Круговорот элементов в биосфере

Группам 1910, 1911

Задание по экологии

Тема Биосфера

1.Составить краткий конспект по теме (лекция прилагается)

2.Ответить на вопросы после лекции (письменно)

3.Контроль знаний. Пройти тест (ответы на задания)

4. Задание выполнить к следующему уроку 21 апреля

5. Задания отправлять на электронную почту swet.terentieva63@yandex.ru

 

Теоретический материал для самостоятельного изучения:

БИОСФЕРА.

УЧЕНИЕ В.И. ВЕРНАДСКОГОО БИОСФЕРЕ И НООСФЕРЕ

КРУГОВОРОТ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОСФЕРЕ

1. Общие сведения о биосфере Учение В.И.Вернадского о биосфере.

2. Круговорот основных элементов в биосфере.

3. Г глобальные проблемы биосферы

Самой большой экосистемой является биосфера Земли — оболочка планеты, заселенная живыми организмами. Сведения о толщине биосферы различны. Ноодно сравнение верно, что биосфера по сравнению с диаметром Земли подобна кожице на большом яблоке.

Над поверхностью моря (или суши.) живые организмы распространены примерно на высоте до 6 км, в толщу суши они опускаются на 15 км и на 11 км в глубь океана; следовательно, общая толщина биосферы составляет около 20 км (рис. 16).

Биосфера включает литосферу, в том числе почву, гидросферу (реки, озера, моря, океаны) и тропосферу (нижняя часть атмосферы). Но жизнь в этих слоях биосферы распределена неравномерно; основная масса живого вещества сосредоточена в поверхностном слое суши (50—100 м) — это высота лесного полога, а в океане поверхностные слои воды (10—20 м). В этих слоях скон­центрировано больше 90% биомассы растений и животных

Вся совокупность живых организмов планеты составляет биомассу Земли. Она равна 2423 х 10⁹ т сухой массы, из которой 97% составляют растения, а 3% — животные и микроорганизмы. Плотность жизни неодинакова в различных средах и на поверхности Земли. Хотя 71% всей поверхности земного шара покрыт водой, основная биомасса сосредоточена на суше — 99,8%.

Биосфера — многокомпонентная система, состоящая из отдельных структур. Эта система считается открытой так как получает энергию Солнца извне. Структурным звеном биосферы являются биогеоценозы.

Учение о биосфере как особой оболочке Земли создал русский ученый В.И. Вернадский, В.И. Вернадский еще в молодости заинтересовался вопросом о влиянии организмов живой природы на eе мертвую, или, как он называл позднее, «косную» материю. Свою статью по почвоведению, написанную им в 1884 году в бытность студентом и участником почвенных экспедиций В.В. Докучаева, он посвятил описанию влияния сурков, сусликов и других землероющих животных на мощность, строение и состав почвенного покрова.

До середины 30-х годов В.И. Вернадский считал все компоненты биосферы, в частности количество живого вещества в ней, постоянными на протяжении всей геологической истории Земли. Деятельность человека он рассматривал как чуждую биосфере, наложенную на нее извне. Однако с середины 30-х годов В.И. Вернадский пересмотрел эту точку зрения, признал качественную и

 

количественную эволюцию биосферы и стал намечать основные этапы такой эволюции.

С этого времени он и вмешательство человека в дела природы стал рассматривать как исторически обусловленный, качественно новый этап развития биосферы. При этом он был уверен, что расхищение природных ресурсов, характерное для ранних стадий развития капиталистического общества, явление временное, связанное с недостатком знаний и низким культурным уровнем населения.

В.И. Вернадский считал, что при разумном отношении к антропогенному преобразованию природной среды суммарные ресурсы биосферы могут возрас­тать быстрее, чем возрастает численность человечества, и что такая разумно преобразованная биосфера сможет удовлетворить материальные и духовные потребности человечества.

Впервые термин ноосфера был предложен в 30-е годы французскими философами и естествоиспытателями (Тейяр де Шарден, Ле-Руа). В буквальном смысле термин означает «сфера разума» (ноос – разум).

Ноосфера – это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. Научная мысль и деятельность человека изменили структуру биосферы, обусловили физические и химические изменения всех ее оболочек (атмосферы, литосферы, гидросферы).

