Тема 4. 2. Биосфера как глобальная экосистема
 Скачать 35.94 Kb.
|
|
Тема 2. Биосфера – как глобальная экосистема 1. Биосфера, ее строение, структура и функциональная целостность. Термин «биосфера» впервые применил Э. Зюсс, понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, а позднее введен Ламарком. Биосфера (сфера жизни) – тонкий, внешний слой Земли, где взаимодействуют между собой атмо-, лито-, гидросферы и обитающие в них живые организмы, в том числе и человечество со своей инфраструктурой, образуя единую, функционально целостную глобальную экосистему.Как глобальная экосистема, биосфера состоит из абиотической (атмосферный воздух, водная среда, почвы и подстилающие ее породы) и биотической (все живые организмы) части. Границы биосферы. Биосфера занимает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние слои литосферы (рис. 1.1.). Атмосфера – сплошная воздушная оболочка Земли, состоящая из смеси газов (N2, O2, CO2 и др.), паров воды и пыли. Жизнь сосредоточена в тропосфере (0-16 км), верхняя граница жизни определяется озоновым слоем с максимальной концентрацией озона (О3) на высоте 20-25 км. Функционирование живых организмов только в атмосфере невозможно, обязательно существует их непосредственная связь с литосферой и гидросферой. Крупные древесные растения достигают нескольких десятков метров в высоту, на сотни метров поднимаются вверх летающие животные, восходящими воздушными потоками пассивно заносятся на десятки километров вверх бактерии, споры растений, грибов, семена. Однако, все перечисленные организмы лишь временно находятся в атмосфере. Нет организмов, постоянно живущих в воздухе. Гидросфера – водная оболочка Земли, где зародилась первая жизнь (первичная биосфера), и в которую входят воды океанов, морей, континентальных водоемов, ледяных покровов. Жизнь проникает на всю глубину Мирового океана – около 12 км. Основная масса видов обитает в гидросфере в пределах 150-200 м от поверхности, что связано с глубиной проникновения света. А, следовательно, в более низких горизонтах невозможно существование многих видов растений и животных. Литосфера –верхняя твердая оболочка Земли, которая включает земную кору и твердый слой мантии. Распространение жизни в ней ограниченно и резко уменьшается с глубиной. Подавляющее количество видов сосредоточено в верхнем слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиметров. Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров или десятков метров (роющие животные – кроты, черви; бактерии; корни растений). Жизнь в литосфере опускается на глубину 3,5-4 км (бактерии в нефтяных месторождениях). Граница жизни в литосфере определяется температурой земных недр. В среднем температурный прирост составляет около 3 °С на каждые 100 м. Именно поэтому нижней границей распространения жизни в литосфере считают трехкилометровую глубину, где температура достигает около +100 °С. Распределение жизни в биосфере отличается большой неравномерностью (рис. 1.1). Она слабо развита в пустыне, тундре, на глубине океана, высоко в горах, тогда как в других местах крайне разнообразна. Наиболее распространена жизнь там, где все три среды – почва, вода и воздух – близко контактируют между собой.  Рис. 1. Распространение жизни в биосфере Функции геосфер: атмосфера и гидросфера обеспечивают все важнейшие жизненные процессы у живых организмов, литосфера обеспечивает эти процессы минеральными ресурсами. Главным источником энергии биосферы является Солнце, а также внутренний разогрев недр. Современное представление о биосфере разработал В.И. Вернадский и изложил в труде «Учение о биосфере» (1926 г.), которое служит сейчас научной основой для рационального хозяйствования и решения экологических проблем. Основные положения «Учения о биосфере»: а) понятие о «живом веществе» как функции биосферы, которое представляет самую мощную геологическую силу в преобразовании внешней оболочки земли, в формировании внешнего облика планеты; б) живое вещество – компонент, связывающий воедино внешние оболочки Земли через круговорот вещества в природе; в) основа существования биосферы – постоянное взаимодействие живого и косного вещества, постоянная взаимная приспособляемость живых организмов и среды их обитания; г) учение о биогеохимических циклах – жизнедеятельность организма приводит в движение все химические элементы по замкнутым биологическим циклам Биосфера (по Вернадскому В.И.) – внешняя оболочка Земли. содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть минеральные вещества планеты, которая находится в непрерывном взаимодействии с этими организмами. Типы веществ биосферы: 1. Живое вещество – совокупность всех живых организмов на земле. 