<<
>>

ДОБИОСФЕРНЫЙ ПЕРИОД ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ

Земля в первые периоды существовании была безжизненной— стерильной. Но предпосылки к возникновению жизни, образования биосферы и почвенного покрова были унаследованы Землей от космического вещества.

Высокомолекулярные органические соединения присутствовали уже в газопылевом облаке, предшествовавшем образованию Земли. Эти соединения стали источником углекислоты и соединений азота в атмосфере, а затем и основой возникновения жизни (Борщевский, 1977).

Новейшие данные по химическому составу планет, Солнца, различных звезд, вещества межзвездного пространства даны в табл. 4. В элементном составе космического вещества преобладают биофильные элементы: Н, О, С, N; в заметных количествах содержатся Si, S, Fe, Mg, Al, P, Ca, К. Возможно, именно эти биофильные элементы и соединения способствовали возникновению живого вещства на Земле (Войткевич, 1983). В межзвездном веществе и метеоритах присутствуют также разнообразные молекулярные соединения минерального и органического характера (в частности, аммиак, вода, углекислота, метан, сероводород, карбиды, графит, углеводороды). Особенно важно открытие постоянного присутствия в межзвездном пространстве различных ’’органических” молекул типа формальдегида, ацетальдегида и др., которые могли послужить основой для синтеза органических полимеров, нуклеиновых кислот, полисахаридов и дать начало жизни (табл. 4).

При расчете числа атомов подтверждается одна и та же закономерность преобладания в Солнечной системе азота, углерода, водорода (McElroy, 1965) : Si - 1,0 • 106; N - 3,7 • 106; С - 1,2 • Ю7; О - 2,1 • 107; He - • 109; H — 3,2 • Ю10.

Таблица 4. Химический состав межзвездного пространства (Raymand, Talbot, 1980)

Элементы относительно водорода


В.И. Вернадский предполагал, что возникновение жизни и биосферы на Земле является неизбежным следствием эволюции космоса и в особенности присутствия простейших органических веществ во Вселенной.

Неизвестно, являются ли эти молекулы органических соединений продуктами абиотического синтеза или остатками погибших биосфер других планет. Но присутствие органических соединений во Вселенной, по мнению

В.И. Вернадского, является устойчивой и обязательной особенностью космоса.

Сгущение космического вещества неизбежно вело к возникновению живого вещества и жизни. Однако чем больше мы знаем о ближайшей Вселенной, тем меньше оказывается в нашем распоряжении данных, подтверждающих наличие жизни и биосфер на других, известных нам планетах Солнечной системы и даже галактик. Вероятность развитой жизни во Вселенной, конечно, существует. Но и уникальность Земли как планеты, несущей жизнь в высокоразвитых формах, все еще бесспорна. На человечество тем самым ложится задача общекосмического значения — сохранить и расширить биосферу Земли, не допустить ее деградации или разрушения.

Малоизвестен длительный (2-2,5 млрд, лет) период неоднократного радиоактивного разогрева и самоплавления планетной массы и оформления современных структур Земли: ядра, представленного тяжелыми металлами, каменной силикатной оболочки — мантии, водной и газовой (атмосферной) оболочек (рис. 7). Базальты и перекрывающие их граниты разных генераций являются как бы фундаментом земной коры, закрытой толщами последующих осадочных пород. Радиоактивный разогрев мантии,

Рис. 7. Схема строения земной коры (Белоусов, 1954, с дополнениями автора)

тектонические разрывы земной коры, вулканизм неоднократно вели к излияниям базальтовых лав, переплавлению осадочных пород, образованию гранитов и гнейсов, выходу на поверхность ювенильных паров и масс воды, газов, растворов. Современные вулканы выполняют эти функции. В составе газов долгое время преобладали аммиак, углекислота, сероводород, метан. Обширные планетарные депрессии оказались занятыми водами первичного океана. Образование гор, вулканизм, остывание лав, движение водных и воздушных масс, физико-химическое выветривание и растворение минералов магматических пород под воздействием углекислоты были первыми процессами ’’оземления” монолитной базальтовой гранитной литосферы и образования осадочных пород.

