Биомасса земли. Биомасса, или «живое вещество» планеты

Скачать:

Предварительный просмотр:

Биосфера и свойства биомассы планеты Земля

В век научно-технического прогресса особое значение приобретают знания о жизненных процессах в целом, происходящих на всей планете. Исследования космоса позволили рассматривать Землю извне и изучать окружающие ее сферы. Увеличение народонаселения на Земле требует изыскания новых пищевых ресурсов. Вредные отходы промышленности и транспорта ставят проблему охраны не только живых организмов, но и чистоты вод и воздуха. В связи с этим необходимо понять роль живой природы в круговороте веществ на Земле. Главное – определить значимость живой природы как носителя и трансформатора энергии. Необходимо знать структуру жизни на всей планете и основы ее устойчивости. При изучении в предшествующих классах растений, животных, человека и общей биологии вы познакомились с живой природой на всех уровнях ее организации: молекулярном, клеточном, организменном, популяционно-видовом и биогеоценотическом. При изучении данной темы вы познакомитесь с высшим уровнем организации жизни на нашей планете – биосферным.

Биосфера и ее границы. Изучение многообразия форм органического мира и закономерностей его развития не будет полным без понимания места и роли живых организмов в целом на всей планете Земля. Совокупность всех живых организмов составляет живое вещество, или биомассу, планеты.

Жизнедеятельность организмов изменила и изменяет земную кору и атмосферу. Растительная часть биомассы за миллиарды лет очистила атмосферу от углекислого газа, обогатила ее кислородом и привела к отложению углерода в известняках, каменных углях, нефти. В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка, или сфера, населенная живыми организмами. Эта земная оболочка, или область жизни, названа биосферой (греч. «биос» – жизнь, «сфера» – шар). Впервые это название было дано Ж. Б. Ламарком. Учение о биосфере создано академиком В. И. Вернадским (1863 – 1945), основоположником новой науки – биогеохимии, связывающей химию Земли с химией жизни и установившей роль живого вещества в преобразовании земной поверхности.

На планете Земля различают несколько геосфер .

Рис. 42. Литосфера (греч. «литос» – камень) – внешняя твердая оболочка земного шара. Она состоит из двух слоев: верхнего – осадочных пород с гранитом и нижнего – базальта. Слои расположены неравномерно. Гранит местами выходит на поверхность.

Все океаны, моря (совокупность их называют Мировым океаном), составляющие 70,8% поверхности Земли, а также озера, реки образуют гидросферу . Глубина океана в среднем 3,8 км, в отдельных впадинах – до 11,034 км.

Над поверхностью литосферы и гидросферы вверх до 100 км простирается атмосфера . Нижний слой атмосферы в среднем высотой 15 км называют тропосферой (греч. «тропэ» – перемена). Тропосфера включает взвешенные в воздухе водяные пары, перемещающиеся при неравномерном нагреве поверхности Земли. Над тропосферой различают стратосферу (лат. «стратум» – слой) высотой до 100 км. У границы ее возникают северные сияния. В стратосфере на высоте 15–35 км свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращается в озон (O 2 → O 3 ), который образует экран и отражает губительные для живых организмов космические излучения и частично ультрафиолетовые лучи Солнца.

Среди всех сфер Земли особое место занимает биосфера - геологическая оболочка, населенная живыми организмами . Она охватывает поверхность Земли, верхнюю часть литосферы всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы тропосферу . В биосфере проявляется деятельность живого вещества: растений, животных, микроорганизмов и человечества. Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов . Верхний предел жизни биосферы ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей; нижний высокой температурой земных недр (свыше 100° С). Крайних пределов ее достигают только низшие организмы – бактерии. Споры бактерий и грибов залетают на высоту 20 км, а анаэробных бактерий находят в земной коре на глубине свыше 3 км, в водах месторождений нефти.

Рис. 43.
Наибольшая концентрация живой массы в биосфере наблюдается у поверхности суши и океана, у границ соприкосновения литосферы и атмосферы, гидросферы и атмосферы, гидросферы и литосферы. В этих местах наиболее благоприятные условия жизни – температура, влажность, содержание кислорода и химических элементов, важных для питания организмов. К верхним слоям атмосферы, в глубь океана и недр литосферы концентрация жизни уменьшается. Накопление биомассы обусловливается жизнедеятельностью зеленых растений.

