Что такое биомасса? Каково ее назначение

Научно-технический прогресс, развитие сельского хозяйства, увеличение народонаселения на Земле в настоящее время оказывают огромное влияние на природу. Это сложная, глобальная проблема, волнующая все человечество. Освоение космоса создает возможности для исследования природных богатств Земли и влияния на нее деятельности человека. Вредные отходы промышленности, транспорта отрицательно сказываются на живых организмах и загрязняют воздух, воду и почву. Все это, в свою очередь, действует на круговорот веществ и энергии в природе. Для того чтобы всесторонне, с научной точки зрения, изучить все вредные изменения в природе, необходимо знать закономерности жизни на всей планете. При изучении биологии в предшествующих классах вы познакомились с живыми организмами на всех уровнях их развития. Теперь вы познакомитесь с высшим уровнем организации жизни на Земле - биосферным.

Биосфера и ее границы. В настоящее время ученые в составе планеты различают следующие геологические оболочки: литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу. Биосфера охватывает оболочку, населенную живыми организмами. Живые организмы и окружающая их среда в биосфере тесно взаимосвязаны и зависимы друг от друга. В целом биосфера-это непрерывно меняющаяся, развивающаяся единая открытая система.

В последнее время согласно научным данным существует мнение, что биосфера возникла со времен появления планеты Земля. Ученые пришли к выводу, что жизнь на Земле появилась 3,8 млрд. лет назад. Это мнение впервые поддержал известный ученый, основатель учения о биосфере В. И. Вернадский (1863-1945).

Главную роль в возникновении биосферы на планете играют живые организмы, и все закономерности в природе осуществляются благодаря их деятельности. Совокупность всех живых организмов на Земле составляет биомассу планеты.

Жизнедеятельность живых организмов изменила и изменяет земную кору (литосферу), гидросферу, атмосферу. Нынешнее состояние биосферы напрямую связано с деятельностью живых организмов. Например, процентное соотношение газового состава атмосферы формировалось постепенно в результате жизнедеятельности организмов. Зеленые растения за миллиарды лет очистили атмосферу от углекислого газа, обогатили ее кислородом и способствовали отложению торфа, каменного угля. В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка, или сфера жизни - биосфера (греч. bios - "жизнь", spharia - "шар"). Впервые этот термин был введен в науку французским ученым Ж. Б. Ламарком в 1802 г.

По мере накопления научных данных о биосфере они стали широко использоваться в различных науках естествознания. Австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г. широко применил термин "биосфера" в геологии. Первые научные представления о биосфере встречаются и в трудах известного русского ученого В. В. Докучаева.

Основу учения о биосфере создал известный русский ученый В. И. Вернадский - основоположник новой науки биохимии, связывающей химию Земли с химией жизни, установил роль живых организмов (или живого вещества) в преобразовании земной поверхности. В настоящее время ученые всего мира полностью признают учение В. И. Вернадского о биосфере.

Выдающийся русский ученый. Основоположник биохимии, кристаллографии, минералогии и других наук. Заложил основу учения о биосфере. Основал теорию о главной роли живых организмов в биохимических процессах. Основатель учения о ноосфере.

Геосферы планеты Земля. Литосфера (греч. lithos - "камень") - внешняя твердая оболочка суши земного шара. Она состоит из верхнего слоя - осадочных пород с гранитом и нижнего - базальта. Слои расположены неравномерно. В некоторых областях верхний слой литосферы превратился в почвенный, образовавшийся в результате деятельности живых организмов и их остатков. Этот слой в научной литературе называется педосфера (греч. pedon - "почва"). В слое литосферы живые организмы встречаются на глубине 3500-7000 м в нефтяных водных слоях.

Океаны и моря составляют 70,1% земного шара. В совокупности их называют Мировым океаном, они и составляют гидросферу. Глубина океана в среднем - 3,8 км, а самые глубокие места достигают 10 960 м (Марианская впадина). Живые организмы во всех слоях гидросферы распределены неравномерно. Самой благоприятной средой для живых организмов считается водная поверхность глубиной до 200 м.