Продолжительность стерильного периода в истории Земли оценивается временем, равным 1-2 • 109 лет. Это был период первоначального абиотического образования механических и химических осадочных пород, толщ вулканических песков, известняков, кварцитов, кремневых отложений, сланцев. Создавались ландшафты, подобные свежим лавовым покровам на Гавайских островах, в Северном Китае или на Армянском нагорье.

Видимо, наиболее ранними организмами еще бескислородной планеты были примитивные одноклеточные, использовавшие кислород, абиотическую органику и энергию, связанные в материале космического происхождения. В интересном обзоре развития жизни в докембрии (Кордэ, 1974) упоминаются находки, слои остатков бактерий, синезеленых водорослей, живших 2,7—3,1 млрд, лет назад. Поэтому допустимо предполагать, что доклеточные и бактериальные формы жизни возникли еще раньше (древнее 3,2 млрд. лет). Возможно, что и первые фотосинтезирующие организмы появились тогда же (табл. 5).

Субстратом жизни долгое время был океан, затем его мелководья и прибрежные зоны. Но синезеленые водоросли и лишайники могли уже существовать на голых скалах суши. Синезеленые водоросли (точнее, бактерии) и их возможные спутники оставили ископаемые следы существования даже в осадочных породах возраста 3,5 млрд, лет (Западная Австралия) . Но их процветание приходится на более поздний период: 600 млн. — 2 млрд, лет назад (Peat, Diver, 1982). Они существуют и поныне и обитают там, где не могут существовать высшие растения (сухость, засоленность и др.).

Развитие и обильные формы жизни и массы живого вещества сложились значительно позже, 1,0—1,5 млрд, лет назад, в основном в Мировом океане. Живое вещество, т.е. совокупность всех форм жизни и видов организмов, выступило новой могучей и возрастающей во времени геологической силой коренного преобразования планеты, ускоренного саморазвития и воспроизводства.

Появление развитой жизни было началом формирования биосферы. Оно отмечено в осадочных породах скоплениями углисто-графитовых отложений, палеонтологических остатков, возрастанием величины отношения легких изотопов и более тяжелых изотопов углерода (12С/13С 92—94 вместо 87,9) и серы (S32/S34 gt; 22). Подтверждением раннего развития биосферы ряд авторов законно считают изотопные отношения 12С и 13С (Алексеев, Денисенко, 1,977) в углеводородах больших глубин земной коры в сравнении с мантией. Обогащение биогенных продуктов (осадков, углей, почв, гумуса черноземов) более легкими изотопами углерода и серы прослеживается через всю историю послекембрийских осадочных пород и особенно в современных биогенных осадках и почвах.

Глубоким изменениям подвергались гидросфера и литосфера Земли. Началось заметное уменьшение в атомсфере концентрации углекислоты и стала возрастать концентрация кислорода. Образовались огромные толщи известняков и доломитов. Восстановительная среда в литосфере и гидросфере сменилась окислительной. Соответственно изменились условия миграции и осаждения соединений железа, марганца, серы, азота.

300-500 млн. лет назад растительность стала завоевывать сушу. В силуре, девоне происходила глубокая биологизация суши. Начал развиваться почвообразовательный процесс. Фотосинтетическая и почвообразующая деятельность древесных привела к формированию в земной коре колоссальных запасов энергии в виде каменного угля, углистых и органогенных сланцев, нефти, горючих газов, значительному снижению содержания

Время сгущения межзвездного вещества и образования планеты Земля

4,5-5 • 109

Стадия безжизненного геологического развития

4,5-3 • 109

Появление автотрофных бактерий, синезеленых водорослей в водах суши и океане; начало примитивного скального и подводного почвообразования

3-2,5 • 109

Начало фотосинтеза, развитие водорослей, лишайников, мхов, формирование первоначальной биосферы и усложнение примитивного почвообразования