Понятие «ноосфера» наполнил смыслом и развил Вернадский, в частности, в 1944 г. в статье «несколько слов о ноосфере», опубликованной перед его смертью, ученый приводит свои мысли о дальнейшем развитии биосферы и ее переходе в новое качество – ноосферу. Вернадский подчеркивал особую роль живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы. Среди всех живых существ он выделил человека как мощную геологическую силу, способную оказывать влияние на ход различных процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве. Человек способен перестраивать эту среду согласно своим представлениям и потребностям (благодаря человеческому труду, интеллекту).

Все вещество В.И. Вернадский поделил на группы: живое вещество — все живые организмы, населяющие нашу планету;

косное вещество — неживые тела, образованные без участия живых организмов;

биогенное вещество — тела, образованные при участии живых организмов;

биокосное вещество — особое природное тело — почва.

Функции живого вещества:

1. Газовая -  поглощает и выделяет газы в процессе дыхания и фотосинтеза.

2. Окислительно-восстановительная — выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов. В процессе синтеза органических веществ преобладают восстановительные реакции и происходят затраты энергии. В процессе расщепления преобладают окислительные реакции и выделяется энергия.

3. Концентрационная — это биогенная миграция атомов, которые сначала концентрируются в живых организмах, а затем, после их отмирания, переходят вновь в неживую природу. Следствием является накопление полезных ископаемых в определенных местах земной коры (известняк, торф, каменный уголь, нефть).

4. Геохимическая — создает и поддерживает компоненты биосферы.

5 .Энергетическая заключается в процессе превращения солнечной энергии при фотосинтезе в энергию химических связей, которая затем передается по пищевым цепям.

6.Деструктивная заключается в минерализации мертвой органики, биохимическом разрушении горных пород, вовлечении составляющих их минералов в биотический круговорот. Способствует трансформации живого вещества в косное, а также образованию биогенного и биокосного вещества..

7.Средообразующая состоит в преобразовании физико-химических аспектов неорганической среды в благоприятном направлении для существования организмов.

8. Транспортная определяет миграцию вещества против силы тяжести и его горизонтальные перемещения

9. Информационная роль живого вещества подразумевает явление сохранения и передачи определенных наборов знаний и признаков по наследству..

В.И. Вернадский доказал, что за 4 млрд. лет существования на планете Земля живые организмы вызвали огромные преобразования, полностью изменив облик нашей планеты: сделали ее зеленой, создали огромные запасы топлива — нефти, каменного угля, торфа; в морях образовали коралловые рифы и целые острова; создали голубую пелену нашей планеты, т. е. слой воздуха, в котором велика доля кислорода.

Под влиянием и при участии жизнедеятельности организмов в биосфере происходит круговорот воды, кислорода, углерода, азота и других веществ. Такой обмен элементами различных слоев биосферы обеспечивает возможность жизни в ней живых существ.

Рассмотрим некоторые циклы элементов.

Цикл углерода. Углерод (С) — основа всех opraнических соединений (рис. 17). В атмосфере постоянно происходит обмен СО₂, поглощение его растениями при фотосинтезе и выделение всеми организмами придыхании. Кроме того, углерод поступает в атмосферу из детрита’ торфа, сапропеля, что является результатом деятельности микроорганизмов на болотах. Углерод в виде С0₂ поступает в атмосферу также при сжигании топлива (каменного угля, нефти, газа) или при извержении вулканов — это приводит к повышению содержания СО₂ в атмосфере.

Рис. 17. Схема круговорота углерода в биосфере

 

Пока еще наши леса справляются с поглощением этого дополнительного диоксида углерода в атмосфере, тем более что часть его поглощается и поверхностью океана, где обитает фитопланктон (зеленые водоросли).

Но если площадь лесов будет сокращаться, а океан загрязняться, возникнет проблема парникового эффекта, когда в результате избытка СО₂ и других газов, загрязняющих атмосферу, наша планета будет как бы покрыта пленкой (как в парнике). Такое «пленочное» покрытие пропускает к Земле солнечные лучи, но задерживает обратное тепловое (инфракрасное) излучение земной поверхности. В результате произойдет повышение температуры и потепление климата, может начаться таяние льдов Арктики и Антарктики, горных ледников.