Масса живого вещества по сравнению с массой земной коры незначительна. И тем не менее многие изменения земной коры обусловлены жизнедеятельностью биомассы.

Свойства живого вещества. Организмы, составляющие биомассу, обладают громадной способностью воспроизводства – размножения и распространения по планете.

Энергия биомассы особенно проявляется в размножении. «Живое вещество – совокупность организмов, – подобно массе газа, растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его продвижение или ими овладевает, их покрывает. Это движение достигается путем размножения организмов ... Уже К. Линней ясно видел, что это свойство должно считаться основным для живого, той непроходимой гранью, которая отделяет его от мертвой косной материи» (Вернадский).

В некоторые годы размножение отдельных видов вспыхивает с такой силой, что влечет нашествие громадных масс насекомых (саранча), грызунов и других животных. Захват пространства разными организмами обусловлен интенсивностью их размножения.

Мелкие организмы, особенно в водной среде, размножаются и распространяются очень быстро. Численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 мин. Быстро размножаются членистоногие, составляющие главную массу животных суши.

Размножение и быстрое распространение организмов, особенно одноклеточных, определило «всюдность» (Вернадский) жизни – до крайних пределов биосферы.

Плотность жизни зависит от размеров организмов и необходимой для их жизни площади. Для ряски и водоросли хлореллы она определяется площадью, равной их размерам. Слону требуется площадь 30 км 2 , пчеле для сбора меда – 200 м 2 , травянистым растениям – в среднем 30 см 2 . Напор жизни создает борьбу организмов за площадь, пищу, воздух, воду.

Особенность каждого живого организма и всей биомассы состоит в постоянном обмене веществ с окружающей средой.

Различные элементы входят в живой организм, накапливаются в нем и выходят из него, частично при жизни и частично после смерти. Это главным образом кислород, водород, углерод, натрий, кальций, фосфор, калий, кремний и другие – более 20 элементов. В процессе питания происходит накопление энергии и передача ее другим организмам по цепи питания и путем размножения. Особенное значение в биосфере имеет выделение кислорода и поглощение углекислого газа при фотосинтезе зеленых растений.

В биосфере растительная масса во много раз превышает животную. В целом биомасса составляет лишь около 0,01% массы всей биосферы, но роль ее на планете грандиозна.

В среднем биомасса на Земле, по современным данным, составляет примерно 2,423 · 1012 т, при этом масса зеленых растений суши – 97%, животных и микроорганизмов – 3%.

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 >

Биомасса - это термин, который используется для характеристики любого органического вещества, созданного при фотосинтезе. Данное определение подразумевает наземную и водную растительность и кустарники, а также водные растения и микроорганизмы.

Особенности

Биомасса - это остатки жизнедеятельности животных (навоз), промышленные и сельскохозяйственные отходы. Данный продукт имеет промышленное значение, он востребован в энергетике. Биомасса - это естественный продукт, в котором содержание углерода настолько высоко, что его можно использовать в качестве альтернативного вида топлива.

Состав

Биомасса - это смесь зеленых растений, микроорганизмов, животных. Для того чтобы восстановить ее, необходим незначительный временной промежуток. Биомасса живых организмов является единственным источником энергии, способным выделять в процессе переработки углекислый газ. Основаная ее часть сосредоточена в лесах. На суше в нее входят зеленые кустарники, деревья, а объем их оценивается примерно в 2 400 миллиардов тонн. В океанах биомасса организмов образуется гораздо быстрее, здесь она представлена микроорганизмами и животными.

В настоящее время рассматривают такое понятие, как прирост количества зеленых растений. На долю древесной растительности приходится примерно два процента. Большую часть (около семидесяти процентов) от общего состава вносят пашни, зеленые луга, мелкая растительность.

