Биосфера

Смотрите также:

История атомов и география - Перельман

Геохимия - химия земли

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Для оценки геохимической деятельности организмов за геологическую историю необходимо суммировать количество живого вещества, которое было на Земле за 4 миллиарда лет.

Согласно Н.И. Базилевич, J1.E. Родину и Н.Н. Розову, в современную эпоху сухое вещество биомассы Земли составляет 2,4.101 ^ х е 0,00001% массы земной коры (2.10^9 т). Ежегодная продукция равна 2,32.10^ т. Если принять, что за последний миллиард (109) лет ежегодная продукция была близка к современной (отклоняясь в обе стороны), то общее ее количество за 109 лет составит 2.10^.10^ = 2.10^0 т, т.е. в 10 раз больше массы горных пород земной коры.

Так как живое вещество — это химически чрезвычайно активная "действующая масса", то становится понятна и грандиозная геохимическая роль живого вещества, о которой писал Вернадский.

Именно поэтому область жизни нашей планеты представляет особую систему — биосферу. Ниже ее на материках располагаются горные породы, формирование которых прямо или косвенно связано с жизнью. Это осадочные породы и гранитный слой — область "былых биосфер", по Вернадскому, "метабиосфера", по Н.Б. Вассоевичу.

Выше биосферы располагается безжизненная зона газообразных продуктов жизни — "апобиосфера", по Вассоевичу. Совокупность биосферы, метабиосферы и апобиосферы этот ученый назвал "мегабиосферой", или "панбиосферой".

Элементы современной концепции биосферы были развиты в начале XIX столетия великим французским натуралистом Ж.Б. Ламарком.

В 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс наряду с атмосферой, гидросферой и литосферой выделил в качестве самостоятельной оболочки Земли биосферу — сферу жизни. Однако проблемой биосферы Зюсс не занимался, и последующие 40 лет, вплоть до работ Вернадского, эта сфера не привлекала внимания исследователей.

Биосфера — это сложная динамическая система с огромным числом случайных факторов и вероятностным характером многих процессов. В ее состав входят тропосфера, Мировой океан, литосфера до слоев с температурой, ограничивающей деятельность бактерий. В формировании биосферы несомненна роль солнечной энергии, поднятий и опусканий земной коры, горообразования, ледников и других внешних факторов. Все они приводят в движение мощные внутренние "механизмы" биосферы, которая развивается по специфическим законам.

Главный механизм, определяющий единство и целостность биосферы, — биологический круговорот атомов — бик (3.6). Большую роль играет и круговорот воды, который до известной степени можно сравнить с биком, так как источником энергии обоих круговоротов служит Солнце. Только круговорот воды — главный агент механической работы, а бик — химической. Вода тоже выполняет химическую работу (растворение, выветривание и т.д.), но эта работа в основном осуществляется при участии живого вещества — или за счет организмов, находящихся в водах, или за счет таких продуктов их жизнедеятельности, как СО2, гумус и другие химически активные вещества.

О грандиозной энергетической роли живого вещества, как аккумулятора солнечной энергии, уже говорилось. Аккумуляторами являются и сульфиды: чтобы восстановить серу    и железо (Fe3+XFe2+), надо затратить энергию, и она в скрытом виде содержится в пирите и других сульфидах. Пирит (FeS2) — наиболее распространенный сульфид и поэтому главный геохимический аккумулятор среди данных минералов. Меньшую роль играют сульфиды Си, Zn, Pb, Ag и других металлов. Но и они также "зарядились" энергией, которую отдают окружающей среде при окислении в ландшафтах. Поэтому в зоне окисления сульфидных руд повышается температура, в Сибири даже тает вечная мерзлота, во многих странах на участках разработки сульфидных руд известны "колчеданные пожары". Энергия выделяется и в химической форме, так как при окислении пирита образуется серная кислота, разрушающая окружающие породы.

