Урок 32 Общая характеристика биосферы. Учение В.И
реклама
Урок 32 Общая характеристика биосферы. Учение В.И.Вернадского о биосфере. Роль живых организмов в биосфере. Биомасса. Экологической системой высшего ранга на Земле является биосфера – оболочка планеты, населенная живым веществом. Понятие биосферы появилось в биологии в ХYIII веке, однако первоначально оно имело совсем иной смысл, чем теперь. Биосферой именовали небольшие гипотетические глобулы (ядра органического вещества), которые якобы составляют основу всех организмов. К середине ХIХ века в биологии уточняются позиции научных научные представлений представления о реальных органических клетках, и термин «биосфера» утрачивает свой прежний смысл. К идее биосферы в ее современной трактовке пришел Ж.–Б. Ламарк (1744–1829 гг.), основатель первой целостной концепции эволюции живой природы, который, однако, данный термин он не использовал. Впервые понятие «биосфера» (в близком к современному смыслу смыслу) понятие «биосфера» ввел австрийский геолог Э. Зюсс, который определивший ее в книге «Происхождение Альп» (1873 г.) определил ее как особую, образуемую организмами оболочку Земли. В настоящее время для обозначения этой оболочки используются понятия «биота», «биос», «живое вещество», а понятие «биосфера» трактуется так, как его толковал академик В. И. Вернадский (1863–1945 гг.). Целостное учение о биосфере представлено в его ставшей классической работе «Биосфера» (1926 г.). В.И. Вернадский определил биосферу как особую охваченную жизнью оболочку Земли. В физико-химическом составе биосферы Вернадский выделяет следующие компоненты: * живое вещество – совокупность всех живых организмов; * косное вещество – неживые тела или явления (газы атмосферы, горные породы магматического, неорганического происхождения и т. п.); * биокосное вещество – разнородные природные тела (почвы, поверхностные воды и т.п.); * биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живых организмов (гумус почвы, каменный уголь, торф, нефть, сланцы и т. п.); * радиоактивное вещество; * рассеянные атомы; * вещество космического происхождения (космическая пыль, метеориты). Согласно воззрениям Вернадского весь облик Земли, все ее ландшафты, атмосфера, химический состав вод, толща осадочных пород обязаны своим происхождением живому веществу. Жизнь – это связующее звено между Космосом и Землей, которое используя энергию, приходящую из космоса, трансформирует косное вещество, создает новые формы материального мира. Так, живые организмы создали почву, наполнили атмосферу кислородом, оставили после себя километровые толщи осадочных пород и топливные богатства недр, многократно пропустили через себя весь объем Мирового океана. Вернадский не занимался проблемой возникновения жизни. Он понимал ее жизнь как естественный этап самоорганизации материи в любой части космоса, приводящий к возникновению все новых форм ее существования. Учение Вернадского нацеливало на изучение живых, косных и биокосных тел в их неразрывном единстве. С учетом современных представлений, биосфера включает оболочку Земли, которая содержит всю совокупность живых организмов и часть вещества планеты, находящуюся в непрерывном обмене с этими организмами. Иными словами, биосфера – это область активной жизни, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние горизонты литосферы. Структура биосферы представляет собой совокупность газообразной, водной и твердой оболочек планеты и живого вещества, их населяющего. Масса биосферы составляет приблизительно 0,05% массы Земли, а ее объем – 0,4% объема планеты. Границы биосферы определяет распространение в ней живых организмов. Несмотря на различную концентрацию и разнообразие живого вещества в разных районах земного шара, считается, что горизонтальных границ биосфера не имеет. Верхняя же вертикальная граница существования жизни обусловлена не столько низкими температурами, сколько губительным действием ультрафиолетовой радиации и космического излучения солнечного и галактического происхождения, от которого живое вещество планеты защищено озоновым экраном. Максимальная концентрация молекул озона приходится на высоту 20–25 км, где толщина озонового слоя составляет 2,5–3 мм. Озон интенсивно поглощает радиацию на участке солнечного спектра с длиной волны менее 0,29 мкм. Поскольку граница биосферы обусловлена полем существования жизни, где возможно размножение, то она совпадает с границей тропосферы (нижнего слоя атмосферы), высота которой от 8 км над полюсами до 18 км над экватором Земли. Однако в тропосфере происходит лишь перемещение живых организмов, а весь цикл своего развития, включая размножение, они осуществляют в литосфере, гидросфере и на границе этих сред с атмосферой. В состав биосферы полностью входит вся гидросфера (океаны, моря, озера, реки, подземные воды), мощность которой составляет 11 км. Наибольшая концентрация жизни сосредоточена до глубины 200 м, в так называемой эвфотической зоне, куда проникает солнечный свет и где возможен фотосинтез. Именно здесь сконцентрированы все фотосинтезирующие растения и продуцируется первичная биологическая продукция. Глубже