Около пятнадцати процентов всей биомассы приходится на морской фитопланктон. Благодаря тому, что процесс его деления происходит за короткий временной промежуток, можно вести речь о существенном обороте растительности мирового океана. Ученые приводят интересные факты, согласно которым достаточно трех суток для того, чтобы полностью обновить зеленую часть океана.

На суше данный процесс протекает примерно за пятьдесят лет. Ежегодно происходит процесс фотосинтеза, благодаря которому получают около 150 миллиардов тонн сухого органического продукта. Суммарная биомасса, образуемая в мировом океане, несмотря на незначительные показатели, сравнима с продукцией, образующейся на суше.

Незначительность веса растений в мировом океане можно объснить тем, что они за короткий промежуток времени поедаются животными и микроорганизмами, но достаточно быстро здесь растительность полностью восстанавливается.

Самыми продуктивными в континентальной части земной биосферы считают субтропические и тропические леса. Океаническая биомасса представлена в основном рифами и эстуариями.

Из биоэнергетических технологий, применяемых в настоящее время, выделим: пиролиз, газификацию, ферментацию, анаэробное брожение, различные виды сжигания топлива.

Возобновление количества биомассы

В последнее время во многих европейских странах осуществляются разнообразные эксперименты, связанные с выращиванием энергетических лесов, из которых получается биомасса. Значение слова особенно актуально в наши дни, когда уделяется пристальное внимание вопросам экологии. Процесс получения биомассы, а также переработки в промышленности бытовых твердых отходов, древесной целлюлозы, сельскохозяйственных котлов, сопровождается выделением пара, приводящего в движение турбину. С экологической точки зрения он абсолютно безопасен для окружающей среды.

Благодаря этому наблюдается вращение ротора генератора, способного вырабатывать электрическую энергию. Постепенно происходит накапливание золы, снижающей эффективность выработки электроэнергии, поэтому периодически происходит ее выведение из реакционной смеси.

На огромных экспериментальных плантациях выращивают быстрорастущие деревья: акации, тополя, эвкалипты. Проведены испытания около двадцати видов растений.

Интересным вариантом были признаны комбинированные плантации, на которых помимо деревьев, выращивают иные сельскохозяйственные культуры. Например, между рядами тополей высаживают ячмень. Продолжительность ротации создаваемого энергетического леса составляет шесть-семь лет.

Переработка биомассы

Продолжим разговор о том, что такое биомасса. Определение данному термину дано разными учеными, но все они убеждены в том, что именно зеленые растения являются перспективным вариантом получения альтернативного топлива.

В первую очередь необходимо отметить, что основным продуктом газификации является углеводород - метан. Его можно использовать в качестве исходного сырья в химической промышленности, а также в виде эффективного вида топлива.

Пиролиз

При быстром пиролизе (термическом разложении веществ) получают бионефть, что является горючим топливом. Тепловая энергия, выделяемая в данном случае, применяется для химического превращения в синтетическую нефть зеленой биомассы. Ее гораздо легче транспортировать и хранить, нежели твердые материалы. Далее, бионефть сжигают, получая при этом электрическую энергию. Путем пиролиза можно осуществить преобразование биомассы в феноловое масло, применяемое для производства древесного клея, изоляционной пены, литьевых пластических масс.

Анаэробное брожение

Данный процесс осуществляется благодаря анаэробным бактериям. Микроорганизмы проживают в тех местах, где нет доступа кислорода. Они употребляют органическое вещество, образуя в ходе реакции водород и метан. При подаче навоза, сточных вод в специальные варочные чаны, внося в них анаэробные микроорганизмы, можно использовать образующийся газ в качестве источника топлива.

Бактерии способны разлагать органические вещества, содержащиеся в мусорных свалках, пищевых отходах, образуя метан. Для извлечения газа, его использования в виде топлива, можно применять специальные установки.

Заключение

Биотопливо не только является отличным источником получения энергии, но и способом извлечения ценных химических веществ. Так, при химической переработке метана можно получить разнообразные органические соединения: метанол, этанол, ацетальдегид, уксусную кислоту, полимерные материалы. К примеру, этанол является ценным веществом, применяемым в разных отраслях промышленности.

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.