Экология Цивилизация эффективно создает проблемы с

Экология
(Цивилизация эффективно создает проблемы своему существованию)
Анатолий Федорович Цыцаркин
Дмитрий Викторович Арсеньев




















Москва
2020 г
Содержание:
Аннотация…………………………………………………………………………3
Вступление………………………………………………………………………...3
1. Предбиологическая эволюция Земли…………………………………………5
1.1 Происхождение Земли………………………………………………………..5
1.2 Геологическая эволюция Земли………………………………………...……8
1.3 Атмосфера и гидросфера Земли в предбиологический период………..…10
2. Возникновение жизни………………………………………………………...14
2.1. Предпосылки зарождения жизни…………………………………………..14
2.2. Подготовка для распространения жизни на сушу………………………...16
3. Кризис в эволюции жизни……………………………………………………19
4. Кислород и углекислый газ. Сколько нужно?................................................22
4.1. Влияние кислорода на жизненные процессы……………………………..22
4.2. Опасные тенденции в эволюции концентрации кислорода и диоксида углерода…………………………………………………………………………..24
4.3. Неоднозначные проявления диоксида углерода….....................................27
5. Неэлементарные проблемы минерального питания………………………..30
5.1 Содержание элементов в земной коре……………………………………...30
5.2. Содержание элементов в живом веществе………………………………...32
5.3. Угроза дефицита микроэлементов…………………………………………34
6. Факторы, определяющие продуктивность Океана и Мировой суши……...38
7. «Прогресс» цивилизации в отравлении окружающей среды………………44
Заключение…………………………………………………………...…………..48
Использованная литература…………………………………………………….49





Аннотация
В работе проводится анализ основных проблем сохранения органической жизни на Земле.
Основная угроза связана с глобальной тенденцией увеличения концентрация кислорода до критического уровня для процесса дыхания и самовозгорания лесов.
Сжигание природного газа и органического топлива дает временную отсрочку для длительного неуклонного снижения содержания CO2 в атмосфере – ресурса фотосинтеза.
Сложился и нарастает дефицит микроэлементов-базовой составляющей ферментов, гормонов и витаминов, обеспечивающих жизнедеятельность животных и человека.
Нарастает загрязнение и отравление окружающей среды тяжелыми элементами, нефтепродуктами и другими опасными для здоровья химикатами.
Решение проблем возможно только при условии координированной деятельности всех государств и опережающем развитии энергетики, работающей на возобновляемых источниках. Актуальна ориентация энергетики на ядерные реакторы нового поколения и термоядерный синтез.

Вступление
Экология изучает отношение растений и животных организмов между собой и с окружающей средой. Впервые в практику этот термин был введен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г.
Как наука экология характеризуется целостным подходам, ориентированным на создание интегральной картины, при соответствующем внимании к изучению отдельных факторов.
Только с начала ХХ в. экология сформировалась как самостоятельная биологическая дисциплина, развивающаяся с привлечением аппарата физики, медицины, почвоведения, гидрологии, биологии, общественных наук и так далее.
Необходимость ее развития определяется прогрессирующим загрязнением среды обитания и другими негативными воздействиями человека на природу.
Объектами экологии являются популяции организмов, виды, сообщества, экосистема и биосфера в целом. Экосистема состоит из животного (биотического) и неживого (абиотического) компонентов. Совокупность живых организмов биотического компонента составляет сообщество.
Автотрофные организмы биотического компонента (преимущественно растения) создают питательные вещества с помощью фотосинтеза, используя энергию света.
Гетеротрофные организмы (животные и грибы) питаются органическим веществом других организмов, расщепляя его с помощью ферментов.
Неживой (абиотический) компонент экосистемы включает почву, воду со смесью органических и минеральных веществ, атмосферу, климатические условия: освещенность, температура, влажность.
Жизнедеятельность экосистемы осуществляется постоянным кругооборотом веществ с участием живого и неживого компонентов. Первоисточником энергии этого биогеохимического цикла служит энергия Солнца.
Всего на Землю попадает 1,74 · 1017 вт энергии, что составляет менее половины миллиардной части полной мощности Солнечного излучения.
Из этого потока 30% отражается, остальное доходит до Земли, поглощаясь атмосферой, океаном, сушей, вызывает испарение, циркуляцию и выпадение воды в виде осадков. Некоторая часть преобразуется в морские и атмосферные течения, и только ~ 4 · 1013 вт, т.е. около 0,03% поглощают растения для поддержки реакции фотосинтеза. Это эквивалентно теплотворной способности 30 млрд. тонн нефти в год.
Именно фотосинтез являются тем животворным процессом, когда в присутствие хлорофилла из углекислого газа, воды, почвенных минеральных и разложенных органических веществ производятся сахариды и белки, а также кислород – побочный продукт. Фотосинтез аккумулирует солнечную энергию, трансформируя ее в химическую, тем самым делая ее доступной для живых организмов посредством окисления. Кислород (побочный продукт фотосинтеза) является незаменимым при пищеварении.
Отметим, что для образования хлорофилла необходимы магний, железо, азот, калий.
Фотосинтез является принципиально обратимым процессом с годовой продолжительностью длительности цикла. Отклонение от идеальной цикличности связаны с неполным окислением продуктов прямой реакции, что объясняется изоляцией произведенной органики слоями воды или грунта, а также наличием особо устойчивых органических соединений. В результате обеспечивается поступление свободного кислорода в атмосферу, концентрация которого неуклонно растет.
Стабильность жизни, помимо температурных условий, зависит от ее обеспечения материальными и энергетическими ресурсами. Чтобы оценить ее масштабы, следует обратится к предбиологической (геологической) эволюции Земли, включая ее образование.

1. Предбиологическая эволюция Земли
1.1 Происхождение Земли
Жизненно важные параметры нашей планеты: температурные условия, элементарный состав и связанное с ним наличие воды и атмосферы, продолжительность дня и ночи и др. непосредственно связаны с ее происхождением.
В настоящее время плоскости орбит планет располагаются в угловом секторе (0; 3,5) град, кроме Меркурия, у которого угол составляет 7 град.
Такое сосредоточение орбит спровоцировало появление моделей образования планет путем их обособления от вращающегося диска.
При формировании планет из такого диска оси собственного вращения должны быть ориентированы перпендикулярно плоскости орбит. Однако различие углов наклона осей вращения превышает 28о, причем можно выделить две группы планет по этому параметру: 1) Меркурий, Венера, Юпитер, Уран с углом наклона от 4,4о у Юпитера до 8о у Урана, 2) Земля, Марс, Сатурн, Нептун с углом наклона от 23,5o у Земли до 30o у Нептуна.
Образование диска произошло в результате гравитационного сближения орбит, которое еще не закончено, в том числе для Меркурия.
Кроме того, при образовании планет из диска каждая из них будет взаимодействовать со слоями, еще не аккумулированными планетой.
Равновесная скорость любых тел в поле тяготения Солнца закономерно увеличивается с приближением к нему обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до Солнца.
При этом планетам будет сообщено вращение, обратном направлению движению по орбите. В действительности наблюдается совпадение вращения планеты и ее орбитального движения, кроме Венеры и Урана, обсуждение аномального вращения которых не входит в цели данной работы. Подробный анализ проводится в 1.1.
Протоземля получила вращение под действием двух факторов. Первый из них относится к среде, плотность которой повышается с приближением к центру Протосолнца. Предполагается, что Протоземля заняла орбиту, близкую к стационарной, в конвективной стадии Хаяши (л. 2,3), следующей за фазой свободного падения. При этом динамическое давление на нижнюю часть планеты будет превосходить давление на верхнюю половину. В результате Протоземля получает импульс вращения в сторону орбитального движения.
Кроме того, радиационное давление в конвективной стадии в сотни раз выше, чем у стационарного Солнца. Под действием светового давления легкие элементы и образования будут вытесняться из нижних слоев еще рыхлой Протоземли в верхние с передачей им вращательного момента.
Если предположить, что в орбитальной плоскости Земли ближе к Солнцу находилось бы еще одна планета, это обусловило бы другое направление вращение Земли и ее более высокую скорость.
Мы принимаем параметры нашей планеты как данность, однако ход эволюции жизни на ней при изменении удаления от Солнца в любую сторону на 15% и вариации вращения хотя бы в несколько раз невозможно и вообразить, хотя представляет существенный интерес.
При этом наблюдались бы разительные изменения температурных условий (особенно в ночное время), следует учитывать и соответствующий скорости вращения (угловой) уровень магнитного поля, влияющего на многие процессы, в том числе на защиту от высокоскоростных частиц.
Ниже приводим данные по параметрам вращения:
Параметр/Планета Меркурий Венера* Земля Марс Юпитер Сатурн Уран Нептун
Wвр., км/сек 3·10-3 1,8·10-3 0,466 0,24 12,6 9,8 2,6 2,7
; вр. 1/ сек 1,2·10-6 3·10-7 7,3·10-5 7,1·10-5 1,8·10-4 1,6·10-4 1,1·10-4 1,1·10-4
Wорб./W вр 16000 19400 64 100 1,04 1,0 2,6 2,0
Сжатие обратное 0 0 298 192 16 10 18 16

*- вращение является обратным,
W вр.-линейная скорость вращения,
; вр.=(Wвр.)/(Z пл.) – угловая скорость вращения,
W орб. – орбитальная скорость,
(Dэк.)/(Dэк.-Dn) – обратное сжатие (D эк., D пол., - экваториальный, полярный диаметры планет).
Отмечаем незначительную скорость вращения Меркурия и Венеры, высокую скорость вращения у Юпитера и у Сатурна, практически равную скорости обращение на работе; некоторые снижение у Урана и Нептуна.
Угловая скорость вращения Земли и Марса в десятки раз выше, чем у Меркурия, торможение которого в атмосфере Протосолнца было, достаточно интенсивным. При этом Меркурий передал Солнцу вращательный момент, обеспечивающий наличие у нашей дневной звезды магнитного поля, оберегающего ее от значительных потерь массы и резкого снижения стабильности излучения.
Такая роль Меркурия представляется парадоксальной из-за его незначительной массы. Однако следует учитывать, что его исходная масса, как и масса планет земной группы была в несколько десятков раз больше современной.
По результатам астрономических исследований межзвездная среда, из которой образовалось Солнце и планеты, содержала около 1% по массе тяжелых элементов, из которых преимущественно состоят плотные планеты земной группы (л. 4).
Определенные потери легких элементов (водорода и гелия) планеты понесли до обретения ими стационарных орбит. Более глубокое их удаление произойдет после фразы свободного падения под мощным радиационным воздействием Протосолнца в конвективной стадии. В связи с этим можно оценить, что при первоначальной массе планет: Венеры ~5 · 1026; Земли
~ 6 · 1026; Марса ~ 0,65 · 1026 кг она снизилась перед конвективной стадией до уровня порядка 60% от исходной. Что касается Меркурия, вполне возможно, что с учетом его плотного взаимодействия с Протосолнцем начальное содержание тяжелых элементов в нем было больше современного примерно в 2 раза, т. е. равнялось бы ~ 0,7 · 1024 кг. В этом случае первоначальная масса Меркурия была бы на уровне ~ 7 · 1025 кг, а в начале взаимодействия с Протосолнцем момент количества движения составляет ~ 1,165 · 1035  (кг·км2)/сек  ,что превышает величину этого параметра, полученного Солнцем (л.1.)
Отметим, что наклон орбиты Меркурия и ориентация экваториальной плоскости Солнца практически совпадают.
Легкогазовая составляющая Венеры аккумулировалась Юпитером и Ураном (по принадлежности к одной орбитальной плоскости) и составляет около 18% от их массы.
При радиационном вытеснении остатков этой массы, не аккумулированных Юпитером, их боковое касательное воздействие на Уран придало ему составляющую момента вращения вокруг оси, почти параллельной орбитальной плоскости.
Изначально присоединенная к Протоземле и Протомарсу масса легких элементов, составляющая около 6,5 · 1026 кг, по всей вероятности, участвовала в формировании Сатурна и Нептуна с их суммарной массой, практически равной потерям плотных планет.
В связи с этим обращает внимание низкая плотность Сатурна, в 2 раза уступающая плотности Юпитера. Сатурн не имеет твердой поверхности, его атмосфера является преимущественно водородной с примесью гелия, метана, аммиака. Гравитационное воздействие создает условие для перехода водорода на определенной глубине в металлическую фазу.
1.2 Геологическая эволюция Земли
После своего образования начинается процесс дифференциации вещества планеты, облегчаемый ее прогревом гравитационной энергией, расчеты показывают, что основная часть гравитационной энергии выделилась на стадии образования крупных фрагментов Протоземли – планетоземлей с последующим их охлаждением.
Температурные условия в области орбиты Протоземли (~ 1200 К) обеспечивали плавление базальтов, образовавших затем неравномерную по толщине твердую оболочку планеты – кору.
Однако основной ресурс геологической эволюции Земли связан с наличием в ее недрах радиоактивных элементов: урана, тория и калия. Приводим некоторые данные об этих элементах (л.5).
Элемент Уран Торий Калий
Содержание в земной коре, % вес 3 · 10-4 10-4 2,7 · 10-6
Период полураспада, лет 4,47 · 109 14 · 109 1,25 · 109
Начальное содержание относительно современного
~ 2
~ 1,25
~ 12