начинается дисфотическая зона, где царит темнота и отсутствуют фотосинтезирующие растения, но активно перемещаются представители животного мира, непрерывным потоком опускаются на дно отмершие растения и останки животных. Нижняя граница биосферы в пределах литосферы лежит в среднем на глубине 3 км от поверхности суши и 0,5 км ниже дна океана. О более глубоком проникновении жизни в толщи литосферы сведений нет. На границе атмо-, гидро- и литосферы сконцентрирована наибольшая масса живого вещества планеты, и эта земная оболочка названа биогеосферой, или пленкой жизни. Только в ее пределах возможна жизнедеятельность и существование человека. Суммарная биомасса живого вещества биосферы составляет 2–3 трлн. т, причем 98% ее – это биомасса наземных растений. Биосферу населяют около 1,5 млн. видов животных и 500 тыс. видов растений. Однако, если мысленно равномерно распределить все живое вещество по поверхности планеты, то получится слой толщиной всего около 2 см. Вместе с тем в процессах самоорганизации биосферы живое вещество играет сегодня ведущую роль и выполняет следующие функции: энергетическую – перераспределение солнечной энергии между компонентами биосферы. Живое вещество способно накапливать солнечную световую энергию, превращая ее в энергию химических связей. Ученые подсчитали, что благодаря фотосинтеза ежегодно живое вещество Земли продуцирует около 160 млрд. т сухой органического вещества, из которой примерно 1/3 синтезируется биогеоценозами Мирового океана, а 2/3 - биогеоценозами суши. средообразующую (газовую) – в процессе жизнедеятельности живого вещества создаются основные газы: (азот, кислород, углекислый газ, метан и др.). Все аэробные существа во время дыхания поглощают кислород и выделяют углекислый газ, тогда как зеленые растения и цианобактерии в процессе фотосинтеза, наоборот, поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Жизнедеятельность организмов, например бактерий, может влиять на концентрацию других газов (сероводорода, метана, азота и т.п.). концентрационную – извлечение и накопление живыми организмами биогенных элементов (кислорода, углерода, водорода, азота, натрия, магния, калия, алюминия серы и др.) в концентрациях, в сотни тысяч раз превышающих их содержание в окружающей среде. Концентрационная функция заключается в поглощении живыми существами определенных химических элементов из окружающей среды и накопления их в своих организмах. Так, моллюски, фораминиферы, ракообразные, позвоночные животные могут накапливать в своих организмах неорганические соединения кальция и фосфора, радиолярии - стронция и кремния, бурые водоросли - йода и т.д. деструктивную (проявляется в минерализации органического вещества почвенными бактериями и грибами); окислительно-восстановительную (заключается в химическом превращении веществ биосферы). Окислительно-восстановительная функция заключается в потому, что с помощью живых организмов в почве, воде и атмосферном воздухе окисляется ряд веществ. Например, железобактерии способны окислять соединения железа, серобактерии соединения серы и т.д. Живые организмы способны также и восстанавливать определенные соединения (например, денитрифицирующие бактерии способны восстанавливать нитраты и нитриты до молекулярного азота или его оксидов). Возвращаясь к учению В.И. Вернадского, необходимо отметить, что он оценил появление человека на Земле, как огромный шаг в эволюции планеты. Ученый считал, что с возникновением человека и развитием его производственной деятельности человечество становится основным геологическим фактором всех происходящих в биосфере планеты изменений, приобретающих глобальный характер. Дальнейшее неконтролируемое развитие деятельности людей таит в себе большую опасность и потому, как считал В.И. Вернадский, биосфера должна постепенно превращаться в ноосферу, или сферу разума (от греческого noos – разум и sphaira – шар). Под понятием «ноосфера» ученый подразумевал высшую форму развития биосферы, определяемую гармонично сосуществующими процессами развития общества и природы. Учение В.И. Вернадского о ноосфере утверждает принцип совместной эволюции человечества и природной среды (сейчас в современной науке этот процесс называют коэволюцией), нацеливает на поиск практических путей обеспечения общественно-природного равновесия. В природе существует теснейшая взаимосвязь между зелёными растениями, животными, бактериями, грибами (4 Царства живой природы). Эта взаимосвязь реализуется через круговорот веществ и поток энергии и может быть легко представлена в виде схемы. Вместе с круговоротом веществ в биосфере осуществляется и круговорот (миграция) атомов конкретных химических элементов. Они переходят из организма в организм, затем в неживую природу и снова в организм. Круговорот воды в природе Круговорот воды в природе является основой существования жизни на Земле. Гидрологический цикл (а именно так по-научному называется круговорот воды в природе) – это непрерывное движение воды из гидросферы и с земной поверхности в атмосферу, и обратно. Движение обеспечивается четырьмя процессами: испарением, конденсацией, выпадением осадков и стоком