Границы распространения живых организмов в биосфере В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1, 5– 15 км превышает +100°С. Самая большая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены бактерии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2– 2, 5 км бактерии регистрируются в значительном количестве. Есть сведения о наличии бактерии в нефтяных пластах до глубины 5 -6 км. Ø В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин глубиной 10– 11 км. Ø Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием с высотой ультрафиолетовой радиации. Озоновый слой поглощает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца на высоте 25– 30 км. Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20– 22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1 -1, 5 км. В горах граница распространения наземной жизни проходит на высоте около 6 км над уровнем моря. Ø
Гипотеза ГЕИ Ø Абиотическая среда нашей планеты резко отличается от условий жизни на любой другой планете Солнечной системы. Этот факт в свое время привел В. И. Вернадского к созданию учения о Биосфере. А позднее вдохновил американских ученых – физика Джеймса Лавлока и микробиолога Линн Маргулис – в 1973– 1979 гг. к созданию «гипотезы Геи» (Гея – имя древнегреческой богини Земли). Ø Согласно этой гипотезе, биосфера с течением времени не только создает подходящую для себя атмосферу, но и активно поддерживает ее современное состояние, не позволяет концентрациям входящих в нее газов значительно отклоняться в ту или иную сторону от оптимального значения. Ø Таким образом, Лавлок и Маргулис считают, что организмы Земли не столько приспосабливаются к атмосфере, сколько приспосабливают ее к своим потребностям.
Понятие живого вещества Всю совокупность организмов на планете В. И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. Ø Закон константности, сформулированный В. И. Вернадским, гласит: Ø Количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть величина постоянная (константа). Ø Общий вес живого вещества оценивается величиной 12 т (в сухом весе) и составляет лишь незначительную 1, 8 -2, 5*10 часть массы биосферы (3*1018 т). Если живое вещество равномерно распределить по поверхности нашей планеты, то оно покроет ее слоем толщиной только в 2 см. Ø
Средний состав органического вещества растительности суши (без зольных элементов), % (по В. В. Добровольскому, 2003) Биомасса и ее компоненты C H O N Растения суши 54 6 37 2, 8 Биомасса суши 48 7 41 2 Углеводы 40 7 50 1, 5 Лигнин 62 6 30 1 Липиды 70 10 18 0, 5 Белки 50 7 23 16
Относительное содержание химических элементов в сухом веществе живых организмов Мировой суши, % Химический эл-т Растения (по Виноградову, 1954) Животные (по Боуэну, 1966) C 45 46, 5 O 45, 4 18, 6 H 5, 75 7 N 0, 75 10 S 0, 13 0, 5 P 0, 175 1, 7 -4, 4 Ca 1, 25 0, 02 -8, 5 K 0, 75 0, 74 Mg 0, 1 Na 0, 05 0, 4 Cl 0, 05 0, 28 Si 0, 5 0, 012 -0, 6 Al 0, 013 0, 004 -0, 01 Fe 0, 025 0, 016
Особенности химического состава живого вещества Обнаружена близость соотношения атомов в составе микроорганизмов и в межзвездном газе и газовом веществе планет (А. Дельсемм, 1981). Такое сходство существует и для живого вещества Земли в целом (В. В. Добровольский, 2003). Ø Отмечается, что сравнение необходимо делать с составом сырого вещества, а не на сухую массу. Для этого использовали данные А. П. Виноградова (1954). Ø
Распространенность атомов главных химических элементов живого вещества Химический элемент Распространенность химических элементов (на 1000 атомов Si) Живое Космос Каметы вещество H 76, 5 56 63, 3 O 0, 82 31 26, 6 C 0, 34 10 8, 9 N 0, 12 2, 7 1, 2 S 0, 0015 0, 3 0, 01
Масса живого вещества Относительное содержание химических элементов не дает полного представления об их количестве, содержащемся в живом веществе суши. Необходимо установить массу живого вещества и на этой основе массу каждого химического элемента в его составе. Ø Подавляющую массу живого вещества суши составляют растения – фитомасса: по Н. И. Базилевич и Л, Е. Родину (1967, 1974), по О. П. Добродееву и И. А. Суетовой (1976), естественная фитомасса континентов до активного воздействия человека составляла 6, 25*1012 т, в пересчете на 40% сухого вещества – 2, 5*1012 т. В этой массе содержалось при 5% зольности 0, 125*1012 т зольных элементов. Ø Под воздействием хозяйственной деятельности человека фитомасса сократилась почти на 25% и составляет 1, 88*1012 т сухого вещества, в котором 94*109 т зольных элементов, 865*109 т углерода и 36*109 т азота. Ø
Массы биофильных элементов в живом веществе (по Е. А. Романкевичу, 1988) Ø Ø Ø х 109 т S– 9 P – 3, 8 Ca – 28, 2 K – 20, 7 Mg – 6 Na – 2, 3 Cl – 3, 8 Si – 5, 6 Al – 0, 6 Fe – 0, 5 Ø Биомасса животных составляет около 1 % от массы растений.
По данным разных авторов, в составе живого вещества имеется общая особенность: сумма значений относительного содержания основных биофильных элементов почти равна 100%. Недостающую часть образуют около 70 химических элементов, рассеянных в живом веществе и составляющих ничтожное количество, измеряемое в мгк/г сухого вещества , или ppm (1*10 -4 %). Соотношение масс рассеянных элементов в растительности мировой суши (млн. т): I – Mn …………………………. . 100 n II – Sr, Zn, Ti, B, Ba, Cu………………. . 10 n III – Zr, Br, F, Rb, Pb, Ni, Cr, V, Li ……………. n IV – La, Y, Co, Mo, I, Sn, As, Be …………………. …. . 0, 1 n V – Se, Ga, Ag, U, Hg, Sb, Cd…………. . … 0, 01 n
Живое вещество океана Масса живого вещества океана составляет менее 1% массы растительности суши. Ø Особенность структуры живого вещества океана в том, что масса консументов превышает массу продуцентов – фотосинтезирующих организмов. По данным Е. А. Романкевича (1988), суммарная масса животных и бактерий океана – 4, 5*109 т, масса растений - 3, 5*109 т. Ø Подавляющую массу продуцентов океана составляет фитопланктон. Ø Химический состав живого вещества суши и океана неодинаков. Живое вещество океана отличается более высоким содержанием воды (около 80%), азота, серы, а также значительно большим содержанием зольных элементов, составляющих 40 -50% от сухой массы (на суше – 5 -10%). Ø
Специфические свойства живого вещества С точки зрения современной науки, живое вещество обладает некоторыми специфическими свойствами и выполняет в биосфере определенные биогеохимические функции. Ø Специфические свойства и особенности живого вещества: Ø l l l Живое вещество биосферы характеризуется большим запасом энергии. Резкое различие между живым и неживым веществом наблюдается в скорости протекания химических реакций (в живом веществе реакции идут в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее). Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты и др. – устойчивы только в живых организмах.
- Произвольное движение, в значительной степени саморегулируемое, является общим признаком всякого живого вещества в биосфере. - Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. - Известно свыше 2 млн. органических соединений, входящих в состав живого вещества, в то время, как количество природных соединений (минералов) неживого вещества составляет около 2 тыс. , т. е. на три порядка меньше. - Живое вещество представлено в биосфере в виде индивидуальных организмов, размеры которых колеблются в огромных пределах. Величина самых мелких вирусов не превышает 20 нм (1 нм = 10– 9 м), самые крупные животные, киты, достигают 33 м в длину, самое большое растение, секвойя, 100 м в высоту.
Биогеохимические функции живого вещества Ø Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция (накопление) солнечной энергии и ее перераспределение между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле. Ø Газовая функция обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др. Ø Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды. В составе живого вещества преобладают атомы легких элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты.
Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении главным образом тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и др. ) При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления. Деструктивная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т. е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещество биосферы. Средообразующая функция заключается в преобразовании физикохимических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности. В. И. Вернадский писал: «Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему» . Транспортная функция – осуществление переноса вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Живое вещество – единственный (помимо поверхностного натяжения) фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества – снизу вверх, из океана – на континенты, реализующий тем самым «восходящую» ветвь биогеохимических циклов.
