保护生物圈的论文,

保护生物圈的论文,

在地球表面上,生物圈是一个厚度很薄却又十分独特的圈层.它的概念约在一个世纪前就由奥地利地质学家休斯(Suess)引入自然科学之中.他于1875年出版了一本关于阿尔卑斯山起源的论著,在最后总结性的一节内,首先提出了“生物圈”这个术语,但是一直未被科学界所接受.直到苏联科学院院士维尔纳斯基(В.И.Вернадский)首先在1926年的苏联科学界,而后又于1929年在法国发表了题为生物圈的两篇演说后,生物圈的概念才得到了全世界的广泛反响,一直延续至今,有关生物圈的内容和基本概念,仍然属于维尔纳斯基所定义的范畴.1970年,美国出版的《科学美国人》,以专刊的形式,系统地总结了有关生物圈研究的主要进展,尤其是哈奇逊(Hutchinson)的论文,更对于生物圈的基本特性,作了全面的综合性论述. 生物体系中存在的这个薄层,比地球上该薄层之外的空间具有更加独特的地方.如果没有这一独特的自然环境存在,结果将正如其它星体上目前尚未正式发现生命现象一样,地球本身也只能是一片死寂的世界.那么,在生物集中存在的空间,具备着哪些独特的表现呢?归纳起来大致应具如下的基本条件： (1)它必须伴随有大量液态水的存在,而且在这种液态水存在的部位上,还应同时存在或交替存在着固、液、汽3种状态,并可在其间实行能量和物质的积极转换. (2)它必须具有一个稳定而有效的外来能源?太阳,以满足生物生命过程所必须得到的能量,同时它亦可为生物环境的改变和进化提供基本的动力. (3)在生物圈中,一定要具备充分大的三相物质界面,即具有固体的岩石圈,液体的水圈与气体的大气圈三者相邻接的庞大界面活动带.例如象绝大多数的绿色植物那样,它的根要伸入固体的土壤中,茎叶充分伸展于大气中,液态水则通过植物体联系着物质和能量的转换和流通.倘若无这种三相界面的存在,要发展到高等植物是不可能的.因为高等的生命形式,尤其是第一性生产力,很少只在一个单独的物质相中存在. (4)必须有一个气压较为恒定、组成成分较为一致的大气.一方面为初始生命力的形成提供二氧化碳源以及为生物的呼吸作用提供氧源,另一方面又可保护生物体免受致命的紫外线辐射,并且是形成温室效应,防止能量过分逸失的贮能器. (5)在这个生物圈中,必须具备全球规模的能量和物质循环,以助于能量物质分配的均衡并创造出一种特殊的环境结构,这种环境结构执行着有利于生命活动的特殊功能.事实上,生物本身的循环过程,与无机界的地质循环过程、大气循环过程、水循环过程,紧紧地交织在一起,而这种交织的空间,恰好只能位于地表界面附近狭小的范围中.因此在生物圈内,是唯一允许这四大循环同时并存并产生复杂偶合效应的场所. (6)在生物圈中,环境因素的日变幅及年变幅不能太大.要求它们有一个比较精巧的组合,以满足生物生长和发育的要求.因此,过冷、过热、过湿、过干、营养元素的过度缺乏和过度富集、极端的盐碱度、过小的比表面积等,以及在各自然环境要素中过于偏离正常的组合关系,均不可能期待有丰富的生物物质量以及正常的生物活动,尤其不能期待会有高等植物的正常活动. 基于上述6个基本条件,适于生物活动大量集中的空间所占据的体积,既是很独特的,也是很小的. 前已述及,在距今30多亿年前,地球上产生了生命,这可视为地表无机环境进化的第一次质变.由此开始,在原来单一的无机环境中分离出有机和无机这两大部分,并产生了二者之间的物质能量交换.这种原始的生物物理与生物化学过程,显示了生命在地球的某一特定环境(最初的生命似乎只能在水中产生)内,已经牢牢地奠定了生存的基础.同时,随着生物化学过程的释氧反应,使原来地表环境所表现的还原性气氛,逐渐改变并趋于消失,氧化性气氛逐渐增强.大约进化到9～10亿年前,地表环境已由还原性占统治地位反转到以氧化性占统治地位了.这种改变将使生物进入第二次质变. 在第二次质变以前,生物的存在尚未形成一个圈层,只不过在海洋这个庇护所内生存,以躲避致死的紫外辐射的伤害.