Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
doc

Студенческий документ № 043143 из НИТУ МИСиС

Строение и функции биосферы. Учение Вернадского о биосфере и живом веществе (1926). Круговорот веществ

Основным объектом исследования экологии являются экосистемы. Самой крупной в иерархии экосистем является биосфера (греч. bios ? жизнь, sphaeros ? шар, сфера). Биосфера представляет собой результат взаимодействия живой и неживой природы. Возраст биосферы приблизительно 4 млрд. лет.

Впервые термин "биосфера" был употреблен Ж. Б. Ламарком в начале XIX в. Позднее он был упомянут в работе австрийского геолога Э. Зюсса в 1875 г. Однако это понятие не было детально разработано названными учеными, а использовано вскользь для обозначения области жизни на Земле. Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказались настолько велики, что уже в первой трети ХХ в. возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании ? учение о биосфере, основоположником которого является великий русский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863-1945 гг.).

Биосферой называют совокупность всех живых организмов нашей планеты ("живое вещество") и те области геологических оболочек Земли, которые заселены живыми существами и подвергались в течение геологической истории их воздействию. На рис. 1 представлены границы биосферы ? от высот, где царят холод и низкое давление, до глубин океана, где давление достигает 12 тыс. атм. Это стало возможным потому, что пределы толерантности температур у разных организмов ? от абсолютного нуля до 180 ?С, а некоторые бактерии могут существовать в вакууме. Широк диапазон химических условий среды для ряда организмов ? от жизни в уксусе до жизни под действием ионизирующей радиации (бактерии в котлах ядерных реакторов). Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов. Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и ограничена слоем озона, который задерживает губительные для жизни коротковолновую часть УФИ Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана ? до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и условием проникновения воды в жидком состоянии.

Таким образом, биосфера включает: верхнюю часть литосферы (~ до глубины 3 м), всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы (до высоты 25?30 м ? до озонового слоя).

Биосфера ? совокупность всех экосистем (биогеоценозов)

Вещественный состав биосферы также разнообразен. По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает в себя:

1) Живое вещество ? представлено совокупностью всех живых организмов (растений, животных, микроорганизмов). Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества организмов разнообразных форм и размеров. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной (2,4 - 3,6) 1012 т в сухом весе. Если её распределить по поверхности планеты, то получится слой в 1,5 см. По Вернадскому это "пленка жизни", составляющая 10-6 массы других оболочек Земли и являющейся "одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты". Живое вещество распределено в биосфере неравномерно. На большой высоте и глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются достаточно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности земли, в почве и поверхностном слое Мирового океана, образуя по Вернадскому сгущения жизни ? "пленки жизни". В. И. Вернадский выделил две формы концентрации живого вещества: жизненные пленки, занимающие огромные площади, и сгущения жизни, представленные небольшими площадями (например, пруд). Вся остальная часть биосферы является зоной разряжения живого вещества.

2) Биогенное вещество ? вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении геологической истории (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, битумы, известняки и др.);

3) Косное вещество (твердое, жидкое, газообразное) ? вещество неорганического происхождения, в его образовании живое вещество не участвует (магматические горные породы (минералы, глины...).

4) Биокосное вещество ? вещество, создаваемое одновременно в процессах жизнедеятельности живых организмов и процессах неорганической природы, причем организмы играют ведущую роль (природные воды, почвы, ил).

5) Радиоактивные вещества, получающиеся в результате распада радиоактивных элементов (радий, уран, торий и т.д.).

6) Рассеянные атомы (химические элементы), находящиеся в земной коре в рассеянном состоянии

7) Вещество космического происхождения ? обломки метеоритов, космическая пыль.

Важнейшими компонентами биосферы являются первые четыре.

Одна из основных заслуг В.И. Вернадского состоит в том, что он впервые обратил внимание на роль живых организмов как мощного геологического фактора, на то, что живое вещество выполняет в биосфере различные биогеохимические функции. Благодаря этому обеспечиваются круговорот веществ и превращение энергии и, в итоге, целостность, постоянство биосферы, ее устойчивое существование. Важнейшими функциями живого вещества в биосфере являются:

1. Энергетическая функция живого вещества ? заключается в накоплении и преобразовании растениями энергии Солнца (бактерии-хемоавтотрофы преобразуют энергию химических связей) и дальнейшей передаче ее по пищевым цепям: от продуцентов ? к консументам и, далее, ? к редуцентам. При этом энергия постепенно рассеивается, но часть ее вместе с остатками организмов переходит в ископаемое состояние, "консервируется" в земной коре, образуя запасы нефти, угля и др.

2. Концентрационная функция живого вещества заключается в способности живых организмов накапливать различные химические элементы (углерод, водород, кислород, кремний, фосфор) и соединения. Например, осоки и хвощи ? содержат много Si, морская капуста и щавель ? I и Ca. В скелетах позвоночных животных ? содержится большое количество Ca, P, Mg. Осуществление данной функции способствовало образованию залежей известняка, мела, торфа, угля, нефти. Благодаря этой функции живые организмы могут служить для человека источником как полезных (витаминов, аминокислот), так и опасных для здоровья веществ (тяжелые металлы, радиоактивные элементы, ядохимикаты).

3. Газовая функция живого вещества состоит в том, что, потребляя и выделяя газообразные вещества, организмы поддерживают постоянство газового состава атмосферы. Ведущая роль в осуществлении газовой функции принадлежит зеленым растениям, которые в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ СО2 и выделяют в атмосферу кислород О2. В то же время, большинство живых организмов (и растения в т.ч.) в процессе дыхания используют О2, выделяя в атмосферу СО2. Подземный горючий газ метан CH3 образуется при разложении органических веществ, связанных с деятельностью метанобразующих бактерий.

4. Окислительно-восстановительная функция тесно связана с энергетической. Существуют микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности окисляют или восстанавливают различные соединения, получая при этом энергию для жизненных процессов. Например, при фотосинтезе зеленые растения восстанавливают СО2 до углеводов, а при дыхании углеводы окисляются организмами до СО2 и H2О. Велико их значение для образования многих полезных ископаемых. Например, деятельность железобактерий по окислению железа привела к образованию таких осадочных пород как железные руды; серобактерии, восстанавливая сульфаты, образовали месторождения серы.

5. Деструктивная функция - обуславливает процессы, связанные с разложением мертвой органики, с химическим разрушением горных пород и вовлечением образовавшихся веществ в биотический круговорот. В результате этого образуются биокосные и биогенные вещества, происходит минерализация органики, т.е. превращение ее в косное вещество.

6. Средообразующая функция - преобразование физико-химических параметров среды в условия благоприятные для существования организмов. Она обеспечивает газовый состав атмосферы, состав осадочных пород литосферы и химический состав гидросферы, баланс веществ и энергии в биосфере, восстановление нарушенных человеком условий обитания.

Важнейшей характеристикой биосферы являются протекающие в ней круговороты веществ, которые обусловлены биогенными и абиогенными причинами. В настоящее время они нарушаются хозяйственной деятельностью человека, что ведет к нарушению биосферы и может иметь тяжелые последствия для будущих поколений.

Круговороту веществ принадлежит решающая роль осуществлении функций биосферы по обеспечению жизнедеятельности организмов, благодаря ему достигается динамическое равновесие и устойчивость биосферы в целом и отдельных ее частей. При этом в едином круговороте выделяют:

* большой геологический круговорот, происходящий в результате действия абиотических факторов, а также

* малый биотический круговорот веществ в твердой, жидкой и газообразной фазах, происходящий при участии живых организмов.

