экзамен магистратура экология. 1. Экология как наука. Место экологии в структуре человеческого знания. В начале xx в сформировалась новая биологическая наука экология. Термин экология

• Название: 1. Экология как наука. Место экологии в структуре человеческого знания. В начале xx в сформировалась новая биологическая наука экология. Термин экология
• Анкор: экзамен магистратура экология
• Дата: 14.07.2022
• Размер: 2.4 Mb.
• Имя файла: GOSy.docx
• Тип: Документы; #630736
• страница: 7 из 16

18. Биогеохимическая концепция биосферы. Основные понятия. Типы вещества в биосфере.

Термин биосфера впервые ввел в 1802 г Ж.Б. Ламарк в книге гидрология для обозначения совокупности живых организмов нашей планеты.

Новое понимание этот термин приобрел после выхода в 1926 г книги В.И.Вернадского «Биосфера». Наиболее полное учение о биосфере было изложено в вышедшей уже после его смерти книгах «Химическое строение биосферы Земли и ее окружение» и «Живое вещество»

Биосфера – это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера – это пронизанная жизнью и сформированная ею наружная оболочка Земли, развитие которой определяется постоянным притоком космической (главным образом солнечной) энергии.

Наиболее всеобъемлющей является биогеохимическая концепция биосферы, сформулированная В.И. Вернадским. В этой концепции основу биосферы как геологической оболочки составляет живое вещество, понимаемое как совокупность химических элементов, сосредоточенных во всех живых организмах, вместе взятых.

Три основных биогеохимических принципа эволюции биосферы как целостного образования, сформулированные В.И. Вернадским, состоят в следующем.

Первый принцип вытекает из факта устойчивости геологических процессов в ходе исторического времени и состоит в том, что биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному значению.

Вовлекая неорганическое вещество в биотический круговорот, живое способно со временем проникать в ранее недоступные области и увеличивать перерабатывающую активность. Освоение новых областей осуществляется за счет увеличения разнообразия форм живых организмов. Другим проявлением этого принципа можно считать постоянство среднего химического состава живого вещества с момента формирования по настоящее время, таким образом можно его назвать правилом постоянства химической основы эволюционных процессов органического мира.

Второй принцип связывает воедино эволюцию в целом биосферы и отдельных видов. Он состоит в том, что эволюция видов, приводящая в ходе геологического развития к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию составляющих биосферы. Этот принцип задает правило направленности эволюционных изменений органического мира. Появление человека есть закономерный процесс, так как выделение его из животного мира связано с резким ростом процесса переработки окружающей среды.

Третий биогеохимический принцип основывается на геометрической прогрессии размножения живых организмов. В соответствии с ним в течение всего геологического времени заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества.

Процесс заселения планеты есть одно из следствий геометрической прогрессии размножения живых организмов и размеров планеты. В.И. Вернадский предложил рассматривать скорость заселения земной поверхности тем или иным видом как характеристику его геохимической функции. Чем больше скорость заселения, тем сильнее вид перерабатывает окружающую среду. Учитывая исключительно высокие темпы размножения живых организмов, этот принцип можно интерпретировать как правило полной заселенности Земли в любое геологическое время.

Живые организмы характеризуются определенной массой. По оценкам, она близка к 5 × 1013 т. Существуют две противоположные точки зрения на вопрос о постоянстве этой массы.

Одна из них, базируясь на предположении о неизменности солнечной энергии, получаемой Землей, считает, что масса живого вещества постоянна (при возможных кратковременных, по геологическим масштабам, отклонениях). Другая утверждает, что масса живого вещества на Земле непрерывно возрастает. Этот процесс связывают с увеличением разнообразия жизни в ходе геологического времени.

По мнению В.И. Вернадского, для данного геологического периода количество живого вещества биосферы постоянно.

Живое вещество характеризуется огромной энергией, которая может быть использована для совершения работы. Это - солнечная энергия, превращенная в энергию химических связей в процессе фотосинтеза зеленых растений и распространяющаяся по поверхности Земли благодаря способности живого регулировать проявления собственных процессов. Живое вещество оказывает непрерывное, постоянное воздействие на окружающий мир. Оценки показывают, что скорость распространения (растекания) живого вещества по поверхности меняется в зависимости от размеров организма и достигает 300 м/с для бактерий (близко к скорости звука в воздухе, звуковая волна способна переносить живое вещество).

Живое вещество производит на Земле непрерывную, непрекращающуюся ни на мгновение работу по переработке своего окружения, по его изменению.

Эта функция живого вещества ставит биосферу в особое положение в структуре геологических оболочек. В механизме формирования земной коры она выступает активным началом, изменяющим газовый состав атмосферы, минеральный состав литосферы, почву, гидросферу. Глобальные геохимические функции живого вещества осуществляются через питание (концентрационная функция), дыхание (газовая функция) и размножение (транспортная функция) особей всех видов живых организмов на всех этапах развития жизни на Земле.

