Биофункциональная система океана
В океане осуществляется грандиозный процесс переноса вещества и энергии по биотическому круговороту. В процессе пищевых (трофических) связей живые организмы реализуют свои разнообразные функции, поддерживающие гомеостаз экосистемы Мирового океана в целом.
М.В. Ломоносов открыл закон сохранения вещества и энергии. В XIX веке К. Бэр применил его к использованию живыми организмами простых химических тел, раз вошедших в их состав. Он назвал его "законом бережливости". Вернадский очень образно формулирует этот закон: "Атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, захваченные единичным жизненным вихрем, с трудом возвращаются, а может быть, и не возвращаются назад, в косную материю биосферы". Благодаря "закону бережливости" можно говорить об атомах, остающихся в пределах живой материи в течение геологических периодов, все время находящихся в движении и миграции, но не выходящих назад в косную материю. Иными словами, основу функционирования живого вещества составляет биологический круговорот веществ.
На восходящей ветви биологического круговорота, основанного на выполнении энергетической функции зелеными растениями, происходит аккумуляция солнечной энергии в виде органических веществ.
Нисходящая ветвь биологического круговорота связана с потерями органического вещества. Важнейший процесс - дыхание растений, при котором до половины ассимилированного при фотосинтезе органического вещества окисляется до СО, и возвращается в атмосферу. Второй существенный процесс расходования органического вещества и накопленной в нем энергии - это потребление растений консументами первого порядка - растениеядными животными. Запасаемая фитофагами с пищей энергия также в значительной мере расходуется на дыхание, жизнедеятельность, размножение, выделяется с экскрементами. Консументы первого порядка являются пищей для плотоядных животных, консументов более высокого трофического уровня, которые расходуют накопленную с пищей энергию по тем же каналам, что и консументы первого порядка. Количество трофических уровней, образуемых хищными животными, обычно не превышает трех-четырех, так как в связи с большими тратами энергии количество органического вещества, запасаемого с пищей на каждой более высокой трофической ступени, численность и биомасса животных становятся все меньше (правило 10%).
Каждое звено экосистемы поставляет в окружающую среду органические остатки (детрит), которые служат источником пищи и энергии для животных-сапрофагов, главным образом, для микроорганизмов. Завершающим этапом превращения органического вещества является процесс его минерализации. Зольные элементы возвращаются в морскую воду, обеспечивая растения пищей.
Таким образом, биотический круговорот представляет собой непрерывный процесс создания и деструкции органического вещества. Он реализуется при участии представителей всех трех групп организмов: без продуцентов невозможна жизнь, поскольку лишь они производят основу жизни - первичное органическое вещество; консументы разных порядков, потребляя первичную и вторичную продукцию и переводя органическое вещество из одной формы в другую, способствуют возрастанию многообразия форм жизни в океане; наконец, редуценты, разлагая органическое вещество до минерального, возвращают его к началу круговорота. Глобальные циклы миграции химических элементов не только связывают три наружные оболочки нашей планеты в единое целое, но и обусловливают непрерывную эволюцию ее состава. Например, круговорот углерода в атмосфере состоит из двух разных циклов: наземного и морского.
Круговорот, идущий в океане, в основном автономен. Двуокись углерода, растворенная в морской воде, усваивается в процессе фотосинтеза фитопланктоном, а выделяемый при этом кислород уходит в раствор. Зоопланктон и рыбы потребляют углерод, заключенный в первичной продукции фитопланктона, а кислород используют для дыхания, вьщеляя при этом в воду СО2 . В результате разложения мертвой органики в воду возвращается двуокись углерода, где она вновь усваивается водорослями. Есть еще один важный канал в океане, по которому углерод уходит в осадочные породы: это образование биогенных известняков и доломитов.
На суше растения фиксируют двуокись углерода, содержащуюся в атмосфере. Часть первичной продукции используется самим растением в процессе дыхания, при этом выделяется СО2. Значительная часть углерода, заключенного в растительной массе, потребляется животными в пищу; животные выделяют углекислый газ в процессе дыхания. Травоядными питаются хищники (цепь консументов разных порядков на рисунке опущена). Мертвые растения и животные в конце концов разлагаются, углерод их тканей окисляется до двуокиси и возвращается в почву и в атмосферу.
