Биологический круговорот. Каждая группа организмов играет в биосфере определенную роль. Растения - посредники между Солнцем и Землей. С помощью фотосинтеза под действием солнечного света они создают первичные органические вещества.
Следовательно, растения - это организмы-производители. Животные питаются растениями или другими животными, т. е. готовыми органическими веществами; это организмы-потребители. Поедая органические вещества, животные перемещают их по земной поверхности. Попутно они разносят споры, семена и тем самым способствуют расселению растений и грибов.
Грибы и бактерии разлагают остатки отмерших организмов. Они превращают органические вещества в неорганические, которые вновь потребляются растениями. Таким образом, бактерии и грибы - это организмы-разрушители. При разложении органических веществ выделяется тепло, т. е. энергия, которая была когда-то поглощена от Солнца растениями. Если бы исчезли организмы-разрушители, была бы отравлена биосфера, так как многие продукты распада органических веществ ядовиты.
Таким образом, живые организмы переносят вещество и энергию из одних частей биосферы в другие. Такой перенос веществ и энергии образует биологический круговорот (рис. 157). Как и круговорот воды, он связывает в единое целое все части природы. Нарушение биологического круговорота человеком грозит катастрофическими последствиями.
Рис. 157. Схема биологического круговорота на примере широколиственного леса
Биосфера и жизнь Земли. Роль живых организмов как могучей природной силы долго недооценивалась. Это объясняется тем, что по сравнению с другими оболочками масса живого вещества кажется ничтожной. Если земную кору представить в виде каменной чаши весом 13 кг, то вся гидросфера, помещенная в эту чашу, весила бы 1 кг, атмосфера соответствовала бы весу медной монеты, а живое вещество - весу почтовой марки.
Однако миллиарды лет из поколения в поколение живые организмы перерабатывали вещество земных оболочек. Общее количество преобразованного ими вещества во много раз превысило массу самих организмов. Взаимодействие живых существ друг с другом и с неживыми телами формирует единый «организм» природы (рис. 158).
Рис. 158. Значение биосферы
Проанализируйте рисунок. Расскажите о связи биосферы с другими оболочками Земли.
Учение о биосфере как особой оболочке, населенной живыми организмами и изменяющейся под их влиянием, разработано гениальным русским ученым В. И. Вернадским. Именно он показал, что биосфера очень активная оболочка. Совокупная деятельность живых организмов, в том числе человека, формирует и преобразует географическую среду.
Распределение живого вещества в биосфере. Жизнь размещается в биосфере очень неравномерно. Основная часть живых организмов сосредоточена на границах соприкосновения воздуха, воды и горных пород. Поэтому более густо заселена поверхность суши и верхние слои вод морей и океанов. Это связано с тем, что здесь наиболее благоприятные условия: много кислорода, влаги, света, питательных веществ. Толщина наиболее насыщенного организмами слоя всего несколько десятков метров. Чем дальше вверх и вниз от него, тем разреженнее и однообразнее жизнь. Самое большое сгущение жизни отмечается в почве - особом природном теле биосферы.
Рис. 159. Масса живых организмов на суше и в океане
Живое вещество распределяется неравномерно не только по вертикали, но и по площади. Большинство организмов сосредоточено на суше. Их масса в 750 раз больше массы обитателей гидросферы (рис. 159). По количеству живого вещества на единицу площади океан близок к континентальным пустыням.
Вопросы и задания
- Расскажите о роли в природе каждой группы живых организмов: растений, животных, бактерий, грибов.
- Какую роль в природе играет биологический круговорот?
- Равномерно ли распределены организмы в биосфере?
- Какие участки биосферы заселены живыми организмами наиболее густо?
Круговороты в природе и переход энергии из одного состояния в другое - естественный процесс. Этот процесс идет со времен формирования географической оболочки в течение сотен миллионов лет и будет продолжаться. Время влияния человеческой деятельности на естественные круговороты весьма кратко, мгновение по сравнению со временем формирования и существования земных сфер. Но, несмотря на это, быстро усиливающееся влияние человека на современном этапе приобретает глобальные масштабы.