По оценкам ученых, за последние 100 лет температура планеты возросла на 0,6°С, а к 2100 году должно произойти повышение температуры на 1,5—5,8°С. Уровень Мирового океана может повыситься на 84—117 см к 2050 году и на 156—345 см к 2100 году из-за таяния полярных льдов. При повышении уровня океана будут затоплены такие города, как Нью-Йорк. Лондон, Санкт-Петербург, Амстердам, Шанхай, Токио, Венеция и другие густонаселенные территории, где проживает 30—50% населения Земли. С лица Земли могут исчезнуть целые го­сударства — Бангладеш, Нидерланды.

С ростом температуры возрастет и количество осадков. Ливни затопят тропики. Засушливые зоны сдвинутся на север. Площадь пустынь увеличится. Урожаи резко сократятся, что может привести к голоду.

Такие нежелательные последствия может вызвать вмешательство человека в естественный цикл углерода в биосфере.

Цикл кислорода. Кислород выделяют растения в результате фотосинтеза, а поглощают его все живые организмы при дыхании (рис. 18). До появления цивилизации эти процессы находились в равновесии. Сейчас происходит  дополнительное расходование кислорода при сжигании горючего в автомобилях, двигателях самолетов, котлах электростанций. При уменьшении площади леса равновесие в цикле О₂ может резко нарушиться.

 

 

Рис. 18. Схема круговорота кислорода в биосфере 

 

Цикл азота. Азот — один из важнейших биогенных элементов, составная часть белков, наряду с углеродом (рис. 19). В основном атмосфера состоит из азота (70%), но это инертный газ, который недоступен большинству организмов.

Превращение азота в доступные растениям формы происходит при грозовых разрядах. Его усваивают также микроорганизмы-азотфиксаторы (клубеньковые бактерии) В атмосферу азот из разложившихся белков поступает при участии микроорганизмов-денитрификаторов, которые обитают в почве. При распашке земель резко (в пять раз) уменьшается активность фиксации азота микроорганизмами, и активизируются денитрифицирующие микроорганизмы — в результате уменьшается содержание азота в почве, что снижает ее плодородие.

 

 

 

 

Рис. 19. Схема круговорота азота в биосфере

 

Цикл фосфора. Фосфор содержится в горных породах и попадает в экосистемы при разрушении горных пород либо при внесении на поля фосфорных удобрений (рис. 20). Растения поглощают соединения фосфора из почвы, от растений по пищевым цепям фосфор поступает к животным и накапливается в их тканях. Перерабатывая мертвые ткани растений и животных в детритных цепях, микроорганизмы возвращают фосфор в почвенный раствор. Однако часть фосфора вымывается из почвы и по ручьям и рекам поступает на дно морей и океанов.

Из этих хранилищ фосфор почти никуда не тратится, лишь небольшую его часть выносят на сушу птицы’ питающиеся рыбами. В океаны ежедневно вымывается 14 млн. т фосфора, а с рыбой через птиц возвращается 0,1 млн. т, т. е., в отличие от замкнутых циклов воды, углерода и кислорода, цикл фосфора — открытый. С суши фосфор постоянно выносится в океан. Запасы фосфора в горных породах истощаются, возникает проблема его дефицита. Решение этой проблемы лежит в экономном внесении удобрений.

 

Рис. 20. Схема круговорота фосфора в биосфере

Итак, мы рассмотрели важнейшие циклы некоторых веществ, необходимых для построения живого компонента биосферы. Живые организмы способны накапливать многие элементы и сложные вещества, повышая их концентрацию в тысячи раз.

Если вмешательство человека в биосферу незначительно, то сохраняется природное равновесие экосистем. Однако усиливающееся влияние человека на природу {вырубка лесов, которые выделяют кислород и испаряют много воды, сжигание большого количества топлива, содержащего углерод, уменьшение испарения с поверхности океана из-за пленки нефти, которая покрывает все большие площади океана, и т. д.) приводит к нарушению равновесия и глобальному ухудшению состояния биосферы.