2. Косное вещество – неорганические тела, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (вода, магматические и метаморфические породы, метеориты и т.д.). 3. Биокосное вещество – тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (почва, кора выветривания, илы и т.д.). 4. Биогенное вещество – создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, сланцы, известняки и т.д.). 5. Радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элементов (уран, торий, радий, радон и др.). 6. Атомы веществ, рассеянных в природе – отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (Мо, Со, Zn, Cu, Ag и др.). 7. Вещество космического происхождения – вещество, поступающее на Землю из космоса (метеориты, космическая пыль). В основе взаимодействия живого и косного вещества лежат процессы обмена веществом, энергии и информацией. В результате неорганические вещества переходят в живое; живое вещество, умирая и разлагаясь, вновь переходит в неорганическое (косное, минеральное). 2. Живое вещество биосферы. Химический состав живого вещества (по преобладанию): 1-я группа: О2-70%, С – 18%, Н – 10,5% ∑ ≈ 98,5%. Это основной строительный материал; 2-я группа: N, P, S, Na, K, Mg, Ca, Si, Fe, Al, Cl ∑ ≈ 1,5%. Выполняют выполняют различные биологические функции. N и S являются частью белков, ДНК, РНК. Ca и Si входят в состав скелетов, защитных покровов. Р выполняет роль переносчика и аккумулятора энергии (АТФ – аденозинтрифосфатная кислота); 3-я группа: все остальные микроэлементы (Mn, Co, Cu, Zn. J и т.д.). Обнаружены практически все элементы таблицы Менделеева. ∑≈ 0,01 %. Эти элементы служат ферментами-катализаторами биохимических реакций, участвуют в синтезе и разложении органического вещества. Биогенные элементы – химические элементы, которые постоянно присутствуют в составе организмов в значительных количествах (О2, Н2, С, N2, Р, S в ∑ 99%). Химический состав живого вещества подтверждает единство природы - оно состоит из тех же химических элементов, что и неорганическая среда, т.е. его родство с неорганическими компонентами биосферы. Основу всего вещества (живого и косного) биосферы слагают 4-12 одних и тех же элементов. Рис. 2. Химический состав живого вещества, литосферы, гидросферы и Земли в целом При всем разнообразии живых организмов на планете химический состав их одинаков. При этом живые организмы строятся из одних и тех же структурных единиц: углеводы (С6Н12О6), липиды (жиры), белки (аминокислоты), нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК). Закон В.И. Вернадского: физико-химически живое вещество едино. Этот закон показывает, что что-то являясь вредным для одного организма, вредит и другому организму. Разность состоит лишь в стойкости видов к действию того ли иного воздействия. Следствие из закона: при всем разнообразии живых организмов они настолько сходны физико-химически, что, если что-то вредное для одних организмов, то оно не может быть абсолютно безвредным для других организмов. Основные свойства живого вещества. 1.Способность быстро осваивать все свободное пространство. В.И. Вернадский назвал это всеюдностью жизни, а по Н.Ф. Реймерсу – давление жизни. 2. Живое вещество обладает активным и пассивным движением (например, против ветра, против силы тяжести). 3.Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговорот веществ). 4. Высокая приспособляемость (адаптация) к различным условиям среды. 5. Феноменально высокая скорость размножения. 6. Высокая скорость обновления живого вещества в биосфере. Так, в среднем живое вещество биосферы обновляется за 8 лет: на суше - 14 лет, в океане - 33 дня (за счет одноклеточных водорослей, планктона). Эти свойства делают живое вещество физико-химически чрезвычайно активным. Отличительные особенности живого вещества как материи: дискретность, иерархичность, раздражимость, изменчивость, самовоспроизводство и главное – способ использования энергии солнца. Основные функции живого вещества в биосфере. 1. Энергетическая – связывание (фотосинтез) и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последующее рассеяние ее при потреблении и минерализации органического вещества. Живое вещество – единственное вещество, которое не только тратит энергию солнца, но и связывает ее и запасает. Косные тела только рассеивают ее, они не могут сойти с места, увеличить свою массу, создать себе подобных. Группа средообразующих функции: 2. Газовая – изменение и поддержание определенного газового состава среды обитания живых организмов. 