Сегодня хозяйственная деятельность человека оказывает влияние на круговорот горных пород, ускоряя денудационные процессы. Распашка полей, орошение, обводнение, осушение и другие пути разрушения почвенного покрова увеличивают речные наносы, вынос минеральных частиц с поверхности суши текучими водами и ветрами. В результате увеличивается интенсивность осадконакоп-ления в океанах и морях, в озерах и во впадинах земной поверхности. Кроме того, гражданское и промышленное строительство, строительство каналов, водохранилищ, ГЭС, дорог, разработка месторождений полезных ископаемых и другие работы постепенно изменяют рельеф местности.
Разработка топливно-энергетических ресурсов и их сжигание приводят к изменениям в природной среде и вносят свою лепту в денудацию рельефа.
Влияние человека на атмосферную циркуляцию вызывает изменения климата Земли. В современных условиях есть три пути изменения глобального климата в результате хозяйственной деятельности человека:
увеличение концентрации углекислого газа в составе атмосферы;
увеличение в атмосфере количества свободной энергии;
увеличение концентрации атмосферных аэрозолей.
Сжигание во всевозрастающих объемах каменного угля, нефти и газа увеличивает концентрацию атмосферной углекислоты, что может привести к значительным изменениям климата нашей пла-неты. Углекислый газ (С02) обладает свойством свободно пропускать коротковолновую радиацию и препятствовать длинноволновой. Поэтому, беспрепятственно пропуская солнечную радиацию, он препятствует отраженному от Земли длинноволновому излучению. Создается "эффект парника". В результате в приземном слое атмосферы создается избыток тепла, и это может способствовать изменению климата.
Второй путь изменения климата также связан с хозяйственной деятельностью человека. Известно, что современное производство потребляет значительное количество искусственно выработанной энергии. Темпы выработки энергии постоянно растут, так как растут потребности в ее использовании. Эта энергия также может привести к "нагреванию" приземного слоя атмосферы. Нагревание атмосферы дополнительной энергией в совокупности с солнечной энергией может изменить климат планеты.
Искусственное накопление аэрозолей может иметь двоякое влияние на состояние климата. В результате хозяйственной деятельности человека концентрация атмосферных аэрозолей неуклонно растет. Аэрозольные частицы задерживают свободное проникновение солнечной радиации любой длины волны. Таким образом, увеличение аэрозолей в атмосфере может препятствовать солнечным лучам, и, недополучая энергию, климат земной поверхности рискует измениться в сторону похолодания. С другой стороны, препятствуя уходящему от Земли длинноволновому излучению, искусственные аэрозоли могут способствовать потеплению климата.
Основные виды влияния человека на круговорот воды в природе - это ежегодное увеличение потребления воды, в том числе безвозвратное водопотребление, регулирование режима стока рек в желаемом направлении, строительство водохранилищ и нарушение естественного режима увлажнения территорий в связи с ведением сельского хозяйства. В результате такой деятельности человека в одних регионах появляются цветущие оазисы, в других -возникают экологические катастрофы. Например, нынешнее положение Арала и Приаралья непосредственно связано с деятельностью человека. Арал - наглядный пример того, как хозяйственная деятельность человека приводит к нарушению водного баланса.
Человек пока еще не вносил изменения в циркуляцию океанических вод. Но при нынешнем уровне науки и техники он вполне может внести изменения и в этот процесс. Например, давно существуют проекты изменения климатических условий побережий Северного Ледовитого океана, тем самым имеется возможность по-* влиять на ледовый режим прибрежных морей, чтобы удлинить сроки навигации Северного морского пути. Данный вопрос поднимается и научно-популярной литературой. Суть проекта такова: на Беринговом проливе построить плотину, соединяющую берега Азии и Америки, и выкачивать воду Северного Ледовитого океана в Тихий океан. Через определенное время теплое течение Гольфстрима продолжит свой путь дальше обычного - к берегам России. И климат северных побережий России станет таким же, как на побережье Норвегии. Человечеству уже в настоящее время под силу осуществление подобных проектов, но к чему это может привести, трудно предугадать.
Среди естественных круговоротов наибольшее влияние человека испытывают биологический круговорот и миграции химических элементов. На биологический круговорот человек оказывает влияние, сжигая на огромных территориях лесные массивы и саванны, распахивая степи и прерии.
Углекислый газ (С02) антропогенного происхождения выбрасывается в атмосферу при сжигании энергоносителей на металлургических предприятиях, в химической промышленности и т.д. Соотношение естественной выработки углекислого газа и выбросов антропогенного происхождения составляет 1:200. Причем правая часть этого соотношения постоянно растет.
Основной "потребитель" углекислого газа - фотосинтез. Сжигание органического топлива, вырубка лесов, лесные пожары сокращают естественное "потребление" этого газа в процессе фотосинтеза и увеличивают его концентрацию в свободной атмосфере.
В результате фотосинтеза ежегодно вырабатывается огромное количество кислорода (02), обеспечивается устойчивый баланс этого газа в природе и возможность свободно дышать для всех живых организмов. Хозяйственная деятельность человека оказывает вли-яниена круговорот кислорода, уменьшает в основном его природные запасы. Процесс горения, уменьшение площади лесов, загрязнение поверхности Мирового океана и другие процессы, связанные с человеческой деятельностью, сокращают объем атмосферного кислорода.
Хозяйственная деятельность человека оказывает влияние и на круговорот азота (N) в природе. Этот газ в больших количествах вырабатывают промышленным путем. На его основе производят азотсодержащие удобрения. Внося эти удобрения в почву и рассеивая их над полями, люди заметно изменяют естественный круговорот азота. Интенсивное применение азотных удобрений привело к появлению проблемы нитратов, загрязняющих пищевые продукты. Верхняя граница нормы нитратов на одного человека в день, установленная Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), равна 325 мг. При использовании экологически чистых продуктов человек в сутки без ущерба для здоровья потребляет примерно 100-200 мг нитратов, причем 60-70% - с овощами. В зерне, яго-дах, фруктах, мясе, рыбе нитратов содержится мало.
Если же продукция выращена на "переудобренных" нитратами почвах, то мы можем получить их дозу, превышающую норму в 2-5 раз. Причем "залповым", разовым образом. Это уже опасно, так как в организме избыточные нитраты не успевают расходоваться. Именно нитраты представляют угрозу здоровью, так как, всасываясь в кровь, они дезактивизируют дыхательные ферменты, что приводит к понижению в крови содержания гемоглобина и нарушению ее транспортной функции.
Огромное влияние человеческая деятельность оказывает на миграцию химических элементов в природе. В настоящее время большая часть открытых на планете химических элементов в той или иной степени в связи с деятельностью человека рассеивается в природе или концентрируется в отдельных точках, районах Земли. И то, и другое оказывает негативное влияние на нашу окружающую среду, и этот процесс набирает силу.
За счет каких источников энергии существуют живые организмы?
Живые организмы автотрофы существуют за счет солнечной энергии. Гетеротрофы существуют за счет энергии заключенной в органических веществах.
Что такое фотосинтез?
Фотосинтез - образование живыми растительными клетками органических веществ, таких, как сахара и крахмал, из неорганических - из СО2 и воды - с помощью энергии света, поглощаемого пигментами растений.
Проанализируйте рисунок. Расскажите о связи биосферы с другими оболочками Земли.
Биосфера связана с другими оболочками Земли, поскольку живые организмы воздействуют на них. Растения и животные обеспечивают человека продуктами питания. Образуя кислород, растения поддерживают газовый состав атмосферы. Живые организмы влияют на рельеф и придают разнообразие ландшафтам. Из отмерших живых организмов образованы многие осадочные горные породы (угли, нефть, мел). Живые организмы могут и разрушать горные породы, осуществляя биологическое выветривание.
Вопросы и задания
1. Расскажите о роли в природе каждой группы живых организмов: растений, животных, бактерий, грибов.
С помощью фотосинтеза под действием солнечного света растения создают первичные органические вещества. Следовательно, растения - это организмы-производители. Животные питаются растениями или другими животными, т. е. готовыми органическими веществами; это организмы-потребители. Поедая органические вещества, животные перемещают их по земной поверхности. Попутно они разносят споры, семена и тем самым способствуют расселению растений и грибов. Грибы и бактерии разлагают остатки отмерших организмов. Они превращают органические вещества в неорганические, которые вновь потребляются растениями. Таким образом, бактерии и грибы - это организмы-разрушители. При разложении органических веществ выделяется тепло, т. е. энергия, которая была когда-то поглощена от Солнца растениями.