1,5-1,0 • 109

Развитие и господство лесной растительности на суше, формирование кислородной атмосферы, мощных ал- литных кор выветривания, болотно-аккумулятивного и кислого почвенного покрова; развитая биосфера

0.S-0.3- 109

Остепнение суши, появление травянистой растительности, оформление современного лика материков, природных зон, биосферы, развитого почвообразования, постепенное похолодание, сухость

100-30- 10*

Ледниковые и межледниковые эпохи, появление человека

2-3- 10*

Последниковая эпоха

п

О

О

04

1

О

Агрикультура и техногенно-индустриальная эпоха

Сов р.-20 • 103

в атмосфере углекислоты, накоплению в атмосфере кислорода и молекулярного азота. В третичную эпоху биосфера и суша приобрели тот вид, который застал человек, появившийся на грани третичной и четвертичной эпох. Эволюция жизни и планеты в целом привели к тому, что различные организмы и их популяции приспособлены к условиям среды, а сама среда (атмосфера, гидросфера, педосфера, оболочка осадочных пород) преобразована жизнью в биосферу. То же следует сказать и о человеке, приспособленность которого к условиям среды оказалась особенно поразительной и эффективной, как и его воздействие на природу.

Исходя из учения о биосфере В.И. Вернадского и новых фактов и представлений биосферу вЗемли необходимо определить как открытую сложную многокомпонентную саморегулирующую, связанную с космосом систему живого вещества и минеральных соединений, образующую внешнюю оболочку планеты. Главными компонентами биосферы как особой оболочки планеты являются: 1) потоки космической энергии, электромагнитные и гравитационные поля, космическое вещество, поступающие на Землю; 2) биомасса живой растительности, способной путем фотосинтеза и роста фиксировать и преобразовывать космическую энергию в химическую потенциальную энергию и хранить ее в виде органических соединений; 3) почвенный покров, обеспечивающий существование растительности (механическая опора, корнеобитание, водное, углекислотное, азотное, минеральное питание, тепловой режим, накопление запасов энергии в виде детрита и гумуса); 4) биомасса живущих на почве и в почве кон-

сументов (животных, простейших, микроорганизмов), потребляющих фитомассу и доводящих ее до полной минерализации; 5) водная оболочка (гидросфера); 6) атмосфера; 7) литосфера (оболочка биогенных осадочных пород).

Биосфера является не только областью, в которой на планете Земля возникла и развивалась жизнь во всем многообразии ее форм. Живое вещество за время своего существования глубоко изменило первоначальную природу планеты, биологизировало ее. Жизнь как бы сама приспосабливала среду и оптимизировала условия. В стратосфере возник озоновый экран, защищающий живые существа от гибельного воздействия ультрафиолетовых лучей и других космических излучений. Выветривание, почвообразование, делювиальные и аллювиальные наносы закрыли органо-минеральными покровами мелкозема монолитные бесплодные и безводные скалы, создав рыхлые горизонты, благоприятные по физическим и химическим свойствам для существования растений, особенно их корневых систем, и животных (экологические ниши). Фотосинтез растений явился механизмом накопления активной биохимической энергии в массах органического вещества, в форме почвенного гумуса, в виде ископаемых горючих, как бы гарантирующих удовлетворение запросов организмов на случай стрессовых условий и неблагоприятных периодов.

Ограниченность ресурсов азотно-углеродного, водного, воздушного, минерального питания живое вещество преодолело путем создания почвенного покрова, неосинтеза высокодисперсных минералов, обеспечивающих в почвах физико-химическую поглотительную способность (сорбция соединений азота, фосфора, кальция, калия), и еще более эффективным путем, биогенной аккумуляции гумусо-органических соединений макроэлементов (С, N, Р, Са, S, К) и микроэлементов (I, Zn, Си, Со, Se и др.) в прижизненных выделениях, в опаде, подстилках, корнях, в поверхностных почвенных горизонтах, подпочвенных, грунтовых, речных водах. Надо иметь в виду, что масса прижизненных выделений в почву в десятки и сотни раз превосходит вес биомассы организмов. По своему биогеохимическому значению в поддержании жизни на планете почвенный покров сравним с озоновым экраном в стратосфере.