Отметим, что в природе уран состоит из изотопа 238 (99,274%); 235 (0,072%) и 234 (0,006%) Период полураспада U238 составляет 7 · 109 лет. При этом начальное содержание этого изотопа составляло около 70% от современного содержания U238.
Максимальные тепловыделения радиогенного происхождения обеспечивалось ураном (235), калием (40) и ураном (238).
Остаточный потенциал радиоактивного тепла составляет около 8% по калию; ~ 7% по U235 ; ~ 50% по U238 и ~ 80% по торию; а общий – около 60 %.
Радиогенный разогрев Земли способствовал длительной дифференциации ее веществ.
Литосфера (твердая оболочка Земли) образована базальтами и гранитами плотностью 2,6;3,05 г;см3 .За литосферой следует мантия, составляющая примерно 2;3 массы Земли. Ее плотность изменяется от 3,8г;см3 в верхних слоях на глубине ~ 400 км до 5,5 г;см3 на глубине ~ 2900 км со скачкообразным увеличением плотности до 9,9 г/см3.Плотность железо – никелевого ядра составляет около 13 г/см3, температура оценивается величиной ~ 5000о С, а давление достигает 3,6 млн. кг/см2.
Что касается элементарного состава Земли, в нем преобладает железо (~35%), кислород (~ 29%), кремний (~ 15%), магний (~ 15%). Другие элементы входят в состав в значительно меньшем количестве (л.5).
Литосфера Земли преимущественно состоит из оксидов: SiO2 (55,2%); Аl2О3 (15,3 %); СаО (8,8 %); FeО (5,8 %); MgO (5,2%); Na2O (2,9%); Fe2O3 (2,8%); K2O (1,9%); TiO2 (1,6 %) – всего 99,5% (л.5).
Сопоставим эти данные с элементарным составом тяжелых элементов в межзвездной среде, на долго которых приходится около 1% вес. Содержание кислорода составляет 60 %, углерода -18%; азота -14%; кремния 4,2%; магния 3,6%; кальция – 3%; серы – 2%; железа – 0,85%; алюминия – 0,4 %; никеля; натрия – 0,15%; на другие элементы; фосфор, калий, хлор и радиоактивные приходится около 3% (л. 2,4).
Обращает на себя внимание аномально низкое содержание в земной коре углерода - ~ 0,35 % и азота - ~0,04 %, которые по концентрации уступают только кислороду. Эти элементы относятся к числу важнейших в жизнеобеспечении. Наблюдаемый негативный факт объясняется улавливанием соединений: аммиака (NH3) и метана (CH4) в низкотемпературных (криогенных) областях планетарной системы: Сатурн, Уран, Нептун).
Особенное место среди элементов занимает гелий, находящийся в газообразном состоянии во всем космическом пространстве из-за исключительно низкой температуры затвердения (~2К).
Для сравнения приведем значения этой температуры для других элементов и соединений: водород (14 К), кислород (54 К), азот (63 К), метан (91 К), ацетилен (192 К), аммиак (240 К). (л.5).

Температура в зоне орбит планет принимает следующие значения:
      Планета


Параметр
Меркурий
Венера
Земля
Марс
Юпитер
Сатурн
Уран
Нептун
Т, К. в фазе свободного падения 2000 1600 1200 800 250 180 130 70
Т, К. в стационарных
условиях 100-600 ~750 288 210 160 110 55 35

1.3 Атмосфера и гидросфера Земли в предбиологический период
Важнейшими для становления органической жизни является вода и диоксид углерода.
Вода входит в состав кристаллогидратов, находящихся преимущественно в магме. Процесс ее образования начинается при 300о С, и уже при 500о С имеет бурный характер. При формировании Земли ее температура не превышала 1200 К, что обеспечило сохранение воды, связанной в кристаллогидратах. По всей вероятности, остаточное содержание воды на Венере и Марсе значительно меньше земного, поскольку их прогрев был более интенсивным.
Выход воды из магмы в гидросферу и атмосферу обеспечиваться радиогенным нагреванием и проявляется в вулканических извержениях. Таким же образом в атмосферу поступает и двуокись углерода, образующаяся при термическом разложении карбонатов.
В настоящее время общее содержание углерода органического происхождения и связанного в карбонатах составляет ~ 1,2 · 1017 тн. (л.6) Основным резервуаром являются осадочные породы (> 81%) и гранитный слой (~ 19%). Этой оценке предшествовали длительные исследования экспериментального и теоретического характера.
Неожиданное подтверждение приведенным данным приходит при изучении Венеры. Углекислый газ, поступавший в течение миллиардов лет в ее атмосферу практически сохранил свою массу. Его концентрации составляет около 95% при атмосферном давлении порядка 100 атм. Поверхность Земли всего на 10% выше, чем у Венеры. При аналогичных условиях содержание углекислого газа, выделившиеся из недр Земли составило бы 4,75 · 1017 т, а углерода - ~ 1,3 · 1017 т., что практически совпадает с данным л.6.
По-видимому, поступление воды и углекислого газа в атмосферу и гидросферу было неравномерным во времени и зависело от вулканической активности.
Удержание в атмосфере какого – либо газа определяется целым рядом факторов: гравитационным притяжением планеты, выраженным ускорением силы тяжести, радиационным давлением солнечного излучения, молекулярной массой газа и поперечным сечением молекулы.
Сила радиационного давления на молекулу определяется по формуле:
                Fсв.=Рсв. · S,
где давление света на молекулы находится из соотношений Pсв. = К· (Е луч.)/С , где Е луч. - интенсивность солнечного облучения, С- скорость света, К- коэффициент, зависящий от отражения - пропускания света).
Площадь поперечного сечения S зависит от эффективного диаметра молекулы и можно принять равной 1 · 10-20 м2, что соответствует диаметру на уровне 1,1 Ао. Реальное значение для большинства молекул примерно в 2 раза превышает эту величину. (л.7)
Интенсивность солнечного облучения на удаления Rпл. определяется из соотношения:
E луч. = Ес.: ((Rпл.)/(Rc.))2,
где E луч., Ес - интенсивность излучения на орбите планеты и поверхности Солнце соответственно, Rc, Rпл. – радиус Солнца и орбиты планеты.
Сила притяжения молекулы к планете равно произведению массы молекулы (mm) на ускорение силы тяжести. Масса молекулы определяется по формуле:               
mm=;/Na,где ;-молекулярная масса, NА-число Авогадро (6 · 1026).










Таблица 1.
Влияние гравитационного, радиационного и температурного полей на состав атмосферы.
Планета    Елуч
(вт/м2) Pрад
(Н/м2) ·106 апл
(м2/сек) Fтяг(H·1026) Fрад(H·1026)
   Т(К) Состав атмосферы
H2 H2O CO2
Меркурий 9185 30,6 3,7 1,23 11,1 27,1 30,6 ~ 1000 отсутствует
Венера 2630 8,77 8,87 2,96 26,6 65,0 8,8 735 CO2-95%                N2-3;5%                Ar-1,5%
Земля 1350 4,5 9,81 3,27 29,4 71,9 4,5 288 N2-78%                O2-21%                Ar-1%;CO2
Марс 592 1,97 3,71 1,23 11,1 27,1 2,0 215 CO2-95%          N2-2;3%           Ar-1;2%   
Юпитер 50,8 0,17 24,8 8,2 74,4 182 0,17 165 H2-87%           He-12,8%          NH3;СH4
Сатурн 15 0,05 10,43 34,8 31,3 76,5 0,05 100 H;Не;NH3;CH4
Уран 3,7 0,012 8,86 2,96 26,6 65,0 0,012 55 H;Не;NH3;CH4
Нептун 1,5 0,005 11,1 3,7 33,3 81,4 0,005 38 H;Не
Плутон 0,9 0,003 0,5 0,17 1,53 3,74 0,003 30 отсутствуют
Луна 1350 4,5 1,61 0,53 4,8 11,7 4,5 253 отсутствуют
Солнце 6,3 · 107 210000 274 91 822 2000 75 · 1017 5770 H;Не; тяжелые элементы
 