3. Окислительно-восстановительная – окисление и восстановление различных веществ с помощью живых организмов, чем регулируют кислородный режим и условия, благоприятные для растворении и осаждения ряда металлов с переменной валентность (V, Mn, Fe). 4. Концентрационная – извлечение и накопление живыми организмами биогенных элементов окружающей среды. Концентрация этих элементов в телах живых организмов во много раз выше чем во внешней среде. 5. Деструктивная – превращение живого вещества в косное. 6. Биохимическая – рост, размножение и перемещение живых организмов в пространстве. Выполняя эти функции, живые организмы контролируют свою среду обитания и поддерживают ее в необходимом для себя состоянии. 7. Биогеохимическая – превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности, играет особую роль. Выполнение этих функций живым веществом создает биогенную миграцию химических элементов в биосфере. Биогенная миграция – это перемещение атомов химических элементов между всеми компонентами биосферы, вызываемая жизнедеятельностью живого вещества. В обобщающем виде роль живого вещества сформулирована геохимиком А. Н. Перельманом в виде «Закона биогенной миграции атомов» (В. И. Вернадского): «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...» Благодаря биогенной миграции живое вещество совершает геохимическую работу планетарного масштаба – формирует внешний облик Земли. В результате образуется непрерывный естественный круговорот питательных веществ, биотический круговорот (связан с питанием, дыханием, размножением, гибелью и разложением). В конечном счете геохимическая работа живого вещества определила состав современной гидро- и атмосферы, возникла почва, нефть, уголь, газ, многие осадочные породы (известняк, мел и др.), осадочные месторождения S, Fe, Mn, P и др. Таким образом, биосфера – это сложная динамичная система, осуществляющая улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена ею между живым веществом и окружающей средой. В естественных условиях все биосферные процессы (продукционно-деструкционный, прохождение вещества и энергии в системе и др.) уравновешены, сбалансированы и саморегулируются, обеспечивая тем самым гомеостаз системы. Главным механизмом саморегуляции всех биосферных процессов является деятельность биоты и, прежде всего, сбалансированность количества создаваемого и регулируемого биотой органического вещества, т.е. продукционно-деструкционного процесса. 3. Кругооборот веществ в биосфере. Важнейшей функцией живого вещества является перераспределение и превращение вещества между компонентами биосферы, которое идет в биосфере по определенным путям, переходя из внешней среды в организмы, а затем возвращаясь обратно во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называют биогеохимическими циклами (или круговоротами веществ в природе). Круговорот веществ – это непрерывное превращение и перемещение вещества биосферы в виде замкнутых циклов. Выделяют 2 основных кругооборота: большой (или геологический) и малый (биотический или биогеохимический). Большой (геологический) круговорот – планетарный процесс, происходит под действием абиотических факторов (геологические, климатические, гидрографические, гравитация и др.), участвует твердое минеральное вещество и вода. Круговорот охватывает верхние и в определенной мере благодаря, процессам спрединга и субдукции, глубинные (мантия) оболочки Земли; осуществляется за период десятки – сотни млн. и более лет. Схематический цикл большого круговорота показан на рис. 3. Большой круговорот элементов слагается из процессов: континентального выветривания горных пород, в результате которого образуются подвижные соединения; переноса этих соединений с континентов в моря и океаны; отложения на дне морей и океанов с последующим метаморфизмом (процесс твердофазного минерального и структурного изменения горных пород под воздействием температуры и давления в присутствии флюида.); нового выхода морских осадочных и метаморфических пород на дневную поверхность. Рис. 3. Схема большого (геологического) круговорота Схема: разрушении (выветривание)→ снос в Мировой океан→ осаждение→ диагенез(магма)→ тектонический подъем на дневную поверхность→ разрушение. Осуществляется за период десятки – сотни млн. и более лет. В отличие от большого, малый круговорот веществ совершается только в пределах биосферы. Здесь происходит постоянный круговорот веществ, которые являются питательными для организмов: питательные вещества из абиотических переходят в биотические компоненты под действием энергии солнца, затем возвращаются