Возник и показал свою исключительную экологическую роль механизм ’’сотрудничества” (биогеохимической, биоэнергетической кооперации - симбиоза) между растениями, животными, насекомыми, низшими беспозвоночными, микроорганизмами, с образованием так называемых пищевых цепей. Растительное органическое вещество, биофильные элементы, его слагающие, энергия, связанная в фитомассе прижизненно и посмертно, многократно последовательно потребляются популяциями травоядных, грибов, хищников, паразитов, некрофагов, сапрофагов до полной минерализации исходной органики и до неосинтеза гумусовых веществ и биогенных минералов в почвах. Каждое из этих бесчисленных звеньев использует продукты или отходы, «созданные на предыдущем звене пищевой цепи с коэффициентом не менее 3—5—10% и как бы готовит запас органики, биофилов и энергии для последующего звена. Этот механизм в биосфере позволяет ’’обходиться” абсолютно небольшими запасами энергии и химических соединений.

Пищевые цепи, их звенья и последовательная реализация на суше складываются и осуществляются на поверхности почвы и в основном внутри почвы, которая служит как бы главным хранителем биоэнергетических ценностей, созданных фотосинтезом в биосфере системой растения-почвы. Первичным и наиболее активным структурным компонентом, слагающим биосферу, являются экологические системы (биогеоценозы).

Экосистемы — это совокупность локальных устойчивых популяций растений и животных, обитающих в условиях однородного местного рельефа, почв, микроклимата, связанных между собой общим потоком космической энергии, пищевыми цепями и общей историей происхождения. Благодаря этому в природных ненарушенных экосистемах складывается биогеохимический круговорот и последовательность многократного повторного вовлечения в ткани живого вещества главных биофильных элементов и соединений: энергия, вода, органика, углекислота, кислород, азот, фосфор, сера, кальций, калий и т.д. Эти локальные циклические процессы являются ’’почти замкнутыми”, так как экосистема отдает за пределы лишь малую часть (5-10%) своего вещества. Пищевые цепи обеспечивают длительное удержание внутри экосистем энергии, связанной фотосинтезом, и резерва биофильных элементов (С, N, К, S, Са, Mg и др.), необходимых для новых поколений живого вещества. На этой основе слагаются главные звенья биогеохимического круговорота суши.

Биогеоценозы (экосистемы), сложившиеся в процессе длительной эволюции, приспособления видов и популяций между собой и к условиям среды, становятся весьма слаженными (интегрированными), устойчивыми образованиями, способными путем саморегулирования противостоять как изменениям в среде, так и изменениям в численности компонентов экосистемы. Это положение должно быть распространено на сложные экосистемы, охватывающие ландшафты, природные зоны, а также и на биосферу в целом.

Но есть пределы этой устойчивости и саморегулирования. Если изменения в среде (почва, грунтовые воды, тектоника, климат) выходят за пределы периодических колебаний, к которым приспособлены организмы, то слаженность экосистемы необратимо нарушается. Еще более глубокие последствия происходят в экосистемах, когда под влиянием естественных явлений (оледенения, тектонические движения, перемещение устьев рек и др.) или ошибочных действий человека в экосистеме и в биологических цепях популяций организмов выпадает один или несколько элементов. Экосистема переживает катастрофические изменения и коренную перестройку. Та часть связанной энергии и биофильных элементов, которая при эрозионном или промывном водном режиме местности была вырвана из экосистемы, поступает в биогеохимический цикл вещества ландшафта, бассейна, континента, мигрируя с водными или воздушными массами. Миграция веществ в горизонтальном направлении (водная или воздушная) является важнейшим звеном в механизме самоуправления биосферы условиями жизни и элементами питания организмов. Общеизвестна роль пресных речных вод на поймах, в дельтах и эстуариях в создании ландшафтов самой высокой биопродуктивности Земли. То же можно сказать о ветровом притоке элементов минерального питания в таежные или влажнотропические ландшафты кислых болотных почв и лесных экосистем.

