 - 10 15 кг к концу протерозоя, живые организмы содержались исключительно в морях и океанах. Несмотря на изобилие углекислого газа в атмосфере (80%) повсеместная теплота поверхности континентов планеты (в среднем около +250° С) не давало возможности распространению растений по суши. Растения существовали только в океанах.

3 . Быстрое увеличение биомассы происходило в течение палеозойской эры (на протяжении 335 миллионов лет) . Растительно-животный мир вышел из океанов и распространился по континентам. Изобилие углекислого газа в атмосфере (20-65%) и повсеместная теплота поверхности планеты (в среднем около +50° С) привели к сверхвысокому насыщению растительной жизнью океанов и континентов. В конце этой стадии, в каменноугольном и пермском периодах, из растительности образовались самые мощные пласты органического ископаемого - каменного угля.

В эти периоды возникает максимальная масса растительного мира на Земле в количестве 10 2 0 кг, что в миллион раз выше современной массы биосферы. Современную биомассу В.И. Вернадский оценивал массой в 10 14 кг.

4 . Медленное уменьшение биомассы . Происходило в мезозойскую эру (длительность 169 миллионов лет). При сверхбольшом количестве растительной массы началось глобальное и интенсивное поглощение углекислого газа из атмосферы. Процентное содержание углекислого газа медленно понижалось. Хотя атмосфера постоянно пополнялась им от десятков тысяч вулканов, но вулканическая деятельность медленно затихала. В Кайнозойскую эру (началась 70 миллионов лет назад - сайт) снизилось процентное содержание углекислого газа в атмосфере до 1-3%, охлаждение поверхности планеты и атмосферы достигло ниже 30° С. Поэтому растительная биомасса начала медленно сокращаться. К концу мезозоя ее масса уменьшилась в 3-5 раз и равнялась 5·10 19 кг. Жизнедеятельность растений привела к увеличению количества кислорода в атмосфере Земли с 5-10% до 15-20%. Это способствовало резкому увеличению биомассы животного мира, так как животные дышат кислородом. Триасовый и юрский периоды этой эры можно назвать «золотым веком» животного царства.

Континенты и океаны в то время заполняли самые крупные животные - динозавры. Это были травоядные и хищные звери, масса одного экземпляра достигала десятков тонн. Можно предположить, что по отношению к растительной массе животные занимали в то время около 1%, что составляет 10 18 кг. Если современная масса животных определяется цифрой 2,5·10 13 кг, то в юрский период она была в 4000 раз выше. Однако основную массу биосферы (99%) составляли растения. Наивысшая масса биосферы приходится на 5 периодов: два последних периода палеозойской эры (каменноугольный и пермский) и три периода мезозойской эры (триасовый, юрский и меловой).

5 . Быстрое уменьшение биомассы . Эта стадия уже длится на протяжении всей Кайнозойской эры (в течение 70 миллионов лет) и закончится полным исчезновением жизни на Земле приблизительно через 30 миллионов лет; общая длительность стадии 100 миллионов лет. Причина очень быстрого вымирания растений и животных в кайнозойскую эру состоит в катастрофическом уменьшении углекислого газа до 0,03% и в значительном похолодании атмосферы у поверхности Земли. Вулканическая деятельность почти затихла и не добавляет углекислого газа в атмосферу. Северный и южный полюса окружаются холодными зонами льдов и снегов, где почти нет растительно-животного мира. Через миллион лет процентный состав углекислого газа в атмосфере еще больше уменьшится, а планета станет значительно холоднее. Через 30 миллионов лет жизнь на Земле перестанет существовать.

6 . Безжизненная холодная Земля . Оставшееся время, вплоть до взрыва Солнца как «сверхновой», Земля будет без признаков жизни. Процесс уничтожения всех планет Солнечной системы, в том числе и планеты Земля, произойдет примерно через 3 миллиарда лет, когда ее возраст будет 8 миллиардов лет. За это время планета потеряет атмосферу и гидросферу, литосфера полностью остынет. Исчезнут все «среды жизни»: атмосфера, почва, гидросфера. Земля станет похожей на Луну.