в виде отходов жизнедеятельности или мертвых организмов. Малый (биотический, биогеохимический) круговорот – составная часть большого геологического круговорота, связан он с жизнедеятельностью живых организмов (рис. 4). Главное звено – фотосинтез. Суть этого круговорота – обмен химическими элементами между живыми организмами и средой их обитания в пределах экосистемы. Химические элементы и их соединения извлекаются живыми организмами из неорганической среды, проходят через тела этих организмов в виде органических соединений и после их гибели вновь возвращаются в неорганическую среду как растворимые минеральные соединения. Химические элементы проходят определенный цикл: неорганическая среда → органические соединения организмов→ гибель организма→ разрушение мертвых органических соединении → неорганическая среда. Рис. 4. Схема малого (биотического) круговорота Биогеохимический круговорот проходит в границах биосферы, и проходит быстро – за сотни и тысячи лет. Пример, СО2 обновляется за 300 лет, О2 – за 2000 лет. В биосфере круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов, можно разделить на две составляющие. Запасы биогенных веществ, мало доступные для живых организмов и поэтому медленно вовлекающиеся в биологический круговорот, составляют резервный фонд того или иного химического элемента в биосфере (например, кальция в карбонатных породах). Другая часть, интенсивно циркулирующая между телами организмов и окружающей средой, называется подвижным, или обменным, фондом. Обменный фонд – это меньшая часть вещества, но более подвижная; резервный фонд – это большая абиотическая, медленно движущаяся часть вещества. Выделяют 3 основных биогеохимических цикла: 1. Биогеохимический цикл Н2О. 2. Биогеохимические циклы газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (О2, С, N2). 3. Биологические циклы элементов осадочной фазы с резервным фондом в литосфере (Са, Р, S, Fe и др.). В биогеохимических циклах участвуют различные элементы, среди которых углерод, водород, кислород и азот, используются организмами в наибольших количествах. В естественных условиях биогеохимический циклы этих элементов практически всегда имеют замкнутый характер. Человек посредством своей деятельности способствует возникновению дисбаланса веществ (избытки или дефицит), круговорот начинает деформироваться, терять цикличность (иначе говоря, процессы становятся несовершенными). Примером может являться биогеохимический цикл углерода (рис. 5) Рис. 5. Круговорот СО2 В атмосфере углерод содержится в виде углекислого газа (СО2), угарного газа (СО), метана (СH4) и некоторых других углеводородов. Основным источником СО2 является вулканическая деятельность. Метан поступает в атмосферу, содержащей большое количество кислорода, в результате анаэробного разложения растительных остатков. В океане углерода в 100 раз больше, чем в атмосфере. Океан через поверхность может обмениваться углекислым газом с атмосферой. Растворенный в океане углерод существует в трех основных формах: - неорганический углерод (растворённый CO2, HCO3−, CO32−) - органический углерод, сосредоточенный в океанических организмах. Содержание углерода в земной коре составляет порядка 0,27 %. Связывание углекислого газа происходит двумя путями. Первый состоит в его поглощении растениями в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующим отложением их в виде торфа, угля, горючих сланцев. Второй путь состоит в том, что углекислый газ растворяется в водоемах, переходя в карбонат-ионы и гидрокарбонат-ионы. Затем с помощью кальция или магния происходит осаждение карбонатов на дно водоемов в виде известняков. Запасы углекислого газа в атмосфере постоянно пополняются благодаря дыханию организмов, процессам разложения органических остатков, а также от сжигания топлива и выбросов промышленности. Различают быстрый и медленный углеродный цикл. Медленный поток углеродного цикла связан с захоронением углерода в горных породах и может продолжаться сотни миллионов лет. Продолжительность быстрого углеродного цикла определяется продолжительностью жизни организма. За последние сто лет содержание СО2 постоянно увеличивается за счет антропогенных загрязнений среды, связанных с развитием сельского хозяйства, промышленности, интенсивного сжигания горючих ископаемых, сведения лесов и т.д. В настоящее время, сжигая ископаемое топливо, человек высвобождает и отправляет в атмосферу такое дополнительное количество СО2, которое не может компенсироваться фотосинтезом. Результат возрастание доли СО2 в атмосфере → нарушение баланса→ «парниковый эффект». |