2. Какую роль в природе играет биологический круговорот?
Как и круговорот воды, он связывает в единое целое все части природы.
3. Оказывает ли биосфера влияние на атмосферу, гидросферу, литосферу? Подтвердите это примерами.
Живые организмы влияют на все оболочки земли. При дыхании живых организмов образуется углекислый газ и поглощается кислород. Растения при фотосинтезе образуют кислород. Таким образом, живые организмы влияют на газовый состав атмосферы. За счет живых организмов сформированы многие осадочные горные породы. Они участвуют в биологическом выветривании. Так оказывается влияние на литосферу. Многие организмы способствуют самоочищению водоемов. От живых организмов зависит насыщенность воды кислородом.
4. Равномерно ли распределены организмы в биосфере?
Живые организмы распределены в биосфере неравномерно.
5. Какие участки биосферы заселены живыми организмами наиболее густо?
Основная часть живых организмов сосредоточена на границах соприкосновения воздуха, воды и горных пород. Поэтому более густо заселена поверхность суши и верхние слои вод морей и океанов. Это связано с тем, что здесь наиболее благоприятные условия: много кислорода, влаги, света, питательных веществ.
6. Как распределено живое вещество между сушей и океаном?
Большинство организмов сосредоточено на суше. Их масса в 750 раз больше массы обитателей гидросферы.
В наши дни растения и животные преобразуют природную среду. Примером тому могут служить коралловые рифы в океане, отложения торфа на болотах, распространение лишайников, расселение водорослей, разрушающих горы, и микроорганизмов. В биологическом круговороте участвуют практически все химические элементы периодической системы Д. И. Менделеева, но среди них выделяются основные, жизненно необходимые.
Углерод. Источники углерода в природе столь же многочисленны, сколь и разнообразны. Между тем только углекислота, находящаяся либо в газообразном состоянии в атмосфере, либо в растворенном состоянии в воде, представляет собой тот источник углерода, который служит основой для переработки его в органическое вещество живых существ. Захваченная растениями углекислота в процессе фотосинтеза превращается в сахар, а другими процессами биосинтеза преобразуется в протеиды, липиды и т. д. Эти различные вещества служат углеводным питанием животным и не зеленым растениям. С другой стороны, все организмы дышат и выбрасывают в атмосферу углерод в форме углекислоты. Когда же наступает смерть, то сапрофаги разлагают и минерализуют трупы, образуя цепи питания, в конце которых углерод нередко вновь поступает в круговорот в форме углекислоты (так называемое «почвенное дыхание»). Накапливающиеся мертвые растительные и животные остатки замедляют круговорот углерода: животные-сапрофаги и сапрофитические микроорганизмы, обитающие в почве, превращают накопившиеся на ее поверхности остатки в гумус. Скорость воздействия организмов на гумус далеко не одинакова, а цепи грибов и бактерий, приводящие к окончательной минерализации углерода, бывают различной длины. Как правило, гумус разлагается быстро.
Иногда цепь может быть короткой и неполной. В этом случае цепь консументов лишается возможности действовать из-за недостатка воздуха или слишком высокой кислотности, в результате чего органические остатки накапливаются в форме торфа и образуют торфяные болота. В некоторых торфяных болотах с пышным покровом из сфагновых мхов слой торфа достигает 20 м и более. Здесь круговорот и приостанавливается. Скопления ископаемых органических соединений в виде и нефти свидетельствуют о том, что круговорот замедлился в масштабах геологического времени.
В воде также происходит замедление круговорота углерода, поскольку углекислота здесь накапливается в виде мела, известняка, доломита или кораллов. Часто эти массы углерода остаются вне круговорота в течение целых геологических периодов, пока они не поднимутся над уровнем моря. С этого момента в результате растворения известняка и или под воздействием лишайников, а также корней цветковых растений начинается включение углерода и кальция в круговорот.
