ЛЕКЦИЯ 2 Учение о биосфере, основные функции биосферы «В геологической истории Земли не удается обнаружить периода – сколь угодно древнего, – когда образование всех известных для него осадков происходило бы заведомо абиогенным путем» В. И. Вернадский, 1922 г.
Вопросы: • Сферы Земли. • Биосфера как специфическая оболочка Земли: границы, пленки жизни, области концентрации жизни. • Типы вещества. • Функции живого вещества • Энергетические процессы в биосфере. • Трофические группы, пищевые цепи, сети, экологические пирамиды. • Круговороты веществ
Владимир Иванович Вернадский Родился 12 марта 1863 года. Основоположник комплекса современных наук о Земле геохимии, биогеохимии, радиогеологии, гидрогеологии и др. Создатель многих научных школ. П ервый президент Украины. Профессор Московского университета, ушел в отставку в знак протеста против притеснений студенчества. Идеи Вернадского сыграли выдающуюся роль в становлении современной научной картины мира. В центре его естественно научных и философских интересов разработка целостного учения о биосфере, живом веществе (организующем земную оболочку) и эволюции биосферы в ноосферу. Учение Вернадского о взаимоотношении природы и общества оказало сильное влияние на формирование современного экологического сознания. Развивал традиции русского космизма, опирающегося на идею внутреннего единства человечества и космоса. Вернадский один из лидеров земского либерального движения и партии кадетов. Умер Вернадский в Москве 6 января 1945 года.
Классификация веществ, входящих в биосферу по их функциональной роли. В. И. Вернадский дал классификацию веществ, входящих в биосферу, по их функциональной роли. 1) Живое вещество – это совокупность всех живых существ, населяющих нашу планету (от простейших вирусов до человека). Масса живого вещества по сравнению с массой всей биосферы ничтожно мала. 2) Вещество биогенного происхождения – это чаще всего трупы, отмершие части растений, каменный уголь, нефть, торф, сланцы – в основном горючие вещества, слабо реагирующие с остальными веществами. 3) Косное вещество – это неживое и не связанное с жизнью вещество , к которому относятся горные породы, выбрасываемые вулканами в процессе горообразования, газы и т. д. При контакте с живым оно постепенно превращается в биокосное вещество. 4) Биокосное вещество – это вещество имеющее минеральную основу, которая коренным образом преобразована жизнедеятельностью организмов. К нему относится почвенный покров, плодородие которого обусловлено наличием органических веществ, а также воздух и вода. По определению Вернадского: «Это вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами и является закономерной частью живого и косного вещества» . 5) Радиоактивные вещества – это вещества имеющие «естественную» радиоактивность (радий, уран, торий и т. д. ). Вернадский считал, что радиоактивность способствовала эволюции и являлась той энергетической силой, благодаря которой неживое вещество превратилось в живое. 6) Рассеянные атомы – это атомы веществ, преобразованные «жестким» космическим излучением. 7) Космическое вещество – это вещество, поступающее из открытого космоса в виде космической пыли, реже в виде метеоритов, и еще реже в виде болидов. Космическое вещество легко усваивается биосферой.
v. Живое вещество —это совокупность всех организмов. Характеристики живого вещества В состав живого вещества входят как органические (в химическом смысле), так и неорганические, или минеральные, вещества. Вернадский писал: Идея о том, что явления жизни можно объяснить существованием сложных углеродистых соединений – живых белков, бесповоротно опровергнута совокупностью эмпирических фактов геохимии. . . Под живым веществом Вернадский понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию или химический состав. Живое вещество составляет порядка 0. 01 – 0. 02 % от массы всей биосферы Живое вещество развивается там, где может существовать жизнь, то есть на пересечении атмосферы, литосферы и гидросферы. В условиях, не благоприятных для существования, живое вещество переходит в состояние анабиоза.