Большой геологический круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в следующем: горные породы подвергаются разрушению, выветриванию и в конечном итоге смываются потоками воды в Мировой океан. Здесь они откладываются на дне, образуя осадочные породы, и лишь частично возвращаются на сушу с организмами, извлеченными из воды человеком или другими животными. Установлено, что в Мировой океан ежегодно выносится 12 км3 минерального вещества, в результате чего с поверхности континентов в среднем снимается слой толщиной около 0,08 мм. При таких темпах разрушения все континенты были бы уничтожены за 10?11 млн. лет. Однако это не происходит, т.к. в противовес процессу разрушения материков действует процесс подъема вещества из глубин земной мантии. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов приводят к тому, что морские отложения возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Малый биотический круговорот является частью большого. Скорость протекания процессов здесь значительно выше. В единый биотический круговорот вовлечены все виды живых организмов, населяющих планету. Если рассматривать этот круговорот как единую замкнутую цепь, то любые растения, животные, микроорганизмы составляют отдельные звенья этой цепи. Связь отдельных звеньев выражается в том, что вещество и энергия, приобретенные каждым предшествующим звеном, далее потребляются и перерабатываются в последующем звене. Это происходит до тех пор, пока остатки вещества не возвращаются к исходному звену.

Растения могут рассматриваться как сложные органические машины, осуществляющие фотосинтез (процесс образования органического вещества с использованием таких обязательных исходных компонентов, как вода и углекислый газ, и с выделением кислорода).

Часть химической энергии, аккумулированной зелеными растениями, далее усваивается травоядными животными, а затем плотоядными, поедающими травоядных. Остатки мертвого органического вещества, образующегося после смерти живых организмов или в процессе их жизнедеятельности (например, опавшие ветки, листья и т.д.), разрушаются деструкторами (прежде всего микроорганизмами), с определенной скоростью поступают в почву, воду, воздух и вновь включаются в биотический круговорот. При этом часть вещества исключается из биотического круговорота и с помощью геохимических процессов закрепляется в осадочных отложениях или переносится в океан.

Существуют определенные колебания темпов круговорота в различных географических зонах и природных комплексах. Они определяются интенсивностью потока солнечной радиации, химическим составом атмосферы, периодическими изменениями наклона земной оси по отношению к Солнцу и т.д. Это приводит к дифференциации регионов биосферы. Она характеризуется максимальным количеством биомассы живого вещества в тропических, экваториальных областях, большим разнообразием там числа растительных и животных видов. В пустынях и полупустынях биомасса и разнообразие видов, лимитированные климатическими условиями, резко сокращаются, вновь увеличиваясь в умеренных широтах и уменьшаясь в приполярных зонах.

Рассмотрим круговороты наиболее значимых биогенных элементов.

Круговорот углерода. Углерод является одним из наиболее важных биогенных элементов, его часто называют "основой жизни" в биосфере за его способность образовывать многочисленные пространственные связи с другими химическими элементами и тем самым обеспечивать огромное разнообразие органических веществ. Число углеродистых соединений - около 10 млн. В круговороте особенно велика роль диоксида углерода СО2 (это наиболее подвижная форма углерода).

Углерод, содержащийся в атмосфере в виде углекислого газа (23,5 1011 т) служит сырьем для фотосинтеза растений. Затем углерод с органическим веществом поступает к др. живым организмам (через цепи питания). При дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики в почве выделяется СО2, в форме которого углерод возвращается в атмосферу. Скорость оборота СО2 (полная его замена в атмосфере) составляет ~ 300 лет.

Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3 1016 т), в кристаллических породах (1,0 1016 т), в угле, нефти (3,4 1015 т). Этот углерод принимает участие в большом геологическом круговороте веществ. Относительно небольшие количества углерода содержаться в растительных тканях (5 1011 т) и в тканях животных (5 109 т). Этот углерод в процессе малого биотического круговорота поддерживает газовый баланс биосферы и жизнь в целом.

Рис. * ? Круговорот углерода в биосфере

Естественное пополнение СО2 в атмосфере происходит при вулканических извержениях.

В настоящее время отмечается нарушение круговорота углерода в связи со сжиганием значительного количества ископаемых углеродистых энергоносителей, а также при дегумификации пахотных почв (дегумификация почв - уменьшение содержания и запасов органического вещества в почве) и осушении болот. В целом содержание СО2 в атмосфере ежегодно возрастает на 0,6%. Еще быстрее возрастает содержание метана СH3 - на 1-2%. Эти газы являются главными виновниками усиления парникового эффекта.

Для того, чтобы вернуть круговороту углерода равновесие, необходимо увеличивать площадь лесов и сокращать выброс газов при сжигании углеродистых энергоносителей.

Круговорот кислорода. Этот круговорот очень сложный, т.к. кислород вступает в разнообразные реакции и входит в состав очень большого числа органических и неорганических соединений, и замедленный. Для полного обновления всего кислорода атмосферы требуется около 2 тыс. лет (для сравнения: ежегодно обновляется около 1/3 диоксида углерода атмосферы).

Кислород атмосферы имеет биогенное происхождение. Вся масса свободного кислорода Земли возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений суши и Мирового океана. Основной поставщик кислорода ? зеленые растения. Ежегодно в результате фотосинтеза растений вырабатывается на суше (0,7?1,0) 1011 т кислорода, в Мировом океане ? 4,0 1011 т кислорода. Главный потребитель кислорода ? животные, почвенные организмы, растения, использующие его в процессе дыхания. Большое количество кислорода расходуется на сжигание различных видов органического топлива в хозяйстве человека ? (0,9?1,0) 1010 т кислорода.

Кроме того, некоторое количество кислорода образуется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разрушении озона под действием УФИ, и часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и др. Процесс фотодиссоциации молекул воды ? мало влияет на баланс этого газа, так как таким путем ежегодно образуется примерно 2-106 т О2.

В настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода, хотя в крупных густонаселенных городах с большим количеством транспорта и промышленных предприятий возникают локальные нарушения.

Рис. ? Круговорот кислорода в биосфере

Круговорот фосфора. Фосфор ? один из наиболее важных биогенных элементов, он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии в клетках (аденозиндифосфорной (АДФ) и аденозинтрифосфорной (АТФ) кислот). Содержание фосфора в биомассе и земной коре 0,1%.

Фосфор содержится в горных породах, откуда выщелачивается в почву и усваивается растениями из почвы в виде растворов, а затем по пищевым цепям переходит к животным (в почву возвращается в виде фосфатов). После разложения мертвых тел растений и животных не весь фосфор вовлекается в круговорот, часть его вымывается из почвы в водоемы (реки, озера, моря). Поток в Мировой океан составляет примерно 1,4-107 т/год. Там фосфор оседает на дно и почти не возвращается на сушу, лишь небольшое количество его возвращается с выловленной человеком рыбой или с экскрементами птиц, питающихся рыбой. Скопления экскрементов морских птиц служили в недалеком прошлом источником ценнейшего органического удобрения - гуано, но в настоящее время ресурсы гуано практически исчерпаны. Обратный вынос фосфора с продуктами рыбного лова и жизнедеятельности птиц составляет примерно 4,0-105 т/год.

Отток фосфора с суши в океан усиливается вследствие возрастания поверхностного стока воды при уничтожении лесов, распашке почв и внесении фосфорных удобрений. Поскольку запасы фосфора на суше ограничены, а его возврат из океана проблематичен (хотя в настоящее время активно исследуются возможности его добычи со дна океана), в будущем в земледелии возможен острый дефицит фосфора, что вызовет снижение урожаев (в первую очередь зерна). Поэтому необходима экономия ресурсов фосфора.