 Пояснение: Елуч – поток облучения
                Fтяг– сила тяготения
                Fрад– сила радиационного давления
                Т,К– температура поверхности
Таким образом, сила тяготения, действующая на молекулу, находится по формуле:
Fтяг.=(М·а_(пл.).)/(6 · 10^26 ) Н.
где  апл.- ускорение силы тяжести на планете.
В табл.1 приводятся расчетные данные по сравнению сил радиационного давления и силы тяжести для водорода, воды, диоксида углерода на планетах и Солнце.
Данные л.5 подтверждают соответствие свойств атмосферы планет принятым предпосылкам. Отмечается присутствие крайне разреженной атмосферы у Меркурия: давление у поверхности планеты составляет <75 · 10-9 Па при плотности <10-17 г/см3.Показательно, что средняя молекулярная масса газов, составляющих атмосферу, отражает не только температурные условия.
Для Земли этот показатель равен ~ 29, что соответствует составу N2 (78%), О2 (21%), Ar (~ 1%) уже на Венере и Марсе (двуокиси углерода – 95 %) рассматриваемый параметр принимает значение ~ 43,4, но на удаленных планетах он снижается до 2,25 (для Юпитера), свидетельствуя, что атмосфера состоит преимущественно из водорода и гелия.
Вполне вероятно, что атмосфера планет, кроме Земли, оставалась без существенных изменений по составу за исключением самых легких: Меркурия, Марса, Плутона, которые практически ее утратили.
Первичная атмосфера Земли состояла из углекислого газа, азота, аммиака, метана, паров воды, примесей водорода, двуокиси серы и т.п. Поступление газов из недр планеты было неравномерным, но постоянным.
То же самое касается и гидросферы, объем воды которой возрастал в течение миллиардов лет. Несмотря на сравнительно малое начальное ее количество (примерно 10;15) % от современного, вода могла почти сплошь покрывать сушу. Образование материков, по-видимому, было привязано к областям с максимальным содержанием радиоактивных элементов.
Возникновение жизни и, тем более, ее продолжение невозможно без воды. Она является не только неотъемлемым компонентом живого, но и в течение миллиардов лет была единственной средой обитания. Вода является колыбелью жизни, что связано с ее уникальными свойствами:
-способность растворять соли, сахар, спирты и другие соединения, а также возможность переносить вещества диффузией или в потоках,
-большая теплоемкость не допускает опасного изменения температуры, обеспечивая термостатирование,
-высокая теплота испарения способствует эффективному охлаждению растений и живых организмов при малой потере влаги,
-значительная теплота затвердения воды затрудняет образование кристаллов льда, что губительно для организмов,
-пониженная плотность льда по отношению к жидкому состоянию, что является уникальным свойством воды среди всех веществ, предохраняет водоемы от полного промерзания и повышает шансы выживания организмов,
-высокие теплоизолирующие свойства снега предотвращают гибель корневой системы растений в зимний период,
-максимальное среди жидкостей поверхностное натяжение способствует росту растений в высоту, что обеспечивает высокую производительность по биомассе, выращивание деловой древесины, проходимость зарослей, возможность укрытия животных от хищников, работоспособность корневой системы в сухих почвах;
- источник кислорода при фотосинтезе, реагент гидролиза,
- обеспечивает защиту первых микроорганизмов от губительного ультрафиолетового излучения,
- среда оплодотворения, распространения семян микроорганизмов потоками морских океанических течений
- самая высокая диэлектрическая проницаемость среди жидкостей обеспечивает перевод солей и соединений в растворе в ионное состояние, делая возможным их усвоение организмами,
- главный фактор продуктивности растительного мира и непременное условие существование всего живого.
Водород и кислород, образующие воду, являются самыми распространёнными элементами: водород-вообще, кислород- среди тяжелых элементов. Открытие их присутствия на какой-либо планете во Вселенной недостаточно для постулирования существования жизни.
Непременными дополнительными условиями являются соответствующая масса планеты, температурные условия на ней, долговременная стабильность звезды, вокруг которой производится ее обращение.
2. Зарождение жизни
2.1. Предпосылки возникновения преджизни
Представление, что происхождение жизни на Земле обязано первому организму, не соответствует естественному содержанию последовательности процессов, увенчавшихся таким актом творения.
Более аргументированным представляется признание определяющей креативной роли совокупности условий для образования сложных молекулярных систем.
К основным химическим элементам, на которых базируется жизнь, относится прежде всего углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор, а также хлор и набор микроэлементов: железо, марганец, кобальт, медь, цинк, йод, молибден и т.д.
Условия молодой Земли: бескислородная атмосфера, содержание воды, метана, аммиака, наличие ультрафиолетового облучения, грозовые разряды, радиоактивность создают возможность образования органических соединений: аминокислот, сахаров, белковоподобных молекул сугубо неорганическим путем.
Существенные поступления разнообразного органического материала космического происхождения связаны с падением метеоритов и аккумуляцией космической пыли.
Что касается скорости и эффективности процессов образования сложных разветвленных макромолекул (полимеризации), то возможность их протекания в обширном водном пространстве (море, океан) маловероятна. Наиболее благоприятной является береговая зона, бухтовые образования, лагуны, мелкие водоемы.
Океанические волны, прибои могли принимать участие в образовании скоплений в виде пены и доставлять их в относительно изолированные водные бассейны. Другая возможность повышения концентрации растворов связана с периодическим пересыханием водоемов.
В этих условиях зародилась механизмы ферментативного ускорения реакцией, в том числе катализирующего воздействия вулканического пепла.
В быстром переборе вариантов макромолекул стали выделяться по функциональным проявлениям высокомолекулярные соединения с открытой пространственной структурой. Их рост обеспечивался до определенных размеров, после чего происходило разделение на идентичные структуры под действием физических факторов. К этому времени относится появление мембранных структур как защиты от внешних воздействий.
Приобретенная функция воспроизведения себе подобной структуры соответствует законам термодинамики и являются неотъемлемым свойством жизни. Ценное достижение эволюции – пробионты (преджизнь) относятся к первым безъядерным клеткам, появившимся 3,6 ; 3,2 млрд. лет назад. Их следы обнаружены в Гренландии, Северной Америке, Южной Америке. Это может свидетельствовать о неприемлемых температурных условиях для возникновения жизни в более низких широтах.
2.2. Подготовка для распространения жизни на сушу
Определенное время заняло остывание Земли от выделяющейся гравитационной энергии при ее уплотнении. Значительная часть этой энергии высвободилась при образовании протоземалей и их сгущений. Завершающая стадия уплотнения произошла, когда плотность упаковки фрагментов Земли достигла ~ 90%, и теплообмен с окружающим пространством, преимущественно радиационный, был затруднен. При этом средний разогрев составил около 2000 град, достигая уровня ~ 5000о С для глубинных слоев при нагреве порядка 1000 град у наружных. Охлаждение заняло примерно 400 млн. лет, причем основной отвод тепла с поверхности Земли был организован конвективным механизмом. Существенное влияние при этом оказывало суточное изменение температуры. Приемлемые температурные условия для функционирования белков установилась сначала в приполярных широтах, где и были обнаружены первые ископаемые клетки.
Таким образом, материальную основу зарождения жизни дали Земля и Космос, энергетическую – Солнце и атмосферные процессы, а колыбель – сравнительно мелководные водоемы.
Вопросы, относящиеся к дальнейшей эволюции жизни, в данной работе не рассматриваются, поскольку они с необходимой подробностью отражены в л.9.
Основные этапы становления жизни отслежены в табл. 2. Из них можно отметить появление в атмосфере кислорода с дальнейшим медленным, но неуклонным ростом, а также зарождение клеток с ядром и развитие многоклеточных организмов.
Препятствием для распространения жизни из воды на сушу была высокая концентрация диоксида углерода в атмосфере, но в то же время это было питательной средой для растений, синтезирующих кислород.
Многочисленные наступления и отступления воды на сушу и от нее создали условия для тренинга растений, их обживания и последующего распространения. Этому способствовала интенсивные геологические процессы под влиянием радиогенного выделения тепла в недрах Земли.
Млекопитающие как ветвь пресмыкающихся вышли на тропу эволюции около 200 млн. лет назад. Они проявили приспособленность к резким изменениям климатических условий и заняли многочисленные ниши в мире животных: грызунов, насекомоядных, вегетарианцев, хищников, всеядных.
Около 60 млн. лет среди млекопитающих появились не самые изящные их представители – приматы, в которых был растворен, а впоследствии выкристаллизовался образ наших предков. (22)

№
п/п Этапы становления жизни Время
Млдр. лет назад №
п/п Этапы становления жизни Время
лет
назад

1 Образование Земли 4,6 15 Установление сезонности климата 150 мин.
2 Первичные безъядерные клетки 3,8;3,2 16 Злаки, зерновые 70 мин.
3 Концентрация кислорода 1% от современной 2,0 17 Приматы 60 мин.
4 Появление клеток с ядром 2,0 18 Австралопитеки 5 мин.
5 Многоклеточные организмы 0,7 19 Homo erectus 2 мин.
6 Концентрация кислорода 10% от современной 0,47 20 Неандерталец,
Кроманьонец 130;35 тыс. лет
7 Зарождение рыб 0,44 21 Пирамиды 5 тыс. лет
8 Десант растений на сушу 0,43 22 Буддизм, христианство, ислам 2,6; 2,0; 1,4 тыс. лет
9 Земноводные 0,35 23 Открытие Америки ~520 лет.
10 Голосеменные растения 0,31 24 Паровая машина ~240 лет
11 Пресмыкающиеся 0,3 25 Электродвигатель ~ 180 лет
12 Динозавры 0,22 26 Ядерный реактор 64 года
13 Млекопитающие 0,215 27 Атомная, водородная бомба 73;64
14 Покрытосеменные растения 0,18 28 Полет в космос 57 лет

Этому предшествовала кропотливая работа природы в течение миллиардов лет.
От образования Земли до создания клетки прошло 2,5 млрд. лет. В отличие от пробионтов, пользующихся при росте готовым материалов, клетка представляет уже производство, в котором налажено снабжение материалом и питанием, отвод продуктов реакций, осуществляется сборка и контроль изделий, у клетки имеется защита в форме оболочки, под которой располагается мембрана, обеспечивающая избирательный пропуск необходимых веществ внутрь и вывод отходов.
Ядро – важнейший орган клетки, регулирующий ее деятельность. Именно ядро несет в себе генетическую (наследственную) информацию, хранимую в ДНК. Непосредственно перед делением ядра и клетки, происходит воспроизведение (репликация) ДНК. На нем синтезируются разнообразные РНК, ответственные за синтез белков, их доставку. ДНК и РНК – нуклеиновые кислоты – хранители генетического кода, но собственно сохранение обеспечивается жизнедеятельностью клетки – микрозавода, несколько миллиардов которых весит всего 1 грамм.
Деятельность клетки характеризуется высокой энергонапряженностью: ее теплоотдача на единицу массы превосходит солнечную почти в миллион раз. Питательная среда клетки должна содержать набор необходимых элементов и углеводное питание.
Как и в случае с пробионтами, зарождение клетки с ядром было подготовлено развитием водорослей, обеспечивающих ее энергетику. Непосредственно в клетке эту роль выполняет ее важнейшая органелла – митохондрия. По совокупности своих характеристик она может быть отнесена, как и бактерии, к прокариотическим организма, не имеющим оформленного ядра. (л.10)
Есть основания предполагать, что на некоторой стадии формирования клетки с ядром возник ее симбиоз с митохондрией, осуществляющей аэробную дыхательную активность клетки.
Одновременно это знаменует начало перехода от ферментации к дыханию в энергетическом обеспечении жизнедеятельности клетки с более, чем десятикратным преимуществом в интенсификации процессов. Своеобразные кислородные оазисы жизни были привязаны к зонам распространения фотосинтезирующих водорослей (мелководье, оптимальный температурный режим, насыщенность питанием).
Образование клетки с ядром, можно рассматривать как важнейший узловой этап эволюции жизни на Земле. Произошло это около 2 млрд. лет назад.
Далее следуют важнейшие стадии развития многоклеточных организмов, осуществляется качественный скачок от органелл к органам, отлаживаются программы образования специализированных типов ткани, растет многообразие видов.
Около 500 млн. лет назад в атмосфере установилась концентрация кислорода 10 % от современной. Тем самым создались предпосылки для распространения жизни на сушу. Однако потенциальным земным обитателем не было нужды и возможностей обживать сушу из-за полного отсутствия питания. Поэтому первенство растений в распространении на сушу, хотя и представляется парадоксальным в виду их неподвижности, но осталось за ними. Многочисленные наступления и отступления морей и океанов на сушу и от нее создали ситуацию относительного движения в прибрежных ареалах. Далее последовали развитие корневой системы, а с появлением голосеменных, споровых растений произошло ускорение их распространения.
За ними не замедлили последовать и животные, преодолевая проблему приобретения органов передвижения.
3. Кризисы в эволюции жизни
Табл. 2 отражены положительные достижения эволюции в направлении и увеличении степени приспособления жизни к окружающей среде. По масштабам и многообразию проявлений животный и растительный мир сами становятся существенной составляющей среды обитания. Формируется экосистема, внутри которой образуются пищевые цепи и сети многоступенчатой переработки первичного органического продуктов фотосинтеза вплоть до разложения и возращения в начало цикла. Построение иерархии по принципу: кто кого съест? никого не уберегает от участи быть съеденным. Механизм воспроизведении потомства обеспечивает непрерывность и долговременность существования вида при ограниченной продолжительности жизни отдельной особи.
Однако для любого вида есть эволюционный потенциал, зависящий от диапазона изменения условий, к которым он может приспособится с сохранением жизнеспособности. Это не всегда удается, поэтому таблица, отражающая потери, выглядит не менее впечатляюще.
Так, 500 млн. лет назад сошли с дистанции эволюции многие организмы, а 350 млн. лет назад разворачивается глубокий кризис жизни, который продолжается до мезозоя (~ 230 млн. лет назад).
Вымирают псилофиты – одни из первых растений, наблюдается закат трилобитов, ракоскорпионов, иглокожих, части кораллов и др. обитателей воды, резко сократились группы самых древних земноводных и пресмыкающихся (л. 11).
Их ниши были заняты голосеменными растениями, хвойными породами, многочисленным отрядом пресмыкающихся.
Показательно, что в этот период атмосфера Земли подвергается достаточно глубоким изменениям: происходит резкое снижение концентрации диоксида углерода и роста содержания кислорода, совпадающее по времени с масштабным угленакоплением (каменноугольная эпоха 340-285 млн. лет назад). После глубокой перестройки земной коры существенно изменяется солёность океанов.
В связи с высокой континентальностью климата в удаленных от береговой линии областях единого материка – Пангеи развивается оледенение, достигшее своего апогея около 200 млн. лет назад. Толщина ледников достигала 6 км, что привело к сокращению водного пространства и дополнительному усилению континентальности.
Теплолюбивые растения и животные уступали место хладоустойчивым. Общая продуктивность фотосинтеза существенно снизилась, концентрация кислорода в атмосфере упала до одной трети от современного уровня (л. 12). Это произошло ~ 200 млн. лет назад. При этом земноводные вытесняются в тропические регионы, а рептилии (пресмыкающиеся) , менее привязанные к воде при размножении, осваивают пустыни, полупустыни и степи.
В период 220;175 млн. лет назад в недрах Земли накапливаются силы для образования глубинных разломов континентальных плит и ослабления связи между отдельными блоками платформ. Это привело к их расхождению и появлению материков, чему способствовало мощное давление ледников. Дрейф образовавшихся материков сопровождался образованием водных пространств – будущих океанов.
По трещинам на поверхность изливаются базальтовые лавы причем их отложения достигают мощности до 8 км и вызывает итоговое уменьшение суши и восстановление концентрации диоксида углерода. Это приводит к глобальному смягчению климата и развитию жизни как в воде, так и на суше. Происходит накопление торфяных залежей, концентрация кислорода устанавливается на современном уровне.
Пресмыкающиеся осваивают 3 стихии: динозавры – сушу, ихтиозавры – моря и океаны, птерозавры – воздух; появляются многочисленные насекомые, птицы.
Юрский и Меловой период (195 – 67) млн. лет назад были для динозавров временем расцвета. Науке известны несколько сот их видов массой до 180 тн., длиной до 30 мм., высотой – около 15 м.
Экосистема периода владычества динозавров было достаточно благоприятна для растительного и животного мира. Обильная сочная зелень только около 100 млн. лет назад стала вытеснятся жестколиственными породами, на 90 % процентов представленными покрытосеменными. Это было реакцией на развивающуюся сезонность климата, что определяет листопадность растения.
Единственное спасение динозавров заключалось в миграции к теплым областям, или возращение в воду.
Можно предполагать, что стабильность экосистемы в пору расцвета динозавров (~150 млн. лет) сыграла с ними злую шутку, поскольку не склоняла их к выработке приспособительных реакций.
Когда при расколе Пангеи и последующем росте береговой линии происходит насыщение гидросферы новыми солями и микроэлементами посредством процессов эрозии и растворения, это не может не отразиться на качестве растительной пищи. Так, покрытосемянные растения содержат танины (горькие и дубильные вещества), а также алкалоиды (стрихнин и морфин), являющиеся ядами.
Описанные серьезные нарушения в пищевой цепочке уже фатальны для адаптации судьбы динозавров – растительноядных и зависящих от них хищников. Кроме того, ими не были выработаны адаптации к более суровым климатическим условиям. Потому не были приобретены терморегуляция и волосяной покров, размножение производилось преимущественно откладыванием яиц в горячий песок.
Массовое вымирание больших групп пресмыкающихся в конце мезозойской эры (~ 70 млн. лет назад), обитающих на суше, в воде и воздухе, морских организмов, части цветковых растений может быть связано с комбинированным воздействием: изменение солёности почвы и воды вследствие процессов глубокой перестройки структуры Земли, климатических изменений в сторону похолодания с проявлением сезонности и суточных колебаний температуры.
Млекопитающие, бывшие до этого на втором плане, стали силой естественного отбора выдвигаться на ведущие роли. Среди них выделяются приматы, имеющие ряд потенциальных прогрессивных качеств, реализовавшихся через десятки миллионов лет. Долгое время их жизнь проходила на деревьях, где основательное развитие получили рука, зрение, слух, взаимопомощь.
В последнюю очередь заявляет о себе их часть, имеющая сходное анатомическое и физиологическое развитие, но и качественное различие, что выражается в открывающейся перспективе владения речью и развития мозга.
Так рождался властелин мира – человек, уступающий в физическом отношении некоторым представителям животного мира, но бесспорно превзошедший их в коллективном противостоянии и силой оружия. Но свято место пусто не бывает. Человек обрел противника среди себе подобных. Борьба за место под Солнцем распространена и у животных, у людей к этому добавляются грабительские, колониальные войны. Но многие войны, в том числе I – ая и II – ая мировые, имеют скрытые социальные причины, анализ которых проводится в л.1, 13.
Подмечено, что война как способ интенсивного обмена информацией являются своеобразным двигателем прогресса, мобилизующее      воздействие оказывает и враждебное противостояние. Следует иметь в виду, что у каждого процесса есть критическая фаза – красная черта, чреватая катастрофой.