7 . Сделаем некоторые общебиологические выводы .

Из 8 миллиардов лет существования Земли (в прошлом и будущем) жизнь будет сохраняться на планете около 3,57 миллиардов лет, то есть 45% времени существования планеты. Максимальная масса биосферы (мезозой) в количестве 1020 кг просуществовал на планете 0,1 миллиардов лет – 1,5% времени всего существования жизни на планете.

На протяжении 3340 миллионов лет происходил процесс возрастания биомассы, а за 263 миллионов лет биомасса уменьшится до минимума, до полного исчезновения жизни на Земле. Таким образом, вымирание жизни происходит в 13 раз быстрее, чем процесс возрастания биомассы.

Максимальная масса биосферы на Земле может быть не более 1,4×10 21 кг. Почему? Растительно-животный мир состоит из воды на 60-90%. На поверхности Земли находится 1,4×10 21 кг воды (в океанах, морях, озерах, реках, атмосфере). Следовательно, если даже растения и животные включат в свой состав всю воду океанов, морей, рек, озер (что практически невозможно), то их масса не сможет превысить эту величину (1,4×10 21 кг). Современная биомасса в 10 14 кг составляет в 10 миллионов раз меньшую массу, чем «теоретически максимальная» масса биосферы Земли.

Существуют две главные тенденции изменения биомассы планеты Земля. Первое: возрастание массы биосферы происходило во время протерозоя и палеозойской эры. Второе: уменьшение биомассы происходило во время мезозойской и кайнозойской эр. Следовательно, в определенные периоды палеозойской эры биомасса в количественном отношении была равнозначной биомассе определенного периода Мезозойской и Кайнозойской эрам. Определим некоторые периоды ее равенства. Биомасса в количестве 10 17 кг соответствует началу девонского периода палеозойской эры и началу Кайнозойской эры (палеогеновый период), в количестве 10 19 кг - каменноугольному периоду (палеозой) и середине юрского периода (мезозой). Биомасса 10 20 кг соответствует началу пермского (палеозой) и концу триасового (мезозой) периодов.

Рассчитано, что полное вымирание жизни на Земле произойдет через 30 миллионов лет. Понятно, что это очень приблизительная цифра. Невозможно установить точного момента исчезновения растительно-животного мира, так как нельзя предсказать время полного исчезновения углекислого газа из атмосферы, и трудно предвидеть темпы оледенения поверхности планеты.

Человечество возникло в период интенсивного вымирания жизни на Земле - в антропогеновый (четвертичный) период кайнозойской эры. Холод и голод заставили наших предков думать. Мышление является одним из способов борьбы за существование определенных видов животных, какими оказались древние обезьяны. Сильная воля к жизни трансформировалась в разум. Интересно отметить, что Человек Разумный возник 5 миллионов лет назад и в то же самое время образовались льды Арктики и Антарктиды. Если астрономы обнаружат планету с растительно-животным миром (с кислородом и углекислым газом в атмосфере), полюса которой начали покрываться снежно-ледяными шапками, то можно утверждать о возможности возникновения Разумных Существ на данной планете.

8 . Какова причина уменьшения растительно-животной массы (биомассы) на Земле ? Существует всего четыре главных причин, из-за которых биомасса стремительно уменьшается, и, в конце концов, полностью ликвидируется, станет равной нулю. Причины эти следующие: постоянное уменьшение углекислого газа в атмосфере, постоянное охлаждение поверхности Земли, резкое уменьшение испарения воды в атмосферу из-за холода и возникновение глобальной засухи (безжизненных песчаных пустынь), а также - медленное исчезновение атмосферы, окружающей планету.. Наивысшее развитие растительной массы происходило при концентрации углекислого газа в 10 - 30% в пермский и триасовый периоды. Дальнейшее уменьшение углекислого газа до 7% в мезозойскую эру привело к медленному сокращению биомассы (стадия 4), а уменьшение концентрации углекислого газа ниже 3% в начале кайнозойской эры (стадия 5) окончательно подорвало приспособительные механизмы земной растительности. Похолодание планеты вместе с углекислым «голодом» способствовало началу быстрого уменьшения биомассы планеты (стадия 5).