АЗОТ. Круговорот азота довольно сложен. содержит 78% азота, однако, для того чтобы он мог быть использован подавляющим большинством живых организмов, он должен быть зафиксирован в виде определенных химических соединений. Фиксация азота происходит в процессе вулканической деятельности, при грозовых разрядах в атмосфере, при сгорании метеоритов. Однако несравненно большее значение в процессе фиксации азота имеют микроорганизмы как свободно живущие, так и обитающие на корнях, а иногда и на листьях некоторых растений. Из свободно живущих бактерий азот фиксируют аэробные организмы (т. е. обитающие при доступе кислорода), а также анаэробные (т. е. обитающие без доступа кислорода). Количество азота, фиксируемого такими свободно живущими бактериями, составляет от 2 — 3 кг до 5 - 6 кг на 1 га в год. Определенную роль в фиксации азота играют, видимо, обитающие в почве сине-зеленые водоросли.
Поступая в почву с продуктами обмена веществ и остатками растений и животных, органические вещества разлагаются до минеральных, при этом бактерии переводят азот органических веществ в соли аммония.
Способность азота в широких пределах менять валентность определяет его специфическую роль в создании разнообразных органических соединений.
Большой на поверхности земного шара хорошо известен. Вызываемое солнечной энергией испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Эта влага конденсируется в виде облаков, переносимых ветром. При охлаждении облаков выпадают осадки в виде дождя и снега. Осадки поглощаются почвой или стекают по ее поверхности. Вода возвращается в моря и океаны. Количество воды, испаряемой растениями, обычно велико. Если влаги и воды для растений много, испарение увеличивается. Одна береза испаряет за день 75 л воды, бук- 100 л, липа -200 л, а 1 га леса - от 20 до 50 тыс. л. Березняк, масса листвы которого на 1 га составляет лишь 4940 кг, испаряет 47 тыс. л воды в день, тогда как ельник, масса хвои которого на 1 га равна 31 тыс. кг. — только 43 тыс. л волы в лень. Пшеница на 1 га использует за период развития 3750 т воды, что соответствует 375 мм осадков.
Кислород в количественном отношении - главная составляющая живой материи. Если учитывать воду в тканях, то, например, тело человека содержит 62,8% кислорода и 19,4% углерода. Если рассматривать в целом, кислород по сравнению с углеродом и водородом является ее основным элементом.
Круговорот кислорода усложняется тем, что этот элемент может образовывать многочисленные химические соединения. В результате возникает множество промежуточных циклов между и атмосферой или между и двумя этими средами.
Кислород, начиная с определенной концентрации, очень токсичен для клеток и тканей даже у аэробных организмов. Французский ученый Луи Пастер (1822 — 1895) доказал, что никакой живой анаэробный организм не может выдержать концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1% (эффект Пастера).
Круговорот кислорода происходит в основном между атмосферой и живыми организмами. Процесс продуцирования и выделения кислорода в виде газа во время фотосинтеза противоположен процессу его потребления при дыхании. При этом происходит разрушение органических веществ и взаимодействие кислорода с водородом. В некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа: движение одного происходит в направлении, противоположном движению другого.
Сера. Преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и воде. Основной источник серы, доступный живым существам, - это всевозможные сульфаты. Хорошая растворимость в воде многих сульфатов облегчает доступ неорганической серы в экосистемы. Поглощая сульфаты, растения их восстанавливают и вырабатывают серосодержащие аминокислоты.
Различные органические отбросы биоценоза разлагаются бактериями, которые, в конце концов, вырабатывают сероводород из сульфопротеинов, содержащихся в почве. Некоторые бактерии тоже могут вырабатывать сероводород из сульфатов, восстанавливаемых ими в анаэробных условиях. Эти бактерии, утилизируя сульфаты, получают необходимую для их обмена веществ энергию.
С другой стороны, существуют бактерии, способные опять окислить сероводород до сульфатов, что вновь увеличивает запас серы, доступной продуцентам. Подобные бактерии называются хемосинтезирующими, так как они могут вырабатывать клеточную энергию без участия света, только за счет окисления простых химических веществ. Итак, в биосфере осадочные породы содержат основные запасы серы, которая встречается главным образом в виде пирита, а также и сульфатов, например гипс.