Экосистемы «черных курильщиков»
«Черные курильщики»
Помпейские черви
Схема строения экосистемы «черных курильщиков»
Ø В верхней части дымохода курильщика, где горячая вода температурой 200 градусов просачивается через его тонкие стенки, живых существ практически нет - исключением является разве экстремальные термофильные архебактерии, которые могут выжить в таких чрезвычайных условиях. В местах, где стенки трубы толстые за 4 -6 см, а температура составляет 100120 ° С, бактерии настолько активно размножаются, образующих гигантские колонии, так называемые, маты или подушки размерами до нескольких метров. Ø Они усваивают сероводород, который выходит вместе с горячей водой, превращая его в энергию и сахара. Архебактерии здесь выступают первичными продуцентами-автотрофами основа всей экосистемы. Без них все сложное группировки животных черного курильщика не могло бы существовать. Ø Еще ниже, при температуре 50 -80 ° С, бактерий вытесняют 12 -и сантиметровые помпейских черви (Alvinella pompejana Desbruyéres and Laubier, 1980) - это единственные животные на Земле, способные выживать при таких температурах. Они окрашены в ярко-красный цвет, что обусловлено чрезмерно высоким содержанием гемоглобина в их крови. Ø
Между помпейских червей ползают мелкие кольчатые Черви-Гезиолиры (Hesiolyra Blake, 1985), которые выискивают покинутые хозяевами пустые трубки чтобы поселиться в них. При температуре 20 -40 ° С - в нижней части дымохода поселяются гигантские трубчатые черви - Рифтии (Riftia pachyptila Jones, 1981), которые достигают 2 -2, 5 м в длину и 10 см в толщину. Им присуща высокая скорость роста среди всех морских беспозвоночных и особенно червей. У Рифтий отсутствует пищеварительная система и рот - они не потребляют пищи, зато в их теле есть особый орган, который называется трофосома. Он наполнен миллиардами архебктерий, питающих Рифтию, а та, в свою очередь, поставляет им кислород, углекислый газ и сероводород и предоставляет защиту от поедания другими животными. Рядом с Рифтиями поселяются черви Тевнии - трубы Иерихона (Tevnia jerichonana Jones, 1985), названные так за форму трубки, в которых они живут.
Ø Ø Вокруг трубы - на несколько десятков метров - простираются поля плотно заселенные двустворчатыми моллюсками Калиптогенами гигантскими (Calyptogena magnifica (Boss and Turner 1980). Эти моллюски, как и большинство глубоководных животных, полностью лишены пигментации; достигают 30 -40 см в длину, а дальше начинается зона заселена другим видом гигантских моллюсков - Глубоководник теплолюбивый (Bathymodiolus thermophilus Kenk & Wilson, 1985). Несмотря на название, этот вид двустворчатых моллюсков живет на расстоянии в несколько десятков метров от печи, где температура составляет лишь 2 ° С.
Ø Между моллюсками и гигантскими червями ползают различные виды Нереид (Nereis Linnaeus, 1758), лазают тысячи белых крабов (Bythograea thermydron Williams, 1980), и таких же белых и слепых раков (Munidopsis Whiteaves, 1874), плавают глубоководные креветки (Lebbeus bidentatus Zarenkov, 1976) и еще много других мелких беспозвоночных существ целом ученые насчитали более 350 видов животных, но это еще далеко не все при каждом погружении камеры глубоководных аппаратов фиксируют неизвестных ранее созданий …
Ø На вершине пирамиды в экосистеме черных курильщиков находятся глубоководные осьминоги, которых известно несколько видов и хищные рыбы Термарцесы, научное название которых переводится с латыни как Адский Цербер (Thermarces cerberus Rosenblatt & Cohen, 1986). Термарцесы лишены окраски - они бледные, а их неспешный движение напоминает появление призрака. Их тело имеет лентовидными форму, они медленно плавают между скоплениями червей и моллюсков в поисках креветок или крабов.
Биологическое поглощение химических элементов Ø Ø Ø А. И. Перельман предложил Кк в живых организмах назвать биофильностью. Биофильность химических элементов колеблется в очень широких пределах. Так, для С биофильность составляет 780, для N - 160, для Н - 70, O - 1, 5, Cl - 1, 1. У остальных элементов биофильность меньше 1. Наименьшая биофильность у Al, Fe, Ti. Живое вещество избирательно поглощает и накапливает некоторые химические элементы. Поэтому очень важно в биогеохимии изучать состав минеральной части живого вещества, т. е. состав золы. Эта способность живого вещества характеризуется коэффициентом биологического поглощения. Коэффициент биологического поглощения (КБП) - это эмпирический биогеохимический показатель, характеризующий интенсивность биологического поглощения элементов. Вычисляется он по формуле (предложена А. И. Перельманом): А x = lx / nx где Ax- КБП; lx - содержание элемента х в золе растения (организма); nx — содержание элемента х в породе или в почве, кларк литосферы.