Жизнь, живое вещество, биосфера, благодаря отмеченным выше процессам, и используя непрерывность поступления космической энергии, развивались по принципу ’’самоуправляемого расширенного воспроизводства” биомассы, численности организмов, их разнообразия и растущей сложности. В работах ботаников (В.А. Успенский, А.Н. Криштафович) убедительно показана роль растений в истории планеты и ее биосферы. Так, в девоне существовало около 12 тыс. видов растений, в каменноугольном периоде — до 27 тыс., в пермо-триасе - 43 тыс. и в юре — 60 тыс. Современная флора насчитывает около 300 тыс. видов, а их биомасса достигает триллиона тонн.

Таблица 6. Биомасса Земли

Объект исследования

Воздушно-сухая биомасса, т

Вся планета

10*3-10*4

Суша

1012 —10*3

В том числе

леса

1011-1013

травы

10'0—10*1

животные

*10’

микроорганизмы

о

о§

1

«

Это направленное развитие биосферы не было непрерывным. Катастрофы и стрессы циклического типа космического или земного происхождения (эпохи вулканизма, опустынивания, оледенения) нарушали и задерживали, но не могли остановить общий процесс расширенного и усложняющегося развития жизни и биосферы; к началу нашей цивилизации на планете насчитывалось около 5 млн. видов живых организмов (с учетом низших и микроорганизмов), в том числе около 1 млн. насекомых. Чем меньше размеры организмов, тем, как правило, короче их жизнь, тем быстрее протекают и возобновляются биогеохимические циклы веществ и тем в большей мере возрастает их роль и незаменимость в биосфере.

В.И. Вернадский еще в 20—40-х годах подсчитал массу всей биосферы (п • Ю1^ т), массу живого вещества (п • 1015 т), количество энергии, связываемой живым веществом (п • 1019 ккал), количество и состав химических элементов, вовлекаемых в живое вещество (Вернадский, 1960). С тех пор эти данные пересчитывались многими авторами. Итог был близок к цифрам, которые установил В.И. Вернадский. Автор принял величины, относящиеся к воздушно-сухой биомассе, не нарушенной человеком (восстановленной) и получил ряд цифр, показанных в табл. 6 (Ковда, 1973).

Вероятно, мы недооцениваем размеры и роль биомассы низших организмов и микроорганизмов.

Так, живая зоомасса составляет в почвах тундры и пустынь 20-90 кг/га, лесов хвойных и лиственных от 100 до 1000 кг/га и степей 200—900 кг/га. Биомасса бактерий может составлять 600-5000 кг/га, а за годы жизни 15 000 кг/га (Аристовская, 1980).

Как указывал В.И. Вернадский, основная роль в фитомассе принадлежит лесной растительности. В составе зоомассы gt; 95% приходится на долю беспозвоночных почвенных организмов. В истории биосферы прошлого леса преобладали в растительном покрове Земли. Тропические леса сыграли огромную роль в процессах древнего выветривания и почвообразования (Erhart, 1956). Но химический состав трав и быстротечность их жизненных циклов определили особую роль трав в формировании наиболее плодородных почв мира, степей, прерий, лугов.

Многими исследователями, начиная с В.И. Вернадского, установлено, что биосфера и ее структурные компоненты (биогеоценозы-экосистемы) накопили за время существования автотрофных организмов огромные запасы энергии в виде ископаемых горючих, сланцев, торфов, гумуса почв и органических остатков, живого вещества.

При этом эволюция биосферы как открытой системы была направлена на создание все более сложных и более многочисленных организмов, а также на преобразование самой планеты Земля.

После классических работ В.И. Вернадского (1960, L965, 1978) эти идеи и обобщения получили признание и развитие в публикациях исследователей второй половины XX в. (Goldsmith, 1981).