4. Кислород и углекислый газ. Сколько нужно?
4.1. Влияние кислорода на жизненные процессы
Кислород в организме животных переносится молекулами гемоглобина, содержащимся в эритроцитах. Количество кислорода, который может связаться с гемоглобином, зависит от его парциального давления в атмосфере, которое в настоящее время составляет около 176 мм рт. ст.
Анализ процесса насыщения крови кислородом в зависимости от парциального давления показывает, что 95% насыщения, соответствующего физиологическому пределу, устанавливается при парциальном давлении 73 мм. рт. ст. (по данным л. 10).
Когда оксигемоглобин оказывается в контакте с активно дышащими тканями с низким парциальным давлением кислорода, он начинает отдавать им кислород, которые вступает в реакцию с углеродом. В зависимости от парциального давления образующегося диоксида углерода требуется соответствующий уровень парциального давления кислорода.
Важное обстоятельство связано с уязвимостью человека по отношению воздействия на него оксида углерода (СО). Кислород связывается и переносится двухвалентным железом, входящим в состав гемоглобина. При этом кровь приобретает характерный красный цвет. Прочность связи (сродство) двухвалентного железа к окиси углерода в сотни раз выше его сродства к кислороду. Даже при незначительной концентрации СО в воздухе гемоглобин будет связывать именно ее, а не кислород. В этом случае кровь лишается функции переноса кислорода, и человек погибает от удушья. Спасение достигается своевременным искусственным дыханием смесью кислорода с диоксидом углерода.
Окись углерода – продукт неполного сгорания, его следует опасаться при эксплуатации топочного оборудования в быту и промышленности.
Выше было отмечено, что современная концентрация кислорода в 2.4 раза превышает его парциальное давление, достаточное для физиологически потребного насыщения гемоглобина.
При физических перегрузках потребление кислорода существенно повышается. Вместе с тем важно было бы выяснить оптимальную концентрацию кислорода в атмосфере, поскольку его избыточное содержание приводит к нежелательной интенсификации в энергетической деятельности человека. Не исключено, что курение представляет своеобразную защитную реакцию организма. Долгожительство горных народов как бы подтверждает это положение.
У горных американских лам, обитающих в Андах на высоте 5000 м над уровнем моря, кровь обладает повышенным сродством к кислороду, что обеспечивает ее насыщением при парциальном давлении около 45 мм. рт. ст. Парциальное давление кислорода на этой высоте составляет более 90 мм. рт. ст. ,что обеспечивает ламам двухкратный запас.
Концентрация кислорода влияет на скорость фотосинтеза, подавляя его. Для фермента растений, поглощающего СО2, субстратом может служить не только двуокись углерода, но и кислород. Это может быть объяснено тем, что при возникновении фотосинтеза концентрация кислорода была сравнительно низкой. Со временем соотношение концентраций этих конкурентов резко изменилось не в пользу СО2.
В результате кислород становится ингибитором фотосинтеза, поскольку повышение его концентрации способствуют поглощению его самого, а не диоксида углерода. При этом бесполезно теряется энергия, а также часть углерода, что приводит к снижению урожайности на 30;40%.
По эффективности влияния двуокиси углерода могут быть выделены два типа растений. У некоторых из них первым продуктами фотосинтеза являются кислоты, содержащие 4 атома углерода (яблочная, щавелево уксусная и аспарагиновая). К ним относятся кукуруза, сахарный тростник, просо, сорго и т.д., называемые С4- растениями (л. 10).
Другую группу составляют С3 – растения, у которых первым продуктом фотосинтеза являются С3 – кислота (фосфоглицериновая).
С4-растений по результатам экспериментальных данных эффективнее снижали (более чем в 100 раз) концентрацию СО2 при минимальных потерях на фото дыхание (л. 10).
Отмечаем, что повышение концентрации СО2 положительно сказывается на продуктивности растений; ее оптимальный уровень составляет 0,1%, что примерно в 2,5 раза превышает современную концентрацию.
4.2. Опасные тенденции в изменении атмосферной концентрации кислорода и диоксида углерода
К современному составу атмосфера Земли пришла в результате длительной эволюции. Ее отличительной способностью, сравнительно с другими планетами являются наличие заметной концентрации кислорода – признака существования органической жизни.
Его появление связано с фотосинтезирующей деятельностью водорослей около 2 млдр. лет назад. Значительная часть выделявшегося кислорода была потрачена на окисление магматических пород, выходящих на поверхность Земли, в том числе при извержении вулканов.
Общее количество кислорода, произведенного в океане и на суше, составляет около 5,1 · 1016 т. что оценено по общему содержанию органического углерода в земной коре - ~ 1,9 · 1016 т. При этом в атмосфере находится только 1,18 · 1015 т.
Цикл фотосинтеза принципиально обратим, но в действительности является незамкнутым, и часть его углеводной продукции по ряду причин избежало окисления (~2,3%).
Содержание диоксида углерода на середину 2019 г. составило 415,28 ррт ( л. 14), что соответствует 0,06%  вес. По геохимическим данным количество СО2 составляло ~ 0,6 % об. 400;600 млн. лет назад; ~ 0,3% об. 150;200 млн. лет назад; ~ 0,076 % об. 34 млн. лет назад и около 0,03% об. 20 млн. лет назад, что соответствует доиндустриальному уровню.
Достаточно резкие колебания концентрации диоксида углерода отмечаются в предыдущие миллион лет. Так за период 450 тыс. лет на Земле произошло 4 ледниковых периода с западением содержания СО2 до (0,018;0,021) % об. в теплые периоды (л.15).
Ледниковые периоды развиваются по принципу положительной обратной связи. Их начало может быть спровоцировано угасанием вулканической деятельности и соответствующим уменьшением поступления диоксида углерода извержениями из недр Земли. Образование снежного и ледяного покрова снижает поглощение солнечной энергии поверхностью океанов и суши, что усугубляет похолодание.
Однако растительность под снежным покровом постепенно прогревается внутренним радиогенным теплом Земли, в результате чего ускоряется его разложение с выделением СО2.
В наступивший затем теплый период происходит поглощение СО2 в воде океанов, нарастает выведение органического вещества устойчивого против окисления (гумус и т.д.). При этом концентрация СО2 может снова снизится до критического уровня.
Следует отметить, что углекислый газ, поступающий из мантии в процессах извержения, непрерывно удаляется из атмосферы через механизмы карбонат образования и фотосинтеза. Средняя концентрация карбонатного углерода превышает концентрацию органического примерно в 5,4 раза в осадочной оболочке и в 4,5 раза в гранитном слое земной коры (л.6)
В воде океанов содержание углерода в форме гидрокарбоната – ионов примерно в 60 раз превосходит его содержание в атмосфере, которое в настоящее время составляет около 870 млрд. тонн, что на 40 % выше доиндустриального уровня.
Поскольку продуктивность растительности мировой суши составляет около 60 млрд. т. углерода, весь углерод атмосферы прошел через фотосинтез за 15 лет. Полная замена биомассы суши также происходит за 15 лет.
В океане основную массу фотосинтезированного органического вещества обеспечивает фитопланктон. Показательно, что продуктивность фотосинтеза в океане оценивается в 50 млдр. т. в год углерода (всего на 20% меньше продукции земной суши), хотя сухая масса фитопланктона примерно в 1000 раз уступает массе растительности суши. Таким образом, обновление биомассы океана происходит всего примерно за 1 мес.
Отмечаем, что на суше кислород в процессе фотосинтеза являются сильным конкурентом диоксида углерода, поскольку его концентрация выше, чем у СО2, в несколько сот раз. В воде это превышение составляет примерно 20 раз. Ускорение фотосинтеза может быть связано с ионным состоянием некоторых реагентов.
Практически у всех растений рост концентрации СО2 в воздухе приводит к активизации фотосинтеза. Так, при удвоении концентрации СО2 с 0,035 % наблюдается ускорение прироста биомассы у С3 – растений на 41%; а у С4 – на 22%. Дальнейшее повышение содержания СО2 дает эффект только для С3 – растений, причем концентрация 0,1 % является предельной.
Высокая концентрация СО2 представляет проблемы для дыхания уже с уровня 0,07% об. Снижение концентрации диоксида углерода сопряжено с уменьшением продуктивности фотосинтеза; а пороговый уровень содержания СО2 в атмосфере по угрозе наступления ледникового периода может быть оценен с учетом влияния различных факторов в (0,025 ; 0,03) % об.
При любых обстоятельствах необходимо отслеживать и восполнять убыль СО2 из атмосферы за счет фотосинтеза устойчивых от окисления форм гумуса, а также в процессах карбонатного разложения.
Соотношение масс карбонатного и органического углерода в осадочных породах составляет: ~ 18 (1600 ; 570 млн. лет назад); ~ 11 (570 ; 400 млн. лет.); ~ 5,2 (235 – 66 млн. лет назад) ; ~ 2,9 (66 млн. лет до наших дней). Это свидетельствует о прогрессирующем увеличении продуктивности растений суши, но и о постоянной убыли органического вещества.
Остаточное содержание СО2 в атмосфере до воздействия человека на окружающую среду составляло (2500±200) млрд. т. При этом общий выход диоксида углерода из недр Земли превышал это величину примерно в 170 тыс. раз.
При столь огромном соотношении масс диоксида углерода, поступившего из мантии, и содержащегося в атмосфере, будет нарастать проблема его стабилизации на оптимальном уровне.
Угроза снижения концентрации СО2 в долговременном плане до значений, провоцирующих наступление ледникового периода, является доминирующей. Масса углерода, выводимого ежегодно из его глобального кругооборота наиболее устойчивыми (гуминовыми компонентами почвенного гумуса, составляет по данным л. 6 около 0,5 млрд. т в год для суши и на порядок меньше для океана. Однако убыль углерода из атмосферы становятся соизмеримой с его массой на протяжении тысячелетия.
В связи с этим ненормированное сжигание ископаемых углеродов представляет по меньшей мере тройную опасность: 1) потепление вследствие роста парникового эффекта, сопровождающейся отчуждением суши при таянии ледников; 2) уменьшение запаса ископаемого топлива, принимающего форму стратегического при угрозе похолодания; 3) превышение критической для дыхания концентрации диоксида углерода в атмосфере.
При современном уровне потребления углеводородов нежелательное содержание СО2 может быть достигнуто за несколько десятилетий. Положение усугубляется не только неравномерностью экономического развития стран, но и сохранением тенденции экспоненциального роста, когда удвоение потребления энергоресурсов происходит примерно за 25 лет.
Следует учитывать также, что при сжигании углеводородов происходит снижение в атмосфере концентрации кислорода. До настоящего времени происходило его неуклонное накопление в течение более 3 млрд. лет.
Общее его производство (около 5 · 1016 т) примерно в 43 раза превосходит содержание в атмосфере (~ 1,18 · 1015 т). На процессы окисления было затрачено ~ 97,6% кислорода, полученного от фотосинтеза. Оценивая концентрированные скопления ископаемого углерода в 6 · 1012/Т  (л.17) количество кислорода, пошедшее на его сжигание, может составить 1,6 · 1013т, или менее 1,4% содержимого в атмосфере.
Масса рассеянного органического вещества примерно в 3000 раз превосходит концентрированные залежи ископаемого горючего. Топливная способность месторождений нефти и газа примерно в 6 раз меньше, чем у углей. Следует учитывать, что коэффициент извлекаемости ископаемых топлив в среднем находится на уровне 50%.
Выше было отмечено, что влияние диоксида углерода на жизненные процессы являются многофакторным. Рост его концентрации в атмосфере приводит к увеличению урожайности всех культур, потеплению, а при превышении некоторого порога потепление становится угрожающим; возникают проблемы с дыханием. Чрезмерное уменьшение содержания диоксида углерода может привести к наступлению ледникового периода, резко снижается продуктивность растительности. В случае падения концентрации СО2 ниже критического уровня негативные последствия могут быть катастрофическими. В этой связи вполне закономерной являются оптимизация содержания СО2. Однако сама возможность регулирования этого жизненного важного параметра предполагает согласованные действия мирового сообщества, что в настоящее время представляется практически невозможным.
      С другой стороны, все отчетливей нарастает потенциально примиряющая всех угроза неуклонного естественного снижения концентрации диоксида углерода в атмосфере в сочетании с малым располагаемым ресурсом ее поддержания.
В самом деле, при массе углерода в атмосфере, соответствующей оптимальной концентрации (0,03 ; 0,035) % об, и равной 686 млрд. т., его стратегический запас составляет 6000 млрд. т., т.е. является менее, чем девятикратным.
За время существования Земли в атмосферу поступило 1,3 · 1017 т. углерода, что в 200 тыс. раз больше его атмосферного содержания.
По закону пропорциональности при расточительном расходовании ресурсов, его могло бы хватить примерно на 700 тыс. лет, т. е. на два ледниковых периода.
Если представить, что годовое потребление углеводородов будет нарастать и составит в среднем 15 млрд. т. по углю на протяжении 30 лет, его содержание в атмосфере окажется на уровне 1325 млрд. т., что соответствует объемной концентрации диоксида углерода около 0,063 % об. с соответствующими последствиями. Далее проследим возможные при этом климатические сдвиги.
 