Человек, являясь частью живого вещества, также участвует в реализации геохимической функции живого вещества.

Типы вещества в биосфере:

1. Живое вещество – это совокупность всех живых организмов, населяющих планету Земля, выраженную в их элементарном химическом составе, биомассе, энергии.

2. Биогенное вещество – это вещество, созданное живым веществом планеты. Оно возникло в результате разложения остатков организмов, но еще не полностью минерализовано (уголь, нефть, битумы, известняки). Горючие ископаемые являются мощным источником энергии (бывает необиогенные и палеобиогенные).

3. Косное вещество – это вещество образованное процессами, в котором живое вещество не принимало участи, например, продукты вулканизма и газы из недр Земли. Сюда же относится вещество космического происхождения.

4. Биокосное вещество – созданное одновременно живыми организмами и косными процессами. Это кора выветривания, почвы и природные воды.

5. Вещество в радиоактивном распаде – в его состав входят элементы, ядра атомов которых не стабильны: уран, радий, радон.

6. Рассеянные атомы – химические элементы концентрация в земной коре низка, и которые присутствуют как примеси в минералах и рудах (галлий, рубидий, таллий).

19. Понятие живого в-ва. Основные характеристики. Функции живого в-ва.

Живое вещество - совокупность всей массы организмов, населяющих нашу планету в тот или иной момент.

Живое вещество – это совокупность всех живых организмов, населяющих планету Земля, выраженную в их элементарном химическом составе, биомассе, энергии.

Роль живого вещества и биосферы в процессах выветривания и почвообразования непрерывно возрастает, т.к. количество возникающих в единицу времени организмов непрерывно растет. Возрастает и разнообразие форм организмов. Расширяются границы биосферы. Тесная взаимозависимость различных животных и растений и связанных с ними низших организмов приводит к тому, что минеральные соединения, выхваченные живым веществом из геологического круговорота, имеют тенденцию удерживаться в биологическом круговороте, что защищает их от выноса в мировой океан.

Наибольшая доля в составе живого вещества приходится на кислород (70) и водород (10,5) (около 80%). Остальная часть представлена большим числом элементов, среди которых содержание С=18%, N=0,3%, содержание S, Р, К измеряется величинами порядка 0,1- 1,0%, а содержание Fe, Na, Mg, A1 составляет 0,01-0,1%. Воды >50%.

Закон биогенной миграции атомов

Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом

Закон постоянства количества живого вещества

* Количество живого вещества в пределах геологического периода остается постоянным.

* Этот закон был сформулирован В.И. Вернадским как следствие закона внутреннего динамического равновесия биосферы.

* Поскольку ЖВ осуществляет роль энергетического посредника между Солнцем и Землей, то либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.

Особенности живого вещества:

* 1.Способны усваивать солнечную энергию и превращать ее.

* 2.Обладают свойством размножения.

* 3.Реакции идет с огромными скоростями, которые обеспечиваются работой ферментных систем.

Таким образом, многие свойства земной коры и почв находятся под прямым и косвенным влиянием биологического круговорота веществ. Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой, обусловлены живым веществом, как тем которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей человеческой истории.

В. И. Вернадский химические проявления живого вещества в биосфере разделил на 5 групп биогеохимических функций:

Основные 5 функций:

1. газовая функция- основные газы атмосферы Земли, азот и кислород биогенного происхождения, как и все подземные газы – продукт разложения отмершей органики.

1.1 Кислородно-углекислотная - создается подавляющая масса свободного кислорода на планете. Носителями этой функции являются хлорофилльные зеленые организмы. Выделение кислорода идет только при освещении зеленого вещества солнечными лучами.

1.2 Углекислотная (независимая от кислородной) - создается биогенная угольная кислота в результате дыхания животных, жизнедеятельности грибов, бактерий.

1.3 Озонная и перекисьводородная — генетически связана с жизнью, так как озон и, возможно, перекись водорода продукты жизни.

1.4 Азотная - свободный азот тропосферы создается живым веществом почвы.

1.5 Углеводородная - сотни и тысячи биогенных газов - углеводородов создаются живым веществом. Все запахи биосферы принадлежат к их числу.

1.6 Водная биогенный круговорот воды. Биогенный характер водной функции не вызывает сомнения. Состояние растительного покрова закономерно связано с влажностью воздуха, содержанием воды в почве и подпочве.

1.7 Сероводородная и сульфидная функции. Окислительно-восстановительная система сульфаты <-> сульфиды играет большую роль во всех почвах, особенно в условиях щелочной и нейтральной реакции среды.

2.Энергетическая (биохимическая) - связывание и запасание солнечной энергии в органическим веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов.

