用什么方法计算生物圈质量

生物圈的成分

生物圈是地球表部植物、动物和微生物生息活动的空间部分。在大气圈10km高空，地壳断裂的3km深处都发现有生物存在，但大量生物则集中分布于地表和水圈上层。与水圈、大气圈比较，生物圈的质量最少。据兰卡马和萨哈马（1940）资料，水圈、大气圈和生物圈的质量比例为69000∶300∶1。然而，生物对元素的迁移和转化有重大的作用。

目前已发现生物体内含有60余种元素。据Виноградов（1954）综合6000种以上动植物化学成分分析资料得出的生物圈平均化学成分列于表1-18。从中可以看出，O、C、H的总含量（质量分数）多达98.5%，其次是Ca、K、Si、Mg、P、S等。元素在生命物质中的作用不仅取决于含量多少，还应考虑它们对促进有机体生长的作用。从生物化学角度看，起支配作用的元素主要为O、C、H、N、S、P六种，其次为K、Ca、Mg和Fe。

生物有机体中最主要的O、C和H组成了不同的有机分子：蛋白质、类酯物、碳水化合物、色素和木质素五大类。它们是生物机体的主体。N、S、P、K、Ca、Mg、Fe等对生产细胞、动物的骨骼、血液及循环系统，对植物的根、茎、叶的生长发育都有重要作用。微量元素虽其含量甚少，对于机体的生长也有不可忽视的影响，例如土壤水贫硼时（低于0.33mg/L），生长的木瓜发生枯萎和畸形。饮水中含砷超过0.04mg/L时，即对人体有害。

表1-18 地球生命物质的平均成分

由于生物机体生长对环境的依赖，因而生物中元素的含量常是所处环境中元素含量的间接指示剂。例如生长于铅矿床氧化带土壤中的马鞭草含铅量常高出正常铅量的10倍。生物的微量元素异常可作为找矿的标志。

表生作用中，有机个体的生命过程虽然短暂，但其作用很大，有机体能从介质中吸取一定数量的元素，又能够把一些元素还回介质。生命的延续使元素不断发生迁移和再分配。例如光合作用产生游离氧，又消耗了大气中的CO₂。有机体作用使复杂的有机化合物分解。细菌的生命活动还可能使某些元素（Fe、Mn、S等）富集成矿。

生物的作用还表现在对同位素的分馏效应上。如光合作用形成的有机体中相对富集¹²C，因而与生物成因有关的沉积物中¹²C/¹³C值相对较高。

地球物质的交换，不仅发生于生物圈与大气圈、水圈之间，地球的其它各圈以至地球与宇宙之间，都存在着物质和能量的交换，它们处于动态的平衡与非平衡的矛盾之中。就地球范围来说，元素的迁移和重新分配，始终贯穿于地球发展的全部过程。

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年龄：46亿岁 公转周期：365.25天 自转周期：23.小时56分4秒(平太阳时) 平均半径：6371.3公里 体积：10832亿立方千米 质量：600000亿亿吨 表面积：5.1亿平方千米 海洋面积：3.61亿平方千米 大气：主要成分：氮（78.5%）和氧（21%） 地壳：主要成分：氧(47%)、硅（28%）和铝（8%） 卫星：一颗（月球） 目前全球有八个主要板块： 欧亚板块－北大西洋东半部、欧洲及亚洲 (印度除外)； 非洲板块－非洲、南大西洋东半部及印度洋西侧； 印澳板块－印度、澳洲、新西兰及大部分的印度洋； 太平洋板块－大部分的太平洋 (包含美国南加州海岸地区)； 纳斯卡板块－紧临南美

关于生物圈的资料。

生物圈(biosphere)地球表层中的全部生物和适于生物生存的范围，它包括岩石圈上层、水圈的全部和大气圈下层。岩石圈包括土壤，是陆生生物生存的基底。大多数生物生存于土壤上层几十厘米内，植物根系可伸得较深。限制生命向深层分布的主要因素为缺光、缺氧。石油细菌可生活在地下2500～3000米深处。水圈中几乎到处有生物，但水体表层和底层生物较多。限制生物分布于深海的主要因素是缺光、缺氧和随深度而增加的压力。但在大洋11000米以下仍有深海生物。大气圈厚度有1000公里以上，接近地面的对流层是发生天气现象的场所，也是直接构成生物的气体环境。大多数鸟类只能在1000米以下的空中活动，极少数能飞到5000

地球中的元素

我们的地球是一个物质的世界。根据万有引力定律计算的结果，地球的质量近6×10²¹t，几乎都集中在平均半径为6371km的固体地面以下，以岩石(俗称石头)和金属的形态出现，其平均密度为5.517g/cm³(表3-1)。大气、水和生物体的总质量不足0.1%，但占据的空间广大。密度分布愈向外愈小，特别是大气圈(atmosphere)向上可以稀薄到使人误以为“真空”的程度。地球的各个圈层，实际上就是某些元素与化合物在不同物理、化学条件下的特殊组合。

表3-1 地球质量与密度的分配

注:未计算生物圈的质量与密度。(据A.Holmes，《PrinciplesofPhysicalGeology》，1978)

物质世界的一切，不论是何种形态，归根到底，都可以说是从“一”开始，难怪不少当代科学家对两千多年前中国李耳“道生一，一生二，二生三，三生万物”的哲学思想，大为叹服。

