Роль живых организмов в развитии атмосферы, гидросферы и литосферы

Одной из наиглавнейших особенностей планеты Земля является существование на ней жизни. Этим она отличается от всех своих соседок по Солнечной системе. Область существования живых организмов на Земле называют биосферой (сферой жизни). Впервые этот термин ввел австрийский геолог Э. Зюсс в 1875 г., но распространился он после издания в 1926 г. трудов выдающегося ученого В. Вернадского.

Живые существа (растения, животные, микроорганизмы) существуют на поверхности Земли, в ее атмосфере, гидросфере и верхней части литосферы, в целом образуя пленку жизни (сферу) на нашей планете. Верхняя граница биосферы простирается на 85 км над поверхностью Земли. На таких высотах (в стратосфере) во время запусков геофизических ракет в пробах воздуха были обнаружены споры микроорганизмов, правда, в латентном (спящем) виде из за слишком неблагоприятных условий существования. Нижняя граница биосферы достигает глубин литосферы, где температура составляет больше 10000С (в молодых складчатых областях – это приблизительно 1.5 – 2 км и на кристаллических щитах – 7-8 км). Приспосабливаемость живых организмов удивляет. Так, живые бактерииобнаружены в горячих гейзерных источниках с температурой до 980оС, активная и довольно разнообразная жизнь бурлит в трещинах антарктических ледников и на наибольших глубинах Мирового океана, даже в океанических водах пораженных сероводородом, также существуют специфические серные бактерии.

Живые организмы не только приспосабливаются к условиям внешней среды, но и активно их меняют. В. Вернадский доказал, что живые организмы играют очень важную роль в геологических процессах, которые формируют лицо Земли. Химический состав современных атмосферы и гидросферы обусловлен жизнедеятельностью организмов. Большое значение имеют организмы для формирования литосферы – большинство пород, и не только осадочных, а и таких как граниты, так или иначе связаны своим происхождением с биосферой. «Если бы на Земле не было жизни, - писал ученый, - лицо ее было бы таким же неизменным и химически инертным, как недвижимое лицо Луны, как инертные обломки небесных светил».

Согласно последним оценкам, сухая масса живого вещества на Земле составляет 2-3 триллиона тонн. Это сравнительно малая величина, в 10 млн раз меньше массы земной коры и в миллиард - массы Земли. Однако живое вещество отличается от неживого очень высокой активностью, в частности, очень быстрым круговоротом веществ. Все живое вещество атмосферы обновляется в среднем за восемь лет. Биомасса мирового океана восстановляется за 33 дня, его фитомасса каждый день, фитомасса суши – приблизительно за 14 лет. Следует учесть, что жизнедеятельность животных, растений и микроорганизмов сопровождается непрерывным обменом веществ между организмами и средой, в следствие чего все химические элементы земной коры, атмосферы и гидросферы многоразово входили в состав тех или иных организмов. Подсчитано, что вся вода планеты проходит цикл расщепления в растительных клетках и восстановления в растительных и животных организмах, то есть обновляется биосферой приблизительно за 2 млн. лет. Образно выражаясь, мы дышим воздухом, которым дышали динозавры, и пьем воду, которая входила в состав тканей юрских папоротников.

Живые организмы играют огромную роль в аккумуляции солнечной энергии. Например, залежи каменного угля – это не что иное, как солнечная энергия, накопленная зелеными растениями минувших геологических эпох. Так же можно определить и природу многих минералов, в частности карбоната кальция, который образует огромные массы известняков и почти на 100% имеет биогенное происхождение. Важную роль живые организмы играют в накоплении многих металлов, таких как железо, медь, марганец. Большое значение для биосферы и хозяйственной деятельности человека имеет круговорот азота, серы, фосфора и других элементов. Установлено что любой растворимый, но не летучий элемент может совершать круговорот только через биосферу. Живые организмы накапливают некоторые элементы в своих тканях, а водные жители, кроме того, увеличивают их содержание и в своей среде жизни, то есть в воде (например, такие элементы, как молибден, кобальт, никель находятся в водной среде в значительно большем количестве, нежели на суше).

Очевидно, что за миллиарды лет геологической истории жизнь неузнаваемо изменила внешние оболочки нашей планеты.

