Лекция №3 косное вещество

1. Состав, строение и границы биосферы.

2. Живое вещество биосферы.

3. Круговорот веществ в природе.

4. Биогеохимические циклы фосфора, кислорода, азота, углерода.

СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И ГРАНИЦЫ БИОСФЕРЫ

Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым существом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию

В состав биосферы входит:

биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов: каменный уголь, газ, нефть, битумы);

биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами: почвы, кора выветривания и все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на земле живого существа);

косное вещество – совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых, живые организмы не участвуют (горные породы, магматического и неорганического происхождения, вода, метеориты);

Следовательно, биосфера это та область земли, которая была охвачена влиянием живого вещества с современным названием биосфера. С современной позиции биосферу рассматривают, как наиболее крупную глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.

Современная жизнь распространяется в верхней части земной коры (литосфере), нижних слоях воздушной оболочки земли (атмосфере) и водяной (гидросфере).

В литосфере жизнь ограничена. Наибольшая глубина, на которой были обнаружены живые организмы (бактерии) составляет около 4 км. В океане жизнь распространяется на 10-11 км от поверхности, а верхняя граница жизни в атмосфере определятся уровнем озонового слоя (где-то на высоте 25-30 км) если живые организмы поднимутся выше защитного слоя озона, то погибнут. На суше более 99% живого вещества или биомассы сосредоточенны в слое на несколько 10-ов метров вглубь и на несколько метров вверх от поверхности. Допустимая доза излучения 0,15 бэр/год.

А 1 бэр – количество энергии любого излучения поглощенного биологической тканью, биологическое действие которого эквивалентно 1 рад рентгеновского излучения.

Бактерии обнаружены в водах ядерных реакторов и некоторые из них выдерживают облучении в несколько (2-3) млн. рад.

Температурный интервал распространения живых организмов -273°С до +180°С, давление 10^{-13 (-11)} (вакуумный) до 1000 и более атмосфер.

Вывод: выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды намного шире диапазона тех условий, которые существуют в границах современной биосферы.

ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО БИОСФЕРЫ

Химический состав живых организмов во многом отличается от состава атмосферы и литосферы. Он ближе к химическому составу гидросферы по абсолютному преобладанию атомов водорода и кислорода. Но в отличие от гидросферы велика доля углерода, кальция и азота.

Живое вещество состоит из элементов являющихся водными и воздушными мигрантами, т. е. образующих газообразные и растворимые соединения. 99,9% массы живых организмов приходятся на те элементы, которые преобладают и в земной коре, составляя в них 98,8% их массы, но в других соотношениях, т. е. жизнь есть химическая производная земной коры. В организмах обнаружены все элементы таблицы Менделеева, т. е. они характеризуются те ми же химическими элементами, что и неживая природа. Элементы, содержащиеся в организмах по количественному признаку и функциональному критерию, т.е. в зависимости от количественного содержания и функциональной значимости делят на 3 группы:

1. макроэлементы

2. микроэлементы

3. ультрамикроэлементы

Макроэлементы составляют основную массу органических и неорганических живых организмов. Они требуются организмам постоянно и в большом количестве для осуществления жизнедеятельности цикла, концентрация их меняется от 60 до 0,001% массы тела.

Это О2, Н2, С, N, P, K,S и другие

Микроэлементы преимущественно ионы тяжелых металлов, являющихся компонентами ферментов, гормонов и др. Они нужны в меньших количествах от 0,001 до 0,00001% тела (Mn, B, Zn, AL, и т.д.)

Содержание ультромикроэлементов (уран, золото, радий, бериллий, силен, цезий) не превышает 0,00001% массы тела.

Физиологическая роль их в животных и растениях до сегодняшнего дня не выяснена.

Главной отличительной особенностью живого существа является способ использования энергии.

Живые существа уникальные природные объекты, могущие улавливать энергию, которая приходит из космоса в виде солнечного света, удерживать ее в виде органических соединений (биомассы), передавать ее, трансформировать в механическую энергию и другие виды энергии.

Другая способность – способность к самовоспроизведению, т.е. производству на протяжении многих поколений форм почти идентичных по структуре и функционированию.

Живое характеризуется исключительно высокой функциональной активностью. Она связана с его способностью к неограниченному развитию и количественному росту, который Вернадский назвал «напором жизни».

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ.

Биосфера земли характерезуется определенным образом сложившимся круговоротом веществ и круговоротом энергии.

Круговорот веществ это многократное участие веществ в процессах, протекающих в аква лито и биосферах. В зависимости от движущийся силы в круговороте веществ можно выделить:

1) Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики происходят под влиянием внутренней энергии земли), это энергия выделяется в результате радиоактивного распада, химических реакций, образовании минералов, кристаллизации горных пород.

2) Экзогенные процессы протекают под влиянием энергии солнца, они включают выветривание горных пород и минералов, удаления пород переноса их с одного места на другое, отложение продуктов разрушенных пород. К ним относятся также геологическая деятельность в атмосфере, гидросфере (рек, озер). Крупные формы (горы, равнины) образуются за счет эндогенных продуктов. А мелкие (холмы) образуются за счет экзогенных процессов. Эндогенные процессы ведут к образованию крупных форм рельефа, а экзогенные к их сглаживанию. Основных круговоротов веществ в природе два:

1. Большой (геологический).

