JA Ja V ja olen kohta b o l o h Vastaanottaja A h e m l Ja

Kaikkialla maan päällä, minne käännät katseesi, elämä hallitsee. Kaikkialla voit löytää joitain kasveja ja eläimiä. Ja kuinka paljon muita organismeja on olemassa, jotka ovat näkymättömiä paljaalla silmällä! Yksinkertaisimmat yksisoluiset eläimet ja mikroskooppiset levät, lukuisat sienet, bakteerit, virukset...

Nykyään tunnetaan jopa 500 tuhatta kasvilajia ja noin 1,5 miljoonaa eläinlajia. Mutta kaikkia lajeja ei ole vielä löydetty ja kuvattu. Ja jos kuvittelet kuinka monta yksilöä kullakin lajilla on!.. Yritä laskea kuinka monta kuusia taigassa tai voikukkia niityllä tai vehnän tähkiä yhdellä pellolla... Kuinka monta muurahaista elää yhdessä muurahaispesässä, kuinka monta kyklooppia tai vesikirppua yhdessä lätäkössä, kuinka monta oravaa on metsässä, kuinka monta haukea, ahventa tai särkiä on yhdessä järvessä?... Ja todella upeita lukuja saadaan kun yritetään laskea mikro-organismeja.

Joten sisään1 grammaa Metsämaa sisältää keskimäärin:

bakteerit -400 000 000,

sienet - 2 000 000,

levät - 100 000,

alkueläimet - 10 000.

Georgian yliopiston mikrobiologit uskovat tämän Maapallolla on vain 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (5 ei miljoonaa) bakteerit . Tämä vastaa 70 % planeetan kaiken elämän massasta.

Kaikki tämä lukematon määrä eläviä olentoja ei sijaitse kaoottisesti ja satunnaisesti, vaan tiukasti luonnollisesti, tietyssä järjestyksessä, maan päällä historiallisesti vakiintuneiden elämän lakien mukaan. Tässä on mitä amerikkalainen biologi K. Willie kirjoittaa tästä: ”Ensi silmäyksellä saattaa vaikuttaa siltä, ​​että elävien olentojen maailma koostuu käsittämättömästä erilaisista kasveista ja eläimistä, jotka ovat erilaisia ​​ja kukin kulkee omaa tietä. Tarkempi tutkimus kuitenkin osoittaa, että kaikilla eliöillä, sekä kasveilla että eläimillä, on samat elämän perustarpeet, niillä on samat ongelmat: ruoan saaminen energianlähteeksi, elintilan valloitus, lisääntyminen jne. Ratkaisun aikana nämä ongelmat, kasvit ja eläimet muodostivat valtavan määrän erilaisia ​​muotoja, joista jokainen on sopeutunut elämään tietyissä ympäristöolosuhteissa. Jokainen muoto on sopeutunut paitsi ympäristön fyysisiin olosuhteisiin - se on saavuttanut kestävyyden vaihteluille tietyissä kosteuden, tuulen, valaistuksen, lämpötilan, painovoiman jne. rajoissa, vaan myös bioottiseen ympäristöön - kaikkiin eläviin kasveihin ja eläimiin samalla vyöhykkeellä.

Säännöllisesti maan päällä levinnyt organismien koko joukko muodostaa planeettamme elävän kuoren - biosfäärin. Ansio "biosfäärin" käsitteen kehittämisestä ja sen planetaarisen roolin selkiyttämisestä kuuluu venäläiselle akateemikolle V. I. Vernadskille, vaikka itse termiä käytettiin viime vuosisadan lopulla. Mikä on biosfääri ja miksi sille annetaan niin suuri merkitys?

Maan pintaosat koostuvat kolmesta mineraalisesta epäorgaanisesta kuoresta: litosfääri - Maan kova kivikuori; hydrosfääri - nestemäinen, ei-jatkuva kuori, mukaan lukien kaikki meret, valtameret ja sisäiset vedet - Maailman valtameri; ilmakehä on kaasumainen kuori.

Koko hydrosfääri, litosfäärin yläosat ja ilmakehän alemmat kerrokset ovat eläinten ja kasvien asuttamia. Nykyaikainen biosfääri muodostui elävän aineen syntymisen ja historiallisen jatkokehityksen prosessissa. Elämän synnystä Maan päällä on eri arvioiden mukaan kulunut 1,5–2,5–4,2 miljardia vuotta. V.I. Vernadsky tuli siihen tulokseen, että tänä aikana organismien elintärkeä aktiivisuus käsitteli kaikkia maankuoren ulkokerroksia 99 prosenttia. Näin ollen maa sellaisena kuin sen havaitsemme ja jolla elämme, on suurelta osin organismien toiminnan tuote.

Elämä, joka on syntynyt maan päällä aineen luonnollisen kehityksen seurauksena, monien miljoonien vuosien aikana eri organismien muodossa, muutti planeettamme ulkonäköä.

Kaikki biosfäärin organismit muodostavat yhdessä biomassaa eli "elävää ainetta", jolla on voimakasta energiaa, joka muuttaa maankuoren ja ilmakehän. Kasvimassan kokonaispaino on noin 10 000 miljardia ja eläinmassan noin 10 miljardia tonnia, mikä on noin 0,01 prosenttia koko biosfäärin painosta kiinteineen, nestemäisine ja kaasumaisine elinympäristöineen. On arvioitu, että kaikkien maapallolla asuvien olentojen biomassan olisi noin miljardi vuotta elämän ilmestymisen jälkeen pitänyt olla monta kertaa suurempi kuin planeettamme massa. Mutta niin ei käynyt.

Miksi biomassa ei kerry merkittävästi? Miksi sitä pidetään tietyllä tasolla? Loppujen lopuksi biomassalla elävänä aineena on taipumus jatkuvaan kehittymiseen, paranemiseen ja jatkuvaan kertymiseen tämän kehityksen prosessissa, elävien olentojen lisääntymis- ja kasvuprosessissa.