Фосфор. Круговорот фосфора относительно прост и весьма неполон. Фосфор - один из основных составляющих элементов живого вещества, в котором он содержится довольно в большом количестве. Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в литосфере. Главные источники неорганического фосфора - изверженные породы (например, апатиты) или осадочные породы (например, фосфориты). Минеральный фосфор - редкий элемент в биосфере, в земной коре его не больше 1%, что является основным фактором, лимитирующим продуктивность многочисленных экосистем. Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию путем выщелачивания и растворения в континентальных водах. Он попадает в экосистемы суши, поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения, и таким образом включается в трофические связи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где вновь подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные ортофосфаты, готовые к употреблению зелеными растениями и другими автотрофами (от греч. autos — сам и trophe — пища, питание).
В водные экосистемы фосфор приносится текучими водами. Реки непрерывно обогащают океаны фосфатами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов, расположенных на различных уровнях пищевых цепей пресноводных или морских водоемов. История любого химического элемента в ландшафте складывается из бесчисленного множества круговоротов, различных по масштабу и продолжительности. Противоположные процессы - биогенная аккумуляция и минерализация - образуют единый биологический круговорот атомов.
Тундровые ландшафты образуются в условиях холодного с коротким летним периодом и потому малопродуктивны. Низкие и почвы — первопричина многих особенностей тундры. С дефицитом тепла связаны и «волны жизни»: в годы с более теплым летом возрастает продукция живого вещества. Некоторые растения цветут в тундре только в благоприятные годы (например, иван-чай в арктической тундре). Растения в тундре растут медленно. Лишайники за год вырастают на 1 - 10 мм; можжевельник на с диаметром ствола 83 мм может иметь до 544 годичных колец. Сказывается не только влияние низких температур, но и отсутствие достаточного количества питательных элементов.
Во многих тундрах большую роль играют мхи и лишайники. Есть ландшафты, в которых они преобладают.
В тундре биомасса растений равна 170,3 u/га, из них 72% приходится на подземную часть. Ежегодный прирост биомассы составляет 23,5 ц/га, а ежегодный опад - 21,9 ц/га. Таким образом, истинный прирост, равный разности между приростом и опадом, очень мал - 1,6 ц/га (в северной тайге - 10 ц/га, в южной тайге - 30 ц/га, во влажных тропиках — 75 ц/га).
Из-за низкой температуры разложение остатков организмов в тундре протекает медленно, многие группы микроорганизмов не функционируют или же работают очень слабо (бактерии, разлагающие клетчатку, и др.). Это ведет к накоплению органических веществ на поверхности и в почве.
Широколиственные леса в России распространены в европейской части, на , . Это все регионы влажного умеренно-теплого климата. Биомасса здесь не намного меньше, чем во влажных тропиках (3000 5000 ц/га), но ежегодная продукция и зеленая ассимилирующая масса меньше в несколько раз. Продукция колеблется от 80 до 150 ц/га (во влажных тропиках — 300 - 500 ц/га), зеленая ассимилирующая масса в дубравах составляет 1% биомассы и достигает 40 ц/га (8% и 400 ц/га во влажных тропиках).
Широколиственные деревья сравнительно богаты золой, особенно листья (до 5%). В золе листьев много Са - до 20% или 0,6 - 3,8% на сухое вещество, меньше К (0,15 - 2,0%) и Si (0,4 - 2,8%), еще меньше Mg, А1, Р, а также Fe, Mn, Na, С1.
В тайге биомасса не намного уступает влажным тропикам и широколиственным лесам. В южной тайге биомасса превышает 3000 ц/га и только в северной тайге понижается до 500 - 1500 ц/га. Зоомасса в тайге ничтожна (в южной тайге - 0,01% биомассы).
Более 60% биомассы представлено древесиной, состоящей из клетчатки (около 50%), лигнина (20 - 30%), гемицеллюлозы (более 10%).