Цикл далеко не идеален и составляет слабое место в биосфере. Любые воздействия на биогеохимический круговорот фосфора могут привести к серьезным локальным последствиям. Важнейшей формой влияния человека на круговорот фосфора является производство и использование фосфорных удобрений и детергентов (синтетических моющих средств). Искусственное внесение фосфатных удобрений для обеспечения роста растений составляет около 7-107 т/год, что сопоставимо с естественным его вымыванием в океан. Избыток фосфорных удобрений вымывается в водоемы и исключается из круговорота. Правда, значительная часть фосфора возвращается на сушу в результате вылова рыбы, часть которого идет на удобрения, и с экскрементами птиц (гуано). Но оставшейся части фосфора вполне достаточно для нарушения естественного баланса веществ в водоеме. Избыток фосфора в водоемах приводит к сильному росту сине-зеленых водорослей, которые вырабатывают большое количество токсинов. Как следствие этого, уменьшается количество растворенного в воде кислорода, нарушается нормальная жизнедеятельность водоема, происходит его заболачивание, гибнут птицы и животные, живущие в нем рыбы.

Круговорот азота. Круговорот азота в биосфере ? процесс медленный, скорость его по некоторым оценкам составляет 108 лет. Значение азота в возникновении и развитии жизни на Земле столь же существенно, как и кислорода и углерода, поскольку азот входит в состав белков. В молекулярной форме азот, в громадном количестве содержащийся в атмосфере (почти 3/4 общей ее массы ? 4,0-1015 т) не используется высшими животными и растениями. Перевод его в форму, пригодную для использования растениями ? фиксация, или нитрификация ? осуществляется азотфиксирующими бактериями и водорослями. В результате биологической фиксации получаются ионы нитратов, нитритов или аммония, усваиваемые растениями. Эти соединения азота используются растениями в процессе роста (для построения белков) и переходят в организмы животных, поедающих растения. После отмирания живых организмов гнилостные бактерии разлагают органические остатки до аммиака. Хемосинтезирующие бактерии превращают аммиак в азотистую, затем в азотную кислоту. Некоторое количество азота, благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий, поступает в воздух. Часть азота оседает в глубоководных отложениях и на длительный срок выключается из круговорота; эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами.

В морских экосистемах азотфиксаторами являются цианобактерии, связывающие азот в аммиак, который усваивается фитопланктоном.

Кроме того, часть азота фиксируется в результате образования оксидов во время электрических разрядов в атмосфере и в результате жизнедеятельности бобовых растений.

Таким образом, циркуляция азота в биосфере протекает по следующей схеме (рис. *)

Рис. * ? Круговорот азота в биосфере

Воздействие человека на цикл азота, во-первых, связано с производством азотных удобрений. Искусственное внесение в почву азотсодержащих удобрений достигает 3,0·107 т/год. Воздействие их на экосистемы аналогично воздействию фосфора: большое количество азота в водоемах способствует усиленному росту сине-зеленых водорослей и последующему заболачиванию водоема.

Во-вторых, в результате сжигания органического топлива на теплоэлектростанциях и транспорте, в промышленных и бытовых печах в продуктах сгорания оказывается большое количество оксидов азота. Последние, поступая в атмосферу, взаимодействуют с водой и другими веществами, образуя кислотные дожди, смог. Кроме того, являясь сильными токсикантами, оксиды азота, попадающие на слизистые оболочки дыхательных путей, создают условия для развития заболеваний органов дыхания.

Однако не всегда кислотные дожди оказывают пагубное влияние на экосистемы. Экосистемы степной зоны, где почвы имеют слабощелочную реакцию, от выпадения кислотных дождей не только не страдают, но даже увеличивают свою продуктивность за счет дополнительного азота.

Восстановление естественного круговорота азота возможно за счет уменьшения производства азотных удобрений, резкого сокращения промышленных выбросов оксидов азота в атмосферу и расширения площади посевов бобовых, которые симбиотически связаны с бактериями-азотфиксаторами.

Круговорот серы. Содержание серы в живых организмах незначительно, но она входит в состав белка и тем самым играет существенную роль в протекании биохимических процессов.