2. Малый биологический(биогеохимический).

Большой круговорот веществ в природе(геологический) он обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубиной энергии земли, и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами земли. Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород в подвижных зонах земной коры вновь погружается в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму (источник магматических парод). После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания, вновь происходит превращения их в новые осадочные породы. Символом круговорота веществ является спираль, то есть круговорот это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а привносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Большой круговорот, это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу.

Малый круговорот веществ в биосфере биогеохимический. Он существует лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза, и превращение органические вещества при разложении вновь в неорганические соединения.

Главным источником энергии этого круговорота является солнечная энергия, которая является катализатором фотосинтеза. В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется посредством трофических цепей. Но в масштабах всей биосферы такой круговорот не возможен, здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро и микроэлементов и простых неорганических соединений с веществами гидро и литосферы. Это называться биогеохимическими циклами. Суть цикла: химические элементы поглощают микро организмы в последствии они (хим. элементы) покидают микроорганизмы, уходя в абиотическую среду, затем через какое-то время снова попадают в живой организм. Такие элементы называются биофильные. Этими циклами и круговоротом в целом, обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

Вернадский выделяет 5-ть таких функций:

1)газовая –благодаря ей, происходит миграция газов и их превращения, формируется газовый состав биосферы. Все газы земли биотического происхождения, а все подземные газы продукт разложения отмершей органики.

2) концентрационная, она проявляется в извлечении и поглощении живым организмом, биогенных элементов из окружающей среды, которые используют их для построения своего тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни тысяч раз выше, чем во внешней среде. Среди этих элементов на первом месте С, а среди металлов первый Са.

3)Окислительно-восстановительная, заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (Fe, Mn, S). В результате происходит изменение большинства химических соединений, при этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

4) биохимическая - размножение и рост в пространстве живого вещества.

5) биогеохимическая деятельность человека охватывает все возрастающее количество веществ земной коры (уголь, нефть, газ) все это используется для хоз. нужд человека. В биогеохимическом круговороте следует различать 2-а среза:

1)резервный фонд, это огромная масса движущихся веществ не связанных с организмом.

2)обменный фонд, который обусловлен обменом общим биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать биосферу в общем, в ней можно выделить: круговорот газообразных веществ с резервным фондом (океан и атмосфера) и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (геологический круговорот).

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ФОСФОРА, КИСЛОРОДА, СЕРЫ, АЗОТА, УГЛЕРОДА

Биогеохимические циклы фосфора, кислорода, серы, азота, углерода наиболее совершенны. В круговороте углерода прослеживается трофическая цепь (углерод воздуха – продуценты – консументы – редуценты – углерод воздуха).

В мировом океане трофическая цепь:

-продуценты (фитопланктон);

-консументы (зоопланктон, рыбы);

-редуценты (микроорганизмы);

осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, уходит в осадочные породы и участвует в геологическом круговороте вещества.

Вмешательство человека приводит к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере(парниковый эффект).

Скорость круговорота кислорода 2000 лет. Процесс круговорота кислорода в биосфере очень сложен т.к. (кислород) содержится во многих химических соединениях, и подчитано, что в биосфере на промышленные нужды расходуется 25% кислорода. Он восстанавливается в процессе фотосинтеза. В XXI веке весь продуцированный кислород будет сгорать в топках.

Биогеохимический круговорот азота охватывает все области Биосферы. Поглощение его растениями ограниченного. Редуценты (почвенные бактерии) постепенно разлагают отмершие организмы и превращают их в соли (нитраты и нитриты, соли аммония). Часть нитратов попадает в подземные воды и загрязняют их. Азот возвращается в атмосферу со вновь выделенными при гниении газами. Роль бактерий такова, что если будет уничтожено только 12 их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится.

Биогеохимические циклы фосфора и серы менее совершенны, т. к. основная их масса содержится в резервном фонде Земли. Круговорот фосфора и серы типичный биогеохимический цикл, такие циклы легко разрушаются от различных воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота.

Фосфор содержится в породах, образовавшийся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический цикл может попасть в случае подъема этих пород из глубин земной коры на поверхность суши, в зону выветривания.

Эрозийными процессами он выносится в море в виде известного материала апатита.

Общий круговорот фосфора делят на водную и наземную части. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка (морские птицы); их экскременты или трупы снова попадают в море вступают в круговорот, либо умирают на берегу и смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, Р снова

попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них Р снова попадает в осадочные породы.

В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почвы, распределяют его по трофическим цепям, возвращают в почву после отмирания растений и животных и с их экскрементами. Теряется Р из почвы в результате водной эрозии; повышенное содержание Р, попадающий в экосистемы с моющими средствами вызывает бурное развитие сине-зеленных водорослей, а затем их гниение вследствие недостатка кислорода, поэтому вся экосистема гибнет

Сера имеет основной резервный фонд в почве и атмосфере. Сульфат-ион является основной формой серы, которая восстанавливается автотрофами, и входит в состав аминокислот. В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до сероводорода. Другие организмы и воздействие самого кислорода в воздухе приводит к окислению этих продуктов, и образуются сульфаты, растворяются и поглощаются растениями. Так, продолжается круговорот серы, который может быть нарушен человеком при сжигании ископаемого топлива, особенно каменного угля, а образующийся сернистый газ нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растений.