Mutta näin ei tapahdu, koska jokainen elementti, josta organismin runko on rakennettu, otetaan ympäristöstä, ja sitten useiden muiden organismien kautta se palaa jälleen ympäröivään, epäorgaaniseen ympäristöön, josta se tulee jälleen elävä aine, biomassa. Näin ollen jokainen elementti, joka muodostaa elävän aineen, käyttää sitä monta kertaa.

Tätä ei kuitenkaan pidä ymmärtää absoluuttisessa merkityksessä. Toisaalta osa alkuaineista poistuu aineiden kierrosta, koska maapallolla tapahtuu orgaanisten yhdisteiden kertymistä kivihiilen, öljyn, turpeen, öljyliuskeen jne. muodossa. Toisaalta ihminen , voi toiminnallaan varmistaa intensiivisemmän biomassan kertymisprosessin, joka ilmenee jatkuvana sadon ja kotieläinten tuottavuuden kasvuna.

Mutta kaikki tämä ei hylkää yleistä sääntöä. Maapallon biomassa ei edelleenkään kerry merkittävästi, vaan se pysyy jatkuvasti jollain tietyllä tasolla, vaikka tämä taso ei ole absoluuttinen ja vakio. Tämä johtuu siitä, että biomassaa tuhoutuu ja luodaan jatkuvasti samasta rakennusmateriaalista ja sen rajojen sisällä tapahtuu jatkuvaa aineiden kiertoa. V.I. Vernadsky kirjoittaa: "Elämä vangitsee merkittävän osan atomeista, jotka muodostavat maan pinnan aineen. Sen vaikutuksen alaisena nämä atomit ovat jatkuvassa voimakkaassa liikkeessä. Niistä syntyy jatkuvasti miljoonia erilaisia ​​yhdisteitä. Ja tämä prosessi kestää keskeytyksettä kymmeniä miljoonia vuosia vanhimmasta arkeotsoisesta aikakaudesta meidän aikanamme. Maan pinnalla ei ole kemiallista voimaa, joka olisi jatkuvasti aktiivisempaa ja siksi lopullisessa vaikutuksessaan voimakkaampaa kuin elävät organismit kokonaisuutena tarkasteltuna.

Tätä kiertoa, joka tapahtuu organismien elintärkeän toiminnan seurauksena, kutsutaan aineiden biologiseksi kierroksi. Se sai modernin luonteen vihreiden kasvien ilmaantuessa, jotka suorittavat fotosynteesiprosessin. Siitä lähtien maapallon elävän aineen evoluution olosuhteet ovat saaneet täysin erilaisen luonteen.

Aineiden kierron kulkua voidaan tarkastella lyhyesti käyttämällä esimerkkiä hiilestä, jonka atomit ovat osa monimutkaista proteiinimolekyyliä. Elämä ja aineenvaihdunta liittyvät proteiinimolekyyliin.

Jokainen hehtaari maapalloa sisältää jopa 2,5 tonnia hiilidioksidia (CO2). Kuten laskelmat ovat osoittaneet, esimerkiksi sokeriruo'on sato imee jopa 8 tonnia hiiltä hehtaaria kohden, jota käytetään näiden kasvien rungon rakentamiseen. Tämän seurauksena viherkasveja käytettiin noin satoja vuosia

Se olisi koko hiilivarasto. Mutta näin ei tapahdu, koska organismit vapauttavat hengitysprosessissaan huomattavia määriä hiilidioksidia, ja vielä enemmän hiiltä vapauttavat mädäntyneet bakteerit ja sienet, jotka tuhoavat eläinten ja kasvien kuolleissa ruumiissa olevia hiiliyhdisteitä. Osa hiilestä poistuu edelleen "kiertopiiristä" ja laskeutuu öljyn, hiilen, turpeen jne. muodossa, joiksi kuolleet kasvit ja eläimet muuttuvat. Mutta tämä hiilen hävikki kompensoituu kivikarbonaattien tuhoutumalla, ja nykyaikaisissa olosuhteissa myös polttamalla valtavia määriä uutettua polttoainetta. Tämän seurauksena hiili näyttää jatkuvasti virtaavan ilmakehästä vihreiden kasvien, eläinten ja mikro-organismien kautta takaisin ilmakehään. Siten biosfäärin kokonaishiilivarat pysyvät suunnilleen vakiona. Voidaan suurella varmuudella olettaa, että lähes jokainen biosfäärin hiiliatomi on elämän ilmaantumisen jälkeen ollut toistuvasti osa elävää ainetta, siirtynyt ilmakehän hiilidioksidiksi ja palannut jälleen elävän aineen koostumukseen. biomassaa.

Nykyaikaisissa olosuhteissa hiili aineiden biologisen kierron prosessissa käy läpi seuraavat vaiheet: 1) vihreät kasvit, orgaanisen aineen luojat, imevät hiiltä ilmakehästä ja tuovat sen kehonsa koostumukseen; 2) eläimet tai kuluttajat, jotka syövät kasveja, rakentavat hiiliyhdisteistään kehonsa hiiliyhdisteitä; 3) bakteerit, samoin kuin jotkut muut organismit tai hajottajat, tuhoavat kuolleiden kasvien ja eläinten orgaanista ainesta ja vapauttavat hiiltä, ​​joka taas menee ilmakehään hiilidioksidina.

