Биологические ресурсы мирового океана. Биомасса мирового океана и ее состав, химические функции живого вещества В мировом океане биомасса животных
Мировой океан занимает более 2 / 3 поверхности планеты. Физические свойства и химический состав вод океана предоставляет благоприятную среду для жизни. Так же, как на суше, в океане плотность жизни в экваториальной зоне наиболее высока и снижается по мере удаления от нее.
Состав
В верхнем слое, на глубине до 100м, обитают одноклеточные водоросли, составляющие планктон. Общая первичная продуктивность фитопланктона Мирового океана составляет 50 млрд. т. в год (около 1 / 3 всей первичной продуктивности биосферы).
Почти все цепи питания в океане начинаются фитопланктоном, которым питаются животные зоопланктона (например, рачки). Рачки служат пищей многим видам рыб и усатым китам. Рыб поедают птицы. Крупные водоросли растут преимущественно в прибрежной части океанов, и морей. Наиболее высокая концентрация жизни - в коралловых рифах.
Океан гораздо бедней жизнью, чем суша: биомасса мирового океана в 1000 раз меньше. Большинство образовавшейся биомассы - одноклеточные водоросли и другие обитатели океана - отмирают, падают на дно и органическое вещество их разрушается редуцентами. Лишь около 0,01% из первичной продуктивности Мирового океана доходит через длинную цепь трофических уровней до человека в виде пищи и химической энергии.
На дне океана, в результате жизнедеятельности организмов, формируются осадочные породы: мел, известняки, диатомит и другие.
Химические функции живого вещества
Вернадский отмечал, что на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Живое вещество выполняет следующие химические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.
Окислительно-восстановительная
Эта функция выражается в окислении веществ в процессе жизнедеятельности организмов. В почве и гидросфере образуются соли, окислы. С деятельностью бактерий связано формирование известняков, железных, марганцевых и медных руд и т. д.
Газовая функция
Осуществляется зелеными растениями в процессе фотосинтеза, пополняющими атмосферу кислородом, а также всеми растениями и животными, выделяющими углекислый газ в процессе дыхания. Круговорот азота связан с деятельностью бактерий.
Концентрационная
Связана с накоплением в живом веществе химических элементов (углерода, водорода, азота, кислорода, кальция, калия, кремния, фосфора, магния, серы, хлора, натрия, алюминия, железа).
Отдельные виды являются специфическими концентраторами некоторых элементов: ряд морских водорослей - йода, лютики - лития, ряска - радия, диатомовые водоросли и злаки - кремния, моллюски и ракообразные - меди, позвоночные - железа, бактерии - марганца.
Биохимическая функция
Эта функция осуществляется в процессе обмена веществ в живых организмах (питание, дыхание, выделение), а также разрушения, деструкции отмерших организмов и продуктов их жизнедеятельности. Эти процессы приводят к круговороту веществ в природе, биогенной миграции атомов.
Урок 2. Биомасса биосферы
Анализ зачетной работы и выставление оценок (5-7 мин).
Устное повторение и компьютерное тестирование (13 мин).
Биомасса суши
Биомасса биосферы составляет примерно 0,01% от массы косного вещества биосферы, причем около 99% процентов биомассы приходится на долю растений, на долю консументов и редуцентов - около 1%. На континентах преобладают растения (99,2%), в океане - животные (93,7%)
Биомасса суши гораздо больше биомассы мирового океана, она составляет почти 99,9%. Это объясняется большей продолжительностью жизни и массой продуцентов на поверхности Земли. У наземных растений использование солнечной энергии для фотосинтеза достигает 0,1%, а в океане - только 0,04%.
Биомасса различных участков поверхности Земли зависит от климатических условий - температуры, количества выпадаемых осадков. Суровые климатические условия тундры - низкие температуры, вечная мерзлота, короткое холодное лето сформировали своеобразные растительные сообщества с небольшой биомассой. Растительность тундры представлена лишайниками, мхами, стелющимися карликовыми формами деревьев, травянистой растительностью, выдерживающей такие экстремальные условия. Биомасса тайги, затем смешанных и широколиственных лесов постепенно увеличивается. Зона степей сменяется субтропической и тропической растительностью, где условия для жизни наиболее благоприятны, биомасса максимальна.