Многие виды растений (папоротники, лепидодендроны, сигиллярии) не смогли выработать в своих ферментативных системах способов поглощения углекислого газа CO 2 из атмосферы и водных растворов при значительном падении концентрации углекислого газа в атмосфере до 0,03%. Эти виды растений интенсивно вымирали. В меловом периоде (мезозойская эра) возникают первые покрытосеменные и распространяются лиственные и хвойные леса. Они оказались более приспособленными к холоду и низкому содержанию углекислого газа в атмосфере, когда в кайнозойскую эру его содержание упало с 3 до 0,03%. Дальнейшее снижение процентного содержания углекислого газа в атмосфере приведет к уменьшению существующей сейчас биомассы (сначала растений, а потом и животных), а при достижении концентрации 0,00003% (через 10 миллионов лет) на Земле останутся единичные виды растений, биомасса уменьшится в тысячи раз. Тогда на Земле, вероятно, будут существовать только мхи и травы, а из животного мира - мелкие насекомые.

Совокупность всех живых организмов образует биомассу (или, по выражению В. И. Вернадского, живое вещество) планеты.

По массе это составляет около 0,001% массы земной коры. Однако несмотря на незначительную общую биомассу, роль живых организмов в процессах, происходящих на планете, огромна. Именно деятельностью живых организмов обусловлены химический состав атмосферы, концентрация солей в гидросфере, образования одних и разорению других горных пород, формирование почвы в литосфере и т.д..

Биомасса суши. Наибольшая плотность жизни в тропических лесах. Здесь больше видов растений (более 5 тыс.). К северу и к югу от экватора жизнь становится беднее, уменьшаются его плотность и число видов растений и животных: в субтропиках около 3 тыс. видов растений, в степях около 2 тыс., далее идут широколиственные и хвойные леса и, наконец, тундра, в которой растет около 500 видов лишайников и мхов. В зависимости от интенсивности развития жизни в разных географических широтах меняется биологическая продуктивность. Подсчитано, что общая первичная продуктивность суши (биомасса, образована автотрофными организмами за единицу времени на единицу площади) составляет около 150 млрд т, в том числе на долю лесов земного шара приходится 8 млрд т органического вещества в год. Суммарная растительная масса на 1 га в тундре составляет 28,25 т, в тропическом лесу - 524 т. В умеренном поясе 1 га леса за год образует около 6 т древесины и 4 т листьев, составляет 193,2 * 109 Дж (~ 46 * 109 кал). Вторичная производительность (биомасса, образуемая гетеротрофными организмами за единицу времени на единицу площади) в биомассе насекомых, птиц и других в этом лесу составляет от 0,8 до 3% биомассы растений, то есть около 2 * 109 Дж (5 * 108 кал). < /p>

Первичная годовая производительность различных агроценозов значительно различается. Средняя мировая производительность в тоннах сухого вещества на 1 га составляет: пшеницы - 3,44, картофеля - 3,85, риса - 4,97, сахарной свеклы - 7,65. Урожай, который собирает человек, составляет лишь 0,5% общей биологической продуктивности поля. Значительная часть первичной продукции разрушается сапрофитами - жителями почв.

