Биомасса

• Биомасса биосферы составляет 0,1 % массы земной коры и оценивается примерно в 2,4 10¹² т ; биомасса суши – 99,87% , Мирового океана – 0,13%( это связано с меньшей эффективностью фотосинтеза в воде , чем на суше – использование лучистой энергии Солнца в океане равно 0,04% , на суше – 0,1% )

Биомасса суши

• Континентальная часть биосферы – суша занимает 29% ( 148 млн км² )

• Неоднородность суши выражается наличием широтной зональности и высотной зональностью

• Широтная зональность – определяется количеством получаемой солнечной энергии , СО₂ , минеральных веществ , соотношением величины получаемого тепла и влаги ( в разных зонах эти соотношения различны , что положено в основу выделения 20 главных типов природных ландшафтов : зоны тундры , тайги , смешанных лесов и т. д )

• Высотная зональность – определяется высотой местообитания над уровнем моря ( хлорофиллоносные растения не могут жить выше 6000 м , что определяется недостатком жидкой воды , низким содержанием СО₂ и низкой температурой )

• Уровень развития живого вещества выражается двумя показателями : биомассой и продукцией

Биомасса ( Б ) – количество живого вещества , приходящееся на единицу площади или объёма ( г\м² , кг\га и т. п. )

Продукция ( П ) – прирост биомассы на единице пространства за единицу времени ( напр., г\м² в сутки )

• Показателем скорости воспроизведения биомассы является отношение продукции к биомассе ( П\Б –коэффициент )

• В биомассе суши преобладают растения ( 99% ) , животные и микроорганизмы составляют 1% ; основная биомасса живого вещества планеты сосредоточена в зелёных растениях суши

• Количество образованной растениями первичной продукции за год составляет около 75% всей продукции биосферы

• Скорость воспроизведения биомассы растениями суши ( в основном деревьями ) низка ( ежегодно в процессе фотосинтеза продуцируется 150 –200млрд т сухого органического вещества

• Биомасса суши и видовое разнообразие закономерно и постепенно увеличивается от полюсов к экватору ; максимальное сгущение , многообразие растений и продуктивность – во влажных тропических лесах ( П около 3кг\м² ) ; видовое богатство животных и микроорганизмов и их биомасса зависит от растительной массы и тоже увеличивается к экватору , что связано с повышением оптимальности абиотических факторов ( соответственно , в субтропиках – П 2,5 кг\м² , лесах умеренной зоны – 1кг\м² , минимальные значения наблюдаются в зоне ледяных пустынь , тундры и пустынях – до 0, 1 кг\м² в год ) ; наиболее продуктивны экосистемы тропических лесов , затем следуют обрабатываемые земли , степи и луга , пустыни и полярные зоны

Биомасса почвы

• Почва – смесь разложившихся органических и выветренных минеральных веществ ; минеральный состав почвы включает кремнезём ( до 50% ) , глинозём ( до 25% ) , оксид железа , магния , калия , фосфора , кальция ( до 10% ) ; органические вещества поступают с растительным опадом , содержат углеводы , белки , жиры , конечные продукты обмена растений – смолы , воска , дубильные вещества ( органические вещества в почве минерализуются или превращаются в более сложные соединения – гумус

• Мощность почвенного слоя зависит от биомассы находящихся на ней растений и коррелирует с последней

• Почва , как среда жизни , имеет большую плотность , малую амплитуду колебаний температуры , непрозрачна , бедна кислородом , содержит воду с растворёнными минеральными веществами ,

• Живые организмы почвы представлены корнями растений , бактериями ( 500 т\га ) , грибами , зелёными и сине-зелёными водорослями , простейшими ( амёбами , жгутиконосцами , инфузориями ) , животными ( в основном беспозвоночными и их личинками : черви , муравьи , термиты , клещи и т.д.) : все обитатели почвы образуют своеобразный биоценоз

• Все обитатели почвы производят большую почвообразовательную работу ( структурирование , рыхление , аэрация ) , участвуют в создании плодородия почвы и общем круговороте веществ в биосфере

• Биомасса почвы коррелирует с биомассой наземных растений , зависит от оптимальности абиотических факторов среды и закономерно увеличивается от полюсов к экватору

• Почва плотно заселена организмами ; биомасса одних только дождевых червей в суглинках достигает 2,5 млн особей на 1 га , или 1,2 т на 1 га ; бактерии – 500 т а 1 га и т. д.