今天地球上的物质存在形式可谓千姿百态，特别是出现生命以后，更是变得复杂多样，但它们都是由最简单的基本粒子所组成的，首先是一个质子和一个电子组成结构最简单、也最轻的元素———氢。质子居于中心成为原子核，电子围绕原子核运动，犹如行星绕太阳;而质量分配也和太阳系相像，几乎全部质量都集中在原子核里，但这微不足道的电子却为这氢原子占据了比原子核大上亿倍的空间。当原子核中多了一个中子时，这个氢原子的质量加一倍;多两个，加两倍，但仍处于元素周期表上原来的位置，这样氢就有了相对原子质量为1、2、3的氕、氘、氚3种同位素。地球上的氢，99.985%是氕。

按照宇宙始于大爆炸的设想，地球上多种多样的物质，都是从基本粒子聚变成氢开始的，然后是4个氢合成一个氦，氦再进一步聚合成其他元素。这样从轻元素到重元素，约在137亿年前的大爆炸后的50万～100万年时，现今所有的元素就已通过核聚变(温度为10⁷K～10⁹K)而逐渐形成。元素的形成，远比太阳系(包括地球)的起源早得多。根据现代物理、化学的理论、实验和观察的结果，太阳上目前仍在进行着氢合成氦的热核聚变反应及其他天体化学现象。可以肯定，宇宙中的元素通过热核聚变反应，都经历了从简单到复杂的形成演化过程。不过，在地球形成过程及以后的演化中，地球所有圈层之间都会发生相互作用，称为圈层相互作用(sphere interaction)，它们仅仅能发生元素与化合物的化合与分解(即化学作用)，而绝不可能发生天然的热核聚变，不能形成新的元素。只有极少数放射性元素才可以在天然条件下发生元素的蜕变现象。

圈层相互作用，这是近30年来所强调的一个新概念。而过去通常把地球表面所发生的一切变化作用都称之为地质作用(geological process)。受客观条件的限制，过去的地质作用实际上只讨论地球上部圈层所发生的一切作用，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的内部及其相互之间的作用，而对于固体地球深部(地壳、地幔和地核)的圈层相互作用则一般不予讨论。

随着人类社会的发展，工业兴起，加剧了对资源的需求，驱使人们去分析、研究矿物岩石的化学成分。19世纪末期，美国化学家克拉克(F.W.Clarke，1847～1931)等人根据大陆地壳中的5159个岩石、矿物、土壤和天然水的样品分析数据，于1889年第一次计算出元素在地壳中的平均含量数值(平均质量分数)，即元素的丰度，后人为了纪念这个创举，将这些数值命名为克拉克值(clarke)。地壳中各元素的丰度，依次为:氧(45.2%)，硅(27.2%)，铝(8%)，铁(5.8%)，钙(5.06%)，镁(2.77%)，钠(2.32%)，钾(1.68%)，钛(0.68%)，氢(0.14%)，锰(0.10%)，磷(0.10%)，其他所有元素(0.95%)。克拉克等采用的样品来自地面下16km以内大陆地壳，后来被分析的样品则不仅有采自地壳的岩石，还有来自天外的陨石。加上采用其他方法，整个地球，乃至宇宙的元素丰度都有可能推知。1956年第一次算出了以硅原子数量为基数的元素的相对宇宙丰度，后来又按质量估算出92种元素在地球中含量的百分数(图3-1)。

据2004年Holland和Turekian的研究，按照氧化物的形式来表示，整个地壳的克拉克值为:SiO₂(60.6%)，TiO₂(0.72%)，Al₂O₃(15.9%)，FeO_t(6.71%)，MnO(0.1%)，MgO(4.66%)，CaO(6.41%)，Na₂O(3.07%)，K₂O(1.81%)，P₂O₅(0.13%)。而组成整个地球的物质，按质量计算，各元素的丰度为:接近34.6%是铁，29.5%是氧，15.2%为硅，12.7%为镁，2.4%为镍，1.9%为硫，2.2%为钙和铝，其他所有元素共占1.5%。地球中的铁和镍的大部分以金属状态存在于地核中。组成地壳和地幔的物质，大部分是氧和硅，铝、镁、铁也较多。在地球的水圈(hydrosphere)中，以氧和氢为主。生物圈(biosphere)则主要为碳、氢、氧和氮。大气圈、水圈和生物体中的所有元素的质量和地球的总质量相比，不及千分之一，但它们的影响，特别是对人类的影响，快速而强烈，因为水和大气都极易流动，而生物圈更是地球上物质转换最为活跃的部分。

图3-1 元素在宇宙、太阳系及地球中的分布

地球中的元素，大部分组成化合物或以单质的形式———矿物，聚集在岩石中。初看起来，它们似乎被固定在那里了，实际上随着岩石、矿物的破坏和重新形成而在无休止地迁移、变化着。从化学的角度来看，则元素在不断地改变着它们的存在场所或组合形式。在这迁移的过程中，可以使某些元素或化合物相对集中，也会使某些元素相对分散开来。当元素或化合物相对集中(约需富集到几十、甚至上万倍)到能够具有经济价值并可被人所利用时，这些物质就称为矿产。可以说整个地球的历史，也就是元素在地球的各圈层间不断迁移变化的历史。

如何用算法模拟一个生物圈的进化过程

如何用算法模拟一个生物圈的进化过程 进化计算是基于自然选择和自然遗传等生物进化机制的一种搜索算法。与普通的搜索方法一样，进化计算也是一种迭代算法，不同的是进化计算在最优解的搜索过程中，一般是从原问题的一组解出发改进到另一组较好的解，再从这组改进的解出发进一步改进。而且在进化问题中，要求当原问题的优化模型建立后，还必须对原问题的解进行编码。进化计算在搜索过程中利用结构化和随机性的信息，使最满足目标的决策获得最大的生存可能，是一种概率型的算法。 一般来说，进化计算的求解包括以下几个步骤：给定一组初始解；评价当前这组解的性能；从当前这组解中选择一定数量的解作为迭代后的解的基础；再对其进行操作，得到迭