Одним из важных компонентов биогеоценозов поверхности суши являются почвы. Исходным материалом для почвообразования являются поверхностные слои горных пород. Из них под воздействием микроорганизмов, растений и животных формируется почвенный слой. Организмы концентрируют в себе биогенные элементы: после отмирания растений и животных и разложения их остатков эти элементы переходят в состав грунта, благодаря чему

в нем аккумулируются биогенные элементы, а также накапливаются не полностью разложены органические печовины. В почве содержится огромное количество микроорганизмов. Так, в одном грамме чернозема количество их достигает 25 * 108. Таким образом, почва имеет биогенное происхождение, состоит из неорганических, органических веществ и живых организмов (эдафон - совокупность всех живых существ почвы). Вне биосферы возникновения и существования почвы невозможно. Почва - среда для жизни многих организмов (одноклеточных животных, кольчатых и круглых червей, членистоногих и многих других). Почва пронизана корнями растений, из него растения впитывают питательные вещества и воду. С жизнедеятельностью живых организмов, которые есть в почве, связана урожайность сельскохозяйственных культур. Внесения химических веществ в почву часто пагубно влияет на жизнь в нем. Поэтому нужно рационально использовать почвы и оберегать их.

Каждая местность имеет свои почвы, которые отличаются от других по составу и свойствам. Образования отдельных типов почв связано с различными почвообразовательного породами, климатом и особенностями растений. В. В. Докучаев выделил 10 основных типов почв, сейчас их насчитывается более 100. На территории Украины выделяют следующие почвенные зоны: Полесье, Лесостепь, Степь, Сухой степь, а также Карпатскую и Крымскую горные области с присущими для каждой из них типами структуры почвенного покрова. Для Полесья характерны дерновопидзолисти, серые лесные,. Темносири лесные почвы, черноземы оподзоленные т.д.. Зона Лесостепи имеет серые и темносири лесные почвы. Зона Степи в основном представлена черноземами. В Украинских Карпатах преобладают бурые лесные почвы. В Крыму случаются разные почвы (черноземы, каштановые и т.д.), но они, как правило, щебнистыми и каменистые.

Биомасса Мирового океана. Мировой океан занимает более 2/3 площади поверхности планеты. Физические свойства и химический состав вод океана благоприятные для развития и существования жизни. Как и на суше, в океане плотность жизни крупнейшая в экваториальной зоне и снижается по мере виддаляння от нее. В верхнем слое, на глубине до 100 м, живут одноклеточные водоросли, которые составляют планктон, «общая первичная продуктивность фитопланктона Мирового океана составляет 50 млрд т в год (около 1/3 всей первичной продукции биосферы). Почти все цепи питания в океане начинаются с фитопланктона, которым питаются животные зоопланктона (например, рачки). Рачки являются пищей для многих видов рыб и усатых китов. Рыб поедают птицы. Крупные водоросли растут преимущественно в прибрежной части океанов и морей. Наибольшая концентрация жизни - в коралловых рифах. Океан беднее на жизнь, чем сушу, биомасса его продукции в 1000 раз меньше. Большинство образованной биомассы - одноклеточныеводоросли и прочие обитатели океана - отмирают, оседают на дно и их органическое вещество разрушается редуцентами. Лишь около 0,01% первичной продуктивности Мирового океана через длинную цепь трофических уровней доходит до человека в виде пищи и химической энергии.

На дне океана, в результате жизнедеятельности организмов, формируются осадочные породы: мел, известняки, диатомит и др..

Биомасса животных в Мировом океане приблизительно в 20 раз больше, чем биомасса растений, особенно велика она в прибрежной зоне.