Toinen tärkeä biomassan aminohappojen ja proteiinien komponentti on typpi. Maapallon typen lähde on nitraatit, joita kasvit imevät maaperästä ja vedestä. Kasveja syövät eläimet syntetisoivat protoplasmansa kasvien aminohapoista ja proteiineista. Putrefaktiiviset bakteerit muuttavat typpiyhdisteitä näiden organismien kuolleista ruumiista ammoniakiksi. Nitrifioivat bakteerit muuttavat sitten ammoniakin nitriiteiksi ja nitraateiksi. Osa typestä palautetaan ilmakehään denitrifioivien bakteerien toimesta. Mutta maan päällä elävän aineen evoluutioprosessissa organismit näyttivät kykenevän sitomaan vapaata typpeä ja muuttamaan sen orgaanisiksi yhdisteiksi. Nämä ovat joitain sinileviä, maaleviä sekä kyhmybakteereja sekä palkokasvien juurisoluja. Kun nämä organismit kuolevat, niiden kehossa oleva typpi muuttuu typpihapposuoloiksi nitrifioivien bakteerien toimesta.

Samanlaisen kierron suorittavat vesi, fosfori ja monet muut aineet, jotka ovat osa elävää ainetta ja biosfäärin mineraalikuoret, minkä seurauksena kaikki alkuaineet, harvoja poikkeuksia lukuun ottamatta, vedetään mahtavimpiin ominaisuuksiltaan. mittakaavassa jatkuvasti liikkuva virtaus - aineiden biologinen kiertokulku. "Elämän lakkaaminen liittyisi väistämättä kemiallisten muutosten lakkaamiseen, jos ei koko maankuoressa, niin ainakin sen pinnassa – maan pinnalla, biosfäärissä", kirjoittaa akateemikko V. I. Vernadsky.

Tämän Vernadskyn ajatuksen vahvistaa erityisen selvästi rooli, joka hapen, kasvien fotosynteesin tuotteella, on sen kiertoprosessissa. Lähes kaikki maapallon ilmakehän happi on peräisin vihreiden kasvien toiminnasta, ja se pysyy tietyllä tasolla. Organismit kuluttavat sitä suuria määriä hengityksen aikana. Mutta lisäksi, koska sillä on valtava kemiallinen aktiivisuus, happi yhdistyy jatkuvasti melkein kaikkien muiden alkuaineiden kanssa.

Jos vihreät kasvit eivät tuottaisi niin valtavia määriä happea, se katoaisi kokonaan ilmakehästä noin 2000 vuodessa. Maan koko ulkomuoto muuttuisi, melkein kaikki organismit katoaisivat, kaikki oksidatiiviset prosessit biosfäärin fyysisessä osassa loppuisivat... Maasta tulisi eloton planeetta. Vapaan hapen läsnäolo planeetan ilmakehässä osoittaa, että siinä on elämää, elävää ainetta ja biosfääriä. Ja koska biosfääri on olemassa, lähes kaikki ympäristön elementit vedetään suurenmoiseen, loputtomaan aineiden kiertokulkuun.

On arvioitu, että nykyaikana kaikki ilmakehän happi kiertää eliöiden läpi (hengitys sitoo ja vapautuu fotosynteesin kautta) 2000 vuoden välein, että kaikki ilmakehän hiilidioksidi kiertää päinvastaiseen suuntaan 300 vuoden välein ja että kaikki vesi Maapallolla hajoaa ja syntyy uudelleen fotosynteesin ja hengityksen kautta 2 000 000 vuoden aikana.

Biosfäärioppi perustuu geokemialliseen tutkimukseen, ensisijaisesti V. I. Vernadskyn tutkimiin hapen ja hiilen kiertokulkuihin. Hän ehdotti ensimmäisenä, että nykyaikaisen ilmakehän sisältämä happi muodostuu kasvien fotosynteettisen toiminnan seurauksena.

Erinomaisella luonnontieteilijällä V.I. Vernadskylla oli hämmästyttävä kyky kattaa lähes kaikki modernin luonnontieteen osa-alueet terävällä ja loistavalla ajattelullaan. Hän oli ajatuksissaan ja käsitteissään paljon edellä nykyistä tietotasoaan ja näki niiden kehityksen vuosikymmeniä etukäteen. Jo vuonna 1922 Vernadski kirjoitti ihmisen välittömästä valtavien ydinenergiavarantojen hallinnasta, ja 30-luvun lopulla hän ennusti ihmisen tulevaa aikakautta avaruuteen. Hän seisoi monien maapalloa koskevien tieteiden – geneettisen mineralogian, geokemian, biogeokemian, radiogeologian – alkulähteillä ja loi Maan biosfäärin opin, josta tuli hänen luovuutensa huippu.

V.I. Vernadskyn tieteellinen tutkimus liittyi jatkuvasti valtavaan organisatoriseen työhön. Hän oli Venäjän luonnollisten tuotantovoimien tutkimuskomission perustamisen aloitteentekijä, yksi Ukrainan tiedeakatemian järjestäjistä ja sen ensimmäinen presidentti. Vernadskin aloitteesta Maantieteen instituutti, M. V. Lomonosovin mukaan nimetty mineralogian ja geokemian instituutti, Radium-, keramiikka- ja optiset instituutit, biogeokemiallinen laboratorio, josta on nyt tullut V. I. Vernadskin mukaan nimetty geokemian ja analyyttisen kemian instituutti, ja tutkimuskomissio perustettiin Neuvostoliiton tiedeakatemian järjestelmään. ikirouta, joka muutettiin myöhemmin V. A. Obruchevin ikiroutatieteen instituutiksi, Tiedon historian toimikunnaksi, nykyiseksi luonnontieteen ja tekniikan historian instituutiksi, Meteoriittikomitea, isotooppi-, uraani- ja monet muut. Lopulta hän keksi idean perustaa kansainvälinen komissio maapallon geologisen iän määrittämiseksi

ENERGIAN VIRTAUS BIOSFERISSA

Kaikkien aineiden syklit ovat suljettuja, samoja atomeja käytetään niissä toistuvasti. Siksi syklin suorittamiseen ei tarvita uutta ainetta. Aineen säilymisen laki, jonka mukaan aine ei koskaan synny tai katoa, on ilmeinen tässä. Mutta aineiden muuntaminen biogeenisessä kierrossa vaatii energiaa. Millaista energiaa käytetään tämän suurenmoisen prosessin toteuttamiseen?