4.3. Неоднозначные проявления диоксида углерода
Углерод и его соединения являются универсальной основой жизни. Углеродные структуры отличаются высокой прочностью внутримолекулярных связей, многообразием пространственных конфигураций и функциональных групп. По числу возможных соединений углерод на несколько порядков превосходит другие элементы.
Революционный скачок в энергетическом обеспечении жизненных процессов произошел при переходе от ферментации к дыханию. Именно при дыхании организм снабжается энергией, эквивалентной ее выделению при окислении углеродной составляющей питания кислородом.
Перевод углерода из связанного в СО2 состояния в химически активную форму производится в процессе фотосинтеза под действием солнечного излучения в присутствии хлорофилла, определенного набора элементов и воды. Кислород является побочным продуктом фотосинтеза и обязательным для процессов деградации его основных продуктов: углеводородов и белков. Но как было показано выше, глобальный цикл углерода является незамкнутыми. В естественных природных процессах происходит неуклонное снижение ресурса поступления диоксида углерода в атмосферу наряду с тенденцией повышения в ней содержания кислорода. Менее 1,5 % его количества достаточно для сжигания всех концентрированных запасов углеродов. При этом гипотетический нагрев всего воздуха атмосферы составил бы 33о С, влияние которого является кратковременным.
Однако сжигание углерода, да и водорода, помимо чисто экзотермического эффекта, сопровождается производством диоксида углерода и паров воды, которые проявляют как теплоизолирующее, так и термостатирующее свойство. Так сжигание всего 1% запасов угля приведет к подъему температуры на Земле около 3оС, что будет сохраняться на протяжении не одного десятилетия.
Это объясняется специфическим поглощением – пропусканием лучистой энергии в некоторых ограниченных частях спектра, что является причиной возникновения парникового эффекта.
Чтобы оценить его проявление, достаточно подняться в горы. Мы заметим, что с высотой, как в калейдоскопе меняются виды растительности; исчезают теплолюбивые породы, их сменяют хвойники, а затем они уступают место мхам и лишайникам вплоть до полного исчезновения растительного покрова.
По данным л. 5,16 слой атмосферы, прилегающей к Земле, характеризуется снижением температуры по мере удаления от поверхности на (6 ; 6,5) град;км.
Это – так называемая тропосфера простирается до 7 км на полюсах и до ~ 17 км на экваторе. В этой области температура в среднем составляет 200 К, увеличиваясь далее в стратосфере до 280 К.
Показательно, что с увеличением высоты происходит изменение концентрации составляющих атмосферу газов тем более резкое, чем выше его молекулярная масса. Это особенно касается парникового газа – СО2. (табл. 3)
Таблица 3.
Изменения концентрации газов в атмосфере Земли с высотой
H,км/Газ Воздух N2 O2 A2 H2O СО2 Н2
    0,0    1,0     1,0     1,0     1,0       1,0     1,0     1,0
    1,0 0,899   0,886   0,878   0,841     0,929   0,836   0,992
    2,0   0,79   0,785   0,771   0,708     0,864   0,699   0,984
    3,0 0,702   0,696   0,677   0,596     0,803   0,585   0,976
    4,0 0,624   0,617   0,594   0,501     0,746   0,489   0,968
    5,0 0,555   0,546   0,521   0,422     0,694   0,409   0,961
    8,0 0,390   0,380   0,353   0,251     0,557   0,239   0,938
   10,0 0,308   0,298   0,272   0,178     0,481   0,167   0,923
Коб., %   100    78,0   20,95    0,93   0,1;1,0 0,0415   5 · 10-5
Квес. %   100    75,4    23,1    1,27 0,03;0,035   0,063 3,5 · 10-6

Уже на высоте 3 км концентрация диоксида углерода снижается более, чем на 40%; температура атмосферы падает на ~ 18о С. При этом концентрация паров воды равна 80 % приземной, а снижение концентрации водорода составляет всего 2,5 %. Пары воды так же обладают парниковым эффектом. В явной форме это проявляется при наличии облачности, когда пары воды находятся в частично конденсированном состоянии. В присутствии облаков разница между дневной и ночной температурой составляет (3;4) о С, тогда как при ясном небе она достигает (14;18) о С.
Кроме того, пары воды являются эффективным аккумулятором тела. Их конденсация предотвращает снижение температуры воздуха на (10;20) оС при средней влажности. При отсутствии в атмосфере диоксида углерода и паров воды температура на Земле упала бы на несколько десятков градусов и оказалась бы на уровне -20о С.
Следует иметь в виду, что концентрация рассматриваемых парниковых газов на Земле крайне неравномерна. В отношении СО2 она определяется его выделением при перегнивании органики, в природных пожарах, вулканических извержениях, при сжигании топлив и в ряде промышленных производств.
Парниковый эффект по мере роста концентрации диоксида углерода включает ряд механизмов, ослабляющих его пропорциональное воздействие на температуру. Каждый градус повышения на температуру приводит к росту влагосодержания воздуха на 8%. Образование облачности при соответствующим уровне потепления может нивелировать рост температуры и стабилизировать ее.
Неравномерность концентрации парниковых газов проявляется и широтном плане. Так в областях с хвойной растительностью: тайга Севера – Восточной Азии, Северной Америки процессы окисления растительной органики идут значительно медленней, чем в субтропических регионах. Поэтому атмосфера в них характеризуется пониженной концентрацией диоксида и повышенной концентрацией кислорода.
Удаленность этих регионов от теплых водоемов определяет высокий показатель континентальности климата в них, что делает их потенциальными очагами возникновения ледникового периода.