Океан - колыбель жизни на Земле. Основой же жизни в самом океане, первичным звеном в сложной пищевой цепи является фитопланктон, одноклеточные зеленые морские растения. Эти микроскопические растения поедаются растительноядным зоопланктоном и многими видами мелкой рыбы, которые в свою очередь служат кормом целого ряда нектонных, активно плавающих хищников. В пищевой цепи океана принимают участие также и организмы морского дна - бентос (фитобентос и зообентос). Суммарная масса живого вещества в океане составляет 29,9∙109 т, при этом на биомассу зоопланктона и зообентоса приходится 90% от общей массы живого вещества океана, на биомассу фитопланктона - около 3 % и на биомассу нектона (главным образом рыба) - 4% (Суетова, 1973; Добродеев, Суетова, 1976). В целом биомасса океана по весу в 200 раз, а на единицу поверхности - в 1000 раз меньше, чем биомасса суши. Однако ежегодная продукция живого вещества океана составляет 4,3∙1011 т. В единицах живого веса она близка к продукции наземной растительной массы - 4,5∙1011 т. Так как морские организмы содержат гораздо больше воды, то в единицах сухого веса это соотношение выглядит как 1:2,25. Еще ниже (как 1:3,4) соотношение продукции чистого органического вещества океана в сравнении с таковым на суше, так как фитопланктон содержит больший процент зольных элементов, чем древесная растительность (Добродеев, Суетова, 1976). Достаточно высокая продуктивность живого вещества в океане объясняется тем, что простейшие организмы фитопланктона имеют короткий срок жизни, они обновляются ежедневно, а общая масса живого вещества океана в среднем примерно через каждые 25 дней. На суше обновление биомассы происходит в среднем за 15 лет. Живое вещество в океане распределяется очень неравномерно. Максимальные концентрации живого вещества в открытом океане - 2 кг/м2 - расположены в районах умеренного пояса северной части Атлантического и северо-западной части Тихого океанов. На суше такую же биомассу имеют зоны лесостепей и степей. Средние величины биомассы в океане (от 1,1 до 1,8 кг/м2) имеют области умеренного и экваториального поясов, на суше им соответствуют биомассы сухих степей умеренного пояса, полупустынь субтропического пояса, альпийских и субальпийских лесов (Добродеев, Суетова, 1976). В океане распределение живого вещества зависит от вертикального перемешивания вод, вызывающего подъем к поверхности питательных веществ из глубинных слоев, где происходит процесс фотосинтеза. Такие зоны подъема глубинных вод получили название зон апвеллинга, они наиболее продуктивны в океане. Зоны слабого вертикального перемешивания вод характеризуются низкими величинами продукции фитопланктона - первого звена в биологической продуктивности океана, бедностью жизни. Другая характерная черта распределения жизни в океане - концентрация ее в мелководной зоне. В районах океана, где глубина не превышает 200 м, сосредоточено 59% биомассы донной фауны; на глубины от 200 до 3000 м приходится 31,1% и на районы с глубиной более 3000 м - менее 10%. Из климатических широтных поясов в Мировом океане наиболее богаты субантарктический и северный умеренный пояс: их биомасса в 10 раз больше, чем в экваториальном поясе. На суше, напротив, наиболее высокие значения живого вещества приходятся на экваториальный и субэкваториальный пояс.

Основу биологического круговорота, обеспечивающего существование жизни, составляет солнечная энергия и улавливающий ее хлорофилл зеленых растений. В круговороте веществ и энергии участвует каждый живой организм, поглощая из внешней среды одни вещества и выделяя другие. Биогеоценозы, состоящие из большого числа видов и костных компонентов среды, осуществляют циклы, по которым передвигаются атомы различных химических элементов. Атомы постоянно совершают миграцию через многие живые организмы и костную среду. Без миграции атомов жизнь на Земле не могла бы существовать: растения без животных и бактерий вскоре исчерпали бы запасы углекислого газа и минеральных веществ, а животные баз растений лишились бы источника энергии и кислорода.

Биомасса поверхности суши – соответствует биомассе наземно-воздушной среды. Она увеличивается от полюсов к экватору. Вместе с тем возрастает количество видов растений.

Арктические тундры – 150 видов растений.

Тундры (кустарники и травянистые) – до 500 видов растений.

Зона лесов (хвойные леса + степи (зона)) – 2000 видов.

Субтропики (цитрусовые, пальмы) – 3000 видов.

Широколиственные леса (влажные тропические леса) – 8000 видов. Растения растут в несколько ярусов.

Биомасса животных. В тропическом лесу самая большая биомасса на планете. Такая насыщенность жизни вызывает жесткий естественный отбор и борьбу за существование а =>Приспособленность различных видов к усл-ям совместного сущ-я.