Характерной чертой круговорота любого вещества в биосфере является его неуравновешенность. Геохимические циклы нельзя представить как круговые процессы, замкнутые в непроницаемых границах. Скорее, это вихри материи, неразрывно связанные с окружающей средой. Именно в силу своей незамкнутости геохимические циклы способствуют закономерному перераспределению химических элементов и направленному изменению состава наружных оболочек Земли. Ярким примером тому служит судьба углерода, значительная часть которого уходит из круговорота "в геологию" в виде разнообразных осадочных пород.
В биотическом круговороте, помимо образующих органическое вещество элементов (кислород, углерод, водород), принимает участие большое число биологически важных элементов (азот, кальций, натрий, калий, кремний, фосфор, сера), а также микроэлементы (бром, йод, цинк, серебро, молибден, медь, магний, свинец, кобальт, никель).
Список элементов, поглощающихся живым веществом, можно значительно расширить, причем в него входят даже ядовитые элементы (ртуть, селен, мышьяк) и радиоактивные.
Отметив циклический характер массо-энергообмена, ответим на вопрос о скорости круговорота различных веществ в биосфере. Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет. В океане циркуляция идет во много раз быстрее: вся масса живого вещества обновляется за 33 дня, а масса фитопланктона - каждый день. В атмосфере смена кислорода происходит за 2000 лет, углекислого газа - за 6,3 года. Процесс полной смены вод в гидросфере осуществляется за 2800 лет, а время, необходимое для фотосинтетического разложения всей массы воды, исчисляется 5-6 млн лет.
Сгущения и пленки жизни
Жизнь распределена в океане очень неравномерно. В. И. Вернадский выделял две формы концентрации живого вещества: жизненные пленки и сгущения жизни. Остальная часть океаносферы представляет собой зону разрежения живого вещества. В. И. Вернадский выделял две жизненные пленки: 1) на границе газообразной и жидкой - планктонную, 2) на границе жидкой и твердой - донную.
Между распределением биомасс планктонной и донной пленок жизни в открытом океане существует тесная корреляционная зависимость: акваториям с высокой продуктивностью планктона соответствуют участки с повышенной биомассой бентали ("принцип соответствия Л. А. Зенкевича").
Сгущения жизни В. И. Вернадский разделял на три типа: прибрежные, саргассовые, рифовые. Позже были открыты еще два: апвеллинговые и гидротермальные рифтовые.
Функции живого вещества
Чтобы доходчиво раскрыть сущность биотических процессов, протекающих в океане, рассмотрим основные функции живого вещества: энергетическую, деструктивную, концентрационную и средообразующую (по AJB. Лапо, 1987).
Энергетическая функция выполняется прежде всего растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. По словам Вернадского, зеленые хлорофильные организмы, зеленые растения, являются главным механизмом биосферы, который улавливает солнечный луч и создает фотосинтезом химические тела - своеобразные солнечные консервы, энергия которых в дальнейшем является источником действенной химической энергии биосферы, а в значительной мере - всей земной коры.
По расчетам Вернадского, на Земле ежегодно аккумулируется растениями около 1019 ккал энергии. Внутри экосистемы эта энергия в виде пищи распределяется между животными. Частично энергия рассеивается, а частично накапливается в отмершем органическом веществе и переходит в ископаемое состояние. Так образовались залежи нефти, горючих сланцев и других горючих полезных ископаемых, служащие в настоящее время энергетической базой для жизни и работы людей.
Деструктивная функция состоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т. д.), которые вновь используются в начальном звене круговорота. Этим занимается специальная группа организмов - редуценты (деструкторы).
Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. Благодаря живому веществу биотический круговорот пополняется минералами, высвобождаемыми из литосферы. Например, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождает из базальта 3% содержащегося в нем кремния, 11% алюминия, 59% магния, 64% железа. Бактерии, сине-зеленые водоросли оказывают на горные породы сильнейшее химическое воздействие растворами целого комплекса кислот - угольной, азотной, серной и разнообразных органических. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот такие важнейшие питательные элементы, как кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы.
Общая масса зольных элементов, вовлекаемая ежегодно в биотический круговорот только на суше, составляет около 8 млрд т. Это в несколько раз превышает массу продуктов извержения всех вулканов мира на протяжении года. Благодаря жизнедеятельности организмов-деструкторов создается уникальное свойство водной массы океана - ее плодородие.
