Учение о биосфере Лекций

Учение о биосфере Лекций - 52 часа ЛПЗ – 48 часов Полевая практика – 36 часов

Учение о биосфере Формы контроля ВСЕГО 2 курс Аудитор. Самост. работы 3 ЭКЗ. 3 16/30 36/18 Зачет 4 4 4 200 100 ПОЛЕ 36 часов

Рекомендуемая литература l l l l Стебаев И. В. , Пивоварова Ж. Ф. и др. Общая биогеосистемная экология. – Новосибирск: Наука, 1993. Стебаев И. В. , Пивоварова Ж. Ф. и др. Биогеосистемы лесов и вод России. – Новосибирск: Наука, 1993. Пивоварова Ж. Ф. Глобальная экология. Сетевой курс. Новосибирск: НГПУ, 2006. - fns. nspu. ru Пивоварова Ж. Ф. Биосфера и человек. Ч. 1. Электронный учебник. Новосибирск: НГПУ, 2001. Пивоварова Ж. Ф. Живое вещество. Электронное пособие. Новосибирск: НГПУ, 2002. Пивоварова Ж. Ф. Ноосфера. Электронное пособие. Новосибирск: ГПУ, 2003. Розанов С. И. Общая экология: Учебник для вузов (гриф)- СПб. : Лань, 2005. Еремченко О. З. Учение о биосфере: Учеб. (гриф)- М. : Академия, 2006. Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. - М. : Наука, 1989. Вернадский В. И. Живое вещество и биосфера. - М. : Наука, 1994. Вернадский В. И. Размышления натуралиста: Научная мысль как планетарное явление М. : Наука, 1977. Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. - М. : Наука, 1987. Реймерс Н. Ф. Экология. Теории, законы, правила, принципы и гипотезы. - М. : Россия молодая, 1994.

Структура курса Модуль 1. Введение в курс l 1. Краткий исторический экскурс l 2. Земля в Космосе Модуль 2. Организованность биосферы l 1. Живое вещество как мощный преобразующий биогеохимический фактор * понятие «живое вещество» , свойства, специфика, функции * генезис живого вещества * философские аспекты границ жизни * уровни организации * принципы организации живого вещества

2. Биогенное вещество, его особенности и роль в эволюции биосферы l 3. Биокосные системы: эмерджентные свойства, общая характеристика, классификация; значение в становлении биосферы * коры выветривания * илы * почвы * ландшафты * биогеоценозы * Мировой океан Модуль 3. Эволюция биосферы l 1. Общие тенденции эволюции биосферы. l 2. Ноосфера – качественно новый этап эволюции биосферы. Биогенез и ноогенез. l 3. В. И. Вернадский о ноосфере. l

Модуль 3. Эволюция биосферы l 1. Общие тенденции эволюции биосферы. l 2. Ноосфера – качественно новый этап эволюции биосферы. Биогенез и ноогенез. l 3. В. И. Вернадский о ноосфере. Модуль 4. Международные организации и система экологических исследований Модуль 5. Экологическое образование и просвещение

Модуль 1. Введение в курс 1. Исторический экскурс l l l Ж. Б. де Шевалье Ламарк «Гидрогеология» , 1802; «Философия зоологии» , 1809 А. фон Гумбольдт– «Космос» 1827; Э. Зюсс «Лик Земли» , 1875 l Гюйгенс, «Космотеорос» , 1695 Ж. Кювье l Ф. Энгельс «Диалектика природы» , 1873 -1883 l В. Р. Вильямс В. В. Докучаев В. И. Вернадский, 1926 l l l

Модуль 2. Организованность биосферы В одном мгновенье видеть вечность, Огромный мир - в зерне песка, В единой горсти - бесконечность Небо - в чашечке цветка. В. Блейк (в переводе С. Маршака):

Основные блоки в структуре биосферы Живое вещество l Биогенное вещество l Биокосное вещество l Косное вещество l Радиоактивная энергия Земли l Космическая энергия и вещество l Энергия Солнца l

1. Живое вещество А. Живое вещество – это комплекс живых организмов, выраженное через биомассу, химический состав и геохимическую работу l

Что же такое «Живое вещество» ? l Живое вещество Живые организмы зеленое гетеротрофное Пфеффер, 1860 *Видовой и таксономический состав *Размножение *Распространение *химизм *биомасса *геохимическая работа *Поведение * и т. д.

Видовое разнообразие растений Всего: 500 тыс. видов; в том числе: Низшие: Высшие: Бактерии и Мхи 20. 000 Грибы 100 000 Плауны 800 Водоросли 25000 Хвощи 30 Лишайники 18 000 Папоротники 6. 000 Голосеменные 600 Цветковые 200 - 300. 000

Видовое разнообразие животных Всего в том числе: Простейшие Губки Кишечнополостные Черви Моллюски Членистоногие (без насекомых) Насекомые Иглокожие Хордовые(включая позвоночных) из них: птицы млекопитающие l 1 500 000 15. 000 9. 000 105. 000 50. 000 1. 000 5. 000 48. 000 10. 000 6. 000

Характеристика живого вещества Специфика *90% химических элементов в составе живого вещества – легкие Свойства *Аккумуляция и трансформация световой энергии *99. 9% элементов содержатся в земной коре *Огромная скорость протекания биохимических реакций *Все элементы весьма реактивны *Огромная скорость размножения

Масса живого вещества в биосфере (Войткевич, Вронский, 1989) Подразделения биосферы Масса, тонн Сравнение Живое вещество 2. 4*10 12 1 Атмосфера 5. 15*10 15 2. 146 Гидросфера 1. 5*10 18 602. 500 Земная кора 2. 8*10 19 1. 670. 000

Элементный состав в различных типах веществ (Виноградов, 1957) Химический элемент Содержание, % звездное солнечное растения животные Водород (Н) 81. 76 87. 0 10. 0 Гелий (Не) 18. 17 по 0. 33 12. 90 по 0. 28 3. 0 0. 33 0. 03 0. 33 0. 25 3. 0 79. 0 18. 0 65. 0 по 0. 01 по 0. 04 0. 15 0. 25 Азот (N) Магний Углерод(С) Кислород (О) Сера (S ) Кремний Железо

Анализ l Химические элементы одни и те же, однако их долевое участие различно l Глубокое генетическое родство живого вещества планеты с Космосом l Далеко зашедшая специализация живого вещества Ведущий элемент – кислород (~47, 3% от массы земной коры и 92% ее объёма) l

Границы жизни в биосфере Давление жизни l Растекание жизни l Следы былых биосфер l l Всюдность жизни Поле существования жизни Поле устойчивости жизни l Жизнь – явление геологиески вечное

Давление l Царица-самка термитов откладывает 60 яичек/мин = 86. 400 штук/сутки (в сутках 86. 400 сек). Живет около 10 лет = несколько биллионов штук яиц

Границы жизни l Биосфера: Мегабиосфера *Метабиосфера=Былые биосферы (В. И. Вернадский, Н. Б. *Апобиосфера Вассоевич) l Русский космизм: * Н. Ф. Федоров * К. Э. Циолковский * Андрей Васильевич Сухово-Кобылин * Иосиф Самуилович Шкловский

Функции живого вещества Энергетическая l Концентрационная l Газовая l Деструкционная l Средообразующая l

1. Энергетическая (Войткевич, Вронский, 1989) Солнечная энергия (100%) Рассеивается облаками, 47% Поглощается почвой, 24% Поглощается атмосферой, 22% Другие процессы, ~ 4% Фотосинтез, 0. 1 -3% • Живой покров планеты высотой 2 см • Площадь всей фитосферы превышает площадь поверхности Земли в 300 раз • Фитосфера составляет от 0, 86 до 4% поверхности Солнца

Зелёное пламя (Мигель де Уномуно) Гудит как пламя пальма на ветру, Корнями попирая мёртвый камень. Зелёный факел долгими глотками Из неба пьёт гремучую жару. Приник зенит к зелёному костру К стволу, где под набухшими узлами, Как брага бродит солнечное пламя, Пролившееся в крону и в кору. И вверх, по жилам листьев пламенея, Из бездны раскалённой до бела Струятся вулканические змеи. Расплавленная лава поняла, Что к солнцу путь не может быть прямее, Чем вертикаль вот этого ствола.

Продукционные возможности фотосинтеза Среда обитания Используется и Создается и выделяется, поглощается, млрд. т/год СО 2 Н 2 О СН 2 О О 2 Суша 253 103 172 184 Океан 88 36 60 64 Всего 341 139 232 248

2. Концентрационная Концентрация l *1 -ого рода *Захват живым веществом тех хим. элементов, которые есть в теле всех живых организмов без исключения *H, C, N, O, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Fe *В геологическом времени роль отдельных функций 1 -ого рода резко увеличивается *2 -ого рода *Избирательный захват живыми организмами некоторых элементов, которых в других организмах может и не быть • более 10% веса или его атомного состава (кремниевые, серные, железные организмы и т. д. ) • более 10% весового содержания в организме по сравнению с окружающей средой (водород, кислород, углерод)

Примеры концентрации 2–ого рода Кальциевые • Лишайники • Кораллы • и др. Водороднокислородные • Арбуз • Медуза • огурец • и др. Кремниевые • Диатомовые водоросли Азотистые • Цианобактерии • Азотобактер • и др. Углеродистые

3. Газовая функция l Автотрофия фотоавтотрофия хемоавтотрофия Аноксигенный фотосинтез Пигменты: • Бактериородопсин • Бактериохлорофилл Донор: СО 2 Оксигенный фотосинтез Пигменты: Донор: Хлорофиллы (а, б, с, д) Н 2 О

Аноксигенный фотосинтез l донор водорода не вода, а доноры с более высокой степенью восстановления (например, СО 2, Н 2 S и др. ) l максимум поглощения света бактериохлорофиллов a, c, d, e лежит в области 715 - 890 нм. l дополнительные пигменты (каротиноиды): * поглощают свет в интервале 400 -550 нм и передают ее на хлорофилл * защищают хлорофилл от фотоокисления

Оксигенный фотосинтез l Характерен для цианобактерий, Prochlorobionta, водорослей, высших растений, которые имеют уже хлорофилл l Основной максимум поглощения света хлорофиллом лежит в области 680685 нм l Коротковолновые лучи спектра 550650 нм улавливают пигменты фикобилипротеины l В качестве донора водорода используют воду

Хроматическая комплементарность l Закон хроматической комплементарности (Энгельман, 1880) l Механизм процесса вскрыт позже (Гайдуков, 1903) l Значение этого явления

История биогенного кислорода l Катархей-архей N+NH 4+CO 2 О 2=0. 001% т. Юри • Протерозой – О 2 + N + СО 2 + SO 2, HBr, HCl, Hf и др. О 2=0. 01% т. Пастера • Палеозой О 2=20. 8% • Мезозой О 18, О 17, О 16

Продуцирование О 2 по отдельным периодам (В. И. Бгатов, 1985) Период Площадь (S), млн. км 2; годовое продуцирование О 2, 1*10 10 тонн Суша S О 2 Море S О 2 Всего О 2 Карбон 70 0. 5 314 4. 9 Пермь 120 0. 8 172 2. 4 3. 2 Триас 140 1. 0 213 2. 9 3. 9 Мел 105 0. 7 351 4. 9 5. 6 l. Изменение величины годовой продукции О 2 между min (в период минимального объёма планеты) и max (в период максимального объёма планеты) могло происходить в существенных пределах (3. 2 - 5. 6 * 1*10 10 тонн/год)

История кислорода на Земле (по В. И. Бгатову, 1985) Осадочные породы О 2 !!! докембрий == фанерозой • Кислород воздуха тяжелее О 16 , т. к. существенно обогащен О 18 • Кислород земной атмосферы = О 16 + эндогенный кислород • Современная атмосфера = 30%О 16 + 70% кислорода эндогенного происхождения • Основная доля эндогенного кислорода приходит из рифтовых зон при дегазации базальтовых лав

Озон Шонбейн (швейц. химик), 1840 г – открытие озона l Сорэ (фр. ученый), 1865 г – озон состоит из 3 -х атомов (03) l тропосферный l Виды озона стратосферный

Озон стратосферы АНТАРКТИДА - 40 -50% Потери за 30 лет УМЕРЕННЫЕ ШИРОТЫ – 2 -10% Уменьшение О 3 на 1% увеличение заболеваний раком - 5 -7% Причины: • Выбросы фреонов, NO • Ядерные взрывы • Запуск ракет, космических кораблей • Полеты реактивных самолетов 11 -ти летние циклы солнечной активности Один запуск «Шаттла» - потеря 10 млн. тонн О 3

Озон тропосферы l Увеличение О 3 на 1. 0 -1. 6% в год Смог Фотохимический Влажный Ледяной (Лос-Анджелес): (лондонский): (аляскинский): • Транспорт Копоть, сажа • Температурная инверсия SO 2+CO Отрицательные температуры • Высокая солнечная радиация Температурная инверсия Штиль (за 2 недели погибло 2000 человек) Малая солнечная радиация Копоть+SO 2+ кристаллы льда

4. Деструкционная l Глубокоуважаемая Юлия Чучевлянова!

5. Средообразующая Глубокоуважаемый Пока ещё Желающий !

Б. Принципы организации живого вещества l 1. Цикличность – основной принцип поддержания гомеостаза биосферы l 2. Неравномерность – особенность организации живого

1. Принцип цикличности Высвобождение энергии могущей производить химическую работу • Зарядка энергией • Аккумуляция атомов БИК Разложение органического вещества Высвобождени минеральных элементов • Атмосфера • Ландшафт Зональность Окислительная • Океаны • Моря Восстановительная • Илы морей и океанов • Глубинные подземные воды

• Особенности миграции химических элементов в биосфере Биогенная миграция атомов резко по скорости различна для микробов и одноклеточных организмов – с одной стороны и для многоклеточных – с другой. Отсюда: *биогенная миграция атомов 1 -ого рода - для микроорганизмов (огромная скорость) *биогенная миграция 2 -ого рода - для многоклеточных (относительно малая скорость) 2 биогеохимических закона (2 принципа В. И. Вернадского): 1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению 2. Эволюция видов в ходе геологического времени. Приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы

Водные источники и скорость водообмена (Шевчук, 2003) Водные источники Скорость водообмена Мировой океан 2. 500 лет Полярные ледники и постоянный снежный покров 9. 700 лет Воды озер 17 лет Воды болот 5 лет Вода в реках 16 дней Вода в атмосфере 8 дней Вода в организмах несколько часов

Скорость круговоротов l Среднее время обновления всего живого вещества на планете – 8 лет l Фитомасса Суши обновляется за 14 лет l В Океане вся биомасса обновляется за 30 дней, а фитомасса – за 1 сутки

2. Принцип неравномерности А. Принцип неравномерного распределения организмов по планете Б. Принцип неравномерных темпов эволюции отдельных групп организмов В. Принцип неравномерных темпов эволюции органического мира в геологическом разрезе времени

А. Принцип неравномерного распределения организмов по планете а) Пленки сгущения жизни ОКЕАН: * нейстонная * планктонная * бентосная СУША: * тропосферная

Планктонная Бентосная S = 34 млрд. т, из них 1. 5 млрд. т. - фитопланктон 100 м толщиной, повторяет всю пластику дна Мирового океана; во много раз превосходит планктонную

l б) Зоны сгущения жизни ОКЕАН: * Саргассово море (0. 02% поверхности Океана) S=4. 5 млн. кв. км (0. 02% S Океана) р. Саргассум – 8 видов + несколько др. видов 50 видов животных Биомасса = 12. 5 млн. тонн * Филлофоровое море Площадь = 10 тыс. кв. км Биомасса = 5. 5 млн. тонн

* Апвеллинговая зона * Прибрежная зона (0. 1 -2% от S Океана) Птицы: • съедают 120 млн. т/год • возвращают – 25 млн. т/год Биогидроценоз: • заросли водорослей и морских трав • моллюски • мшанки • брахиоподы • ракообразные • царство рыб • икра

* «Чёрные курильщики» *результат гидротермальной деятельности на дне океанов, *открыты в конце 70 -х годов *в океанах: Тихом океане -100, Атлантическом – 8 *в морях: Индийском – 1 Красном море - 20 в Средиземном - несколько (vkulikova. narod. ru/smok. htm) *Коралловые рифы * Гейзеры

l Зоны сгущения жизни. СУША: оазисы в пустынях арыки формирование БГЦ в трещинах скальных пород В). Узлы сгущения жизни консорции в разреженных экосистемах, например, в опустыненных и петрофитных степях

2. Принцип неравномерных темпов эволюции отдельных групп организмов • Архронизмы и архаизмы • Широта специализации • Эволюционно продвинутые группы

3. Принцип неравномерных темпов эволюции органического мира в геологическом разрезе времени (Закон чередования периодов биологической эволюции) арогенез катагенез

Уровни эволюционных перестроек l Ароморфозы l Арохимозы (А. В. Благовещенский) l Алломорфозы (идиоадаптации) l Катаморфозы

Биокосные системы l Биокосные системы – это естественно-исторические тела, представляющие собой единство живых организмов, косных систем и продуктов их взаимодействия, возникающие в результате преобразующего воздействия живого на окружающую их среду

Биокосные системы • Почвы • Илы • Коры выветривания В. В. ДОКУЧАЕВ • Подземные воды • Ландшафты • Биогеоценозы • Мировой океан http: //www. vskrus. com/revues/chern ozem. html http: //www. ecology-portal. ru/publ/4 -1 -0 -409 В. И. Вернадский

Уровни организации биокосных систем Биосферный * Моря Надландшафтный Ландшафтный * Океаны *Артезианские и речные бассейны * Элементарные *Геохимические * Илы Почвенный * Коры выветривания * Почвы *Почвенные горизонты Допочвенный *Аналогичные части кор выветривания *Аналогичные части илов *Аналогичные части водоносных горизонтов

Общность биокосных систем a. десульфуризация *почвах (болотные, солончаки) b. оглеение c. окисление *илах протекают сульфидов *водоносных горизонтах d. засоление e. огипсование *морской воде f. карбонатизация ЭМЕРДЖЕНТНЫЕ СВОЙСТВА: • ПОТОКИ ВЕЩЕСТВА (латеральные, радиальные) • ПОТОКИ ЭНЕРГИИ, • ПОТОКИ ИНФОРМАЦИИ • БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ • ПРОДУКТИВНОСТЬ • ИНФОРМАЦИОННАЯ ЁМКОСТЬ

Почва l Почва – естественно-историческое тело, формирующееся в верхних слоях коры выветривания, вышедшей на дневную поверхность и подвергшейся действию климата, почвы, рельефа и материнской породы (В. В. Докучаев) l Почва – это верхние слои коры выветривания способные давать урожай (В. Р. Вильямс) l Почва - верхние слои коры выветривания, вышедшие на дневную поверхность, где сосредоточена область наивысшей биогеохимической работы (А. И. Перельман)

Почвы как биокосные системы • Естественно-историческое тело • Кора выветривания, оказавшаяся на дневной поверхности • Работа растений, животных, грибов, микроорганизмов • Область наивысшей биогеохимической работы

Органический опад Судьба опада: l Полная минерализация l Консервация l Включение в гумус Характер разложения определяется: • Составом растительного материала • Водно-термическим режимом • Комплексом организмовдеструкторов

Концепции происхождения гумуса А. Экологическая концепция (Р. Мюллер) Муллевый гумус Параметры Где Широколиственные леса, травянистые ЭС Кто работает Беспозвоночные, ЧЕРВИ + микроорганизмы Скорость разложения Огромная Характеристика Мягкий, нейтральный, состоит из органо-минеральных соединений; С: N ниже 20

Моровый гумус Параметры Где Хвойные леса Кто работает Бедная почвенная фауна, нет сапрфагов, ГРИБЫ Скорость разложения Медленно Характеристика Грубый; p. H кислая; C: N всегда выше 20

Модеровый гумус Параметры Где Смешанные леса Кто работает Почвенные беспозвоночные, однако без дождевых червей Скорость разложения Быстро Характеристика Промежуточный между муллем и мором; С: N около 20

Б. Биохимическая концепция (М. М. Кононова 1976) Гумус Растительные остатки 1 • Полимеризация Микробное разложение • Стабилизация 1 V • Олигосахариды, • Полифенолы. • Пептиды, • Аминокислоты • Без участия м/о 11 «Структурные единицы» гумусовых кислот Синтез, ресинтез с участием микроорганизмов и микробных ферментов (химические реакции) Конденсаты гумусовых веществ 111 Конденсация, усложнение структурных единиц (с участием ферментов) Повышение устойчивости N по отношению к кислотному гидролизу

В. Микробиологическая концепция (С. Н. Виноградский, С. П. Костычев, Д. М. Новогрудский (1953) ) l Гумус 90% специфические вещества • Фульвокислоты • Гуминовые кислоты – гетерополимерные соединения • Черно-коричневый цвет Б • Не растворимы в воде 14 С микробной массы через Б. . несколько месяцев Б • Микроорганизмы А. сходны • Молекулярные массы сходны • Однотипный набор аминокислот • Обесцвечиваются под действием окислителей • Темноцветные хромопротеидыпигменты меланоидного типа

Значение гумуса Питание растений: P, N и др. Выветривание минералов Создание почвенной структуры Биологически активные вещества Углекислота для фотосинтеза • Ежегодный органический опад 20*109 – 50*109 • Всего гумуса в почвах Земного шара около 2, 4 -2, 5*1012 тонн • Больше всего гумуса в черноземах луговых степей (400 -700 т/га) • Меньше всего - в почвах тундр и пустынь (0, 6 -0, 7 т/га)

Типы почв Зконы почвообразования: 1. Факторы почвообразования: • • • Материнская порода Рельеф Время Биота Климат 2. Климат

Географические закономерности почвообразования (Полынов, 1926) Пояс Климатические зоны и области Тип почвообразования Холодный • Полярные пустыни • Почвообразование отсутствует • Тундра • Болотный тип почвообразования развивается уже в плакорных условиях Умеренный • Область сплошного распространения лесов • На плакорах – подзолообразование. В понижениях– болотный. • Область степей • Область пустынь. Жаркий l. На плакорах – степной, в понижениях- солончаковый l. На плакорах-слабо степной до соленосного • Область сплошного • Плакор–латеритный, в понижениях– распространения лесов болотный. • Область степей • Область пустынь • Плакор–степной с образованием маловодных форм гидратов окиси железа. В понижениях– солончаковый. • Почвообразование отсутствует.

ИЛЫ как биокосные системы l Илы водные аналоги почв • сходство • различия Трудами Вернадского, Перельмана было установлено, что илы в отличие от почв: • двухфазные системы (твердая + жидкая фазы) • растут снизу вверх • не имеют материнской породы • в их формировании, как правило, не принимают участие высшие растения • имеют постоянное увлажнение Все вышеперечисленное определяет: • их большую однородность в пространстве • меньшее разнообразие илов • илы - первая стадия образования осадочных горных пород

Из всего выше изложенного илы по праву считаются биокосными системами, так как: • Содержат органические остатки • • • Содержат огромное количество микроорганизмов Являются ареной деятельности илоедов • Илы, как и почвы, неравновесные динамические биокосные системы, богатые свободной энергией • В них протекает разложение органических остатков в окислительно-восстановительных реакциях

Ландшафты как биокосные системы • Болота • Степь Дать характеристики !!!! • Тайга • Тундра • Лес

http: //artlib. ru/index. php? id=25&idp=34575&top=9 Ландшафты Фаглер, 1936 Катена – биогеохимический стоковый бассейн http: //www. geogr. msu. ru/news/index. php М. А. Глазовская Б. Б. Полынов Элевый участок (Эль) Трансэль (Т 1. Т 2, Т 3) Трансэляк Аккумулятивная зона http: //www. e-monitoring. ru/setun. html

Понятия l Понятие «ландшафт» - Гоммейер, 1805 г. l Элементарный ландшафт (БГЦ) – один определенный элемент рельефа , сложенный одной породой или наносом и покрытый определенным растительным покровом l Ландшафт – закономерно повторяющееся сочетание однотипных биогеоценозов, формирующихся на определенной материнской породе, с определенным типом почв и климата

Классификации ландшафтов l l l Б. Б. Полынов: Элювиальный (автономный) Супераквальный (надводный) Субаквальный (подводный) l В. А. Ковда: Автоморфный l Автогидроморфный l Гидроморфный • Элементарный • Геохимический

Элювиальный (автономный) ландшафт l l l l l Формируется на водоразделах Автономность, автоморфность Расход материала осуществляется за счет поверхностного сноса и просачивания вглубь по профилю Обеднение почв и коры выветривания Формируются жесткие условия питания растений (экстремум), как следствие - тугорослость Разложение мортмассы интенсивное с образованием гумуса Идет формирование иллювиального горизонта, а со временем - и остаточной древней коры выветривания Противоречивость биологического круговорота (аккумуляция органогенов геохимический вынос) Стабилизирующий отбор

Супераквальный (надводный) ландшафт * трансэлювиальный * трансаккумулятивный Близкое залегание грунтовых вод (менее 3 -4 м. ) l Поступление минеральных солей с элювиальных ландшафтов и с грунтовыми водами l Сложность химизма (порода+сток+грунтовые воды) l Преобладает галофиальная растительность l Отбор мягкий l Увеличивается: *биоразнообразие *БИК *биомасса l

Супераквальный ландшафт * трансаккумулятивный l Зона сгущения жизни l Гарант восстановления биостромы катены l Прогнозирующий отбор l Биогеоценотический оптимум

Характерны различные варианты засоления почв На минерализованных водах – солончаки с галофильной растительностью l На жестких карбонатных водах – луговые почвы с изобилием бобовых l Воды с изобилием Si – формируют низинные тростниковые, камышовые болота l

l Субаквальные (гидроморфные) ландшафты Субаквальные ландшафты Морей и океанов Континентальные (дельты, поймы, лагуны, эстуарии, первая надпойменная терраса) Бессточные, недренированные Полное накопление всех продуктов твердого, жидкого и биостоков Дренированные Часть стока уносится водами поверхностного или подземного стоков

Субаквальный (подводный) ландшафт l l l Принос жидким, биостоком и твердым стоком материала извне В почвенно-геохимическом отношении не самостоятельны, связаны с ландшафтами эля и трансэля Почва (илы) может быть не связана с материнской породой и растет снизу вверх

Специфика субаквальных ландшафтов l Разложение мортмассы медленное в анаэробных условиях с образованием сапропелей l Избыток минерального питания и водообеспечения l Векторы биологического круговорота и геохимических процессов совпадают полностью и направлены на максимальную аккумуляцию элементов питания и подвижных соединений разного типа

Барьеры разгрузки l Элевый l Амфибиотический (min 2 среды) l Начальный (элевый) и Конечный (амфибиальный) барьеры-аналоги антиподы

Геохимический ландшафт – парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией химических элементов и приуроченных к одному типу мезорельефа l

Барьеры разгрузки Характеристика Глеевые Встреча кислородных и сероводородных вод с глеевой средой. Они характерны для таежных, тундровых, степных и тропических болот, для глубоких водоносных горизонтов. Щелочные В местах повышения p. H среды: например, при смене сильнокислой обстановки на слабокислую или слабощелочной на сильнощелочную. Встречаются крайне редко. Испарительные Испарение поверхностных или подземных вод Засоленные почвы (солончаки, солонцы) и соленые озера. В биосфере засоления развиваются уже более 500 млн. лет, результатом чего являются залежи ископаемых солей. Сорбционные В местах, где воды соприкасаются с сорбентами - веществами, способными поглощать (сорбировать) из растворов растворенные газы, ионы и молекулы. Например, редкие металлы: рубидий, цезий никогда не насыщают природные воды, а сорбируются только глинами. Термодинамические Концентрация химических элементов в местах резкого изменения температуры или давления Техногенные При вскрытии угольных пластов шахтами, глубокой

Мировой океан Общая характеристика физико-химических параметров Океана l Океан как биогидросистема *Биота Мирового океана и ее работа *Биогеохимический барьер «вода-воздух» *Сравнительная характеристика океанической и наземной части биосферы l

Мировой океан Масса воды - 1. 4 млрд. км 3 l Максимальная глубина - 11 км l Средняя глубина - 4 км l Океан лежит ниже платформ на - 3. 5 км Аккумулятивная зона: • Более 25 млрд. т почвы • 3 млрд. т растворенных веществ с господством Cl и Mg l ( при высыхании – слой в 45 м соли по всему дну) l l l Два встречных потока Силы Кориолиса Пассаты, океанические течения и др.

Химизм Средняя соленость – 35% «Соотношение главных ионов постоянно. Солевой состав океана явление геохимически Const. » (Марсет, 1819) l Основная масса солей: - 1 -ое место - хлориды - 2 -ое место – сульфаты - 3 -е место - гидрокарбонаты l l Дисперсное органическое вещество как глобальный сорбент l Первородная среда жизни

Океан как биогидросистема «Океан – целостный природный комплекс, населенный богатой флорой и фауной» Факторы, определяющие формирование морских биогидроценозов Косные Биогенные Организмы Свет, Tо, Растворенные органические вещества, продукты жизнедеятельности Качественный и количественный состав флоры и фауны Газовый состав Метаболиты организмов (слизи, витамины, БАВ…) Трофические связи, особенности компонентов БГЦ Соленость Плотность популяций Плотность Способы размножения и развития Течения и др. Л. А. Зенкевич

Животный мир Мирового Вениамин Григорьевич океана Богоров Всего ~200 тыс. видов Животных – более 150 тыс. видов, из них: Беспозвоночных более 120 тыс. , в том числе (в тыс. видов): *Губок - 5 *Кишечнополостных – 9 *Червей – 6 *Иглокожих – 6 *Моллюсков – 65 *Ракообразных – 25 * Микромир (простейшие) - 10 Позвоночных: *Рыбы – 16 *Млекопитающие – 90 видов, из них: - китообразные – 58 - ластоногие - 32

Растительный мир Мирового океана Водоросли – 15 тыс. видов, из них: *зеленые ~5 *диатомовые ~ 5 *синезеленые ~ 1 *бурые ~ 1 *красные ~ 2, 5 Высшие растения ~ 50 видов: • Зостера • Морские солянки

Гидробиос Бентос эпибионты подвижные неподвижные Планктон Нектон интрабионты Плейстон Плавающие: янтина саргассы зарывающиеся интерстициалы Древовидные: - губки - мшанки Трубчатые Бочонковидные -губки -кораллы -сальпы -полихеты -кораллы -моллюски Зонтиковидные Звездовидные Солнечниковидные Торпедовидные Ластовидные Змеевидные Сигаровидные

Соотношение продукции и биомассы разных групп организмов в Океане Георгий Винберг 1 - бактерии; 2 - фитопланктон; 3 - зоопланктон; 4 - рыбы.

Соотношение биомасс и продуктивности, млрд. т (по В. Г. Богорову) Группы Биомасса, (В) Продукция, (Р) Отношение Р/В 1. 5 0. 2 550 0. 2 336 1 1. 52 550. 2 Продуценты: фитопланктон фитобентос Всего Консументы Зоопланктон 21. 5 53. 0 1/2. 5 Зообентос 10. 0 3. 0 1/3 Нектон* 1. 0 0. 2 1/5 Всего 32. 5 56. 2 * Величину удвоить, если объединить рыб, головоногих моллюсков,

Кислород в океанической воде Источники кислорода в океане Количество, т/год Фотосинтез фитопланктона (О 16) 1· 1011 Свободное поглощение кислорода из атмосферы (О 16) 2· 1010 Дегазация базальтовой магмы (О 17, О 18)

Сравнительная характеристика океанической и наземной части биосферы Проблемы: • Влажность Кл. Малощетинковых кольчецов • Солевой режим Тип Членистоногих • Плотность • Индивидуально Кл. Брюхоногих моллюсков Тип Первичнотрахейных • Биогеоценотически • Встраивание 60 классов 18 типов Темпы эволюции Среды жизни Растения, % Животные, % Океан 8 7 Суша 92 93

Сравнительная характеристика Параметры Океан Суша Биокосное вещество Пронизывает полностью Тонкий слой почвы, не более 1 м Растительность Литораль(h=0. 5 -2 м) Аналог есть Пелагиаль (планктон, нектон) Аналогов нет Продуценты Водоросли Высшие растения Гетеротрофы (консументы) Моллюски, рыбы Насекомые, паукообразные, 4 класса хордовых Вертикальный градиент биоты Численность пища нет Видовой состав аномалии Плодородие Вертикальное перемещение толщи воды(основной капитал в 1000 раз превышает годовой расход) В почвах основной капитал немного превышает оборотный или равен ему

Параметры Океан Суша «Трупный дождь» ежесекундно нет Фильтрация 1 мл потребленного О 2 = 15 л Н 2 О нет Накопление Огромные залежи кремнеземовых и известковыхх остатков Эволюция В верху творческий отбор (классы) Глубины идиоадаптация Границы размытость Практически такого нет дискретность

Темпы эволюции l l l Наша Галактика 10 -12 млрд. л. н. Солнце 5 млрд. л. н. Земля 4. 5 -4. 6 млрд. л. н. Биосфера 4 млрд. л. н. Аэробы 2, 5 млрд. л. н. Выход на сушу 0, 5 млрд. л. н. Млекопитающие 100 млн. л. н. Приматы 12 -15 млн. л. н. Человек 2 млн. л. н. 1 -ые цивилизации 50 тыс. л. н. Техническая революция 300 лет н. Жизнь одного поколения 0, 01 сек. Млрд. Млн. Тыс. сотни Сек.

Эволюция биосферы (по: М. М. Камшилов, 1956) А А Б 1 А Н ноогеника Н 5 Б 2 А А Ч 3 Б Т Б Ч 4

Архей-Протерозой А Б • Зарождение жизни около 4 млрд. лет назад • Продолжительность этапа 3, 2 -3, 4 млрд. лет • Основные ароморфозы (……. . ) • Предпосылки выхода на сушу (…. . )

Палеозой-Мезозой- Кайнозой А Б • Давление • Растекание • Поле существования • Поле устойчивости

Закон опережения в развитии растительным миром - мира животных (закон Готтана) S Псилофиты Pz D Двоякодышащие рыбы --------------------------------- D Папоротники Pz С Амфибии --------------------------------- Tr Саговники Mz J Пресмыкающиеся ---------------------------------- Mz J Цветковые K Млекопитающие Закон усложнения системной организации (К. Ф. Рулье, 1852)

Антропоген Кайнозоя А А Б Ч Б Т Ч Ускорение темпов эволюции: Криптозой - 3 -3. 2 млрд. лет А Н Н ноогеника Палеозой - 335 -340 млн. лет Мезозой - 160 млн. лет Кайнозой - 65 -70 млн. лет

Причины возникновения кризисных ситуаций Взаимодействие общества и Природы Разновременность возникновения Биосфера – 4 млрд. л. Homo sapiens – 2 -5 млн. л. Социум – 5 тыс. лет НТР – 300 лет Различные темпы эволюции – потребовалось лет: • Биосфере – миллиарды • Человеку – миллионы • Социуму – тысячи • НТР - сотни В основе лежат разные принципы развития В биосфере – круговорот В техносфере – технический обмен кризис на «входе» и на «выходе» из системы

Экологические кризисы (Реймерс, 1990; в сокращении)) Степень антропогенной нагрузки на природу Характер революции Время 1 -ый антропогенный экологический кризис (консументов) с/х революция, переход к 10 -50 тыс. лет производящему назад хозяйству 2 -ой антропогенный экологический кризис (продуцентов) Промышленная революция 150 -300 лет назад Современный глобальный экологический кризис (редуцентов) и нехватки минеральных ресурсов НТР 30 -50 лет назад Глобальный термодинамический (тепловой) кризис Энергетическая революция наше время Глобальный кризис надежности экологических систем Революция экологического планирования наше время

Экологические кризисы в развитии биосферы и цивилизаций (Реймерс, 1992; в сокращении) Кризис Время Причины Пути выхода Кризис консументов 10 -50 тыс. л. н. Перепромысел животных Переход к земледелию, скотоводству Кризис продуцентов 150 -300 л. н. Истощительное землепользование, отсталые технологии Промышленная революция, новые технологии в с/х Кризис редуцентов 30 -50 л. н. Истощительное природопользование, многоотходные технологии Энергосберегающие технологии, безотходное производство Термодинами ческий (тепловой) кризис Начался и прогнозируется Выделение в среду большого количества тепла, особенно из внутренних источников, парниковый эффект Ограничение использования энергии, предотвращение парникового эффекта, поиск решений Исчерпания надежности ЭС Первые признаки и прогноз Нарушение экологического равновесия в масштабах планеты Приоритет экологических ценностей перед другими, поиск решений

l «Экологический кризис – это кнут, которым Природа направляет нас на единственно прогрессивный «зеленый» путь развития. Но это и топор, которым Природа отсекает с древа человечества тупиковые ветви» Ю. С. Шевчук

Потери За исторический период уничтожено : l 2/3 от общей площади лесов l 9% почвенной подстилки l 20% гумуса почв l 170 млрд. тонн С- ископаемого топлива l ежегодно уменьшается поступление 02 на 32 млрд. тонн l фотосинтетическая генерация упала на 30% l ежегодно потеря 0, 3 – 4% О 2

Сокращение видового разнообразия биосферы с 18 -20 век Группы организмов Исчезло видов % от общего числа Под угрозой исчезновени я % от общего числа видов Высшие растения 384 0. 15 18. 700 7. 4 Рыбы 23 0. 12 320 1. 6 Амфибии 2 0. 05 48 1. 1 Рептилии 21 0. 33 1355 21. 5 Птицы 113 1. 23 924 10. 0 Млекопитающие 83 1. 99 414 10. 0

Людские потери l Заболевания, связанные с водой (Сусликов, 1999) Болезни Гастероэнтерит Трахома Шистосоматоз Малярия Число больных, млн. чел. 400* 500 200 800 * Ежегодно умирает 4 млн. детей и 18 млн. взрослых

Первые шаги на пути к будущей ноосферологии l l l l Х. Гюйгенс "Космотеорос", 1695 Б. де Фонтенель, «Мыслящие живые существа в Космосе» Ж. Бюффон(XVIII в. ) Царство человека Жан Луи Рудольф Агассис (1807 - 1873) «Геологически наступило царство человека» , ледниковый период Джеймс Дана (1813 -1895) - «Цефализация» Д. Ле-Конт (1823 -1901) «Психозойская эра» Чарльз Шухерт А. П. Павлов (1854 -1929) - Эра антропогена

Ноосфера и ноогенез В. И. Вернадский (1922 -1924 гг) l Эдуар Ле-Руа, 1927 "noon" - с греч. - разум. l Тейяр де Шарден - "Феномен человека" (1965) l А. Л. Чижевский l В. И. Вернадский «Автотрофная сущность человека» «Философские размышления натуралиста» : *Пространство-время *Мысль как общепланетное явление l

Мысли великих людей о будущем l «Человеку суждено истребить себя после того, как он сделает Землю непригодной для обитания» (Ж. Б. Ламарк) l Управлять природой можно только покорившись ей (Ф. Бэкон) l l Венозная кровь бежит к сердцу, артериальная от него. Желающий обращать потоки вспять, попробуй это сначала на себе! (Н. Ф. Реймерс) Не природе нужна наша защита. Это нам необходимо ее покровительство: чистый воздух, чтобы дышать, кристальная вода, чтобы пить, вся Природа, чтобы жить. Она – Природа – была и всегда будет сильнее человека, ибо она его породила. Он лишь миг в ее жизни. Она же вечна и бесконечна. Человек для нее деталь. Она для него – всё. А потому: не навреди! (Н. Ф. Реймерс)

Учение о биосфере Лекций — 52 часа ЛПЗ