生物圈的成分

生物圈是地球表部植物、動物和微生物生息活動的空間部分。在大氣圈10km高空，地殼斷裂的3km深處都發(fā)現(xiàn)有生物存在，但大量生物則集中分布于地表和水圈上層。與水圈、大氣圈比較，生物圈的質(zhì)量最少。據(jù)蘭卡馬和薩哈馬（1940）資料，水圈、大氣圈和生物圈的質(zhì)量比例為69000∶300∶1。然而，生物對元素的遷移和轉(zhuǎn)化有重大的作用。

目前已發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)含有60余種元素。據(jù)Виноградов（1954）綜合6000種以上動植物化學成分分析資料得出的生物圈平均化學成分列于表1-18。從中可以看出，O、C、H的總含量（質(zhì)量分數(shù)）多達98.5%，其次是Ca、K、Si、Mg、P、S等。元素在生命物質(zhì)中的作用不僅取決于含量多少，還應考慮它們對促進有機體生長的作用。從生物化學角度看，起支配作用的元素主要為O、C、H、N、S、P六種，其次為K、Ca、Mg和Fe。

生物有機體中最主要的O、C和H組成了不同的有機分子：蛋白質(zhì)、類酯物、碳水化合物、色素和木質(zhì)素五大類。它們是生物機體的主體。N、S、P、K、Ca、Mg、Fe等對生產(chǎn)細胞、動物的骨骼、血液及循環(huán)系統(tǒng)，對植物的根、莖、葉的生長發(fā)育都有重要作用。微量元素雖其含量甚少，對于機體的生長也有不可忽視的影響，例如土壤水貧硼時（低于0.33mg/L），生長的木瓜發(fā)生枯萎和畸形。飲水中含砷超過0.04mg/L時，即對人體有害。

表1-18 地球生命物質(zhì)的平均成分

由于生物機體生長對環(huán)境的依賴，因而生物中元素的含量常是所處環(huán)境中元素含量的間接指示劑。例如生長于鉛礦床氧化帶土壤中的馬鞭草含鉛量常高出正常鉛量的10倍。生物的微量元素異?？勺鳛檎业V的標志。

表生作用中，有機個體的生命過程雖然短暫，但其作用很大，有機體能從介質(zhì)中吸取一定數(shù)量的元素，又能夠把一些元素還回介質(zhì)。生命的延續(xù)使元素不斷發(fā)生遷移和再分配。例如光合作用產(chǎn)生游離氧，又消耗了大氣中的CO₂。有機體作用使復雜的有機化合物分解。細菌的生命活動還可能使某些元素（Fe、Mn、S等）富集成礦。

生物的作用還表現(xiàn)在對同位素的分餾效應上。如光合作用形成的有機體中相對富集¹²C，因而與生物成因有關的沉積物中¹²C/¹³C值相對較高。

地球物質(zhì)的交換，不僅發(fā)生于生物圈與大氣圈、水圈之間，地球的其它各圈以至地球與宇宙之間，都存在著物質(zhì)和能量的交換，它們處于動態(tài)的平衡與非平衡的矛盾之中。就地球范圍來說，元素的遷移和重新分配，始終貫穿于地球發(fā)展的全部過程。

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年齡：46億歲 公轉(zhuǎn)周期：365.25天 自轉(zhuǎn)周期：23.小時56分4秒(平太陽時) 平均半徑：6371.3公里 體積：10832億立方千米 質(zhì)量：600000億億噸 表面積：5.1億平方千米 海洋面積：3.61億平方千米 大氣：主要成分：氮（78.5%）和氧（21%） 地殼：主要成分：氧(47%)、硅（28%）和鋁（8%） 衛(wèi)星：一顆（月球） 目前全球有八個主要板塊： 歐亞板塊－北大西洋東半部、歐洲及亞洲 (印度除外)； 非洲板塊－非洲、南大西洋東半部及印度洋西側(cè)； 印澳板塊－印度、澳洲、新西蘭及大部分的印度洋； 太平洋板塊－大部分的太平洋 (包含美國南加州海岸地區(qū))； 納斯卡板塊－緊臨南美