Выделяют пять основных функций живого вещества: 1. Энергетическая. Заключается в поглощении солнечной энергии при фотосинтезе, а химической энергии – путем разложения энергонасыщенных веществ и передаче энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества. 2. Концентрационная. Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества. Выделяют два типа концентраций химических элементов живым веществом: а) массовое повышение концентраций элементов в среде, насыщенной этими элементами, например, серы и железа много в живом веществе в районах вулканизма; б) специфическую концентрацию того или иного элемента вне зависимости от среды. 3. Деструктивная. Заключается в минерализации необиогенного органического вещества, разложении неживого неорганического вещества, вовлечении образовавшихся веществ в биологический круговорот. 4. Средообразующая. Преобразование физико химических параметров среды (главным образом за счет необиогенного вещества). 5. Транспортная. Пищевые взаимодействия живого вещества приводят к перемещению огромных масс химических элементов и веществ против сил тяжести и в горизонтальном направле нии.
Понятие живого вещества • Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов в биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности. • Понятие “живое вещество”, весь комплекс представлений о его геохимической деятельности введены в науку В. И. Вернадским: “Под именем живого вещества, — писал он в 1919 г. , — я буду подразумевать всю совокупность организмов, растительности и животных, в том числе и человека. С геохимической точки зрения, эта совокупность организмов имеет значение только той массой вещества, которая ее составляет, ее химическим составом и связанной с ней энергией. . . ”.
Функции живого вещества • Энергетическая функция- живого вещества заключается в трансформации более 99% энергии, поступающей на поверхность Земли, от Солнца. Преимущественно эта энергия идет на химические и физические процессы в гидросфере, литосфере и атмосфере. • Редуцентная функция- заключается в том, что за счет жизнедеятельности огромного количества гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит работа по разложению органических остатков. • Окислительно-восстановительная функция- лежит в основе обмена веществ и энергии организма с внешней средой. Она заключается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов.
Функции живого вещества • Концентрационная функция – это способность извлекать из окружающей среды рассеянные вещества, накапливать их и увеличивать концентрацию в небольшом объеме. Эта функция сыграла большую роль в развитии биосферы. • Деструктивная функция эта функция состоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот, т. е. обусловливает превращение живого вещества в косное. • Средообразующая функция- это преобразование физико химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в результате процессов жизнедеятельности в условиях, благоприятных для существования организмов.
Функции живого вещества • Транспортная функция пищевые взаимодействия живого вещества приводят к перемещению огромных масс химических элементов и веществ против сил тяжести и в горизонтальном направлении. • Газовые функции заключаются в участии живых организмов в миграции газов и их превращениях. В зависимости от того, о каких газах идет речь, выделяется несколько газовых функций : 1) Кислородно - диоксидуглеродная – создание основной массы свободного кислорода на планете. Носителем данной функции является каждый зеленый организм. 2) Диоксидуглеродная функция - не зависимая от кислородной – образование биогенной угольной кислоты как следствие дыхания животных, грибов и бактерий. 3) Озонная и пероксидводородная – образование озона. 4) Азотная – создание основной массы свободного азота тропосферы за счет выделения его азотовыделяющими бактериями при разложении органического вещества. 5) Углеводородная – осуществление превращений многих биогенных газов, роль которых в биосфере огромна.
Наибольшую роль на планете играет именно живое вещество. Рассмотрим его основные свойства. 1. Высокая химическая активность. Благодаря биологическим катализаторам (ферментам). В живых организмах при ничтожных температурах протекают реакции между веществами, которые в воздухе не соединяются, даже в лабораторных печах при 1000 градусной жаре. Живые организмы, например, способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при нормальных атмосферных условиях, что в промышленных условиях требует температуры порядка 500 град. и давления 300 500 атмосфер. 2. Высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе; например, некоторые гусеницы потребляют за день количество пищи, которое в 100 200 раз больше веса их тела; дождевые черви, совокупная масса которых в 10 раз больше биомассы всего человечества, за 150 200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы; сурки, суслики и т. п. в результате своей деятельности создают своеобразный ландшафт местности; практически все осадочные породы (слой 3 и более километров) на 95 99 % переработаны живыми организмами; 3. Высокая скорость обновления живого вещества. В среднем для биосферы она составляет 8 лет, для суши 14 лет, а для океана 33 дня (здесь преобладают организмы с коротким периодом жизни). За всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли.