В верхнем слое почвы наиболее благоприятный водный, температурный, газовый режим для жизнедеятельности. Растительный покров обеспечивает органическим веществом всех обитателей почвы - животных (позвоночных и беспозвоночных), грибы и огромное количество бактерий. Бактерии и грибы - редуценты, они играют значительную роль в круговороте веществ биосферы, минерализуя органические вещества. "Великие могильщики природы" - так назвал бактерии Л.Пастер.
Биомасса мирового океана
Гидросфера "водная оболочка" образована Мировым океаном, который занимает около 71% поверхности земного шара, и водоемами суши - реками, озерами - около 5%. Много воды находится в подземных водах и ледниках. В связи с высокой плотностью воды, живые организмы могут нормально существовать не только на дне, но и в толще воды, и на ее поверхности. Поэтому гидросфера заселена по всей толщине, живые организмы представлены бентосом , планктоном и нектоном .
Бентосные организмы (от греч. benthos - глубина) ведут придонный образ жизни, живут на грунте и в грунте. Фитобентос образован различными растениями - зелеными, бурыми, красными водорослями, которые произрастают на различных глубинах: на небольшой глубине зеленые, затем бурые, глубже - красные водоросли которые встречаются на глубине до 200 м. Зообентос представлен животными - моллюсками, червями, членистоногими и др. Многие приспособились к жизни даже на глубине более 11 км.
Планктонные организмы (от греч. planktos - блуждающий) - обитатели толщи воды, они не способны самостоятельно передвигаться на большие расстояния, представлены фитопланктоном и зоопланктоном. К фитопланктону относятся одноклеточные водоросли, цианобактерии, которые находятся в морских водоемах до глубины 100 м и являются основным продуцентом органических веществ - у них необычайно высокая скорость размножения. Зоопланктон - это морские простейшие, кишечнополостные, мелкие ракообразные. Для этих организмов характерны вертикальные суточные миграции, они являются основной пищевой базой для крупных животных - рыб, усатых китов.
Нектонные организмы (от греч. nektos - плавающий) - обитатели водной среды, способные активно передвигаться в толще воды, преодолевая большие расстояния. Это рыбы, кальмары, китообразные, ластоногие и другие животные.
Письменная работа с карточками:
1. Сравните биомассу продуцентов и консументов на суше и в океане.
2. Как распределена биомасса в Мировом океане?
3. Охарактеризуйте биомассу суши.
4. Дайте определение терминам или раскройте понятия: нектон; фитопланктон; зоопланктон; фитобентос; зообентос; процент биомассы Земли от массы косного вещества биосферы; процент биомассы растений от общей биомассы наземных организмов; процент биомассы растений от общей биомассы водных организмов.
Карточка у доски:
1. Какой процент биомассы Земли от массы косного вещества биосферы?
2. Какой процент от биомассы Земли приходится на долю растений?
3. Какой процент от общей биомассы наземных организмов составляет биомасса растений?
4. Какой процент от общей биомассы водных организмов составляет биомасса растений?
5. Какой % солнечной энергии используется для фотосинтеза на суше?
6. Какой % солнечной энергии используется для фотосинтеза в океане?
7. Как называются организмы, населяющие толщу воды и переносимые морскими течениями?
8. Как называются организмы, населяющие грунт океана?
9. Как называются организмы, активно передвигающимися в толще воды?
Тест 1 . Биомасса биосферы от массы косного вещества биосферы составляет:
Тест 2 . На долю растений от биомассы Земли приходится:
Тест 3 . Биомасса растений на суше по сравнению с биомассой наземных гетеротрофов:
2. Составляет 60%.
3. Составляет 50%.
Тест 4 . Биомасса растений в океане по сравнению с биомассой водных гетеротрофов:
1. Преобладает и составляет 99,2%.
2. Составляет 60%.
3. Составляет 50%.
4. Меньше биомассы гетеротрофов и составляет 6,3%.
Тест 5 . Использование солнечной энергии для фотосинтеза на суше в среднем составляет:
Тест 6 . Использование солнечной энергии для фотосинтеза в океане в среднем составляет:
Тест 7 . Бентос океана представлен:
Тест 8 . Нектон океана представлен:
1. Активно передвигающимися в толще воды животными.
2. Организмами, населяющими толщу воды и переносимыми морскими течениями.
3. Организмами, живущими на грунте и в грунте.
4. Организмами, живущими на поверхностной пленке воды.