關于生物圈的資料。

生物圈(biosphere)地球表層中的全部生物和適于生物生存的范圍，它包括巖石圈上層、水圈的全部和大氣圈下層。巖石圈包括土壤，是陸生生物生存的基底。大多數(shù)生物生存于土壤上層幾十厘米內(nèi)，植物根系可伸得較深。限制生命向深層分布的主要因素為缺光、缺氧。石油細菌可生活在地下2500～3000米深處。水圈中幾乎到處有生物，但水體表層和底層生物較多。限制生物分布于深海的主要因素是缺光、缺氧和隨深度而增加的壓力。但在大洋11000米以下仍有深海生物。大氣圈厚度有1000公里以上，接近地面的對流層是發(fā)生天氣現(xiàn)象的場所，也是直接構(gòu)成生物的氣體環(huán)境。大多數(shù)鳥類只能在1000米以下的空中活動，極少數(shù)能飛到5000

地球中的元素

我們的地球是一個物質(zhì)的世界。根據(jù)萬有引力定律計算的結(jié)果，地球的質(zhì)量近6×10²¹t，幾乎都集中在平均半徑為6371km的固體地面以下，以巖石(俗稱石頭)和金屬的形態(tài)出現(xiàn)，其平均密度為5.517g/cm³(表3-1)。大氣、水和生物體的總質(zhì)量不足0.1%，但占據(jù)的空間廣大。密度分布愈向外愈小，特別是大氣圈(atmosphere)向上可以稀薄到使人誤以為“真空”的程度。地球的各個圈層，實際上就是某些元素與化合物在不同物理、化學條件下的特殊組合。

表3-1 地球質(zhì)量與密度的分配

注:未計算生物圈的質(zhì)量與密度。(據(jù)A.Holmes，《PrinciplesofPhysicalGeology》，1978)

物質(zhì)世界的一切，不論是何種形態(tài)，歸根到底，都可以說是從“一”開始，難怪不少當代科學家對兩千多年前中國李耳“道生一，一生二，二生三，三生萬物”的哲學思想，大為嘆服。

今天地球上的物質(zhì)存在形式可謂千姿百態(tài)，特別是出現(xiàn)生命以后，更是變得復雜多樣，但它們都是由最簡單的基本粒子所組成的，首先是一個質(zhì)子和一個電子組成結(jié)構(gòu)最簡單、也最輕的元素———氫。質(zhì)子居于中心成為原子核，電子圍繞原子核運動，猶如行星繞太陽;而質(zhì)量分配也和太陽系相像，幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，但這微不足道的電子卻為這氫原子占據(jù)了比原子核大上億倍的空間。當原子核中多了一個中子時，這個氫原子的質(zhì)量加一倍;多兩個，加兩倍，但仍處于元素周期表上原來的位置，這樣氫就有了相對原子質(zhì)量為1、2、3的氕、氘、氚3種同位素。地球上的氫，99.985%是氕。

按照宇宙始于大爆炸的設想，地球上多種多樣的物質(zhì)，都是從基本粒子聚變成氫開始的，然后是4個氫合成一個氦，氦再進一步聚合成其他元素。這樣從輕元素到重元素，約在137億年前的大爆炸后的50萬～100萬年時，現(xiàn)今所有的元素就已通過核聚變(溫度為10⁷K～10⁹K)而逐漸形成。元素的形成，遠比太陽系(包括地球)的起源早得多。根據(jù)現(xiàn)代物理、化學的理論、實驗和觀察的結(jié)果，太陽上目前仍在進行著氫合成氦的熱核聚變反應及其他天體化學現(xiàn)象。可以肯定，宇宙中的元素通過熱核聚變反應，都經(jīng)歷了從簡單到復雜的形成演化過程。不過，在地球形成過程及以后的演化中，地球所有圈層之間都會發(fā)生相互作用，稱為圈層相互作用(sphere interaction)，它們僅僅能發(fā)生元素與化合物的化合與分解(即化學作用)，而絕不可能發(fā)生天然的熱核聚變，不能形成新的元素。只有極少數(shù)放射性元素才可以在天然條件下發(fā)生元素的蛻變現(xiàn)象。

圈層相互作用，這是近30年來所強調(diào)的一個新概念。而過去通常把地球表面所發(fā)生的一切變化作用都稱之為地質(zhì)作用(geological process)。受客觀條件的限制，過去的地質(zhì)作用實際上只討論地球上部圈層所發(fā)生的一切作用，即大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈的內(nèi)部及其相互之間的作用，而對于固體地球深部(地殼、地幔和地核)的圈層相互作用則一般不予討論。