4. Способность быстро занимать все свободное пространство. Вернадский назвал это "всюдностью жизни". По словам Вернадского, “живое вещество совокупность организмов, подобно массе газа, растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его движению, или ими овладевает, их покрывает. Это движение достигается путем размножения организмов”. Именно это свойство позволило сделать вывод о постоянстве количества живого вещества во все эпохи. Некоторые микроорганизмы могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности. Так, например, численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 минуты. Кроме того, жизнь обладает способностью увеличивать поверхность своего тела. Например, площадь листьев растений на 1 га, составляет 8 10 га и более. То же относится и к корневым системам. 5. Активность движения вопреки принципу роста энтропии. Вся история жизни есть свидетельство борьбы с энтропией, то есть с силами разрушения. Жизнь сопротивляется естественному ходу событий, направленному на установление равновесия в природе. Наиболее показательными в этом плане являются такие примеры, как движение рыб против течения реки, движение птиц против силы тяжести и воздушных потоков и т. п.
6. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти. В любом живом организме, в том числе и в организме биосферы, жизнь и смерть не могут обходиться друг без друга. Мы живем потому, что в нас беспрерывно что то умирает и заменяется новым, а нарождающееся через развитие приходит к своей гибели. Любая подсистема организма после смерти должна вернуть вещество в круговорот жизни. Это обеспечивает бесконечность жизненного процесса. 7. Высокая приспособительная способность (адаптация). Например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к абсолютному нулю, другие встречаются в термальных источниках с температурой до 140 град. , в жерлах вулканов, в сверхглубоких впадинах океана, в водах атомных реакторов, бескислородной среде и т. п.
Границы современной биосферы • Верхняя и нижняя границы современной биосферы обозначены распространением живых существ или следами их деятельности. На высотах 1— 8 км низкая температура и низкое атмосферное давление кладут предел существованию в естественных условиях высших животных и растительных организмов. Споры залетают в атмосферу на высоты до 22 км. Этим пределом и определяется верхняя граница биосферы.
Общая структура биосферы (по Н. Ф. Реймерсу)
Нижняя граница биосферы Менее отчетливо выявляется нижняя граница биосферы на материках. Для окончательного решения вопроса о нижней границе биосферы пока еще мало фактического материала. Сейчас можно считать, что биосфера простирается от 22 км в атмосфере до 11 км в океане и 3 км в литосфере; максимальная мощность ее 33 км.
Палеобиосфера Границы палеобиосферы в атмосфере примерно совпадают с необиосферой, под водами к палеобиосфере следует отнести и осадочные породы, которые, по В. И. Вернадскому, практически все претерпели переработку живыми организмами. Это толща от сотен метров до десятков километров.
Основные свойства биосферы Биосфера представляет собой достаточно сложную систему, которая характеризуется рядом свойств, определяющих ее специфику • Централизованность - центральным звеном биосферы являются живые организмы, что всесторонне раскрыто В. И. Вернадским • Открытость уществование биосферы обеспечивается только за счет поступления энергии, прежде всего солнечной радиации • Саморегулируемость и организованность способность биосферы гасить возникающие возмущения с помощью ряда механизмов • Разнообразие это разные среды жизни, входящие в состав биосферы (водная, почвенная, наземно воздушная и т. д. ), разнообразие природных зон, наличие различных геохимических областей и т. д. • Наличие механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений
Круговороты веществ. • Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического круговорота. • Выделяют 2 основных кругооборота: большой (геологический) и малый (биотический). • Большой кругооборот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию а продукты выветривания, В том числе растворенные в воде питательные вещества сносятся потоками воды в мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу вместе с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс повторяется вновь. • Малый кругооборот является частью большого и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются В веществе растений, расходуются на построение тела и жизненных процессов как их самих, так и организмов консументов. Продукты распада органического вещества попадают в расположение почвенной микрофлоры вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются в поток вещества.