3.Концентрационная - «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Результат концентрационной деятельности живого вещества - образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.

1) Подвижные элементы, даже содержащиеся в малых концентрациях в окружающей среде, концентрируются в живых организмах в значительных количествах.

2) Малоподвижные вещества, содержащиеся в окружающей среде даже в высоких концентрациях, тем не менее в живых организмах не накапливаются.

3)С возрастанием порядкового номера элементов в группе периодической системы увеличивается ядовитость элемента.

4.Окислительно-восстановительная - окисление и восстановление различных веществ с участием живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, P, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода

5. Биогеохимическая деятельность человека – охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в т.ч. таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и другие, для хозяйственных и бытовых нужд человека.

6.Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) - сапрофитные грибы и бактерии.

7.Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов.

8.Средообразующая - преобразование физико-химических параметров среды. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры.

9.Рассеивающая - функция, противоположная концентрационной - рассеивание веществ в окружающей среде. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п.

10.Информационная - накопление живыми организмами определённой информации, закрепление её в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

20. Понятие круговорота в-в. Основные характеристики круговорота. Примеры круговоротов.

Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном поступлении (потоке) внешней энергии солнца и внутренней энергии Земли.

В зависимости от движущей силы внутри круговорота веществ можно выделить: геологический, биологический и антропогенные круговороты.

1. Геологический (большой круговорот веществ в природе) – круг-т в-в , движущей силой которого являются экзогенные и эндогенны геологические процессы.

* Протекает безучастия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.

* Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики) – происходят под влиянием внутренней энергии Земли. Это тектонические движения, землятресения, магматизм и метаморфизм.

* Экзогенные процессы – процессы внешней динамики, протекают под влиянием внешней энергии солнца. Они включают выветривание горных пород и минералов, удаление, перенос, отложение и накопление продутков разрушения с образованием осадочных пород.

* К экзогенным процессам относятся геологическая деят-ть атмосферы, гидросферы (рек, временных водотоков, подземных вод, морей и океанов, озер и болот, льда), а так же живых организмов и человека.

2. Биологический (Биогеохимический) – малый круговорот в-в в биосфере, движущей силой которого является деятельность живых организмов .

* В отличии от большого геологического малый биогеохимический круговорот в-в совершается в пределах биосферы.

В биогеохимических круговоротах стоит различать 2 части :

1. Резервный фонд – это огромная масса движущихся в-в не связанных с организмами.

2. Обменный фонд – значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным в-вом между организмами и их непосредственным окружением.

В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты можно разделить на 2 типа:

1. Круговороты газового типа с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, водорода и азота).

* Круговороты газового типа более совершенны, т.к. обладают большим обменным фондом, а значит, способны к быстрой саморегуляции.

2. Круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре ( Круговороты фосфора, кальция, железа).

* Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, т.к. основная масса в-ва содержится в резервном фонде земной коры в «недоступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться обратно в круг-т она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым в-вом. Однако извлечь нужные живым организмам в-ва из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.

Круговорот воды – гидрологический цикл. В этом цикле вода может находиться в трех состояниях. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и вместе с растворенными химическими соединениями уходит в моря и океаны. Циркуляция воды между океаном и сушей – важное звено в поддержании жизни на Земле.

«С» (углерод) – входит в состав разнообразных органических веществ, из которых состоит все живое. В процессе фотосинтеза зеленые растения используют углерод углекислого газа и водород воды для синтеза органических соединений, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. Им дышат животные, а их конечный продукт дыхания – углекислый газ – выделяется в атмосферу.

«N» (атмосферный азот) – включается в круговорот за счет деятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей. Часть азота фиксируется в результате образования оксидов во время электрических разрядов в атмосфере. Соединения азота из почвы поступают в растения и используются для построения белков. После отмирания живых организмов гнилостные бактерии разлагают органические остатки до NH3. Хемосинтезирующие бактерии превращают NH3 в HNO2, а затем в HNO3. Некоторое количество азота за счет денитрофицирующих бактерий поступают в воздух. Часть азота оседает в глубоководных отложениях и на длительный срок исключается из круговорота. Эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами. Высшие растения не способны усваивать азот из атмосферы. Бобовые растения фиксируют его с помощью бактерий-симбионтов (клубеньковых бактерий). Фиксируют азот и лишайники, с помощью сине-зеленых водорослей.

«S» (сера) – входит в состав ряда аминокислот. Находящиеся в почве соединения серы с металлами – сульфиды – переводятся микроорганизмами в доступную форму – сульфаты, которые поглощаются растениями. С помощью специальных бактерий осуществляются реакции окисления и восстановления. Сульфаты восстанавливаются до сероводорода, который поднимается вверх и окисляется аэробными бактериями до сульфатов. Разложение трупов животных и растений обеспечивает возврат серы в круговорот.