Биомасса Мирового океана

• Площадь Мирового океана ( гидросфера Земли ) занимает 72,2% всей поверхности Земли

• Вода обладает особыми свойствами , важными для жизни организмов – высокую теплоёмкость и теплопроводность , относительно равномерную температуру , значительную плотность , вязкость и подвижность , способность растворять химические вещества ( около 60 элементов ) и газы (О₂, СО₂ ) прозрачность , поверхностное натяжение , солёность , рН среды и т. д. ( химический состав и физические свойства вод океана относительно постоянны и создают благоприятные условия для развития разных форм жизни )

• В биомассе организмов Мирового океана преобладают животные ( 94% ) ; растения соответственно – 6% ; биомасса Мирового океана в 1000 раз меньше , чем на суше ( водные автотрофы имеют большую величину П\Б , поскольку обладают огромной скоростью генерации – размножения - продуцентов )

• На долю растений океана приходится до 25% первичной продукции фотосинтеза на всей планете ( свет проникает до глубины 100 –200 м ; поверхность океана в этой толще вся заполнена микроскопическими водорослями – зелёными , диатомовыми , бурыми , красными , сине-зелёными - главными продуцентами океана ) ; многие водоросли имеют огромные размеры : зелёные – до 50 – 100 м ; бурые ( фукусы , ламинарии ) – до 100 –150 м ; красные ( порфира , корралина ) – до 200 м ; бурая водоросль макроцистис – до 300 м

• Биомасса и видовое разнообразие океана закономерно уменьшается с глубиной , что связано с ухудшением физических условий существования , прежде всего для растений ( уменьшение количества света , понижением температуры , количества О₂ и СО₂ )

• Имеет место вертикальная зональность распределения живых организмов

• Выделяются три экологические области : прибрежная зона – литораль ,толща воды – пелагиаль и дно – бенталь ; прибрежная часть океана до глубины 200 – 500 м составляют материковую отмель ( шельф ) ; именно здесь условия жизни оптимальны для морских организмов , поэтому здесь наблюдается максимальное видовое разнообразие фауны и флоры , здесь сконцентрировано 80% всей биологической продукции океана

• Наряду с вертикальной зональностью наблюдается и закономерные горизонтальные изменения видового многообразия морских организмов , так , например , разнообразие видов водорослей увеличивается от полюсов к экватору

• В океане наблюдаются сгущения организмов : планктонное , прибрежное , донное , колонии кораллов , образующих рифы

• Взвешенные в воде одноклеточные водоросли и мельчайшие животные образуют планктон ( автотрофный фитопланктон и гетеротрофный зоопланктон ) , прикреплённых и сидячих обитателей дна называют бентосом ( кораллы , водоросли , губки , мшанки , асцидии , кольчецы-полихеты , ракообразные , моллюски , иглокожие ; у дна плавают камбала , скаты )

• В водной массе организмы могут передвигаться либо активно – нектон ( рыбы , китообразные , тюлени , морские черепахи , морские змеи , моллюски , кальмары , осьминоги , медузы ) , либо пассивно – планктон , имеющий главное значение в питании животных океана )

• Плейстон – совокупность организмов , плавающих на поверхности воды ( некоторые медузы )

• Нейстон – организмы , прикрепляющиеся к поверхностной плёнке воды сверху и снизу (одноклеточные животные )

• Гипонейстон – организмы , живущие непосредственно под поверхностью воды ( личинки кефали , хамсы , веслоногие рачки , саргассовый кораблик и др. )

• Максимальая биомасса океана наблюдается на континентальном шельфе , около берегов , островов на коралловых рифах , в районах поднятия глубинных холодных вод , богатых накопленными биогенными элементами

• Бенталь характеризуется полной темнотой , огромным давлением , низкой температурой , недостатком пищевых ресурсов , низким содержанием О₂ ; это вызывает своеобразные адаптации глубоководных организмов ( свечение , отсутствие зрения , развитие жировой ткани в плавательном пузыре и т.д. )

• Во всей толще воды и особенно на дне распространены бактерии , минерализующие органические остатки ( детрит ) ; органический детрит заключает в себе огромный запас пищи , которую потребляют обитатели дна : черви , моллюски , губки , бактерии , протисты

• Отмершие организмы осаждаются на дно океана , образуя осадочные породы ( многие из них покрыты кремневыми или известковыми оболочками , из которых впоследствии образуются известняки и мел )

Поток энергии и круговорот веществ в биосфере

• Биосфера является открытой системой , способной существовать только при условии непрерывного поступления из окружающей неорганической среды материи ( веществ ) и энергии

• Важнейшей чертой биосферы , определяющей её существование и устойчивость является наличие биотических круговоротов веществ ( положение о круговороте биогенных элементов – основной закон геохимии биосферы )

Биологический ( биотический , биогенный , биогеохимический цикл ) круговорот веществ