Атмосфера - воздушная оболочка Земли. Вверх до 100 км над Землей простирается атмосфера. Нижний слой атмосферы, ближе к Земле, называется тропосферой (греч. tropos - "перемена"), высота - 15 км. Над тропосферой слой до 100 км называетсястратосферой (лат. stratum - "слой"). На высоте 20-50 км атмосферы находится озоновый слой, защищающий живые организмы от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей (схема 10).

Схема 10

Озоновый слой имеет важнейшее значение для жизни на Земле. В последнее время много говорят о том, что под действием различных остатков химических веществ образовались дыры в озоновом слое. Озоновый слой защищает все живые организмы от космических излучений и ультрафиолетовых лучей Солнца. Биосфера состоит из нескольких слоев живых организмов, распространенных на планете Земля. Микроорганизмы, грибы, растения, животные (человек) в биосфере называются живыми организмами.

Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов (рис. 83).

Рис. 83. Пределы жизни в биосфере

Верхний предел жизни биосферы ограничивается интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей, а нижний - высокой температурой недр (свыше 100°С). В верхней границе биосферы распространены только низшие организмы - бактерии и грибы.

Масса живых организмов (популяций, видов, природных сообществ), выражающаяся соотношением единицы веса на единицу площади или объема, называется биомассой.

Наибольшая концентрация биомассы живых организмов наблюдается у поверхности суши и океана, у границ соприкосновения литосферы и атмосферы, гидросферы и атмосферы, литосферы и гидросферы. В этих местах наиболее благоприятные условия для жизни - температура, влажность, содержание кислорода и химические элементы. Самое широкое распространение живых организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал "пленками жизни". К верхним слоям атмосферы, в глубь океана и недр литосферы концентрация жизни уменьшается. Накопление биомассы непосредственно связано с жизнедеятельностью зеленых растений.

Химический состав всех живых организмов значительно отличается от химического состава атмосферы и литосферы. Химический состав живых организмов соответствует химическому составу гидросферы. В составе гидросферы чаще встречаются атомы водорода и кислорода. В составе живых организмов объем водорода, кислорода, углерода, кальция и азота значительно выше. В составе живых организмов встречается около 70 элементов таблицы Менделеева. По словам В. И. Вернадского, живые организмы составляют самую активную часть мировой материи. Живые организмы осуществляют сложные геохимические процессы в биосфере, подвергают различным изменениям слой земного шара.

Основным свойством живых организмов является способность к воспроизводству - размножение и рост, распространение и образование своей биомассы. Главная планетарная функция организмов - накопление солнечной энергии и использование ее в геохимических процессах биосферы.

В. И. Вернадский высоко оценил роль живых организмов в природе. "Живое вещество - совокупность организмов - распространяется по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде. Это движение осуществляется путем размножения организмов..." Уже К. Линней ясно видел, что это свойство должно считаться основным для живого, той непроходимой гранью, которая отделяет его от неживой материи.

Основную биомассу животных на суше составляют насекомые в результате их интенсивного размножения.

В водной среде микроорганизмы размножаются и распространяются очень быстро. Численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 мин. В результате жизнедеятельности микроорганизмов биосферы проходят процессы окисления и восстановления химических элементов. Например, можно назвать бактерии, накапливающие азот, серу, железо, марганец и др.

В результате деятельности микроорганизмов, грибов и других животных разлагаются органические остатки. Большую роль в достижении современного уровня кислорода в составе атмосферы играли зеленые растения. Озоновый слой в верхней части тропосферы также возник в результате деятельности живых организмов.

Живые организмы сыграли значительную роль в перемещении атомов с одного места на другое благодаря большому и малому круговоротам в биосфере. Благодаря круговороту веществ и энергии живых организмов биосфера способна к саморегуляции. По данным В. И. Вернадского, общая биомасса живых организмов определяется в 2,4232 1012 т (в виде сухого вещества). Из них 2,42 1012 т встречается на суше, а 0,0032 1012 - в Мировом океане. Основную часть биомассы на суше составляют растения, т. е. 99,2%, а 0,8% - животные (табл. 10).