вод. Выпавшие осадки частично снова испаряются и конденсируются, частично пополняют водоемы (или создают новые), а частично уходят под землю, образуя грунтовые воды. Существует Большой круговорот воды в природе и еще два малых – океанический и континентальный. Большой круговорот воды в природе иначе называют Мировым. Над океаном собираются осадки, ветры несут их на континенты, там они выпадают и со стоком вновь возвращаются в океан. Так природа превращает соленую воду в пресную. Малый океанический круговорот происходит над океаном – он заключается в непрерывном испарении воды, конденсации, образовании осадков и выпадении их обратно в океан. Континентальный круговорот воды происходит точно так же, только над поверхностью суши. Кстати, океан теряет в процессе круговорота больше воды, нежели получает с осадками. А на суше ситуация обратная – воды выпадает намного больше, чем испаряется. Вся вода, когда-либо выпавшая на сушу в виде осадков, рано или поздно вернется в океан. Как известно, наша Земля на три четверти покрыта водой. И большая часть этой воды – соленая. Существует три агрегатных состояния, в которых может находиться вода: жидкое, твердое и газообразное. От того, в каком из состояний пребывает вода, зависит скорость ее движения, а, следовательно, время, через которое совершается круговорот воды в природе. Пар быстро переносится ветром, конденсируется и выпадает в виде осадков. Вода, чтобы проделать этот путь, должна сначала испариться. А лед – еще и растаять. Поэтому круговорот воды в природе в разных местах происходит с разной скоростью. Быстрее всего вода обновляется внутри живых организмов. Чтобы восстановить запас чистой воды внутри себя, человеку понадобится всего несколько часов. Печень и почки оперативно справляются с этой задачей. Поэтому можно сказать, что самый быстрый круговорот воды в природе происходит внутри ее ходящий, летающих и плавающих составляющих. А вот ледники полярных стран полностью обновляются лишь один раз в 9700 лет. Вода, содержащаяся в почве, очищается каждый год, а та, что в облаках – раз в восемь дней. Горный ледник полностью обновит свой состав за 1600 лет. Весь Мировой океан способен полностью очиститься за 2700 лет. Это очень долго. Поэтому следует понимать – чем больше мы загрязняем воду промышленными стоками, тем скорее рискуем столкнуться с тотальным дефицитом чистой пресной воды. Круговорот воды в природе сам не может справиться с темпами загрязнения планеты. Различают несколько видов круговоротов воды в природе: Большой, или мировой, круговорот — водяной пар, образовавшийся над поверхностью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: при испарении соленая морская вода превращается в пресную, а загрязненная — очищается. Малый, или океанический, круговорот — водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, сконденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан. Внутриконтинентальный круговорот — вода, которая испарилась над поверхностью суши, опять выпадают на сушу в виде атмосферных осадков. В конце концов, осадки в процессе движения опять достигают Мирового океана. Воды, входящих в состав живых организмов, восстанавливаются в течение нескольких часов. Это наиболее активная форма водообмена. Период обновления запасов воды в горных ледниках составляет около 1 600 лет, в ледниках полярных стран значительно больше — около 9 700 лет. Полное обновление вод Мирового океана происходит примерно в 2 700 лет. За 10 миллионов лет фотосинтез перерабатывает массу воды равную всей гидросфере. Круговорот углерода в природе Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете. Самый интенсивный биогеохимический цикл – круговорот углерода. В природе углерод существует в двух основных формах – в карбонатах (известняках) и углекислом газе. Содержание последнего в 50 раз больше, чем в атмосфере. Углерод участвует в образовании углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот. Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития цивилизации. Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO2). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов: углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO2; растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями); растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо — например, в уголь. В случае же растворения исходной молекулы CO2 в морской воде также возможно несколько вариантов: углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно); углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк (см. Цикл преобразования горной породы) или из отложений вновь перейдет в морскую воду. Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах. В современных условиях к этим природным факторам добавляются также выбросы при сжигании человеком ископаемого топлива. Круговорот кислорода Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров. Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода. В количественном отношении главной составляющей живой материи является кислород, круговорот которого осложнён его способностью вступать в различные химические реакции, главным образом реакции окисления. В результате возникает множество локальных циклов, происходящих между атмосферой, гидросферой и литосферой. Кислород, содержащийся в атмосфере и в поверхностных минералах (осадочные кальциты, железные руды), имеет биогенное происхождение и должно рассматриваться как продукт фотосинтеза. Этот процесс противоположен процессу потребления кислорода при дыхании, который сопровождается разрушением органических молекул, взаимодействием кислорода с водородом (отщеплённым от субстрата) и образованием воды. В некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа. В основном он происходит между атмосферой и живыми организмами. Потребление атмосферного кислорода и его возмещение растениями в процессе фотосинтеза осуществляется довольно быстро. Расчёты показывают, что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется около двух тысяч лет. С другой стороны, для того, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами, необходимо два миллиона лет. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа. Масса кислорода, циркулирующего в биосфере в виде газа или сульфатов, растворённых в океанических и континентальных водах, в несколько раз меньше. Отметим, что, начиная с определённой концентрации, кислород очень токсичен для клеток и тканей (даже у аэробных организмов). А живой анаэробный организм не может выдержать (это было доказано ещё в прошлом веке Л. Пастером) концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1%. Круговорот азота При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты: 2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде. Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещающие потери азота. К таким процессам относятся, прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий — «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений. Круговорот фосфора Источником фосфора биосферы является главным образом апатит, встречающийся во всех магматических породах. В превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор из почв, водных растворов. Усвоение фосфора растениями во многом зависит от кислотности почвы. Фосфор входит в многочисленные соединения в организмах: белки, нуклеиновые кислоты, костная ткань, лецитины, фитин и другие соединения; особенно много фосфора входит в состав костей. Фосфор жизненно необходим животным в процессах обмена веществ для накопления энергии. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в илы морей. Он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия для создания богатых фосфором пород, которые в свою очередь являются источником фосфора в биогенном цикле. Содержание фосфора в земной коре составляет 8*10-20 % (по весу). В свободном состоянии фосфор в природе не встречается вследствие его легкой окисляемости. В земной коре он находится в виде минералов (фторапатит, хлорапатит, вивианит и др.), которые входят в состав природных фосфатов – апатитов и фосфоритов. Фосфор имеет исключительное значение для жизни животных и растений. Так как растения уносят из почвы значительное количество фосфора, а естественное пополнение фосфорными соединениями почвы крайне незначительно, то внесение в почву фосфорных удобрений является одним из важнейших мероприятий по повышению урожайности. Ежегодно в мире добывают приблизительно 125 млн. т. фосфатной руды. Большая ее часть расходуется на производство фосфатных удобрений. Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая часть общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет. Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены почвы циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах так в основном и происходит. Когда же в их функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя, например, урожай вместе с накопленными из почвы биогенами на большие расстояния к потребителям. Круговорот серы Сера является важным составным элементом живого вещества. Большая часть ее в живых организмах находится в виде органических соединений. Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически активных веществ: витаминов, а также ряда веществ, выступающих в качестве катализаторов окислительновосстановительных процессов в организме и активизирующих некоторые ферменты. Сера представляет собой исключительно активный химический элемент биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в зависимости от окислительно-восстановительных условий среды. Среднее содержание серы в земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот элемент образует свыше 420 минералов. В изверженных породах сера находится преимущественно в виде сульфидных минералов: пирита, пирронита, халькопирита , в осадочных породах содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых углях - в виде примесей серного колчедана и реже в виде сульфатов. Сера в почве находится преимущественно в форме сульфатов; в нефти встречаются ее органические соединения. В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера в виде сульфатиона переносится природными водами в Мировой океан. Сера поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные. Домашнее задание 1. Выучить конспект.