Таким образом, биосфера как открытая самоуправляющая сложная автотрофная система оказалась в состоянии не только обеспечивать космической энергией свои потребности, но и аккумулировать значительные ресурсы энергии. Экосистемы и организмы развивались и приспосабливались к условиям планеты, менявшимся за минувшие миллиарды лет. Но вместе с этим они активно воздействовали на условия планеты. За время биогенной истории планеты сложился современный состав атмосферы и гидросферы; возник защитный озоновый экран, сформировалась оболочка осадочных пород и почвенный покров суши и мелководий. Все эти компоненты биосферы незаменимы и являются необходимыми частями целого, т.е. биосферы, обеспечивая существование и развитие автотрофных и гетеротрофных организмов, а в историческую эпоху — и человечества.

Техносфера и теногенные индустриально-городские системы являются гетеротрофными и могут существовать в современную эпоху только при использовании энергии и биомассы, накапливаемой автотрофными системами биосферы. Именно поэтому техногенные системы разрушают биосферные автотрофные экосистемы, замещая их в пространстве. Нельзя сомневаться в том, что человечество в не столь отдаленном будущем перейдет на более высокий уровень, т.е. на автотрофное — прямое получение нужной ему энергии путем трансформации энергии Солнца. Уже созданы фотопреобразующие аппараты, позволяющие получать электроэнергию, используя солнечный свет с коэффициентом 1—7% с помощью селеновых или кремниевых устройств (Flavin, 1982). Эти аппараты на 1 — 1,5 порядка эффективнее, чем в среднем природный фотосинтез. Вероятно, это лишь начало и в будущем будут достигнуты более высокие коэффициенты преобразования.

Сходные взгляды высказывают многие зарубежные исследователи. В частности, Гольдшмидт (Goldsmith, 1981) в функциях (в экодинамике) биосферы называет четыре главные закономерности: сохранение и максимальное использование всего того, что захватывается организмами экосистем; достижение экосистемами во времени состояния зрелости и устойчивости во взаимоотношениях со средой; организованность и самоуправляемость экосистем в поддержании взаимодействия и соответствия с колебаниями в среде; спонтанное саморазвитие в направлении более сложного и эффективного состояния.

К этому необходимо добавить способность изменять среду (конечно, в определенных пределах), приспосабливая ее к функциям экосистем и биосферы. Надо также добавить и принцип расширенного воспроизводства биомассы, условий и факторов ее синтеза, рассмотренный выше.

Техногенные системы расположены в биосфере, но они не обладают большинством свойств и функций, которые свойственны природным экоситсемам. Агороэкосистемы в значительной мере подобны природным экосистемам, но они утратили свойство саморегулирования—самоуправления. При сознательном управлении агроэкосистемами, однако, следует максимально использовать закономерности и условия высокой биопродуктивности, выработанные биосферой. 

<< | >>
Источник: В.А.КОВДА. БИОГЕОХИМИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА. 1985

Еще по теме ДОБИОСФЕРНЫЙ ПЕРИОД ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ:

  1. Бернд Фон Виттенбург. Шах Планете Земля, 1998
  2. 7-2. Молодая Земля
  3. ВСЕГДА ЛИ ЗЕМЛЯ БЫЛА ТАКОЙ, КАК ТЕПЕРЬ?
  4. ГЛАВА ШЕСТАЯ ЗЕМЛЯ В ЛЕДЯНОМ ПЛЕНУ
  5. Гравитация и вращение планет
  6. Глава III ГЛАВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ ПЛАНЕТЫ
  7. Фаэтон – загадка исчезнувшей планет
  8. ПОСЛЕРОДОВОЙ ПЕРИОД
  9. ПОСЛЕРОДОВОЙ ПЕРИОД
  10. Осенний период.
  11. Втотеза образования магнитных полей планет
  12. 3. /. Круговорот воды на планете
  13. Летний период.
  14. 6. Новая термодинамика: планета делает на себе жизнь
  15. ГЛАВА IV НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ
  16. 7.1. ЭТАПЫ. ПЕРИОДЫ И СТАДИИ ОНТОГЕНЕЗА
  17. 9.1. КРИТИЧЕСКИЕ ПЕРИОДЫ В ОНТОГЕНЕЗЕ ЧЕЛОВЕКА