Maan elämälle ja siten aineiden biologisen kierron toteuttamiselle välttämätön energian pääasiallinen lähde on auringonvalo, eli energia, joka syntyy Auringon syvyyksissä ydinreaktioiden aikana noin 10 000 000 asteen lämpötilassa. (Lämpötila Auringon pinnalla on paljon alhaisempi, vain 6 000 astetta.) Jopa 30 prosenttia energiasta hajoaa ilmakehässä tai heijastuu pilviin ja maan pinnalle, jopa 20 prosenttia imeytyy ylemmissä kerroksissa. pilviä, ja noin 50 prosenttia saavuttaa maan tai valtameren pinnan ja imeytyy lämmön muodossa. Vihreät kasvit sieppaavat vain pienen määrän energiaa, vain noin 0,1–0,2 prosenttia; Juuri tämä varmistaa aineiden koko biologisen kierron maan päällä.

Vihreät kasvit keräävät auringonsäteiden energiaa ja varastoivat sen kehoonsa. Eläimet, jotka syövät kasveja, ovat olemassa sen energian ansiosta, joka tuli heidän kehoonsa ruoan mukana, syötyjen kasvien mukana. Petoeläimiä on viime kädessä myös vihreiden kasvien keräämän energian ansiosta, koska ne ruokkivat kasvinsyöjiä.

Siten auringon energia, jota vihreät kasvit käyttivät alun perin fotosynteesiprosessissa, muunnetaan niiden orgaanisten yhdisteiden kemiallisten sidosten potentiaalienergiaksi, joista itse kasvirunko on rakennettu. Kasvin syöneen eläimen kehossa nämä orgaaniset yhdisteet hapettuvat, jolloin vapautuu saman verran energiaa kuin kasvi käytti orgaanisen aineen synteesiin. Osa tästä energiasta käytetään eläimen elämään, ja osa termodynamiikan toisen lain mukaan muunnetaan lämmöksi ja hajoaa avaruuteen.

Viime kädessä vihreän kasvin Auringosta saama energia siirtyy organismista toiseen. Jokaisen tällaisen siirtymän yhteydessä energia muuttuu muodosta (kasvin elämänenergia) toiseen (eläimen, mikro-organismin elämänenergia jne.). Jokaisella tällaisella muutoksella hyödyllisen energian määrä vähenee. Näin ollen, toisin kuin aineiden kierto, joka virtaa suljetussa ympyrässä, energia liikkuu organismista organismiin tiettyyn suuntaan. On olemassa yksisuuntainen energiavirta, ei kiertokulku.

Ei ole vaikea kuvitella, että heti kun aurinko sammuu, kaikki Maan keräämä energia muuttuu vähitellen tietyn ja suhteellisen lyhyen ajan kuluttua lämmöksi ja haihtuu avaruuteen. Aineiden kierto biosfäärissä pysähtyy, kaikki eläimet ja kasvit kuolevat. Aika synkkä kuva... Elämän loppu maan päällä...

Meidän ei kuitenkaan pitäisi hämmentyä tästä päätelmästä. Aurinkohan paistaa vielä useita miljardeja vuosia, eli ainakin niin kauan, kun maapallolla on jo elämää, joka on kehittynyt alkukantaisista elävän aineen möykkyistä nykyihmiseksi. Lisäksi ihminen itse ilmestyi maan päälle vain noin miljoona vuotta sitten. Tänä aikana hän siirtyi kivikirveestä monimutkaisimpiin elektronisiin tietokoneisiin, tunkeutui atomin ja maailmankaikkeuden syvyyksiin,

Energian siirtymiseen muodosta toiseen liittyy hyödyllisen energian määrän väheneminen.Se on mennyt Maan ulkopuolelle ja tutkii menestyksekkäästi ulkoavaruutta.

Ihmisen ulkonäkö ja hänen aivonsa kaltainen erittäin organisoitunut aine oli ja on poikkeuksellisen tärkeä elävien äitien ja koko biosfäärin kehitykselle. Perustamisestaan ​​lähtien ihmiskunta on osana biomassaa ollut täysin riippuvainen ympäristöstä merkittävän ajan. Mutta aivojen ja ajattelun kehittyessä ihminen valloittaa luonnon yhä enemmän, nousee sen yläpuolelle, alistaa sen etujensa alaisuuteen. Jo vuonna 1929 A. P. Pavlov, korostaen ihmisen jatkuvasti kasvavaa roolia maapallon orgaanisen maailman kehityksessä, ehdotti kvaternaarikauden kutsumista "antroposeeniksi" ja sitten V. I. Vernadskiksi uskoen, että ihmiskunta on luomassa uutta, älykästä kuorta. Maa tai pallomieli ehdotti nimeä "noosfääri".

Ihmisen toiminta muuttaa merkittävästi aineiden kiertoa biosfäärissä. Noin 50 miljardia tonnia hiiltä louhittiin ja poltettiin; Louhitaan miljardeja tonneja rautaa ja muita metalleja, öljyä ja turvetta. Ihminen on hallinnut erilaisia ​​energiamuotoja, myös atomienergiaa. Tämän seurauksena maapallolle ilmestyi täysin uusia kemiallisia alkuaineita ja avautui mahdollisuus muuttaa joitain alkuaineita toisiksi, ja suuri määrä radioaktiivista säteilyä pääsi biosfääriin. Ihmisestä on tullut kosmisen järjestyksen suuruus ja mielensä voimalla hän pystyy lähitulevaisuudessa hallitsemaan sellaisia ​​energiamuotoja, joista emme vielä ole tietoisia.