Ежегодная продукция в южной тайге почти такая же, как в широколиственных лесах (85 ц/га против 90 ц/га в дубравах), в северной тайге - намного меньше (40 - 60 ц/га). Растительный опад в южной тайге меньше, чем в дубравах, и равен 55 ц/га (в дубравах 65 ц/га); в северной тайге еще меньше - 35 ц/га.
Влажные тропики занимают большие площади в экваториальной , Южной и Юго- , Центральной и . Еще шире они были распространены в прошлые геологические эпохи (с конца девона). Изобилие тепла сочетается здесь с изобилием осадков, тепло и влага не лимитируют единого биологического круговорота атомов. атомов происходит с одинаковой интенсивностью в течение всего года, периодичность миграции выражена слабо.
Обилие тепла и влаги определяет большую ежегодную продукцию живого вещества во влажных тропиках. Величина продукции здесь в 2 - 3 раза больше, чем в широколиственных лесах и тайге, и достигает 300 - 500 ц/га. По соотношениям биомассы и продукции, надземной и подземной, зеленой и незеленой биомассы и многим другим показателям влажные тропики также существенно не отличаются от других влажных лесных ландшафтов. Однако по количеству калия в биомассе влажные тропики отличаются от и широколиственных лесов. Биомасса животных во влажных тропиках составляет около 1% биомассы (45 ц/га). Это главным образом термиты, муравьи и другие низшие животные. По этому показателю влажные тропики резко отличаются от тайги, в которой накапливается лишь 3,6 ц/га зоомассы (0,01% биомассы). Разложение большой массы органических веществ насыщает воды углекислым газом и органическими кислотами. Основными элементами, попадающими в воду при биологическом круговороте, являются Si и Са, К. Mg, Al, Fe, Mn, S. В листьях тропических деревьев высоко содержание Si. При биологическом круговороте дождевыми водами из листьев вымывается большое количество N, Р, К, Са, Mg, Na, CI, S и других элементов.
Степи и пустыни близки по многим свойствам. Биомасса в степях на порядок меньше, чем в лесных ландшафтах, - от 100 до 350 ц/га. Большая ее часть в отличие от лесов сосредоточена в корнях (70 - 90%). Биомасса животных в степях около 6%. Ежегодная продукция составляет 13 - 50 ц/га, т. е. 30 - 50% биомассы.
Ежегодно в биологический круговорот атомов в степях вовлекаются сотни килограммов растворимых в воде веществ (на 1 га), т. е. значительно больше, чем в тайге (луговые степи - 700 кг/га; южная тайга - 155 кг/га). В луговых степях с опадом ежегодно возвращаются 700 кг/га растворимых в воде веществ, в сухих - 150 кг/га (в ельниках южной тайги — 120 кг/га). В опаде большую роль играют основания, полностью нейтрализующие органические кислоты.
В отличие от лесных ландшафтов в почвах степей накапливается в 20 - 30 раз больше органического вещества, чем в биомассе (в луговых степях - до 8000 ц/га гумуса; в сухих степях - 1000 - 1500 ц/га). Для степей и пустынь наиболее характерны Са, Na и Mg, которые накапливаются при засолении в водах, почвах и продуктах выветривания.
По минеральному составу все степные травы делят на три группы: злаки с высоким содержанием Si и невысоким содержанием N; бобовые со значительным накоплением К, Са и N; разнотравье, занимающее промежуточное положение.
Биологический круговорот
Биологический круговорот химических элементов совершается благодаря солнечной энергии, захваченной растениями. Растения на свету поглощают углекислый газ и воду, всасывают из почвы минеральные вещества и выделяют кислород. Наземные растения выделяют кислород в атмосферу, а водные - в воду. Растения в темноте, животные, грибы и микробы как в темноте, так и на свету, поглощают кислород и выделяют во внешнюю среду углекислый газ. Другие вещества гетеротрофные организмы в основном получают от растений. Поглощение и выделение кислорода и углекислого газа растениями и животными уравновешено, поэтому газовый состав атмосферы Земли остается довольно постоянным длительное время.