5. Неэлементарные проблемы минерального питания
5.1. Содержание элементов в Земной коре
Выше приводилось описание предбиологической эволюции Земли и ее атмосферы. Основной движущей силой состоявшихся изменений явилось радиогенное тепло. Под его воздействием происходят глубинные геологические процессы, приведшие к созданию первичных гидро – и атмосферы.
Возникновение и развитие органической жизни сопровождается обменом веществ с окружающей средой с последующим ее преобразованием. Радикально меняется состав атмосферы: с появлением в ней кислорода создаются условия перехода от ферментации к дыханию с многократным преимуществом в энергетическом обеспечении жизнедеятельности организмов.
Одновременное образование озонового слоя в верхних слоях атмосферы, представляющего защиту от губительного ультрафиолетового облучения, создает предпосылки для распространения жизни из воды на сушу.
Область обитания организмов сосредотачивается в наружной оболочке Земли и включает атмо – и гидросферу, а также почву. Эта глобальная система сосуществования в непрерывном взаимодействии интегрального вещества в газообразной, жидкой и твердой фазах, разнообразных организмов и продуктов их жизнедеятельности была обозначена австрийским геологом Э. Зюссом как биосфера. Разработанное В. И. Вернадским учение о живом веществе и биосфере явилось теоретической основой биогеохимии, изучающей процессы миграции и массобмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой.
В. И. Вернадский рассматривал почву как центральное звено биосферы, с которым связаны химический состав мирового океана, миграционные циклы, осуществляемые посредством речных стоков, атмосферных осадков и ветров. Ученым отмечено, что циклы миграции элементов являются не вполне обратимыми, и их часть постоянно выводится из кругооборота. При этом возможно некоторое их восполнение из почвообразующих пород.
Немецкий химик Ю. Либих указал на возможность управления миграционным циклом человеком, который может вводить в почву недостающие массы элементов. Ученым поднята проблема влияния нарушения массобмена элементов на судьбы народов и стран.
В. В. Докучаев основал генетическое почвоведение как науку. Он показал, что образование почвы является результатом взаимодействия многих фактором: фундамента – горной породы, растений и животных, формы рельефа, грунтовых вод, климатических условий. Сама продуктивность почв во многом определяется деятельностью обитающих в ней микроорганизмов и бактерий, крайне чувствительных к температурному и водному режиму.
Начало статистическому изучению распределения десяти глобальных жизнеобразующих элементов в горных породах, природных водах и земной коре положено американским химиком Ф. У. Кларком. В его честь относительное содержание химических элементов в различных системах стало обозначатся кларками.
Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на 10 порядков. По содержанию элементы могут быть разделены на две группы: главную (с высокой концентрацией) и рассеянные элементы. Условной границей между ними является величина 0,1%.
Проводим состав гранитного слоя континентального блока земной коры по данным л. 6. Литературные данные по концентрации элементов в земной коре разноречивы, поэтому даем ограниченную выборку, качественно отражающую картину.
Элемент    0 Si Al   Fe K Ca Na Mg   T2 H
Содержание, %   48    40   8   3,6 2,7 2,5 2,2 1,2 0,33 0,1
Элемент    Р     F Mn    Ba   S   C Cl   N   Th U
Содержание, % 0,08   0,07 0,07   0,07 0,04 0,03 0,017 2,6·10-3 1,6·10-3 2,6·10-4

 Отметим, то масса водорода в воде океанов составляет около 0,54 % массы коры (л. 5). Кроме того, суммарное содержание элементов по данным л.6 не нормировано на 100%.
В представленной группе из 72 элементов на половину состава приходится менее 0,01% массы.
5.2. Содержание элементов в живом веществе
Химический состав живого вещества качественно отличается от состава инертного вещества земной коры. Сырая биомасса мировой суши содержит 60 % воды, 38 % органического вещества и 2% зольных элементов, представляющих минеральный остаток после испарения воды и сгорания органического вещества до диоксида углерода.
Масса наземных животных составляет около 1% от растительной массы.
Иная картина складывается в океане. Масса фотосинтезирующих организмов – продуцентов (водоросли, планктон) в несколько сот раз уступает массе растений суши, а масса животных и бактерий океана даже превышает (примерно на треть) массу растений. Живое вещество океана отличается значительно превосходящим растения суши содержанием зольных элементов: примерно 40;50% от сухой биомассы.
По данным л.6 в сухом веществе растительности суши отмечено следующее содержание элементов
Элемент C O H N S P Ca
Содержание, % 45 42 5,8 0,5 0,25 0,2 1,5
Элемент K Mg Na Cl Si Al Fe
Содержание, % 1,1 0,25 0,1 0,15 0,4 0,03 0,02
 
Содержание элементов для животных несколько отличается:
Элемент С О H N S P Ca
Содержание, % 46,5 18,6 7,0 10,0 0,5 1,4;4,4 0,02;8,5
Элемент K Mg Na Cl Si Al Fe
Содержание, % 0,74 0,1 0,4 0,28 0,012;0,6 0,004;0,01 0,016

По тем же данным содержание основных зольных элементов в сухой биомассе водорослей составляет:
Элемент K Na Si S Ca Mg Cl P
Содержание, % 5,2 3,3 2,0 1,2 1,0 0,52 0,47 0,35

Отмечается многократное превосходство по концентрации зольных элементов по сравнению с растительностью суши. В области содержания рассеянных элементов — это превышение является еще более существенным. Для йода и брома оно составляет сотни раз, для тяжелых металлов: кадмия, цинка, ртути, свинца, ванадия и др. – десятки раз.
Океанический   кругооборот элементов качественно отличается от наземного. Подавляющая часть первично синтезируемого органического вещества океана обеспечивается фитопланктонами. Основная его масса сосредоточена в поверхностном слое до глубины 100 м, куда проникает солнечная энергия. Несмотря на небольшую по сравнению с сушей фитомассу, продукция фотосинтеза Мирового океана близка к производительности суши. Это объясняется быстрой воспроизводимостью планктонных организмов, требующей на это всего около суток. Это достигается не только высокой эффективностью использования растворенных в воде элементов, но и отработанным механизмом их удержания. Морские организмы в условиях относительного дефицита минерального питания не обладают функцией избирательности по использованию элементов. Они активно поглощают элементы, включая токсичные для человека, что следует учитывать особенно при загрязнении воды вредными производственными стоками.
Что касается растительности Мировой суши, аккумуляция ими элементов определяется не только их содержанием в почве, но в большей степени растворимостью в воде и легкостью отрыва катионов от аниона. Удержание их в клетках растений зависит уже от способности анионов или катионов образовывать устойчивые комплексные соединения. Этим свойством обладают преимущественно поливалентные элементы (хлор, сера, фосфор), включая тяжелые металлы.
Захват и удержание элементов, особенно рассеянных, растительностью суши характеризуется коэффициентом биологического поглощения (КБП), который определяется отношением концентраций элемента в растениях и почве. Указанный параметр принимает следующие значение для некоторых элементов (по данным л.6).

Элемент Са K Si S Mg
KБП, % 14,4 10,4 0,3 170 5,3
Кларк%; С % 2,5 (1,8) 2,7 (1,4) 40 (0,5) 0,04 (0,34) 1,2 (0,32)
Элемент P Cl Na Al Fe
KБП, % 57,3 23,5 1,0 0,1 0,1
Кларк%; С % 0,08 (0,23) 0,017 (0,2) 2,2 (0,12) 8,0 (0,05) 3,6 (0,02)
      
Примечание: С – концентрация элемента в растительности суши.
Представленные данные подтверждают повышенную избирательность растений по отношению к поливалентным элементам. Их удержание объясняется низкой диффузной подвижностью образованных ими комплексных соединений.
Такая же способность характерна и для ряда тяжелых элементов (свинец, ртуть, цинк, мышьяк, уран и т. д.), являющихся ядами и приводящих при определенном уровне усвоения даже к гибели растений.
В своем большинстве эти элементы связывают серу, хлор, йод, и другие жизненно важные элементы с образованием практически нерастворимых кристаллических соединений. При этом нарушается движение минеральных растворов от корней и продуктов фотосинтеза от листьев.
В ряде случаев транспорт токсичных элементов к плодам растений пресекаются их аккумуляцией в узлах стеблей, что ограничивало их содержание в продуктах при росте концентрации вредных элементах в почве.
Следует отметить, что и комплексообразующие элементы с полезными функциями могут быть избыточными. При этом они не образуют соединений, а их накопление приводит к отмиранию клеток.
Растения не имеют механизмов, кроме физико – химических, ограничивающих усвоение элементов в том числе и токсических. Положение облегчает их малая концентрация. Однако следует учитывать их влияние в местах с высоким содержанием в породах.
С другой стороны, при обнаруженной существенной концентрации какого – либо элемента в растениях можно предполагать наличие его в породах в объеме, представляющем интерес для промышленной добычи.
5.3. Угроза дефицита микроэлементов
Отмечая угрожающее воздействие цивилизации на глобальный цикл углерода, не следует упускать из виду уже проявившуюся недостачу микроэлементов в рационе питания. Об этом можно судить хотя бы по ассортименту медицинских препаратов в аптеках. Однако по совокупности влияющих факторов этого может оказаться недостаточно для обеспечения здоровья человечества, особенно с учетом локальных условий.
Между составами питательных сред (гидро – атмосферы, почвы) и продуктов фотосинтеза наблюдается вполне однозначное соответствие. В первую очередь это свидетельствует об отсутствии у растительности механизма избирательности при усвоении элементов, что негативно отражается на животных, потребляющих их в пищу. Даже наличие защитного барьера в виде клеточной мембраны не гарантирует полной безопасности организма.
В потребляемых продуктах растительного и животного происхождения содержатся углеводы, белки и жиры, распадающиеся с освобождением энергии, а также минеральное питание и вода, которые не являются источниками энергии, но участвуют во множестве процессов жизнедеятельности.
В организме, в его клетках происходят множественные реакции синтеза (анаболические) и распада (катаболические), что в совокупности составляет метаболизм. Для их протекания молекулам необходимо преодолеть энергетический барьер. Вероятность этого события при температуре организма крайне мала, что пресекает развитие жизненных процессов. 
Ускорение реакций в различных технологиях достигается увеличением температуры и применением катализаторов - нерасходуемых элементов и соединений, уменьшающих энергетический барьер переключением на себя валентной связи. В качестве биологических катализаторов выступают ферменты (энзимы) и отчасти гормоны и витамины. Масса этих соединений незначительна, но они обеспечивают и регулируют жизненно важные биохимические процессы.
В организме человека находятся около 30 тыс. различных ферментов, каждый из которых является эффективным ускорителем соответствующей реакции. Фотосинтез, дыхание, синтез белков, кроветворение, углеводный, белковый, жировой обмен, работа пищеварительной системы и многие другие процессы не обходятся без участия ферментов.
Сами ферменты представляют специализированные на определенные функции белковые молекулы. Свои особые свойства в большинстве случаев они приобретают при соединении с микроэлементами, такими, как медь, цинк, хром, бром, марганец, бор, молибден, железо, титан, йод, селен и т.д.
Высокая эффективность металлоферментов иллюстрируется на следующем примере. Так, всего за 1 мин одна молекула фермента карбоангидразы (соединение белка с цинком) активирует превращение 36 млн. субстрата (л. 6). При этом в отдельности ни белок, ни металл подобной способностью не обладают.
Биосинтез тироксина, гормона щитовидной железы предполагает наличие йода. Тироксин регулирует интенсивность основного обмена, влияет на деятельность спинного и головного мозга, на высшую нервную деятельность, изменяя уровень условных рефлексов. Суточная потребность – йода составляет примерно 0,3 мг, в течение жизни – менее 10 г, но это должно быть обеспечено, особенно в детском возрасте. При его недостатке развиваются неприемлемые поражения практически всех систем жизнеобеспечения (л.18).
Физиологическое влияние микроэлементов не определяется величиной его концентрации. Проследим это на примере кобальта, содержащего в количестве менее 10-5 % от массы сухого вещества организма и около 7 · 10-4 % в земной коре. Кобальт является обязательным компонентов витамина В12 , образующей в организме фермент, участвующий в синтезе аминокислот, белков, рибонуклеиновых (РНК) и дезоксирибонуклеиновых (ДНК) кислот и других важнейших соединений без которых жизнь просто немыслима. Суточная норма его потребления составляет всего 0,005 мг.
Всего идентифицировано около 50 витаминов. Недостаточное их потребление приводит к серьезным нарушениям в деятельности систем жизнеобеспечения, а прекращение их поступления - даже к смерти.
Оптимальные суточные дозы витаминов сильно различаются от долей миллиграмм до нескольких грамм. Избыточное потребление витаминов приводит к серьезным и даже летальным нарушениям в организме.
Обеспечение витаминами особенно важно в процессе вынашивания плода и в послеродовой период, что достигается сбалансированным питанием. Особое внимание следует обращать на бесперебойное поступление витаминов, не запасаемых организмом. Это, например, касается витамина В1, улучшающего рост и увеличивающих сопротивление инфекции. Главным источником витаминов являются растительная пища, их содержат также рыбные и мясные продукты, молоко, яйца.
Роль витаминов подобна гормонам и ферментам. Некоторые витамины идут на образование ферментов, в ряде случаев активируют их. Наряду с химическим сродством этих соединений, их взаимодействие при регулировании обмена веществ согласовано и отработано в процессе эволюции. Действие витаминов и ферментов, как правило, инициируется нервной системой посредством гормонов.
Рассматриваемые соединения являются высокомолекулярными сложными структурами, специфические функции которых реализовались благодаря наличию определенной элементов.
Отмечается увеличение их многообразия и концентрации в организмах в процессе эволюции животного мира.
Общее количество минеральных веществ у человека около 4,5 % массы тела; из них более 83% идут на образование костей.
Ионы минеральных веществ поддерживают постоянство осмотического давления, щелочно – кислотное равновесие, активную реакцию крови и тканей, необходимы для действия нервной системы, газового обмена, секреции и выделительных процессов.
Наибольшее значение имеют анионы: хлориды, фосфаты, сульфиты, карбонаты, силикаты и катионы: натрий, калий, кальций, железо, магний, медь. Кроме того, в осуществлении физиологических процессов участвуют десятки элементов.
Суточная потребность человека составляет (граммах): в натрии 5, кальции – 1, калий – 4, фосфоре – 2, сере 1, магнии – 0,6; железе ~1 мг. Для беременных и кормящих женщин нормы потребления могут быть в несколько раз выше, особенно по кальцию, железу и некоторым другим.
Основное содержание минеральных веществ в клетках обеспечивается макроэлементами. В целом проблемы с их поступлением в организм нет, поскольку кларки этих элементов достаточно высоки.
Для оценки ресурсов микроэлементов естественно пользоваться их кларками не в почве или земной коре, а непосредственно в растительности. При этом наиболее информативно их содержание в золе.
Приводим значение концентрации микроэлементов в золе, а также их массу в растительности Мирового океана (по оценкам л. 6). 
Элемент Мп Zп Sr Ti B Ba Cu Zr
C1 мг/г 4,1 0,6 0,7 0,65 0,5 0,5 0,16 0,15
Мобщ,п·т 108 107 107 107 107 107 107 106
Элемент B2 F Ni Cr Mo Co Be Se
C мг/г 0,08 0,07 0,04 0,035 0,01 0,01 0,002 0,001
Мобщ,п·т 106 106 106 106 106 106 105 104
 