Tieteellisen ja teknologisen kehityksen aikakaudella tieto elämänprosesseista yleensä, kaikkialla planeetalla, saa erityisen tärkeän. Avaruustutkimus on mahdollistanut maapallon katselun ulkopuolelta ja sitä ympäröivien pallojen tutkimisen. Maapallon väestönkasvu edellyttää uusien ruokaresurssien löytämistä. Teollisuuden ja liikenteen haitallinen jäte nostaa esiin elävien organismien lisäksi myös veden ja ilman puhtauden suojelemisen.

Ladata:

Esikatselu:

Maapallon biosfääri ja biomassan ominaisuudet

Tieteellisen ja teknologisen kehityksen aikakaudella tieto elämänprosesseista yleensä, kaikkialla planeetalla, saa erityisen tärkeän. Avaruustutkimus on mahdollistanut maapallon katselun ulkopuolelta ja sitä ympäröivien pallojen tutkimisen. Maapallon väestönkasvu edellyttää uusien ruokaresurssien löytämistä. Teollisuuden ja liikenteen haitallinen jäte nostaa esiin elävien organismien lisäksi myös veden ja ilman puhtauden suojelemisen. Tältä osin on välttämätöntä ymmärtää elävän luonnon rooli maapallon aineiden kierrossa. Tärkeintä on määrittää elävän luonnon merkitys energian kantajana ja muuntajana. On tarpeen tuntea koko planeetan elämän rakenne ja sen kestävyyden perusteet. Edellisillä luokilla opiskellessaan kasveja, eläimiä, ihmisiä ja yleistä biologiaa tutustuit elävään luontoon sen organisaation kaikilla tasoilla: molekyyli-, solu-, organismi-, populaatio-laji- ja biogeosenoottinen. Kun opit tätä aihetta, tutustut planeettamme korkeimpaan elämän organisointitasoon - biosfääriin.

Biosfääri ja sen rajat.Orgaanisen maailman muotojen monimuotoisuuden ja sen kehitysmallien tutkiminen ei ole täydellistä, ellei ymmärrä elävien organismien paikkaa ja roolia yleisesti koko maapallolla.Kaikkien elävien organismien kokonaisuus muodostaa planeetan elävän aineen eli biomassan.

Eliöiden elämä on muuttunut ja muuttaa maankuorta ja ilmakehää. Miljardien vuosien aikana biomassan kasviosa on puhdistanut ilmakehän hiilidioksidista, rikastanut sitä hapella ja johtanut hiilen laskeutumiseen kalkkikiviin, hiileen ja öljyyn. Evoluutioprosessissa maapallolle muodostui erityinen kuori tai pallo, jossa elävät organismit asuivat. Tätä maallista kuorta tai elämän aluetta kutsutaan biosfääri (kreikaksi "bios" - elämä, "pallo" - pallo). Tämän nimen antoi ensimmäisenä J.B. Lamarck. Biosfääriopin loi akateemikko V. I. Vernadsky (1863 - 1945), uuden tieteen - biogeokemian - perustaja, joka yhdistää maapallon kemian elämän kemiaan ja vahvisti elävän aineen roolin maapallon muodonmuutoksessa. maanpinta.

Maapallolla on useita geosfäärejä.

Riisi. 42. Litosfääri (kreikaksi "lithos" - kivi) - maapallon ulompi kova kuori. Se koostuu kahdesta kerroksesta: ylempi - sedimenttikiviä graniitilla ja alempi - basaltti. Kerrokset sijaitsevat epätasaisesti. Graniitti tulee paikoin pintaan.

Kaikki valtameret, meret (niiden kokonaisuutta kutsutaan Maailmanmereksi), jotka muodostavat 70,8 % maapallon pinnasta, sekä järviä ja jokia hydrosfääri . Meren syvyys on keskimäärin 3,8 km, joissakin syvyyksissä jopa 11,034 km.

Se ulottuu jopa 100 km litosfäärin ja hydrosfäärin pinnan yläpuolelle tunnelmaa . Ilmakehän alempaa kerrosta, jonka keskikorkeus on 15 km, kutsutaan troposfääri (Kreikka "trope" - muutos). Troposfääri sisältää ilmassa suspendoituneen vesihöyryn, joka liikkuu, kun maapallon pinta kuumenee epätasaisesti. Troposfäärin yläpuolella on stratosfääri (latinaksi "stratum" - kerros) jopa 100 km korkea. Revontulet näkyvät sen rajalla. Stratosfäärissä 15-35 km korkeudessa auringon säteilyn vaikutuksesta vapaa happi muuttuu otsoniksi (O 2 → O 3 ), joka muodostaa näytön ja heijastaa eläville organismeille haitallista kosmista säteilyä ja osittain Auringon ultraviolettisäteitä.

Maan kaikkien sfäärien joukossa sillä on erityinen paikkabiosfääri - geologinen kuori, jossa elävät organismit. Se kattaa maan pinnan, litosfäärin yläosan, koko hydrosfäärin ja ilmakehän alaosan, troposfäärin. Biosfääri ilmentää elävän aineen: kasvien, eläinten, mikro-organismien ja ihmiskunnan toimintaa. Biosfäärin rajat määräytyvät eri organismien elämälle välttämättömien olosuhteiden mukaan. Biosfäärin elämän ylärajaa rajoittaa ultraviolettisäteiden voimakas pitoisuus; matalampi korkea maan sisälämpötila (yli 100 °C). Vain alemmat organismit - bakteerit - saavuttavat äärimmäiset rajansa. Bakteerien ja sienten itiöt lentävät 20 km:n korkeuteen ja anaerobisia bakteereja löytyy maankuoresta yli 3 km:n syvyydessä öljykenttien vesissä.

Riisi. 43.
Biosfäärin suurin elävän massan pitoisuus havaitaan maan ja valtameren pinnalla, litosfäärin ja ilmakehän, hydrosfäärin ja ilmakehän, hydrosfäärin ja litosfäärin kosketusrajoilla. Näissä paikoissa on suotuisimmat elinolosuhteet - lämpötila, kosteus, happipitoisuus ja organismien ravinnon kannalta tärkeät kemialliset alkuaineet. Ilmakehän ylempiä kerroksia kohti, syvälle valtamereen ja litosfäärin syvyyksiin, elämän keskittyminen vähenee. Biomassan kertymisen määrää viherkasvien elintärkeä toiminta.