Тест 9 . Планктон океана представлен:
1. Активно передвигающимися в толще воды животными.
2. Организмами, населяющими толщу воды и переносимыми морскими течениями.
3. Организмами, живущими на грунте и в грунте.
4. Организмами, живущими на поверхностной пленке воды.
Тест 10 . От поверхности вглубь водоросли произрастают в следующем порядке:
1. Неглубоко бурые, глубже зеленые, глубже красные до - 200 м.
2. Неглубоко красные, глубже бурые, глубже зеленые до - 200 м.
3. Неглубоко зеленые, глубже красные, глубже бурые до - 200 м.
4. Неглубоко зеленые, глубже бурые, глубже красные - до 200 м.
Фитопланктон, связывая в процессе фотосинтеза CO 2 и образуя органическое вещество, дает начало всем пищевым цепям в океане. Анализ множества данных о количестве фитопланктона в разных районах Мирового океана (с конца XIX века рассчитанных по имеющимся оценкам прозрачности, а с начала 1980-х годов получаемых дистанционно, с космических аппаратов) показывает, что биомасса его за последнее столетие снижалась со скоростью около 1% в год. Наиболее заметное снижение отмечено для центральных олиготрофных районов океана. Хотя эти районы отличаются очень низкой продуктивностью, они занимают огромную площадь, и потому суммарный их вклад в продукцию и в биомассу фитопланктона океана оказывается весьма существенным. Наиболее вероятная причина снижения биомассы - повышение температуры поверхностного слоя океана, ведущее к уменьшению глубины перемешивания и сокращению поступления из нижележащих слоев элементов минерального питания.
Примерно половина всей первичной продукции нашей планеты (то есть органического вещества, образуемого зелеными растениями и другими фотосинтезирующими организмами) приходится на океан. Основные продуценты океана - это взвешенные в верхних слоях водной толщи микроскопические водоросли и цианобактерии (то, что в совокупности и называют фитопланктоном). Широкомасштабное количественное изучение продукции и биомассы фитопланктона Мирового океана развернулось в 1960-70-х годах. Исследователи (в том числе из Института океанологии Академии наук СССР) опирались тогда на метод, в основе которого - поглощение фитопланктоном радиоактивного изотопа углерода 14 C. Изотопом была помечена двуокись углерода CO 2 , добавляемая в пробы воды с фитопланктоном, поднятые на борт судна. В результате этих работ были построены карты распределения фитопланктона по всей акватории Мирового океана (см., например: Koblentz-Mishke et al., 1970). В центральных, занимающих большую площадь, областях океана биомасса фитопланктона и его продукция очень низкие. Высокие значения биомассы и продукции приурочены к прибрежьям и районам апвеллингов (см.: Upwelling), где к поверхности поднимаются глубинные воды, богатые элементами минерального питания. Прежде всего это фосфор и азот, недостаток которых как раз и ограничивает рост фитопланктона на большей части океанической акватории.
Новый этап в количественном изучении распределения фитопланктона Мирового океана начался в самом конце 1970-х годов, после появления дистанционных (со спутников) методов зондирования поверхностных вод и определения содержания в них хлорофилла. Хотя до аппаратов, находящихся у верхней границе атмосферы, доходит не более 10% фотонов света, который отражается от воды и несет информацию об ее цветности, этого достаточно, чтобы рассчитать количество хлорофилла, а соответственно, и биомассу фитопланктона (рис. 1). По величинам биомассы можно судить и о продукции фитопланктона, что проверено в ходе специальных исследований, сопоставляющих спутниковые данные с результатами оценок продукции, полученных экспериментально in situ на научно-исследовательских судах. Конечно, разные аппараты дают несколько разные данные, но общая картина пространственного распределения фитопланктона и его динамики (сезонной и межгодовой) получается очень подробной. Достаточно сказать, что аппарат Sea WiFS (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor - Широкополосный обозреватель моря) сканирует весь мировой океана за два дня.
Накопленный за последние 30 лет огромный массив данных позволил выявить определенные периодические колебания биомассы фитопланктона, в частности связанные с Эль-Ниньо , или, точнее, с «Южной Осцилляцией» (El Niño-Southern Oscillation). Анализируя эти материалы, исследователи высказывали предположение о существовании и более долговременных изменений биомассы фитопланктона, но их трудно было выявить из-за нехватки данных за период, предшествующий спутниковым измерениям. Попытку хотя бы частично разрешить эту задачу предприняли недавно специалисты из канадского университета Далхаузи в Галифаксе (Dalhousie University , Halifax, Nova Scotia). Судить о биомассе фитопланктона 50 и даже 100 лет назад можно по оценкам прозрачности - величины, регулярно измеряемой в научно-исследовательских экспедициях начиная с конца XIX века.