           Приводим для сравнения массы относительно зольных элементов, включая перечисленные выше макроэлементы.
Элемент Ca K S Mg Si P Cl Na Al Fe
М, 109 т 28,2 20,7 9,0 6,0 5,6 3,8 3,8 2,3 0,6 0,5

В сухом веществе растительности, кроме зольных элементов, содержится около 35 · 103 азота и 865 · 109 т углерода.
Есть все основания полагать, что в зерновых, овощных и других культурах, которые используются в пищевом рационе животных и человека, содержится идентичный состав элементов. Однако по ряду причин именно в этом отношении уже обозначилась проблема достаточного обеспечения, грозящая непредсказуемыми последствиями в случае ее неадекватного решения.
Как следует из приведенных выше данных практически все микроэлементы составляют только около 3,5% массы зольных элементов, а в 1000 кг растительности всего их содержится менее 70 г. В лучшем случае
суточная потребность человека в микроэлементах могла бы обеспечена при потреблении примерно 15 кг растительности пищи с достаточно высоким содержанием сухих веществ. Такой рацион питания обрекал бы его на судьбу травоядного. Определяющую роль в ускорении эволюции человека сыграло включение в пищу мяса, которое доставляло человеку необходимые аминокислоты и элементы, концентрация которых в растительной пище ничтожна. Не менее важно стало потребление зерновых и бобовых, богатых углеводами и белками.
Поступление в организм человека достаточного количества элементов обеспечивается важнейшей функциональной особенностью живого – концентрирование в окружающей среде.
Такое качество проявляется у картофеля и подсолнечника (по отношению к калию); злаков (по кремнию), чая (по алюминию), бобовых (по кальцию), водорослей (по йоду), мхов (по железу)
6. Факторы, определяющие продуктивность Океана и Мировой суши.
Органическая жизнь на Земле своим зарождением и сохранением обязана целой совокупности условий, каждое из которых необходимо, но проявляется только в полноте. При этом отдельные условия, относящиеся к параметрам среды, могут испытывать значительные качественные и количественные изменения как со временем, так и в пространстве.
Это касается основных сред распространения жизни: гидро- и атмосферы, суши, а также их состава и температурных условий. Интегральным показателем интенсивности жизни является биологическая продуктивность. Ее уровень может существенно различаться в зависимости от степени обеспечения тех или иных условий.
Так, годовая удельная продукция фотосинтезирующих материалов составляет (в т/км2) в открытом океане 100, в прибрежных зонах – 300; в районе подъема глубинных вод – 2200. Это указывает на доминирующую роль в биопродуктивности достаточного минерального питания. В прибрежных областях это происходит за счет стоков с суши, а в субарктических и северных умеренных зонах при выносе на поверхность потоков глубинных вод, обогащенных химическими элементами. Именно эти зоны обеспечивают 2/3 мирового улова рыбы. При этом следует учитывать значительно более слабую обеспеченность лучистой энергией Солнца, по сравнению с южными поясами. Поэтому искусственное разведение рыбы в солнечных регионах представляется еще эффективней.
Продуктивность суши зависит не только от температурных условий, но и от водного режима при обеспечении минеральным питанием. Оптимальная температура для растительности составляет 25оС; при ее снижении на 10оС продуктивность падает более, чем в 2 раз.
Максимальная продукция фотосинтеза характерна для тропических лесов; в 2,5 раза им уступают луговые степи и саванны, в 3,5 раза широколиственные леса и южная тайга, а тундровая растительность – до 30 раз.
Дополнительный вклад температурного фактора в производительность растительности суши связана с повышением эффективности разложения опада почвенными бактериями и организмами. При этом цикл кругооборота веществ в теплых и увлаженных почвах является более обратимым, чем в холодных и сухих.
Полнота переработки продукции фотосинтеза до состояния, усваиваемого растениями удобрения характеризуется коэффициентом аккумуляции опада. Уменьшение этого коэффициента соответствует более глубокому разрушению органики с выделением диоксида углерода.




Значения Ко для различных природных зон приводится ниже (по данным л.6)
Природная
зона Северная
Тайга и Тундра
Южная Тайга Широколиственные
леса умеренного пояса Степи Влажные
Тропические
леса пустыни

Ко
> 10 (до 30)
5;10
2;5
     1;2
<1 (до 0,1)
   
Таким образом, влажные тропические леса в процессе фотосинтеза достигают максимальной продуктивности не только по биомассе, но и по кислороду. Однако эта зона характеризуется и максимальной степенью связывания кислорода в процессах разложения (окисления) продуктов фотосинтеза.
Отсюда следует, что атмосфера обеспечивается кислородом растительностью умеренного и северных поясов. При этом повышенная концентрация кислорода в атмосфере определяет пожароопасность таежных регионов.
Приведенные данные свидетельствуют о некоторой незавершенности глобального цикла углерода за счет неполного разложения продуктов фотосинтеза. В результате содержание диоксида углерода в атмосфере неуклонно убывает.
Причиной этого является не только высокая устойчивость образующихся соединений гумуса, но и недостаточная концентрация почвенных микроорганизмов, а также их слабая биоактивность при низкой температуре.
Основная часть годовой продукции СО2 в умеренном поясе приходится на безморозный период года, когда температура почвы устанавливается на уровне 6о С, что является нижней границей отсчета вегетационного периода.
По данным л. 6 годовая продукция диоксида углерода почв в России различается более, чем в 7 раз при среднем безморозном периоде около 140 дней за исключением южных областей, где он составляет даже в Предкавказье 180 дней.
Углеводно – белковая продуктивность флоры, обеспечивающая базовое звено цепи питания, определяется интегральным солнечным облучением, равном произведению температуры выше 10о С на продолжительность ее поддержания в сутках. Для вызревания пшеницы требуется около                1800оС · сутки, а риса – уже 4000оС · сутки. Кроме того, необходимо достаточное влагообеспечение и т.д.
Максимальная урожайность пшеницы достигается в регионах с количеством осадков на уровне 800 мм/год и вносимых удобрений около 350 кг/Га. К ним относятся Великобритания, Франция и Германия, где урожайность составляет ~ 75 Ц/Га, что почти в 3,3 раза превышает среднемировой уровень. Низкая урожайность в России, Австралии. Казахстане и др. объясняется прежде всего недостаточным влагообеспечением, малым объемом удобрений, низкой биоактивностью почвенных бактерий.
Что касается эффективности сельского хозяйства в целом, то она достигается при мягком, практически безморозном климате и гарантированном уровне осадков в 800 мм/год. Совсем не случайно, что регионы, где выполняются эти условия, характеризуются и максимальной плотностью населения. К ним относятся Южная Корея, Япония, Нидерланды, где эффективность сельского хозяйства превышают среднемировую в 7 раз и выше уровня США и России соответственно в 18 и 28 раз.
Достаточно высокую позицию (в 5 раз выше среднего уровня) занимает Израиль, широко применяя искусственное орошение.
Вполне аргументированным является вывод, что продуктивность Земной суши в большой степени определяется деятельностью почвенных организмов. К ним относятся беспозвоночные: дождевые черви и членистоногие; а также микроорганизмы: бактерии, грибы, актиномицеты как переходные форма бактерий и грибов, водоросли, простейшие.
Масса дождевых червей и членистоногих составляет в хорошо увлажняемых почвах от 10 до 70 т/км2, достигая 200 т/км2. (л. 6). Дождевые черви могут перерабатывать за сезон всю массу опада и перемешать ее с минеральной массой в 10 раз большей. При этом масса опада может достигать 700 т/км2, превосходя массу червей в несколько раз.
Однако основная масса живых почвенных организмов приходится на бактерии. Их количество изменяется на 1 г. грунта от (0,5-0,8) ·106 в подзолистых почвах (леса умеренного пояса) до (2-2,5) ·106 экземпляров в черноземах. Это соответствует примерно 2 и 6 т. живой массы на площади в 1 Га (л. 6), что значительно превышает массу наземных животных.
Содержание сухого органического вещества в бактериях оценивается по разным данным величиной (7;12) ·109 т. Более реальной представляется значение нижней границы интервала, которое равняется примерно 10% производительности Мировой суши по углероду.


Приводим средний состав элементов в сухом веществе бактерий (л.6.)
Элемент C O N H Mg Ca Na P S
Содержание, % 54 23 9,6 7,4 0,7 0,5 0,46 3,0 0,53