Elävän aineen massa on merkityksetön verrattuna maankuoren massaan. Siitä huolimatta monet maankuoren muutokset johtuvat biomassan elintärkeästä toiminnasta.

Elävän aineen ominaisuudet.Biomassan muodostavilla organismeilla on valtava kyky lisääntyä – lisääntyä ja levitä ympäri planeettaa.

Biomassan energia näkyy erityisesti lisääntymisessä. "Elävä aine - kokoelma organismeja - kuin kaasumassa, leviää maan pinnalle ja kohdistaa ympäristöön tietyn paineen, ohittaa sen etenemistä estävät esteet tai ottaa ne haltuunsa peittäen ne. Tämä liike saavutetaaneliöiden lisääntyminen... Jo K. Linnaeus näki selvästi, että tätä ominaisuutta tulisi pitää perustavanlaatuisena eläville olennoille, se ylipääsemätön viiva, joka erottaa sen kuolleesta, inertistä aineesta” (Vernadski).

Joinakin vuosina yksittäisten lajien lisääntyminen leimahtaa niin voimakkaasti, että se johtaa valtavien hyönteisten (heinäsirkat), jyrsijöiden ja muiden eläinten tunkeutumiseen. Eri organismien tilankäyttö määräytyy niiden lisääntymisen intensiteetin mukaan.

Pienet organismit, erityisesti vesiympäristössä, lisääntyvät ja leviävät erittäin nopeasti. Joidenkin bakteerien määrä kaksinkertaistuu 22 minuutin välein. Niveljalkaiset, jotka muodostavat suurimman osan maaeläimistä, lisääntyvät nopeasti.

Organismien, erityisesti yksisoluisten, lisääntyminen ja nopea leviäminen määritti elämän "kaikkialla" (Vernadsky) - biosfäärin äärirajoihin asti.

Elämäntiheys riippuu organismien koosta ja niiden elämään tarvittavasta pinta-alasta. Duckweed- ja chlorellalevälle sen määrää niiden kokoa vastaava pinta-ala. Elefantti tarvitsee 30 km alueen 2 , mehiläinen hunajan keräämiseen – 200 m 2 , ruohomaiset kasvit - keskimäärin 30 cm 2 . Elämän paine saa aikaan taistelun organismien kesken tilasta, ruoasta, ilmasta ja vedestä.

Jokaisen elävän organismin ja kaiken biomassan ominaisuus on jatkuva aineiden vaihto ympäristön kanssa.

Erilaiset alkuaineet tulevat elävään organismiin, kerääntyvät siihen ja poistuvat siitä osittain elämän aikana ja osittain kuoleman jälkeen. Nämä ovat pääasiassa happea, vetyä, hiiltä, ​​natriumia, kalsiumia, fosforia, kaliumia, piitä ja muita - yli 20 alkuainetta. Ravitsemusprosessin aikana energiaa kertyy ja siirtyy muihin eliöihin ravintoketjun ja lisääntymisen kautta. Erityisen tärkeää biosfäärissä on hapen vapautuminen ja hiilidioksidin imeytyminen vihreiden kasvien fotosynteesin aikana.

Biosfäärissä kasvien massa on monta kertaa suurempi kuin eläinten massa. Yleensä biomassa muodostaa vain noin 0,01 % koko biosfäärin massasta, mutta sen rooli planeetalla on valtava.

Keskimäärin maapallon biomassa nykyaikaisten tietojen mukaan on noin 2,423 × 1012 tonnia, vihermaan kasvien massasta 97 %, eläinten ja mikro-organismien massasta 3 %.

Biomassa on termi, jota käytetään kuvaamaan mitä tahansa fotosynteesin kautta syntyvää orgaanista ainetta. Tämä määritelmä kattaa maa- ja vesikasvillisuuden ja pensaat sekä vesikasvit ja mikro-organismit.

Erikoisuudet

Biomassa on eläintoiminnan jäänteitä (lanta), teollisuus- ja maatalousjätteitä. Tämä tuote on teollisesti tärkeä ja sillä on kysyntää energia-alalla. Biomassa on luonnontuote, jonka hiilipitoisuus on niin korkea, että sitä voidaan käyttää vaihtoehtoisena polttoaineena.

Yhdiste

Biomassa on sekoitus vihreitä kasveja, mikro-organismeja ja eläimiä. Sen palauttamiseksi tarvitaan lyhyt aika. Elävien organismien biomassa on ainoa energianlähde, joka voi vapauttaa hiilidioksidia käsittelyn aikana. Sen pääosa on keskittynyt metsiin. Maalla se sisältää vihreitä pensaita ja puita, ja niiden määräksi arvioidaan noin 2 400 miljardia tonnia. Valtamerissä organismien biomassa muodostuu paljon nopeammin, täällä sitä edustavat mikro-organismit ja eläimet.

Tällä hetkellä harkitaan sellaista käsitettä kuin viherkasvien määrän lisääminen. Puumaisen kasvillisuuden osuus on noin kaksi prosenttia. Suurin osa (noin seitsemänkymmentä prosenttia) kokonaiskoostumuksesta koostuu peltoalueista, vihreistä niityistä ja pienestä kasvillisuudesta.

Noin viisitoista prosenttia kokonaisbiomassasta tulee meren kasviplanktonista. Koska sen jakautumisprosessi tapahtuu lyhyessä ajassa, voimme puhua merkittävästä kasvillisuuden vaihdosta maailman valtamerillä. Tutkijat mainitsevat mielenkiintoisia tosiasioita, joiden mukaan kolme päivää riittää valtameren vihreän osan täydelliseen uudistamiseen.