В Мировом океане на долю животных приходится 93,7% биомассы, а остальные 6,3% биомассы - на долю растений. Общая биомасса всех живых организмов суши в 800 раз больше, чем биомасса организмов океана, около 90% биомассы суши составляют лесные массивы. По этим данным можно представить, насколько важны тропические леса планеты для человечества. В настоящее время интенсивность вырубки леса составляет 11 млн. га в год. Главная задача, стоящая перед человечеством, - это защита и сохранение тропических лесов для обеспечения устойчивого равновесия количества кислорода на нашей планете.

Биосфера. Литосфера. Педосфера. Гидросфера. Атмосфера. Биомасса. Тропосфера. Стратосфера. Озоновый слой.

1. Область распространения жизни на Земле - биосфера. В ее состав входят оболочки: литосфера, гидросфера, атмосфера.

2.Основоположником учения о биосфере является русский ученый В. И. Вернадский.

3.Жизнь в биосфере связана непосредственно с круговоротом веществ и энергии в живых организмах.

4.В атмосфере на высоте 20-50 км есть озоновый слой, защищающий живых организмов от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей Солнца.

1.Что означает понятие биосфера1

2.Из каких сфер состоит земной шар?

3.В каких местах биосферы больше всего сосредоточены живые организмы?

1.Дайте характеристику литосферы как геологического слоя.

2.Какие слои различают в атмосфере?

3.На какой высоте расположен озоновый слой и каково его значение для жизни?

1.Что означает понятие биомасса?

2.Дайте характеристику гидросферы как геологического слоя.

3.Дайте характеристику биомассы суши и Мирового океана.

Составьте характеристику оболочек биосферы и их особенностей в виде таблицы.

Что такое биомасса, каковы источники ее получения? Что подразумевается под данным термином? В первую очередь отметим, что ее можно считать

Источник энергии

Рассматривая вопрос о том, что такое биомасса, необходимо упомянуть о том, что речь идет обо всех материалах, имеющих растительное происхождение. Для выделения энергии подходят следующие материалы:

• трава;
• древесина;
• древесные и растительные отходы;
• навоз свиней и крупного рогатого скота.

Преимущества биомассы

Так что такое биомасса? Каковы ее преимущества по сравнению с традиционными видами полезных ископаемых? Данный источник энергии обеспечивает энергосбережение, повышает уровень жизни, повышает благосостояние, снижает уровень бедности.

Современные энергетические системы, которые создаются на основе применения зеленой массы, являются потенциальными механизмами избавления жителей сельской местности от бедности. Источники биомассы можно найти в любой деревне, селе. Они позволяют создавать не нанося ущерба экологическому состоянию местности.

Доступность топлива, получаемого из биомассы, способствует развитию энергоемких производств, расположенных вдали от крупных промышленных центров.

Рассуждая над тем, что такое биомасса, заметим, что это ресурс, позволяющий в любой момент получать необходимое количество энергоносителей (биогаза).

Среди недостатков применения травы в качестве источника топлива необходимо упомянуть сезонность, поэтому более выгодным будет использование подобной технологии в теплых регионах.

При рациональном использовании энергии биомассы можно рассчитывать на недорогую электрическую энергию без существенных затрат.

Вопрос является особенно актуальным по причине уменьшения запасов традиционных источников углеводородов.

Старшеклассникам, изучающим экономику, предлагается такой вопрос: «Определите значение терминов: «биомасса», «биотопливо». В качестве ответа подразумевается рассказ об основном компоненте - зеленой траве, торфе, опилках. Подтвердить эффективность применения биомассы в современной экономике можно с помощью математических вычислений.

Примеры расчетов

Можно оценить эффективность использования навоза для получения Учитывая вес крупного рогатого скота, количество навоза, выделяемого за сутки (месяц), объем газа, который можно получить из килограмма коровьего навоза, можно рассчитать общий выход топлива.