Благодаря зеленым растениям, осуществляющим процесс фотосинтеза, в биосфере создаются сложные по строению молекулы органических веществ. Заключенную в них энергию используют для процессов жизнедеятельности гетеротрофные организмы. В этом состоит космическая функция зеленых растений биосферы. Без живого вещества работа солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твердых тел по поверхности планеты и к временному их нагреванию. Живое вещество выступает в качестве гигантского аккумулятора и уникального трансформатора связанной лучистой энергии Солнца. Солнечная энергия без живого вещества не совершала бы на Земле созидательной деятельности, так как не могла бы ни удержаться на ней, ни преобразоваться в необходимую для этого энергию.
Улавливание солнечной энергии осуществляется преимущественно растениями. Но в удержании и преобразовании заключенной в них энергии Солнца, перемещении ее по поверхности, а также из внешнего в более глубокие слои планеты принимает участие все живое вещество. Этот процесс осуществляется благодаря размножению, последующему росту и перемещению организмов. Скорость размножения, по В.И. Вернадскому, -- это скорость передачи в биосфере геохимической энергии.
Биогеоценоз
Элементарной структурной и функциональной единицей биосферы является биогеоценоз. Именно в биогеоценозе организмы и среда их обитания тесно взаимно приспособлены друг к другу и благодаря этому осуществяется биологический круговорот веществ -- основа бесконечности жизни на планете. В ходе осуществления биологического круговорота ограниченные запасы химических веществ приобретают свойство бесконечных, так как находятся в непрерывном круговом обращении. Поэтому круговорот веществ в виде биогеохимических циклов является необходимым условием существования биосферы. Весь круговорот веществ в биосфере происходит благодаря одному источнику энергии -- Солнцу. Между величиной поступающей на планету солнечной энергии и количеством образуемого живого вещества установилась тесная зависимость. Так, в результате многолетних исследований ученых разных стран удалось подсчитать, что ежегодно в биосфере образуется примерно 150--200 млрд. т сухого органического вещества. Таким образом, создание учения о биосфере явилось важным достижением человечества. Впервые живая природа стала рассматриваться как целостная система, тесно взаимодействующая с абиотической средой. В.И. Вернадский заложил основы современных научных представлений о планетарном и космическом значении жизни, о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы.
Роль растений в природе
Зеленые растения создают на Земле условия для существования всех живых организмов. Они выделяют кислород, который необходим для дыхания, служат основным источником пищи для всех животных. Даже самый кровожадный хищник зависит от растений, которыми питаются его жертвы.
Формирование газового состава атмосферного воздуха, как известно, также находится в прямой зависимости от растений. Зеленые растения в процессе фотосинтеза выделяют около 510" тонн свободного кислорода в год. Один гектар кукурузы выделяет за год 15 тонн кислорода, что достаточно для дыхания 30 человек. Весь кислород атмосферы проходит через зеленое вещество примерно за 2000 лет. За 300 лет растения усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере и водах. Годовая химическая энергия продуктов фотосинтеза в 1000 раз превышала выработку энергии в конце XX столетия всеми электростанциями мира. Установлено, что растения Земли в процессе фотосинтеза ежегодно образуют более 177 млрд. тонн органического вещества.
Растения участвуют в образовании гумуса, который является самой существенной частью почвы, обеспечивает ее высокое плодородие. Помимо углерода, водорода и кислорода в состав молекул многих органических веществ входят атомы азота, фосфора, серы, а нередко и других элементов (железа, кобальта, магния, меди). Все они добываются растениями из почвы или водной среды в виде ионов солей, главным образом, в окисленном виде. Минеральные соли не вымываются из поверхностных слоев почвы, так как растительность постоянно всасывает часть минеральных веществ из почвы и передает их животным на корм. Животные, так же, как растения, после отмирания передают минеральные вещества обратно в почву, откуда они вновь всасываются растениями.
Растительность оказывает большое влияние на климат, водоемы, животный мир и другие элементы биосферы, с которыми она тесно взаимосвязана. Растения обитают на огромных пространствах суши: в тундрах, лесах, степях. Они населяют водные просторы прудов, озер, болот, рек, морей, океанов и способны жить даже на голых скалах и сыпучих песках. Такие растения, которые размножаются и расселяются без участия человека, называются дикорастущими. Сегодня на Земном шаре известно около 500 тысяч видов дикорастущих растений.