Концентрационная функция заключается в избирательном накоплении при жизнедеятельности организмов атомов веществ, рассеянных в природе. Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - это характерная особенность живого вещества. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них по сравнению с природной средой содержание марганца увеличено в 1 200 000 раз, железа - в 65 000, ванадия - в 420 000, серебра - в 240 000 раз и т.д.
Морские организмы активно концентрируют рассеянные минералы для построения своих скелетов или покровов. Существуют, например, кальциевые организмы (моллюски, кораллы, мшанки, иглокожие, известковые водоросли и т. п.) и кремниевые (диатомовые водоросли, кремниевые губки, радиолярии). Особо следует обратить внимание на способность морских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. Их концентрация в теле беспозвоночных и рыб может в сотни тысяч раз превосходить содержание в морской воде. Благодаря этому морские организмы полезны как источник микроэлементов, но вместе с тем употребление их в пищу может грозить отравлением тяжелыми металлами или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью.
Средообразующая функция состоит в трансформации физико-химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия, благоприятные для существования организмов. Можно сказать, что она является совместным результатом всех рассмотренных выше функций живого вещества, энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота, деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для организмов элементов.
Средообразующие функции живого вещества создали и поддерживают в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность (гомеостаз) условий существования организмов, в том числе человека. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия. Эту способность живого вещества к регенерации экологических условий выражает принцип Ле Шателье, заимствованный из области термодинамических равновесий. Он заключается в том, что изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компенсации производимых возмущений. В теории управления аналогичное явление носит название отрицательных обратных связей. Благодаря этим связям система возвращается в первоначальное состояние, если производимые возмущения не превышают пороговых значений. Таким образом, гомеостаз, устойчивость экосистемы, оказывается явлением не статическим, а динамическим.
В результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы; изменился химический состав вод первичного океана; образовалась толща осадочных пород в литосфере; на поверхности суши возник плодородный почвенный покров (также плодородны воды океана, рек и озер).
Вернадский объясняет парадокс: почему, несмотря на то, что общая масса живого вещества - пленка жизни, покрывающая Землю, - ничтожно мала, результаты жизнедеятельности организмов сказываются на составе и литосферы, и гидросферы, и атмосферы?
Если живое вещество распределить на поверхности Земли ровным слоем, его толщина составит всего 2 см. При такой незначительной массе организмы осуществляют свою планетарную роль за счет весьма быстрого размножения, т е. весьма энергичного круговорота веществ, связанного с этим размножением.
Масса живого вещества, соответствующая данному моменту времени, с трудом сопоставляется с тем грандиозным ее количеством, которое производило свою работу в течение сотен миллионов лет существования организмов. Если рассчитать всю массу живого вещества, воспроизведенного за это время биосферой, она окажется равной 2,4 х 1020 т. Это в 12 раз превышает массу земной коры.
На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Глины, известняки, доломиты, бурые железняки, бокситы -это все породы органогенного происхождения. Наконец, свойства природных вод, соленость Мирового океана и газовый состав атмосферы определяются жизнедеятельностью населяющих планету существ.
Чистота морских вод - во многом результат фильтрации, осуществляемой разнообразными организмами, но особенно зоопланктоном. Большинство из них добывает пищу, отцеживая из воды мелкие частицы. Работа их настолько интенсивна, что океан очищается от взвеси за 4 года.
Рассмотрим влияние средообразующей функции организмов на содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере. Напомним, что повышение концентрации СО, в атмосфере вызывает "парниковый эффект" и способствует потеплению климата.
Свободный кислород выделяется при фотосинтезе. Впервые на Земле массовое развитие фотосинтезирующих организмов - сине-зеленых водорослей - имело место 2,5 млрд лет назад. Благодаря этому в атмосфере появился кислород, что дало импульс быстрому развитию животных. Однако интенсивный фотосинтез сопровождался усиленным потреблением СОг и уменьшением его содержания в атмосфере. Это привело к ослаблению "парникового эффекта", резкому похолоданию и первому в истории планеты (гуронскому) оледенению.
В наши дни накопление углекислого газа в атмосфере от сжигания углеводородного топлива рассматривается как тревожная тенденция, ведущая к потеплению климата, таянию ледников и грозящая повышением уровня Мирового океана более чем на 100 м. В этой связи следует отметить функцию захвата и захоронения избыточной углекислоты морскими организмами путем перевода ее в соединения углекислого кальция, а также путем образования биомассы живого вещества.
|
|
Читайте в рубрике «Вода океана»: |