隨著人類社會的發(fā)展，工業(yè)興起，加劇了對資源的需求，驅(qū)使人們?nèi)シ治觥⒀芯康V物巖石的化學成分。19世紀末期，美國化學家克拉克(F.W.Clarke，1847～1931)等人根據(jù)大陸地殼中的5159個巖石、礦物、土壤和天然水的樣品分析數(shù)據(jù)，于1889年第一次計算出元素在地殼中的平均含量數(shù)值(平均質(zhì)量分數(shù))，即元素的豐度，后人為了紀念這個創(chuàng)舉，將這些數(shù)值命名為克拉克值(clarke)。地殼中各元素的豐度，依次為:氧(45.2%)，硅(27.2%)，鋁(8%)，鐵(5.8%)，鈣(5.06%)，鎂(2.77%)，鈉(2.32%)，鉀(1.68%)，鈦(0.68%)，氫(0.14%)，錳(0.10%)，磷(0.10%)，其他所有元素(0.95%)。克拉克等采用的樣品來自地面下16km以內(nèi)大陸地殼，后來被分析的樣品則不僅有采自地殼的巖石，還有來自天外的隕石。加上采用其他方法，整個地球，乃至宇宙的元素豐度都有可能推知。1956年第一次算出了以硅原子數(shù)量為基數(shù)的元素的相對宇宙豐度，后來又按質(zhì)量估算出92種元素在地球中含量的百分數(shù)(圖3-1)。

據(jù)2004年Holland和Turekian的研究，按照氧化物的形式來表示，整個地殼的克拉克值為:SiO₂(60.6%)，TiO₂(0.72%)，Al₂O₃(15.9%)，F(xiàn)eO_t(6.71%)，MnO(0.1%)，MgO(4.66%)，CaO(6.41%)，Na₂O(3.07%)，K₂O(1.81%)，P₂O₅(0.13%)。而組成整個地球的物質(zhì)，按質(zhì)量計算，各元素的豐度為:接近34.6%是鐵，29.5%是氧，15.2%為硅，12.7%為鎂，2.4%為鎳，1.9%為硫，2.2%為鈣和鋁，其他所有元素共占1.5%。地球中的鐵和鎳的大部分以金屬狀態(tài)存在于地核中。組成地殼和地幔的物質(zhì)，大部分是氧和硅，鋁、鎂、鐵也較多。在地球的水圈(hydrosphere)中，以氧和氫為主。生物圈(biosphere)則主要為碳、氫、氧和氮。大氣圈、水圈和生物體中的所有元素的質(zhì)量和地球的總質(zhì)量相比，不及千分之一，但它們的影響，特別是對人類的影響，快速而強烈，因為水和大氣都極易流動，而生物圈更是地球上物質(zhì)轉(zhuǎn)換最為活躍的部分。

圖3-1 元素在宇宙、太陽系及地球中的分布

地球中的元素，大部分組成化合物或以單質(zhì)的形式———礦物，聚集在巖石中。初看起來，它們似乎被固定在那里了，實際上隨著巖石、礦物的破壞和重新形成而在無休止地遷移、變化著。從化學的角度來看，則元素在不斷地改變著它們的存在場所或組合形式。在這遷移的過程中，可以使某些元素或化合物相對集中，也會使某些元素相對分散開來。當元素或化合物相對集中(約需富集到幾十、甚至上萬倍)到能夠具有經(jīng)濟價值并可被人所利用時，這些物質(zhì)就稱為礦產(chǎn)。可以說整個地球的歷史，也就是元素在地球的各圈層間不斷遷移變化的歷史。

如何用算法模擬一個生物圈的進化過程

如何用算法模擬一個生物圈的進化過程 進化計算是基于自然選擇和自然遺傳等生物進化機制的一種搜索算法。與普通的搜索方法一樣，進化計算也是一種迭代算法，不同的是進化計算在最優(yōu)解的搜索過程中，一般是從原問題的一組解出發(fā)改進到另一組較好的解，再從這組改進的解出發(fā)進一步改進。而且在進化問題中，要求當原問題的優(yōu)化模型建立后，還必須對原問題的解進行編碼。進化計算在搜索過程中利用結(jié)構(gòu)化和隨機性的信息，使最滿足目標的決策獲得最大的生存可能，是一種概率型的算法。 一般來說，進化計算的求解包括以下幾個步驟：給定一組初始解；評價當前這組解的性能；從當前這組解中選擇一定數(shù)量的解作為迭代后的解的基礎；再對其進行操作，得到迭