Maalla tämä prosessi kestää noin viisikymmentä vuotta. Joka vuosi tapahtuu fotosynteesiprosessi, jonka ansiosta saadaan noin 150 miljardia tonnia kuivaa orgaanista tuotetta. Maailman valtamerissä muodostuva kokonaisbiomassa on vähäisistä indikaattoreistaan ​​huolimatta verrattavissa maalla muodostuvaan tuotantoon.

Kasvien painon vähäisyys maailman valtamerissä selittyy sillä, että eläimet ja mikro-organismit syövät ne lyhyessä ajassa, mutta kasvillisuus palautuu täällä melko nopeasti.

Subtrooppisia ja trooppisia metsiä pidetään tuottavimpina maan biosfäärin mannerosassa. Valtameren biomassaa edustavat pääasiassa riutat ja suistot.

Tällä hetkellä käytössä olevista bioenergiatekniikoista korostamme: pyrolyysi, kaasutus, käyminen, anaerobinen käyminen, erilaiset polttoaineen poltto.

Biomassan uusiminen

Viime aikoina monissa Euroopan maissa on tehty erilaisia ​​kokeita, jotka liittyvät energiametsien viljelyyn, josta saadaan biomassaa. Sanan merkitys on erityisen ajankohtainen nykyään, jolloin ympäristöasioihin kiinnitetään erityistä huomiota. Biomassan hankintaprosessiin sekä kotitalouksien kiinteän jätteen, puumassan ja maatalouskattiloiden teolliseen käsittelyyn liittyy turbiinia käyttävän höyryn vapautuminen. Ympäristön kannalta se on täysin turvallinen ympäristölle.

Tämän ansiosta havaitaan generaattorin roottorin pyöriminen, joka pystyy tuottamaan sähköenergiaa. Vähitellen tuhkaa kertyy, mikä vähentää sähköntuotannon tehokkuutta, joten se poistetaan ajoittain reaktioseoksesta.

Nopeasti kasvavia puita kasvatetaan valtavilla koeviljelmillä: akaasiat, poppelit, eukalyptus. Noin kaksikymmentä kasvilajia on testattu.

Yhdistelmäviljelmiä, joissa kasvatetaan puiden lisäksi muita kasveja, pidettiin mielenkiintoisena vaihtoehtona. Esimerkiksi ohraa istutetaan poppelirivien väliin. Syntyneen energiametsän kiertoaika on kuudesta seitsemään vuotta.

Biomassan käsittely

Jatketaan keskustelua siitä, mitä biomassa on. Eri tutkijat ovat antaneet tämän termin määritelmän, mutta he ovat kaikki vakuuttuneita siitä, että vihreät kasvit ovat lupaava vaihtoehto vaihtoehtoisen polttoaineen hankkimiseen.

Ensinnäkin on huomattava, että kaasutuksen päätuote on hiilivety - metaani. Sitä voidaan käyttää kemianteollisuuden raaka-aineena ja myös tehokkaana polttoaineena.

Pyrolyysi

Nopea pyrolyysi (aineiden lämpöhajoaminen) tuottaa bioöljyä, joka on syttyvä polttoaine. Tässä tapauksessa vapautuva lämpöenergia käytetään vihreän biomassan muuntamiseen kemiallisesti synteettiseksi öljyksi. Se on paljon helpompi kuljettaa ja varastoida kuin kiinteät materiaalit. Seuraavaksi bioöljy poltetaan sähköenergian tuottamiseksi. Pyrolyysin avulla biomassaa voidaan muuttaa fenoliöljyksi, jota käytetään puuliiman, eristysvaahdon ja ruiskuvalumuovien valmistukseen.

Anaerobinen käyminen

Tämä prosessi tapahtuu anaerobisten bakteerien ansiosta. Mikro-organismit elävät paikoissa, joissa happea ei ole saatavilla. Ne kuluttavat orgaanista ainetta ja tuottavat vetyä ja metaania reaktion aikana. Syöttämällä lantaa ja jätevettä erityisiin keittimiin, viemällä niihin anaerobisia mikro-organismeja, tuloksena olevaa kaasua voidaan käyttää polttoaineen lähteenä.

Bakteerit pystyvät hajottamaan kaatopaikoilla ja ruokajätteissä olevia orgaanisia aineita ja tuottamaan metaania. Kaasun poistamiseksi ja sen käyttämiseksi polttoaineena voidaan käyttää erikoisasennuksia.

Johtopäätös

Biopolttoaineet eivät ole vain erinomainen energianlähde, vaan myös tapa erottaa arvokkaita kemikaaleja. Siten metaanin kemiallisen käsittelyn aikana voidaan saada erilaisia ​​orgaanisia yhdisteitä: metanolia, etanolia, asetaldehydiä, etikkahappoa ja polymeerimateriaaleja. Esimerkiksi etanoli on arvokas aine, jota käytetään eri teollisuudenaloilla.

Biologit tekivät kvantitatiivisen analyysin biomassan maailmanlaajuisesta jakautumisesta maapallolla, joka oli yhteensä 550 miljardia tonnia hiiltä. Kävi ilmi, että yli 80 prosenttia tästä määrästä tulee kasveista, maaeliöiden kokonaisbiomassa on noin kaksi suuruusluokkaa suurempi kuin meren eliöiden ja ihmisten osuus on noin 0,01 prosenttia, tutkijat kirjoittavat Proceedings of the National Academy of Sciences.