Богатство свободной химической энергией определяет неравновесность биосферы, присутствие в ней веществ с противоположными свойствами, как, например, сильных окислителей — свободного кислорода и сильных восстановителей — органических веществ. В биосфере в соответствии с законами термодинамики окисление органических веществ и другие процессы направлены на достижение равновесия, однако оно никогда не достигается, так как новые порции активных соединений все время поступают в систему или образуются в ней за счет солнечной и другой энергии. Особенно характерна неравновесность для живых организмов, поверхностных вод и почв, т.е. для ландшафта и верхних слоев Мирового океана. Это не исключает полностью равновесия, которое, однако, имеет частное значение. Неравновесна биосфера и в механическом отношении, о чем говорит течение рек, перемещение водных масс в океанах, воздушных — в атмос-

Биосфера представляет собой гигантский "химический комбинат", на котором из смеси веществ (изверженные породы, морская вода и т.д.) получаются простые и сравнительно чистые соединения, состоящие из двух-трех главных элементов. Продукцией этого комбината являются и целые горы поваренной соли (Na и С1) и толщи известняков (Са, С, О), латериты тропиков (Fe, А1, О, Н). Следовательно, преобразование в биосфере солнечной энергии в энергию геохимических процессов приводит к дифференциации химических элементов, росту разнообразия, накоплению информации, уменьшению энтропии.

В ходе длительной эволюции организмы приспособились к различным условиям среды и исключительно чутко реагируют на их изменение. Поэтому наблюдается множество форм биологического круговорота и биогенная миграция значительно разнообразнее физико-химической и механической. Это подтверждает изучение всех типов ландшафтов. Например, в тундре, северной тайге бик резко различен, а физико-химическая миграция почти одинакова.

Чрезвычайное разнообразие биосферы затрудняло в прошлом восприятие ее единства (целостности). Почему атмосфера, почвы, океан и другие большие природные системы являются частями целого? Есть ли процессы, характерные для всех частей биосферы? Таким процессом является разложение органических веществ: и в организмах, и в почвах, и в илах, и в поверхностных водах, и в глубоких водоносных горизонтах аккумулированная в органических веществах солнечная энергия выделяется. В результате в окружающую среду поступает химическая энергия, носителями которой по преимуществу являются природные воды. Отсюда понятно геохимическое сходство почв, илов, кор выветривания, водоносных горизонтов и поверхностных вод. Все эти биокосные системы характеризуются одинаковыми или близкими термодинамическими условиями — температурой и давлением, в них развивается бик, основной средой миграции служит вода.

По существу, во всех случаях классифицируют одно и то же образование — природные воды в их различных формах. Поэтому, отмечая существование в биосфере отдельных биокосных систем, необходимо учитывать не только их различия, но и то общее, что их объединяет в одну категорию образований. Принципиально иными биокосными системами являются ландшафты суши и верхние горизонты океана, где протекает не только разложение органических веществ, но и их образование из минеральных соединений — фотосинтез.

Поэтому по процессам разложения органических веществ биосфера едина, а по процессам их образования разделяется на две части (А.И. Перельман). Верхнюю часть, куда проникает солнечный свет и где возможен фотосинтез, Е.М. Лавренко предложил именовать фитосферой (фитогеосферой), а Н.Б. Вассоевич — фотобиосферой. В нижнюю часть биосферы солнечный свет не проникает, там фотосинтез невозможен и биомасса из минеральных соединений практически не образуется. Это область почвенных, грунтовых, иловых подземных вод на материках, темных глубин морей и океанов. А.И. Перельман предложил именовать эту зону редусферой, Н.Б. Вассоевич — афотобиосферой, А.В. Лапо — мелонобиосферой.

Большой интерес представляет вопрос о центре биосферы, т.е. такой ее части, которая играет ведущее значение, определяет своеобразие биосферы в целом, "управляет" этой сложной системой. Нетрудно доказать, что таким центром служат ландшафты суши, а точнее — лесные ландшафты.

Это объясняется тем, что в них сосредоточена основная масса живого вещества планеты — главного геохимического агента биосферы. Именно в ландшафтах протекают процессы разложения органических веществ, формирующие химический состав поверхностных и грунтовых вод. Сток этих вод оказывает глубокое влияние и на моря и океаны.

Ландшафт — это "клеточка биосферы", для которой характерны основные особенности данной системы. Вместе с тем ландшафт невелик по размерам, легко доступен для исследования, что определяет большое методологическое значение геохимии ландшафта для изучения других биокосных систем, характеристики биосферы в целом

Возможно, что к центру биосферы следует отнести и верхние горизонты океана, где протекает фотосинтез.

К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов