Учение о биосфере Общеинститутский курс лекций (2016 -17 учебный год) Руководитель курса – чл. -корр. РАН, проф. , д. б. н. Кудеяров Валерий Николаевич
ПРОГРАММА Общеинститутского курса лекций «Учение о биосфере» (2016 -17 учебный год) Наименование и краткое содержание лекций К-во часов, дата Лектор Биосфера, ее основные компоненты и функции. Учение о биосфере. Круговороты биофильных элементов в биосфере. Проблемы загрязнения и оздоровления окружающей среды. 2 13. 09. 16 Чл. -корр. РАН, проф. , д. б. н. В. Н. Кудеяров 3 20. 09. 16 Профессор, д. б. н. А. С. Керженцев Учение о ноосфере. Человек как господствующий элемент современной биосферы. Принцип разумного управления биосферой. Биосфера и космос. 3 27. 09. 16 Профессор, д. б. н. А. С. Керженцев Эволюция развития биосферы. Развитие биосферы в геологической истории Земли. 2 4. 10. 16 Профессор, д. г. н. И. В. Иванов Биосфера в плейстоцене. Оледенения. Происхождение человека. 2 11. 10. 16 Профессор, д. г. н. И. В. Иванов Природа Земли и биосфера в голоцене. Расселение человека по континентам. 2 18. 10. 16 Профессор, д. г. н. И. В. Иванов Фундаментальность почвоведения Биосферная функция почвенного покрова. 2 25. 10. 16 Профессор, д. б. н. В. М. Алифанов Циклическая динамика почвообразования 2 1. 16 Профессор, д. б. н. В. М. Алифанов
Круговорот углерода. Динамика концентрации углекислоты в атмосфере. Роль фотосинтеза в стоке углерода. Естественные и техногенные источники СО 2. Метан и роль антропогенного фактора в эмиссии метана. Проблема «парниковых газов и парникового эффекта» . Изменение климата. 3 8. 11. 16 Чл. -корр. РАН, проф. , д. б. н. В. Н. Кудеяров 2 15. 11. 16 Чл. -корр. РАН, проф. , д. б. н. В. Н. Кудеяров Глобальная роль территории России в биогеохимическом цикле углерода. 2 22. 11. 16 Круговорот азота. Пути вовлечения атмосферного N 2 в биогеохимический круговорот. Биологическая фиксация азота. Промышленные источники азота. Азотный баланс в биосфере и его нарушения. Отрицательные последствия техногенных нарушений азотного цикла. Круговорот фосфора. Резервуары и современное состояние потоков фосфора в биосфере. Эвтрофикация природных вод и роль фосфора в этом процессе. Круговорот серы. Потоки и резервуары серы. Освобождение серы при сжигании ископаемого топлива. Кислотные дожди. Итого лекций Общее к-во часов 3 29. 12. 16 Чл. -корр. РАН, проф. , д. б. н. В. Н. Кудеяров 3 6. 12. 16 13. 12. 16 Чл. -корр. РАН, проф. , д. б. н. В. Н. Кудеяров 14 34
Биосфера – это область жизни нашей планеты Ниже её на материках располагаются горные породы, формирование которых прямо или косвенно связано с жизнью Осадочные породы и гранитный слой – область «былых» биосфер (по В. И. Вернадскому); Выше биосферы располагается безжизненная зона газообразных продуктов жизни – «апобиосфера» Совокупность биосферы, метабиосферы и апобиосферы называется «мегабиосферой» или «панбиосферой»
Элементы современной концепции биосферы были развиты в начале XIX века Ж. Б. Ламарком В 1875 г. Э. Зюс наряду с атмосферой, гидросферой и литосферой выделил в качестве самостоятельной оболочки Земли биосферу Формирование учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому Биосфера – это сложная динамическая система с огромным числом случайных факторов и вероятностным характером многих процессов В состав биосферы входят тропосфера, мировой океан и литосфера до слоев с температурой, ограничивающей деятельность бактерий
По В. И. Вернадскому БИОСФЕРА может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию – химическую, электрическую, тепловую, механическую. ВЕРХНИЙ И НИЖНИЙ ПРЕДЕЛЫ ПОЛЯ ЖИЗНИ: Верхний – обусловливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь. Верхней границей жизни, очевидно, является озоновый слой, препятствующий проникновению ультрафиолета. Нижний – связан с достижением высокой температуры.
РОЛЬ ПОЧВЫ это область наивысшей геохимической энергии живого вещества, важнейшая по своим геохимическим последствиям – лаборатория идущих в ней физических, химических и биохимических процессов
Концентрация химических элементов Элемент Содержание, % O H Si Al Na Fe Mn Ca Mg K В океане 85. 8 10. 7 5∙ 10 -5 n∙ 10 -6 1 5∙ 10 -6 4 ∙ 10 -7 4 ∙ 10 -2 1. 4 ∙ 10 -1 3. 8 ∙ 10 -2 В почве 49 1 33 7. 13 0. 6 3. 8 8. 5 ∙ 10 -2 1. 37 6 ∙ 10 -1 1. 36 C P N S Cl 2 ∙ 10 -5 5 ∙ 10 -6 6. 7 ∙ 10 -5 8. 8 ∙ 10 -2 1. 89 2. 0 8 ∙ 10 -2 1 ∙ 10 -1 8. 5 ∙ 10 -2 1 ∙ 10 -2
Главный механизм, определяющий единство и целостность биосферы, - биологический круговорот атомов – «бик» Большую роль играет и круговорот воды, который сравним с биком, так как источником энергии обоих круговоротов служит Солнце Оценка геохимической деятельности организмов: Если суммировать количество живого вещества, которое было на Земле за 4 млрд. лет (геологическая история Земли), то могут быть получены такие данные:
Согласно Н. И. Базилевич, Л. Е. Родину и Н. Н. Розову, в современную эпоху сухое вещество биомассы Земли составляет 2. 4· 1012 т, т. е. 0. 00001% массы земной коры (2· 1019 т). Ежегодная продукция равна 2. 32· 1011 т Если принять, что за последний миллиард лет ежегодная продукция была близка к современной, то общее количество за 109 лет составит 2· 1011· 109 = 2· 1020 т, т. е. в 10 раз больше массы горных пород земной коры. Так как живое вещество – это химически чрезвычайно активная «действующая масса» , то становится понятной и грандиозная роль живого вещества, о которой писал В. И. Вернадский
Биосфера представляет собой гигантский «химический комбинат» , на котором из смеси веществ получаются простые и сравнительно чистые соединения, состоящие из двух-трех элементов: горы поваренной соли (Na, Cl), толщи известняков (Ca, C, O), латериты тропиков (Fe, Al, O, H). Преобразование в биосфере солнечной энергии в энергию геохимических процессов приводит к дифференциации химических элементов, росту разнообразия, накоплению информации, уменьшению энтропии
Первый закон термодинамики гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но не создается заново и не исчезает. Второй закон термодинамики формулируется по-разному, в частности таким образом: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (к примеру тепло горячего предмета самопроизвольно стремится рассеяться в более холодной среде). Эффективность превращения одного вида энергии в другой всегда меньше 100%. Важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом – способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией. Энтропия – мера неупорядоченности, или количества энергии, недоступной для использования. Упорядоченность экосистемы (по Ю. Одуму) - сложная структура биомассы, поддерживаемая за счет дыхания всего сообщества, которое как бы «откачивает из сообщества неупорядоченность» .
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ КРУГОВОРОТЫ (ЦИКЛЫ) БИО – относится к живым организмам ГЕО – относится к горным породам, почве, воздуху и воде ГЕОХИМИЯ – изучает химический состав Земли и миграцию элементов между различными частями земной коры и океанами, реками и другими водными массами БИОГЕОХИМИЯ – изучение обмена веществ между живыми и неживыми компонентами биосферы
В ходе длительной эволюции организмы приспособились к различным условиям среды и исключительно чутко реагируют на их изменение. Поэтому наблюдается множество форм биологического круговорота и биогенная миграция значительно разнообразнее физикохимической и механической. Например, в тундре, тайге или степи бик резко различен, а физико-химическая миграция почти одинакова
В биогеохимических циклах элементов исключительная роль принадлежит фотосинтезу, благодаря которому солнечная энергия аккумулируется в виде химической в органических соединениях углерода и служит движущей силой всех биогеохимических процессов. В круговорот включаются десятки химических элементов, среди которых имеются жизненно необходимые для биоты (биофильные) и пассивно вовлекаемые, не используемые в жизненном цикле.
Из более 90 элементов 30 -40 требуются живым организмам. Среди них C, H, O, N, Р, К, Ca, Mg, S, Si (макроэлементы) – потребляются растительными и животными организмами в сравнительно больших количествах. Fe, Mn, Zn, Mo, B, Cu, Co, V и др. (микроэлементы) требуются организмам в малых и очень малых количествах, но играющих также важную роль в жизненных процессах.
ЧЕЛОВЕК уникален не только тем, что его организм нуждается в 40 элементах, но и тем, что он использует все прочие элементы, причем наряду с природными и многие искусственно созданные вещества. В результате деятельности человека движение многих веществ ускоряется настолько, что круговороты становятся несовершенными, а процессы – ациклическими. Последствия нарушений естественных потоков и круговорота веществ – необратимые изменения в окружающей человека среде, вызывающие многие отрицательные процессы в биосфере Земли.
В КАЖДОМ КРУГОВОРОТЕ различают две части или два фонда: Резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном, не связанных с организмами. Резервный фонд – физически и химически отделен от организмов Обменный фонд - меньший, но более активный, циклический поток веществ от автотрофов к гетеротрофам и обратно. Характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ КРУГОВОРОТЫ можно подразделить на два основных типа: Круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан). Благодаря наличию в атмосфере большого резервного фонда некоторые круговороты (круговорот углерода, азота, кислорода) способны к быстрой саморегуляции при различного рода местных нарушений. Осадочный цикл с резервным фондом в земной коре Осадочные циклы, в которых участвуют такие элементы как фосфор и железо, гораздо менее совершенны и легче нарушаются в результате различного рода местных изменений
Биосфера, ее основные компоненты и функции. Круговороты (биогеохимические циклы) биофильных элементов в биосфере. Антропогенные нарушения биогеохимических циклов элементов
Скачать презентацию Учение о биосфере Общеинститутский курс лекций 2016 -17
Вводная.ppt