     Состав бактерий и живых клеток существенно не отличается.
Результатом деятельности бактерий и других микроорганизмов является:
- переработка органического вещества до углекислого газа,
- окисление водорода, метана, пропана, гептана и других углеродов, диффундирующих из земли особенно в области месторождений газа и нефти;
- образование усваиваемых растениями нитратов биохимическим окислением аммиака (до сотен килограммов на гектар);
- поглощение и фиксирование молекулярного азота из атмосферы.
Таким образом, почва, благодаря присутствию в ней живых организмов, не только обеспечивает завершение углеродного цикла, но и является биогеохимическим фильтром, осуществляющим защиту атмосферы от высокомолекулярных углеродов. Важной является также роль почвы в продуцировании азотного питания. Это позволяет классифицировать почву как глобальный биореактор-ферментер.
Однако структура и минеральный состав наружного слоя Земли не обеспечивают появления и развития перечисленных выше функциональных механизмов. Особенно это касается степени замкнутости кругооборота углерода.
Известно, что основные запасы каменных углей сформировались в карбоне (350 – 285) млн. лет назад. Это сопровождалось накоплением в атмосфере кислорода.
В мезозое (230 – 67) млн. лет назад – времени расцвета динозавров по климатическим условиям продуктивность растительности была не ниже, чем в период карбона, однако масса углей мезозоя в несколько раз уступает месторождениям карбона. В существенной степени это связано с повышением эффективности переработки опада в почве за счет развития в ней разнообразных микроорганизмов, оптимальных температурных условий и увлажнения.
Показательно, что период карбона характеризуется резким повышением содержания кислорода в атмосфере (350 – 300 млн. лет назад) с дальнейшим трехкратным его снижением (примерно 200 млн. лет назад). Восстановление его концентрации до современного уровня произошло примерно 150 млн. лет назад.
На основании этих данных можно полагать, что период после карбона явился поворотным в формировании почвы, поскольку с этого времени была обеспечена интенсификация деятельности почвенных аэробных микроорганизмов.
Мировая суша стала вносить свою все возрастающую долю в кругооборот углерода и поддерживание концентрации кислорода в атмосфере, способствуя распространению жизни на Земле.
Однако не следует забывать, что ее колыбелью был океан: его прибрежные зоны, подверженные резкому воздействию на минеральный состав воды интенсивных процессов геологической эволюции.
Ресурсы для развития жизни в океане значительно уступают таковым на суше. Это объясняется ограничением проникновения солнечного излучения глубиной порядка 100 м. и придонным сосредоточением минерального питания, которое   может быть вовлечено в процесс только глубинной циркуляцией. Средняя глубина океана составляет 3700 м.
Сухая биомасса Мировой суши (1900 · 109т) почти в 600 раз превосходит океанскую в виде фитопланктона (~ 3,4 · 109т). Однако продукция фотосинтеза в этих средах практически одинакова: 50 · 109т в океане и всего на 20% больше на суше (60 · 109т).  Выделение кислорода в океане составляет ~134 млрд. тонн против 160 млрд. т растениями суши.
Общая масса наземных животных составляет только около 1% от всей фитомассы. Среди животных 96% всех видов – беспозвоночные, 4% - позвоночные, из которых десятая часть – млекопитающие. Это устанавливает преобладание в массовом отношении форм, стоящих на относительно низких уровнях эволюционного развития.
Особенность океана заключается в том, что суммарная масса животных и микроорганизмов (бактерий) превышает массу первичных продуцентов (фитопланктона) примерно на 30%. (4,5 · 109т). Это объясняется быстрым обновлением биомассы океана (примерно за 1 месяц), тогда как на суше для этого требуется примерно 15 лет.
Условие фотосинтеза в океане и на суше резко отличаются по соотношению концентраций кислорода и углекислого газа. Если на суше оно выше 500 по объему, то в океане примерно в 25 раз меньше. Это способствует ускорению фотосинтеза. Выделившийся при фотосинтезе кислород поднимется в воде к поверхности и уходит в атмосферу.
Обменные процессы океана и суши носят достаточно интенсивный характер, не только через атмосферу. Десятки миллиардов тонн газов (кислород, диоксид углерода, азот и т.д.) вовлекаются в цикл растворения в холодных водах и выделения в субтропических областях.
Огромное значение имеет водный обмен. Порядка 45·1012т атмосферных осадков на суше из общего количества   115·1012 т обеспечивается переносом испарений с океана через атмосферу.
Среднее количество осадков на суше составляет около 765 мм в год против примерно 1140 мм в океане, т. е. почти в 1,5 раза меньше.
В прибрежной зоне теплых морей и океанов объем атмосферных осадков значительно превышает их уровень для удаленных областей материков. Соответственно климат от теплого, увлажнённого (морского) изменяется до континентального, что определяется продуктивность суши и уровень ее заселенности.
Сток воды с суши в океан эквивалентен ее приходу с океана в виде осадков. Вместе с речным стоком производится вынос в океан растворимых солей в количестве ~ 5 млдр. тонн. Сток содержит также растворенное и взвешенное органическое вещество. Преобладающая часть взвешенной органики уходит в осадок в дельтах рек и на шельфе, обеспечивая высокую продуктивность суши и воды, что предопределяло зарождение цивилизаций в долинах рек.

7. «Прогресс» цивилизации в отравлении окружающей среды.
Заметное воздействие человека на животный и растительный мир начало проявляться только в последние тысячелетия. Влияние кочевых цивилизаций практически полностью изменяли природную биосферу на ограниченной площади преимущественно в долинах Африки, Восточной и Юго-Восточной Азии. Деятельность людей приводила к уничтожению животного мира, вырубке лесов, их сжиганию, распашке степей, разведению сельскохозяйственных культур.
Масштабы такого воздействия увеличивались с ростом населения, однако с развитием промышленности начались качественные и количественные изменения. В возрастающем объеме сфера производства стала потреблять минеральные ископаемые.
В настоящее время масса извлекаемых из недр разнородных веществ составляет не менее 150 млрд. тонн. Ежегодно в атмосферу поступает углерода из разных источников в составе углекислого газа около 5·109 т/год, что только в 12 раз уступает производительности растений Мировой суши.
Цивилизация потребляет не менее 5000 кубических километров воды: 85% использует в промышленности, 15% идет хозяйственно-бытовые нужды.
Затраты воды в некоторых производствах в м3 на 1 т продукта составляют:
- синтетическое волокно - 2500;5000
- выплавка никеля            - 4000
- этанол                - 200
- бумага                - 100
На орошение 1 Га поливных земель тратится до 15 м3/ год.
Представляет интерес интегральное изменение структуры биологического кругооборота для лесной зоны европейской части России, которое по глубине преобразований уступает Западной Европе. (по данным л.6).
Общая площадь – 2,42·106 км2
Площадь лесов в настоящее время – 1,5·106 км2 (сокращение на 0,92·106 км2 по сравнению с доисторическим периодом).
Площадь пашни – 0,3·106 км2
Площадь лугов и пастбищ – 0,38·106 км2
Заселенная площадь, реки, озера – 0,24·106 км2
Вывоз в составе урожая и лесоматериалов ежегодно:
Азота – 11 млн. т.
Фосфора – 1,1 млн. т.
Калия – 4,5 млн. т.
Кальция – 5,3 млн. т.
При вырубке лесов, кроме резкого сокращения фитомассы и связывания в ней элементов увеличивается вынос их с водными стоками.
При этом содержание макро и микроэлементов в выращиваемой продукции закономерно снижается, что создает реальную угрозу дефицита для обеспечения потребности человека.
Эта проблема на стыке сельского хозяйства и медицины была поднята в СССР, начиная с 1950г. Научные и практические исследования в этой области активно велись до 1990 г. Их продолжение особенно актуально в наше время.
Основное внимание производителей уделяется обеспечению массового сбора культур, а главной мерой для повышения урожайности стало внесение минеральных удобрений: азотных, калийных, фосфорных. Так, количество вносимого в почву азота с 1970 г. до 2000 г. увеличилось (л. 6) в 4 раза до 120·106 т/год.
Массы азота активно вовлекаются в водную миграцию, приводя к зарастанию водоемов с последующим их загрязнением продуктами разложения.
Попадающие в организм человека с водой и продуктами питания нитраты нарушают кислородный обмен в крови (особенно у детей). Другие азотные соединения обладают канцерогенными свойствами.
На второе место после проблемы СО2 в атмосфере в связи с угрозой глобального потепления по мнению ученых входит опасность загрязнения тяжелыми металлами; среди которых выделялась ртуть, свинец и кадмий, а также олово, медь, хром, никель и некоторые другие.
Производство и применение этих металлов сопровождается их активным рассеянием. Это наблюдается при использовании их в химической, бумажной, электротехнической отраслях промышленности, где они, уходят с промышленными стоками.
Так свинец содержится в добавках к бензину для автомобилей, а ртуть и мышьяк используются при производстве ядромикатов в сельском хозяйстве.
Такое отношение к вредным для здоровья элементам насколько парадоксально, настолько и абсурдно.
Определенные успехи достигнуты в области снижения техногенных выбросов соединений серы, на 95% связанных с сжиганием каменных углей. При этом образуется химически агрессивное соединение SO2.  При выпадении с осадками в виде кислотных дождей происходит поражение растительности, наносится ущерб здоровью населения.
Выбросы серы 1990 г. превышали 100 млн. тонн, и только обязательная сероочистка отходящих дымовых газов помогла частично разрешить эту проблему.
Однако с сжиганием угля связан ряд других проблем. Одна из них достаточно явная и касается утилизации шлаков, поскольку их масса при зольности углей в 30% в настоящее время достигает 1млдр. тонн.
Другая проблема, не столь явная, связана с присутствием в углях радиоактивных элементов, концентрация которых может достигать 10-4%.
При этом масса урана – 238 ожидается на уровне 3000 т, что содержится в 3 млрд. тн. сжигаемого угля. Для сравнения некоторые нефтеносные сланцы (США) содержат урана до 80 г. на 1 тонну, т.е. его концентрация составляет 8·10-3, что в 80 раз больше использованной для приведенной оценки.
Загрузка урана в водо-водяной реактор мощностью 1млн. квт. (ВВЭР-1000) составляет около 70 т; т. е. содержание урана в шлаках от сгорания углей достаточно для загрузки 40 реакторов.
Отработанные шлаки будут обладать сильной радиоактивностью, представляющей серьезную опасность для людей. Особенно это будет проявляться при использовании шлака в качестве строительного материала.
Недостаточно осознанная человечеством угроза исходит от вовлечения в хозяйственную деятельность огромных масс нефти и нефтепродуктов и связанная не только с их сжиганием, но и с добычей, транспортом переработкой.
Загрязнение этими высокомолекулярными устойчивыми углеводородами поражает все звенья биосферы: океан, почву, атмосферу, на длительное время ингибируя микробиологические процессы, нарушая биологические циклы элементов. Особо опасны потери нефти при эксплуатации скважин, авариях трубопроводов, катастрофах танкеров, излияний нефтяных вод и т. д.
Полициклические ароматические соединения, содержащиеся в нефти и продуктах ее переработки, являются по большей части канцерогенами.









Заключение
Сохранение жизни на Земле с участием человека зависит от своевременной реакции на возникающие проблемы не всегда экологического характера и их адекватного решения.
Негативное влияние на окружающую среду в большинстве случаев связано с деятельностью самого человека. Это усугубляется сохраняющимся экспоненциальным ростом промышленного производств, что сопровождается обострением уже обозначившихся проблем.
– увеличение объемов потребления ископаемых органических топлив, приводящее к сокращению основного ресурса продуктивности биосферы и   угрожающему глобальному потеплению:
– сохранение тенденции роста концентрации кислорода в атмосфере сверх оптимального уровня с негативным влиянием на здоровье, угрозой лесных пожаров;
– истощение в почве макро и микроэлементов из-за нарушения глобального цикла их естественного оборота;
 – загрязнение и отравление окружающей среды продуктами сгорания, отходами химических производств, тяжелыми и нефтепродуктами, нарастание дефицита водоснабжения.
– рост угрозы взаимного уничтожения.
   Проблемы чисто экологического характера могут быть решены развитием и финансированием программ природоохранного назначения.
Необходимы радикальные меры по переходу энергетики на использование возобновляемых источников.
Основной упор, по-видимому, понадобится сделать на развитие атомной и термоядерной энергетики.
В частности, атомной энергетике необходимо ориентироваться на переход к реакторам повышающих степень использования ядерного горючего. В настоящее время она составляет около 1%.
Повышенный расход энергии понадобится для извлечения углерода, в том числе в форме СО2, из океанской воды для обеспечения фотосинтеза.
Основная проблема заключается в преодоления эгоцентризма отдельных государств, находящихся на высоком уровне технологического развития.

Использованная литература:
А. Ф. Цыцаркин. Реставрационная модель происхождения Солнца и планетной системы yapishu.net. 2020.
Минору Озима. История Земли. Издательство «Знание» Москва 1983.
И. С. Шкловский. «Звезды. Их рождения, жизнь и смерть». Издательство «Наука». Москва 1977.
Физическая энциклопедия т.2 Под редакцией А. М. Прохорова т.2 м. «Энергоатомиздат».
Физические величины. Справочник. Под редакцией И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. Москва «Энергоатомиздат» 1991.
В. В. Добровольский. Основы биогеохимии. Москва. «Академия» 2003.
М.Х. Карапетьянц, С. И. Дракин. Строение вещества м. «Высшая школа» 1978.
Н. И. Кошкин, М. Г. Ширкевич. Справочник по элементарной физике. Издательство «Наука». М. 1965
А. Ф. Цыцаркин. Земля и ее пассажиры. Москва 2019. yapishu.net   
Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор. Биология в 3- х томах М.: мир 1996
Т. Николов. «Долгий путь жизни». М. «Мир», 1986
В. П. Гаврилов. «Путешествие в прошлое Земли». М.: «Недра» 1986.
А. Ф. Цыцаркин. «От дубинки деревянной до термоядерной». М.: yapishu.net 2019.
Углекислый газ в атмосфере Земли. Википедия.
А.П. Никонов. «История отмороженных в контексте глобального потепления» м.: Изд-во Н. Ц. ЭНАС, 2007.
П. Д. Астапенко. «Вопросы о погоде». Ленинград Гидрометеоиздат. 1986.
М. А. Стырикович. Энергетика. Проблемы и перспективы. М.: Энергия, 1981
С. И. Гальперин. Физиология человека и животных М.: «Высшая школа», 1977.