Биотический круговорот веществ – непрерывное , планетарное , относительно циклическое , неравномерное во времени и пространстве закономерное распределение веществ и информации в биосфере

• Общий (глобальный ) круговорот веществ складывается из отдельных круговоротов химических элементов , воды , газов и др. веществ и характерен для всех геосфер

• С появлением биосферы общий круговорот веществ происходит с обязательным участием живого вещества , а в последний период – и человека

• Большой биотический биосферный круговорот веществ состоит из огромного количества малых биотических круговоротов в пределах экосистем более низкого уровня ( биогеоценотических )

• В самом общем виде круговорот веществ ( биогенных элементов ) в биосфере происходит следующим образом

• Неорганические ( минеральные ) вещества : минеральные соли , СО₂ , Н₂О в процессе фотосинтеза и хемосинтеза трансформируются продуцентами-автотрофами в органические соединения ( низкомолекулярные : глюкозу , аминокислоты , спирты , жирные кислоты , нуклетиды и т . д. , а потом и высокомолекулярные биополимеры : белки, полисахариды, липиды, нуклеиновые кислоты ) – основу питания гетеротрофов

• Органические вещества переходят в процессе питания и усвоения пищи по трофическим уровням пищевых цепей и пищевым сетям консументов , многократно участвуя в процессах жизнедеятельности и создания вторичной органической продукции гетеротрофов

• После смерти продуцентов и консументов разложение ( деструкция ) органических остатков осуществляется за счёт жизнедеятельности редуцентов-сапрофитов ( детритофагов ) : в основном гнилостных бактерий , плесневых грибов , некоторых животных ; в процессе деструкции происходит минерализация органических остатков до СО₂ , Н₂О , аммиака и др. неорганических веществ

• Продукты минерализации вновь используются первичными продуцентами-автотрофами , начинающими новый биогеохимический цикл

• Количество изъятых из биосферы для образования первичной продукции минеральных веществ компенсируется количеством неорганических веществ , образующихся в процессе деструкции органических остатков , что обеспечивает относительную сбалансированность круговорота веществ и стабильность существования биосферы ( это приводит к тому , что количество биомассы живого вещества относительно постоянно )

• Круговорот веществ биосферы не является полностью замкнутым , т. е. сбалансированным , его цикличность относительна

• Часть органического вещества , попадающего в условия , неблагоприятные для деятельности деструкторов , не минерализуются , а аккумулируются и депонируются в составе осадочных пород литосферы ( так образуются биогенные полезные ископаемые : каменный уголь, нефть, газ , известняки и др. , а также весь верхний слой литосферы )

• Органогенные элементы осадочных пород в этом случае изымаются на неопределённое время из общего и биологического круговорота , являясь его своеобразным резервом ( включение депонированных элементов в круговорот происходит при метаморфичесих изменениях осадочных пород , а в последний период истории благодаря хозяйственной деятельности человека , активно разрабатывающего и использующего осадочные геологические породы ( полезные ископаемые ) ; атмосфера , океан и осадочные породы – долговременные резервуары биогенных элементов

• Биологический круговорот характеризуется следующими показателями

1 . Ёмкость биологического круговорота – количество химических элементов , находящихся одновременно в составе живого вещества

2. Скорость биологического круговорота – количество живого вещества , образующегося и разлагающегося в единицу времени

• Скорость биологических круговоротов на суше составляет годы и десятки лет , а в водных экосистемах – несколько дней или недель

• Различают круговороты газового типа с резервуаром неорганических соединений в атмосфере или океанах (N₂ , О₂ , СО₂ , Н₂О ) и круговороты осадочного типа с резервуарами в земной коре ( Са , Fe , Р , S , Mn , Si и др. )

• Следствием биотического круговорота биосферы является выполнение живым веществом геохимических функций : газовой , концентрационной , окислительно-восстановительной , биохимической

Биогенная миграция атомов ( закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского )

Закон биогенной миграции атомов – химические элементы литосферы ( земной поверхности ) и биосферы непрерывно мигрируют при участии живого вещества с использованием солнечной энергии , образуя более или менее замкнутые циклы ( биогеохимические круговороты )

• Закон утверждает биогенное происхождение всей земной поверхности , почвы , природных вод и приземной атмосферы , т. е. живое вещество – самая мощная геологическая и геохимическая сила , действующая на Земле и преобразующая её сферы

• За всё время существования биосферы атомы большинства элементов , входящих в её состав , многократно прошли через тела живых организмов , образовали залежи биогенных осадочных пород

• Для биогенной миграции свойственно накопление ( концентрация ) химических элементов в организмах и высвобождение их в результате минерализации отмершей биомассы ( детрита )