Роль живого вещества в атмосфере. Земная атмосфера, по словам В.И. Вернадского – это «создание жизни». Весь свободный кислород в современной атмосфере имеет биогенное происхождение. В настоящее время это положение оспаривается. Кислород выделяется из пород литосферы в процессе происходящих в них геохимических процессов. Его содержится 2,8·10¹⁴ т. Последние 200 млн. лет, содержание кислорода в воздухе остается постоянным за счет фотосинтеза растений. Появление кислорода изменило многие свойства Земли. Озоновый слой стал задерживать ультрафиолетовые лучи, губительные для живых организмов. Усилились процессы выветривания пород, так как кислород – сильный окислитель. При отсутствии его в атмосфере состав литосферы на Земле был совершенно иным. Так, железистые кварциты КМА, а также железорудные месторождения Сибири образовывались в докембрийское время. Это закисные формы железа, которые формируются при малом количестве кислорода. В последующие геологические эпохи таких скоплений железных руд на Земле не было. В атмосфере появился кислород и стали образовываться окисные формы железа, которые более подвижны и крупных месторождений создавать не могут.

Азот атмосферы усваивается растениями, а животные получают его из растительной пищи. Но главная роль в фиксации азота принадлежит почвенным бактериям. Его содержание в атмосфере составляет 3,8·10¹⁵ т. Возвращается в атмосферу азот благодаря деятельности других бактерий – денитрификаторов. Без них большая часть атмосферного азота оказалась бы в связанном состоянии в океане и в осадочных горных породах.

Углерод. За время существования на Земле фотосинтезирующих организмов их атмосферы в земную кору перешло большое количество углерода. В современной атмосфере его содержится 7·10¹¹ т. Баланс углерода связан с деятельностью организма, поглощающих и выделяющих углекислый газ. Однако этот баланс местами нарушается хозяйственной деятельностью организма и выбросами в окружающую среду больших объемов углерода.

Таким образом, современная атмосфера – это продукт жизнедеятельности организмов, в том числе человека, определяющих, регулирующих и изменяющих ее состав.

Роль живого вещества в гидросфере. Так же сильно действует живое вещество на гидросферу. Организмы непрерывно потребляют и выделяют воду. Особенно интенсивен процесс транспирации, то есть испарения влаги растениями. Так, лесная растительность Земли ежегодно испаряет 50 млн. км³ воды. Газовый и солевой состав вод суши и океана во многом зависит от организмов, живущих в воде, а также на площади водосборных бассейнов. За счет них в воду поступают: углекислый газ, гуминовые вещества, соединения серы, фосфора, азота и др. элементы. В результате вода становится химически активной, то есть повышается ее способность растворять химический соединения. Микроорганизмы, живущие на дне озер и морей, а также в подземных водах, способны отнимать кислород у сульфатов, нитратов, марганца, гидроокислов железа, что приводит к образованию сероводородных вод и вод, содержащих метан.

Роль живого вещества в литосфере. Воздействие живого вещества на литосферу проявляется:

1. В разрушении горных пород;

2. В образовании особых, органогенных пород.

Процесс выветривания горных пород происходит при непосредственном участии организмов, действующих на них как механически, то есть корневой системой, так и химически – продуктами своей жизнедеятельности. Органогенными породами являются известняки, мела и большинство кремниевых пород, то есть трепела и опоки. Например, мел на юге Воронежской области состоит из раковин фораминифер. Они очень мелкие и видны лишь под микроскопом. Органическое происхождение имеют также известняки, состоящие из остатков кораллов и моллюсков, которые строили свои организмы из карбонатов. В нашем регионе в девонское время отмечался рассвет жизни таких организмов. В результате образовались мощные толщи (до 700) известняков в Курской, Орловской, Липецкой, Тамбовской областях и на севере Воронежской области.

Органогенными также являются: торф, бурый и каменный угли, горючие сланцы, нефть и газ. Запасы органического вещества в земной коре – огромны. Они во много раз превосходят объем живого вещества. Так, запасы углерода, заключенного в горючих ископаемых составляет, в среднем, 200 т/га земной поверхности. В осадочных породах содержится 2·10¹⁶ т. органического углерода. Все породы органогенного происхождения занимают 1/3 поверхности суши. Деятельность организмов на Земле привела к изменению химического состава воды, так как огромное количество CaCO₃ было выведено из состава гидросферы. Как видно, живые организмы являются очень мощной геохимической силой на нашей планете. Вернадский писал: «убери живое вещество на Земле, наступило бы химическое однообразие, однотонность и очень бы медленно протекали на ней все процессы».