Инструмент для измерения прозрачности воды, крайне простой, но оказавшийся очень полезным, был придуман еще 1865 году итальянским астрономом (а заодно и священником) Анджело Секки (Pietro Angelo Secchi), которому было поручено составить карту прозрачности Средиземного моря для папского флота. Прибор, получивший название «диск Секки» (см. рис. 2), представляет собой белый металлический диск диаметром 20 или 30 см, который опускается в воду на размеченной веревке. Глубина, на которой наблюдатель перестает видеть диск, - это и есть прозрачность по Секки. Поскольку основная часть взвеси, влияющая на прозрачность воды, приходится на фитопланктон, то любые изменения величины прозрачности. как правило, хорошо отражают изменения количества фитопланктона.
Опираясь на стандартизированные оценки прозрачности, доступные с 1899 года, и на результаты недавнего сопоставления величины прозрачности с концентрацией хлорофилла, исследователи получили, во-первых, картину распределения биомассы фитопланктона в Мировом океане (рис. 3), а во-вторых, изменение биомассы фитопланктона за столетний период (рис. 4). Всего в их распоряжении были результаты более 455 тысяч измерений, охватывающих период с 1899-го по 2008 год. При этом данные, относящиеся непосредственно к прибрежной зоне (менее 1 км от берега и на глубинах менее 25 м), сознательно не включались в выборку, так как в таких местах очень заметно влияние стоков с берега. Больше всего измерений было сделано уже после 1930 года в северных областях Атлантического и Тихого океанов. Основной вывод, к которому приходят авторы, - это постепенное снижение общей биомассы фитопланктона за последнее столетие со средней скоростью около 1% в год.
Для оценки локальных тенденций вся акватория Мирового океана была разбита решеткой с ячейками размером 10° × 10°, и все величины рассчитывались как средние на ячейку. Снижение биомассы фитопланктона было отмечено в 59% ячеек, для которых имелись достаточно надежные данные. Больше всего таких ячеек в высоких широтах (более 60° по широте). Однако для некоторых районов океана отмечено повышение биомассы - в частности, в восточной части Тихого океана, а также в северных и южных районах Индийского океана. Центральные олиготрофные области океанов фактически расширили занимаемые акватории, а в этих областях, несмотря на низкую продуктивность, образуется сейчас в целом около 75% всей первичной продукции Мирового океана.
Чтобы представить себе изменения на уровне крупных регионов, вся акватория океана была разбита на 10 областей (рис. 5): Арктику, Северную, Экваториальную и Южную Атлантику, северную и южную части Индийского океана, Северную, Экваториальную и Южную Пацифику, а также Южный океан. Анализ усредненных данных по этим крупным регионам показал, что достоверное увеличение отмечено только для южной части Индийского океана и статистически недостоверное - для северной части Индийского океана. Для всех остальных регионов отмечено значимое сокращение биомассы фитопланктона.
Обсуждая возможные причины наблюдаемых изменений, авторы обращают внимание прежде всего на повышение температуры поверхностного слоя водной толщи. Оно охватило почти весь океан и привело к уменьшению толщины перемешиваемого слоя. Соответственно, сокращается приток элементов минерального питания (прежде всего фосфатов и нитратов) из нижележащих слоев. Однако авторы признают, что подобное объяснение не подходит для высоких широт. Там потепление верхнего слоя должно способствовать повышению, а не понижению продукции и биомассы фитопланктона. Очевидно, что механизмы, определяющие крупномасштабные изменения биомассы фитопланктона, нуждаются в дополнительном изучении.
Минимальной биомассой обладают глубоководные котловины и глубоководные желоба. Из-за затрудненного водообмена здесь возникают застойные области, а питательные вещества содержатся в минимальных количествах.
От экваториальной зоны к полярным видовое разнообразие жизни уменьшается в 20 - 40 раз, но общая биомасса возрастает примерно в 50 раз. Более холодноводные организмы плодовитее, жирнее. На два-три вида приходится 80 - 90% биомассы планктона.