Умножив полученный результат на стоимость одного литра дизеля, можно получить денежный эквивалент. Для того чтобы расчеты были полноценными, вычитают все расходы, связанные с приобретением оборудования, а также его установкой и обслуживанием.

Для вычисления окупаемости проекта, его рентабельности потребуются более сложные математические действия.

Поиск альтернативных способов получения энергии является одной из приоритетных задач, поставленных перед отечественными энергетиками. Применение биомассы является одним из способов решения проблемы энергоресурсов.

Биомасса - термин, используемый для описания всего органического вещества, полученного путем фотосинтеза, существующего на поверхности Земли. Он включают в себя всю водную и наземную растительность и деревья, и все отходы живых организмов, такие как твердые бытовые отходы, вещества биологического происхождения (сточные воды), отходы лесного хозяйства, животноводства (навоз), сельскохозяйственные отходы и отдельные виды промышленных отходов. Мировые энергетические рынки полагаются в большой степени на ископаемые виды топлива. Биомасса - единственный энергетический ресурс естественного происхождения, содержащий углерод в количестве, достаточном, чтобы применяться в качестве их замены.

В отличие от ископаемого топлива, биомасса - возобновляемый источник энергии. Требуется относительно короткий период времени, чтобы восстановить энергетический ресурс. Биомасса также - единственный возобновляемый источник энергии, выделяющий углекислый газ при переработке. Однако это компенсируется тем, что биомасса была выращена с помощью поглощения углекислого газа из атмосферы в процессе фотосинтеза. Если ресурс биомассы используется устойчиво, то со временем в цикле переработки биомассы не происходит увеличение выброса углерода.

Способы переработки биомассы

Биомасса может быть конвертирована в тепловую энергию, жидкое, твердое или газообразное топливо и другие химические продукты с помощью различных процессов переработки. Сегодня значительная часть электроэнергии из биомассы вырабатывается путем прямого сжигания. При развитии технологий повышение эффективности будет достигаться за счет сжигания смеси биомассы и угля в котлах и внедрения высокоэффективной газификации, систем комбинированного цикла, систем топливных элементов, а также модульных систем.

Известные биоэнергетические технологии: непосредственное сжигание, совместное сжигание, газификация, пиролиз, анаэробное брожение и ферментация.

1. Прямое сжигание

Это, пожалуй, самый простой способ получения энергии из биомассы. Промышленные объекты способны сжечь много видов топлива на основе биомассы, в том числе дрова, сельскохозяйственные отходы, древесную целлюлозу, твердые бытовые отходы. При сжигании в котлах производится пар, который вращает турбину. Последняя приводит во вращение ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию. Из-за потенциального накопления золы, которая засоряет котел, снижая его эффективность и увеличивая затраты, только определенные типы материалов биомассы используются для прямого сжигания.

2. Газификация

Газификация - процесс, воздействия на твердое топливо высокой температуры при ограниченном доступе кислорода для получения газообразного топлива. Таким способом получается смесь газов, таких как окись углерода, углекислый газ, азот, водород и метан. После газ используется для привода газовой турбины. Газификация имеет ряд преимуществ над сжиганием твердого топлива. Важный плюс технологии - один из получаемых газов - метан. Он может быть обработан так же, как природный газ, и использоваться для тех же целей.

Преимущество заключается в том, что при газификации производится топливо без примесей. Следовательно, его сжигание вызывает меньше проблем загрязнения. При определенных условиях можно производить синтез-газ - смесь угарного газа и водорода, который может являться сырьем для производства углеводород (например, метана и метанола) для замены ископаемых видов топлива. Сам водород также потенциальное экологически чистое топливо, которое предположительно может заменить нефть и нефтепродукты в обозримом будущем.