Ряды биологического поглощения (по А. И. Перельману). Согласно этой классификации химические элементы, для которых КБП > 1, относятся к группе накапливающихся элементов, а для которых КБП < 1 – к группе захватывающихся. Интенсивность накопления КБП Элементы Энергичного 100 n P, S, Cl, Br, J Сильного 10 n Ca, Na, Sr, Zn 1 n K, Mg, B, Se Слабого накопления и среднего захвата 1 n - 0, 1 n Mn, F, Ba, Ni, Cu, Ga, Co, Pb, Sn, As, Mo, Hg, Ag, Ra Слабого и очень слабого захвата 0, 1 n – 0, 001 n Si, Ai, Fe, Ti, Zr, Rb, V, Cr, Li, Y, Nb, Th, Sc, Be, Cs, Ta, U, W, Sb, Cd
Особенности биологического накопления элементов Разнообразие климатических условий и геологического строения местности обуславливает геохимическое разнообразие живого вещества. Ø Живое вещество солончаков обогащено Na, Cl, S, в степях – Ca, в экваториальных лесах – растения относительно обогащены Al и т. д. При этом характерно, что каждый вид в большой степени наследует особенности химизма той обстановки, в которой он сформировался (т. е. , осваивая другую среду, он будет избирательно извлекать из почвы те элементы, в которых он более нуждается). Ø Способность вида накапливать химические элементы, выраженная в суммарных коэффициентах концентрации называется биогеохимической активностью вида. Ø
Растения, сформировавшиеся в гумидных ландшафтах, преимущественно накапливают катионогенные элементы (Pb, Zn, Cu, Ni, Co и др. ) – гумидокатные растения. Ø Растения, сформировавшиеся в аридных ландшафтах, энергичнее накапливают анионогенные элементы (V, Mo, Cr, As, с учётом способности элементов образовывать комплексные анионы) – ариданитные растения. Есть существенные различия в отношении накопления химических элементов между наземными и морскими Ø растениями.
Существенные индивидуальные особенности характерны для отдельных таксонов (семейств, родов, видов и др. ). Диатомовые водоросли накапливают кремний. Злаковые – также Si (хотя и в меньших масштабах), бобовые – Са, картофель – К, плауны – Al, мхи – Fe, некоторые водоросли – I и т. д. Особой способностью к поглощению разнообразных редких элементов обладают мхи и лишайники. Ø Состав организмов и отдельных органов может быть подвержен сезонным колебаниям. Так, к осени в листве деревьев в 2 -3 раза увеличивается содержание Cu, Co, Ni, Si, Ca, Fe. В травах содержания K и Р максимальны весной, затем уменьшаются. Наибольшая изменчивость характерна для молодых растущих органов. С возрастом в целом увеличивается зольность растений. Ø
Концентраторы и деконцентраторы Ø Ø Ø Ø Ø Показатель индивидуальной способности вида к концентрации химического элемента – ОСВР (относительное содержание в виде растения), по А. Л. Ковалевскому. Это отношение содержания элемента в данном виде к содержанию в другом, принятом за эталонный в данном ландшафте. Если ОСВР >2, 5 – вид относится к концентраторам, если <0, 4 – к деконцентраторам. Концентраторы: Слабые – 2, 4 – 4, 0 Умеренные – 4, 0 – 25 Интенсивные – 25 – 400 и более. Деконцентраторы: Слабые – 0, 4 – 0, 25 Умеренные – 0, 25 – 0, 04 Интенсивные – 0, 04 – 0, 0025 и менее
Есть концентраторы и деконцентраторы и среди животных. Ø Характерно обогащение моллюсков Ca, ракообразных и пауков – Cu и т. д. В целом для животных в сравнении с растениями характерны высокие содержания Р. Ø Способность животных к концентрации и деконцентрации отдельных химических элементов ещё более разнообразна, чем для растений, что определяется большим видовым разнообразием (одних лишь насекомых – более миллиона видов). Ø
Выделение веществ в окружающую среду в результате жизнедеятельности. Растения обогащают атмосферу кислородом (за счёт уменьшения содержания СО 2). Они же выделяют в окружающую атмосферу вещества, защищающие их от определённых микроорганизмов и животных (фитонциды). Ø С выделяемой в процессе жизнедеятельности водой растения выводят соединения различных металлов и других элементов (Mg, Ca, U, Hg, P и т. д. ). Эти соединения смываются с листьев дождевыми водами. В результате содержания многих металлов в листьях после дождя уменьшаются в несколько раз, а минерализация дождевой воды возрастает. Ø Ещё более значительна и разнообразна выделительная деятельность животных. Ø
Разделение изотопов химических элементов При фотосинтезе растения отдают предпочтение легкому изотопу 12 С. Поэтому в живых организмах, а также произошедших от них нефти и угле содержание тяжелого изотопа 13 С понижено, а в углекислом газе и образовавшемся из него карбонатах, наоборот, – повышено. Микроорганизмы, восстанавливающие сульфаты, также накапливают легкий изотоп 32 S, поэтому в осадочных сульфатах его больше. В «остатках» же, не усвоенных бактериями, доля тяжелого изотопа 34 S больше. (Кстати, анализируя соотношение изотопов серы, геологи могут отличить осадочный источник серы от магматического. А по соотношению изотопов 12 С и 13 С можно отличить тростниковый сахар от свекловичного!) Среди всех химических процессов только биохимические способны существенно влиять на изменение соотношений изотопов.
Скачать презентацию Границы распространения живых организмов в биосфере В литосфере
Лекция4_Живое_вещество.ppt