Основная часть серы зафиксирована в литосфере в виде различных соединений. Находящиеся глубоко в почве и в морских осадочных породах соединения серы с металлами ? сульфиды ? переводятся микроорганизмами в доступную форму ? сульфаты, которые и поглощаются растениями. Растения усваивают раствор сульфатов в воде, и, таким образом, сера попадает в состав белков. Животные же получают серу, входящую в состав готовых органических соединений, с пищей. С помощью бактерий осуществляются отдельные реакции окисления ? восстановления. Глубоко залегающие сульфаты восстанавливаются до H2S, который поднимается вверх и окисляется аэробными бактериями до сульфатов. Источником серы в геологическом прошлом служили продукты извержения вулканов, содержащие SО2 и H2S.

Круговорот серы также находится под влиянием антропогенной деятельности. В органическом топливе всегда, хотя и в малых количествах, содержится сера, при сжигании которого она переходит в диоксид серы ? токсичное для живых организмов вещество. Диоксид серы может подавлять процесс фотосинтеза, а при взаимодействии с водой атмосферы, образовывать сернистую кислоту, увеличивая кислотность осадков. Антропогенный источник серы в атмосфере составляет до 12,5% ее общего содержания.

Круговорот воды. Вода ? необходимое вещество в составе любых живых организмов. Также как и биогенные элементы, вода в биосфере находится в процессе постоянной циркуляции. Круговорот воды происходит по следующей схеме (рис. *). Вода испаряется в атмосферу с водных поверхностей, из почвы, путем транспирации (испарения с поверхности листьев растений). Поднимаясь в атмосферу и охлаждаясь, водяной пар конденсируется, образуя атмосферную влагу, которая переносится воздушными массами на большие расстояния и выпадает вновь на землю в виде дождя, града или снега. Таким образом, в процессе круговорота вода может переходить из одного агрегатного состояния в другое.

Круговорот воды основан на том, что суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. При этом с поверхности океана воды испаряется больше, чем возвращается с осадками. На суше наоборот, больше выпадает осадков, чем испаряется влаги. Излишек воды на суше стекает в реки, озера, а оттуда снова в океан, поддерживая общий баланс.

Как отмечалось, вода испаряется не только с поверхности водоемов и почв, но и живых организмов, ткани которых на 70 % состоят из воды. Большое количество воды (около 1/3 всей воды осадков) испаряется растениями, особенно деревьями: на созидание 1 кг органического вещества в разных районах они расходуют от 200 до 700 л воды. Процесс транспирации регулирует температуру растений, предохраняет их от перегрева, а вместе с влагой растения из почвы потребляют минеральные и органические вещества.

Различные фракции воды гидросферы участвуют в круговороте по-разному и с разной скоростью. Так, полное обновление воды в составе ледников происходит за 8 тыс. лет, подземных вод - за 5 тыс. лет, океана - за 3 тыс. лет, почвы - за 1 год. Пары атмосферы и речные воды полностью обновляются за 10-12 суток.

До развития цивилизации круговорот воды был равновесным, однако в последние десятилетия вмешательство человека нарушает этот цикл. В частности уменьшается испарение воды лесами ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении с/х культур. Испарение воды с поверхности океана уменьшается вследствие появления на ее значительной части пленки нефти. Влияет на круговорот воды потепление климата, вызываемое "парниковым эффектом". При усилении этих тенденций могут произойти существенные изменения круговорота, опасные для биосферы.

Значение круговоротов веществ на Земле имеет большой практический смысл, т.к. они существенно влияют на жизнь человека и в то же время подвергаются влиянию со стороны человека. Последствия этих воздействий стали сравнимы с результатами геологических процессов. Возникают новые пути миграции элементов, появляются новые химически соединения, существенно изменяются скорости оборота веществ в биосфере.

2

Показать полностью…
462 Кб, 17 декабря 2014 в 17:29 - Россия, Москва, НИТУ МИСиС, 2014 г., doc
Рекомендуемые документы в приложении