3. Пиролиз

В своей простейшей форме пиролиз представляет собой нагревание биомассы с отводом летучих веществ, в результате чего образуется древесный уголь. Этот процесс преобразует исходный материал в более энергоемкий, так как древесный уголь весит в два раза меньше исходной биомассы, но содержит такое же количество энергии, что делает топливо более транспортабельным. Уголь также горит при значительно более высокой температуре, чем исходная биомасса. Это делает его более полезным для производственных процессов. Более сложные методы пиролиза разработаны недавно для сбора летучих веществ, которые в противном случае теряются в системе. Собранные летучие вещества производят газ, который богат водородом и окисью углерода. Эти соединения синтезируются в метан, метанол и другие углеводороды.

Быстрый пиролиз используется для производства бионефти - горючего топлива. Тепло используется для химического преобразования биомассы в синтетическую нефть, которую легче хранить и транспортировать, чем твердые материалы биомассы. Затем ее сжигают для производства электричества. Пиролиз может также преобразовывать биомассу в феноловое масло - химическое вещество, используемое для изготовления древесных клеев, литьевых пластмасс и изоляционной пены.

4. Анаэробное брожение

Анаэробное брожение биомассы осуществляется за счет анаэробных бактерий. Эти микроорганизмы обычно живут на дне болот или в других местах, где нет воздуха, потребляя мертвое органическое вещество с образованием метана и водорода. Мы можем использовать эти бактерии для работы на нас. Подавая органические вещества, такие как навоз животных или сточные воды, в резервуары, называемые варочными, и добавляя туда бактерий, мы можем собирать выделившейся газ, чтобы использовать его в качестве источника энергии. Этот процесс - очень эффективное средство извлечения полезной электроэнергии из биомассы. Как правило, до двух третей энергии топлива из навоза животных можно восстановить.

Другой способ связан со сбором метана из мусорных свалок. Большая часть бытовых отходов биомассы, таких как пищевые отходы или обрезки травы, собираются на местных свалках. В течение нескольких десятилетий анаэробные бактерии в нижних слоях таких свалок разлагают органическое вещество, выделяя метан. Газ может быть извлечен и использован путем установки верхнего упора из непроницаемого слоя глины и установки перфорированных труб, которые будут собирать газ и выводить его на поверхность.

5. Ферментация

На протяжении многих веков люди использовали дрожжи и другие микроорганизмы для ферментации сахара различных растений в этиловый спирт. Производство топлива из биомассы путем ферментации - это лишь продолжение этого процесса. При этом есть возможность использования более широкого спектра растительного материала от сахарного тростника до древесного волокна. Например, отходы от помола пшеницы на мельницах в Новом Южном Уэльсе применяются для производства этанола путем ферментации. Этанол затем смешивается с дизельным топливом для производства топлива, используемого для заправки грузовых автомобилей и автобусов в Австралии.

Технический прогресс неизбежно улучшит этот метод. Например, ученые в Австралии и США заменили дрожжи генетически сконструированными бактериями в процессе ферментации. Эффективность процесса значительно повысилась. Теперь можно перерабатывать отходы бумаги и другие формы древесного волокна в этанол.

Биомасса превращается в топливо, такое как этанол, метанол, биодизель и добавки для риформинга бензинов. Биотопливо используются в чистом виде или в смеси с бензином.

Этанол - наиболее широко используемое биотопливо. Производится путем ферментации биомассы в процессе, подобном пивоварению.

Сегодня большая часть этанола производится из кукурузы. Он смешивается с бензином для увеличения эффективности транспортного средства и уменьшения загрязнения воздуха.

Метанол из биомассы производится путем газификации. Биомасса превращается в синтез-газ, который перерабатывается в метанол. Большая часть метанола производится из природного газа и используется в качестве растворителя, антифриза или для синтеза других химических веществ. Около 38 процентов используется для транспортировки в виде смеси или в риформинге бензинов.

Биодизельное топливо состоит из масел и жиров, которые содержатся в микроводорослях и других растениях. Им заменяют дизельное топливо или разбавляют его.

• < Назад
• Вперёд >

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.

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.