Тропические части Мирового океана малопродуктивны, хотя в планктоне и в бентосе видовое разнообразие очень велико. В масштабе планеты тропическая зона Мирового океана скорее всего представляет собой музей, а не кормообильный сектор.
Меридиональная симметрия относительно плоскости, проходящей через середины океанов, проявляется в том, что центральные зоны океанов заняты особым пелагическим биоценозом; к западу и к востоку по направлению к берегам расположены неритические зоны сгущения жизни. Здесь биомасса планктона в сотни, а бентоса в тысячи раз больше, чем в центральной зоне. Меридиональная симметрия нарушается действием течений и «апвелинга».
Потенциал мирового океана
Мировой океан - самый обширный биотоп планеты. Однако по видовому разнообразию он значительно уступает суше: лишь 180 тысяч видов животных и около 20 тысяч видов растений. Следует помнить, что из 66 классов свободно живущих организмов только четыре класса позвоночных (амфибии, рептилии, птицы и ) и четыре класса членистоногих (первичнотрахейные, паукообразные, многоножки и насекомые) развились вне моря.
Общая биомасса организмов Мирового океана достигает 36 миллиардов тонн, а первичная продуктивность (в основном за счет одноклеточных водорослей) - сотни миллиардов тонн органического вещества в год.
Дефицит продуктов: питания заставляет обратиться к Мировому океану. В последние 20 лет значительно увеличился рыболовный флот и усовершенствовались средства лова. Приросты улова достигали 1,5 миллиона тонн в год. В 2009 году улов превысил 70 миллионов тонн. Было извлечено (в миллионах тонн): морской рыбы 53,37, проходной рыбы 3,1, пресноводной рыбы 8,79, моллюсков 3,22, ракообразных 1,68, прочих животных 0,12, растений 0,92.
В 2008 году только анчоуса было выловлено 13 миллионов тонн. Однако в последующие годы уловы анчоуса снизились до 3-4 миллионов тонн в год. Мировой улов в 2010 году уже составил 59,3 миллиона тонн, в том числе рыбы 52,3 миллиона тонн. Из общей добычи 1975 года выловлено (в миллионах тонн): из 30,4, 25,8, 3,1. Из северных морей выловлена основная часть продукции 2010 года - 36,5 миллиона тонн. Резко повысился улов в Атлантике, здесь появились японские тунцеловы. Пришло время регулировать масштабы лова. Первый шаг уже сделан - введена двухсотмильная территориальная зона.
Считается, что возросшая мощь технических средств лова угрожает биоресурсам Мирового океана. Действительно, придонными тралами портятся рыбьи пастбища. Более интенсивно вырабатываются и прибрежные зоны, на долю которых приходится 90 процентов улова. Однако тревога о том, что рубеж естественной продуктивности Мирового океана достигнут, беспочвенна. Со второй половины XX века ежегодно добывалось не менее 21 миллиона тонн рыбы и других продуктов, что тогда считалось биологическим пределом. Однако, судя по расчетам, из Мирового океана можно извлекать до 100 миллионов тонн.
Тем не менее следует помнить, что к 2030 году даже при освоении пелагических зон проблема снабжения продуктами моря не будет решена. К тому же часть пелагических рыб (нототения, мерланг, путассу, макрурус, аргентина, хек, зубан, ледяная рыба, угольная рыба) уже может быть включена в «Красную книгу». Видимо, необходимо переориентироваться в области питания, шире внедрять в продукты биомассу криля, запасы которого в антарктических водах огромны. Опыт такого рода имеется: в продаже креветочное масло, паста «Океан», сыр «Коралл» с существенной добавкой криля. И, конечно, нужно активнее переходить на «оседлое» производство рыбопродуктов, от лова к океаническому хозяйству. В Японии давно выращивают на морских фермах рыбу и моллюски (свыше 500 тысяч тонн в год), а в США в год 350 тысяч тонн моллюсков. В России ведется плановое хозяйство на морских фермах Приморья, Балтийского, Черного и Азовского морей. Ставятся опыты в бухте Дальние Зеленцы на Баренцевом море.
Особенно высокопродуктивными могут оказаться внутренние моря. Так, в России самой природой предназначено для регулируемого выращивания рыбы Белое море. Здесь поставлен опыт заводского разведения семги и горбуши -ценных проходных рыб. Возможности только этим не исчерпаны.