Kvantitatiivinen tieto kaikkien maapallon elävien organismien kokonaisbiomassasta ja sen jakautumisesta yksittäisten lajien välillä on tärkeää tietoa nykyajan biologialle ja ekologialle: sen avulla voidaan tutkia koko biosfäärin yleistä dynamiikkaa ja kehitystä, sen reagointia tapahtuviin ilmastoprosesseihin. planeetalla. Sekä biomassan alueellinen jakautuminen (maantieteellisesti, syvyyden ja lajien elinympäristöjen mukaan) että sen jakautuminen eri elävien organismilajien kesken voivat toimia tärkeänä indikaattorina arvioitaessa hiilen ja muiden alkuaineiden kulkeutumisreittejä sekä ekologisia vuorovaikutuksia tai ravintoverkkoja. Tähän mennessä on kuitenkin tehty kvantitatiivisia arvioita biomassan jakautumisesta joko yksittäisille taksoneille tai joidenkin ekosysteemien sisällä, eikä koko biosfääristä ole vielä tehty luotettavia arvioita.

Tällaisten tietojen saamiseksi ryhmä Israelista ja Yhdysvalloista peräisin olevia tutkijoita, jota johti Ron Milo Weizmann-instituutista, suoritti eräänlaisen laskennan kaikista eläinlajeista arvioiden niiden biomassaa ja maantieteellistä levinneisyyttä. Tiedemiehet keräsivät kaikki tiedot useista sadoista ajankohtaisista tieteellisistä artikkeleista ja käsittelivät sitten nämä tiedot kehitetyllä integraatiojärjestelmällä, jossa otetaan huomioon lajien maantieteellinen jakautuminen. Eri lajeihin kuuluvan biomassan kvantitatiivisena indikaattorina tutkijat käyttivät tietoa eri taksoneihin putoavan hiilen massasta (eli esimerkiksi veden massaa ei otettu huomioon). Nyt kaikki saadut tulokset sekä analyysiin käytetyt ohjelmat ovat julkisesti saatavilla ja löytyvät githubista.

Kaaviokaavio tietojen saamiseksi biomassan maailmanlaajuisesta jakautumisesta saatavilla olevien epätäydellisten tietojen perusteella, ottaen huomioon ympäristöparametrien maantieteellinen jakautuminen

Y. M. Bar-On et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018

Saatujen tietojen analyysi osoitti, että kaikkien maapallon elävien organismien kokonaisbiomassa on noin 550 miljardia tonnia hiiltä. Samaan aikaan suurimman osan siitä sisältävät kasvikunnan edustajat: 450 gigatonnia hiiltä on yli 80 prosenttia kokonaismäärästä. Bakteerit ovat toisella sijalla: noin 70 miljardia tonnia hiiltä, ​​kun taas eläimet (2 miljardia tonnia) ovat myös toisella sijalla sienten (12 miljardia tonnia), arkkien (7 miljardia tonnia) ja alkueläimet (4 miljardia tonnia) jälkeen. Eläimistä niveljalkaisilla on suurin biomassa (1 miljardi tonnia) ja esimerkiksi lajin kokonaisbiomassa Homo sapiens on 0,06 miljardia tonnia hiiltä - se on noin 0,01 prosenttia kaikesta maapallon biomassasta.

Biomassan jakautuminen eri valtakuntien edustajien kesken (vasemmalla) ja eläinkunnan sisällä (oikealla)

Y. M. Bar-On et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018

Biomassan jakautuminen eri elinympäristöjen välillä: yhteensä kaikille eläville organismeille (vas.) ja erikseen eri valtakuntien edustajille (oikealla)

Y. M. Bar-On et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018

Mielenkiintoista on, että suurin osa biomassan kannalta tärkeimpien valtakuntien edustajista elää eri elinympäristöissä. Siten suurin osa kasveista on maanpäällisiä lajeja. Suurin osa eläinten biomassasta elää merissä ja valtamerissä, ja esimerkiksi suurin osa bakteereista ja arkeista löytyy syvältä maan alla. Lisäksi maaeliöiden kokonaisbiomassa on noin kaksi suuruusluokkaa suurempi kuin meren eliöiden, jotka tutkimuksen tekijöiden mukaan muodostavat vain 6 miljardia tonnia hiiltä.

Tutkijat huomauttavat, että tarkkojen tietojen puutteen vuoksi saadut tiedot lasketaan erittäin suurilla epävarmuustekijöillä. Voimme siis luotettavasti arvioida vain maapallon kasvien biomassaa, mutta bakteerien ja arkkien osalta saadut tiedot voivat poiketa todellisista kertoimella 10. Kaikkien maapallon elävien organismien kokonaisbiomassaa koskevien tietojen epävarmuus ei kuitenkaan ylitä 70 prosenttia.

Työn tekijöiden mukaan heidän tulokset perustuvat nykyisen tieteellisen tutkimuksen tietoihin, joten niitä voidaan käyttää nykyaikaisissa ympäristö- ja biologisissa arvioinneissa melko suuresta virheestä huolimatta. Tutkijat huomauttavat myös, että tietoja analysoidessaan he pystyivät tunnistamaan ne maantieteelliset alueet, joista on tällä hetkellä hyvin vähän tietoa ja lisätutkimusta tarvitaan. Tutkijat toivovat, että jatkossa tarkennettu data mahdollistaa vastaavien analyysien tekemisen riittävällä maantieteellisellä resoluutiolla, mutta myös tällaisten jakaumien muutosten dynamiikan seuraamisen ajan myötä.

Viime aikoina tutkijat ovat jakaneet biomassaa pienempiin järjestelmiin tarkastelemalla suuria metsiä eri puolilla maapalloa. Kävi ilmi, että yli puolet metsän kokonaisbiomassasta tulee vain yhdestä prosentista suurimmista puista, joista suurin osa on halkaisijaltaan yli 60 senttimetriä. Samaan aikaan joidenkin eläinlajien osalta tietyillä maantieteellisillä alueilla on jo mahdollista tehdä dynaaminen analyysi. Esimerkiksi viime vuonna eurooppalaiset ekologit tutkivat lentävien hyönteisten biomassaa Saksan kansallispuistoissa ja havaitsivat, että 27 vuoden aikana se oli laskenut 76 prosenttia.

Aleksanteri Dubov