这样从全球来看,生物的分布还只是一种不连续的存在.直至大气中的氧达到某个特定的浓度时(目前一些学者倾向认为,大气中的氧是由生物放氧而来的),这种游离的氧就成为整个地球表面的主要化学营力.生物体亦逐渐地适应了这种游离氧的新环境,生物体中的过氧化氢酶体系也已发展起来,以抵抗氧气对有机体的氧化破坏作用,形成了有氧呼吸的生理生化功能(所谓碳?3与碳?4型植物的区别,与此有很大关系).好气生物的产生和发展,光合自养生物数量的不断增殖,加速了氧气向大气的逸入,致使大气中游离氧所占的比重进一步加大,当其浓度占整个大气组成的10％左右时,就逐渐在大气圈的上部形成了有巨大意义的臭氧层.由于臭氧(O3)能强烈吸收来自宇宙的紫外线,阻挡了致生命于死地的紫外线大量到达地表面,为水生生物向陆地的发展创造了一种基本条件,因此在大约4亿年前的泥盆纪,终于实现了生物从海到陆的飞跃.从此时起,由植物、动物、微生物所共同组成的生物界,才549能遍布全球,名副其实地形成一个连续的圈层. 现在氧在大气中所占的比例,基本上保持一个常数.一年中,1公顷年轻的、生长茁壮的森林,将产生10吨氧气并消耗30吨二氧化碳.每200万年左右,地球上就有15亿立方公里的水,被绿色植物的光合作用所裂解并为呼吸作用再形成.裂解后形成的氧暂时存留于大气中,大约相当于2000年的时间,它本身再循环一次. 地球上生物圈的垂直幅度,大约从最深的海洋(超过11000米)到达高出海平面以上9000米的距离之内.科学家们已于海平面以下7000米处发现有鱼类；在海洋深度达6000米处,每立方米海水中的浮游生物量仍有4.5毫克.根据水生生物的考察,在超过10000米海深的底部(如菲律宾深海沟),每一克湿泥中仍含有10万个细菌甚至达到100万个细菌.而在地表以上海拔9000米的地方,也发现了细菌和真菌的孢子,在大气中飘浮.在距离地表面较远的极为恶劣的环境条件下,只有这种极原始的低等生物才能存活,而生物物质总量中的绝大部分(99.9％),只能生存于比上述所列范围小得多的薄层内. 生物圈的垂直幅度,如果和地球本身相比,则显得微不足道了.暂且抛开地球的大气层不计在内,仅仅从地球的半径来看,生物圈的厚度也只占一个极小的份额.例如,截止到1966年,据全球的12个地面观测站对13颗人造地球卫星所进行的46500次观测结果,计算出地球的赤道半径值为6378.169±0.008公里,它大约是生物圈厚度的3200倍(生物圈平均厚度以2公里计算). 为了认识生物圈在地球中的地位,表10-1列出了它与地球其他部分的比较. 另据美国学者埃尔里奇(P.R.Ehrlich)等在1977年的著作,将生物物质的质量与全球其他成分作了一个对比.经笔者稍加计算 整理后,列于表10-2中. 地球上所分布的元素自生命起源以来,一直是在变化的.随着原核生物的发展,在岩石内的元素碳和元素氧,就开始转换到有机物中或大气之中.于是,大气也就逐渐地从一种还原性介质,变成为含氧介质,以支持生命的延续和进化. 非生物物质(岩石圈、水圈和大气圈)中的成分,不同于生物圈中物质的成分,于是有机物不得不从所选择的介质中,萃取有关的各类元素,关于这一点可以参看图10-1,它标出了在岩石圈中所存在的元素成分及浓度,它们是整个有机界得以存在和发展的物质基础,也是衡量一个区域空间内资源丰枯程度的标志.因此在地理环境中,如果研究化学元素的迁移和积累,研究生物地球化学过程等问题时,就必须顾及到岩石圈中这种元素的存在状况. 更进一步加以分析,由于这些基本元素广泛分散于地球表层中,生物圈就不得不强烈地摄取、贮存和重新利用某些元素,以维持生命物质的存活过程和整个生物圈的发展.由此,发现了生命体内所进行的有关元素循环的本质,这种生物地球化学过程以及生物物质循环的发现,是生物圈中诸多伟大发现之一,它将导致人们更深刻地揭示地理学的动态规律,而各种动态规律的综合研究又将会把理论地理学的研究水平推向一个新的层次.