Круговорот воды ГЛАВНЫЙ ИСТОЧНИК ПОСТУПЛЕНИЯ ВОДЫ — АТМОСФЕРНЫЕ ОСАДКИ, А ГЛАВНЫЙ ИС ТОЧНИК РАСХОДА — ИСПАРЕНИЕ. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ КРУГООБОРОТА: ОКЕАН (3000 ЛЕТ), ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ (5000 ЛЕТ), ПОЛЯРНЫЕ ЛЕДНИКИ (8500 ЛЕТ), ОЗЕРА (17 ЛЕТ), РЕКИ (10 ДНЕЙ), ВОДА В ЖИВЫХ ОРГА НИЗМАХ — НЕСКОЛЬКО ЧАСОВ
Кругооборот кислорода • Основная масса кислорода на Земле находится в связанном состоянии в молекулах воды, оксидах, солях и иных твердых соединениях и непосредственно для использования в экосистеме недоступна. Доступный для фотосинтеза кислород содержится в атмосфере и проходит через растительные компоненты биосферы в течение 2, 5 тыс. лет. В процессе фотосинтеза СО 2 превращается в органическое вещество с выделением свободного О 2. Однако специфика процесса состоит в том, что образующаяся при фотосинтезе молекула О 2 один из атомов получает от СО 2 ; а другой –от воды. При дыхании потребляемая молекула О 2 один из атомов отдает воде, а другой диоксиду углерода.
Кругооборот углерода 16 Круговорот углерода, как и любого другого элемента, совершается по большому и малому циклам. Углерод, содержащийся в виде со 2 в атмосфере, служит сырьем для фотосинтеза растений и далее поступает вместе с веществом, в котором он аккумулирован, в пищевые цепи: в расположение консументов разных уровней, а далее — редуцентов. При дыхании организмов СО 2 возвращается в атмосферу. Определенная часть накапливается в виде мертвой органики, частично переходит в ископаемое состояние. Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1, 3 1016 т), в кристаллических породах (1 1015 т), в каменном угле и нефти (3, 4 1015 т). Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на земле и газовый баланс атмосферы поддерживается относительно небольшим количеством углерода, содержащегося в растительных и животных (5 10 9 т) тканях.
Кругооборот азота. Азот входит в состав жизненно важных структур организма — аминокислот белка, а также нуклеиновых кислот. Кругооборот азота несколько сложен, т. к. он включает газообразную и минеральную фазы. Основная часть азота находится в воздухе (78%). однако растения не могут усваивать азот непосредственно, а только в виде ионов nh 4+ и no 3. Существуют бактерии и сине зелёные водоросли, способные превращать газообразный азот в ионы. важнейшую роль среди азотофиксирующих организмов играют бактерии, живущие на клубеньках бобовых растений. Растения обеспечивают бактерии местообитанием и пищей (сахарами), получая от них взамен доступную форму азота. по пищевым цепям органический азот передаётся от бобовых к другим организмам экосистемы. органические соединения азота после гибели организмов при помощи бактерий разлагаются до аммиака и нитратов (no 3). нитраты частично вновь поглощаются растениями, частично восстанавливаются до n 2, вновь поступающего в атмосферу. Круговорот азота в настоящее время подвергается сильному воздействию со стороны человека т. к. широко применяются азотные удобрения. поэтому, стремясь повышать плодородие за счет применения удобрений, необходимо принимать меры к со хранению равновесия в круговороте азота.
Кругооборот фосфора. Фосфор входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутри клеток, в костную ткань. в различных минералах фосфор содержится в виде ионов PO 4 Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. растения поглощают ионы PO 4 из водного раствора и включают в состав различных органов соединений. по пище вым цепям он переходит от растений к другим организмам. на каждом этапе фосфор может быть выведен из организма в составе мочи. его круговорот в биосфере является незамкнутым. Разница с кругооборотом углерода — в кругообороте углерода есть газообраз ная фаза (СО 2), у фосфора — газовой фазы нет. Фосфаты циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие фосфор отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. в естественных экосистемах так и происходит. фосфор может также поступать с моющими средствами и удобрениями.
Скачать презентацию ЛЕКЦИЯ 2 Учение о биосфере основные функции биосферы
Учение о биосфере, основные функции биосферы.pptx