Круговорот веществ в биосфере

Введение

Экология (от греч. “ekos” – дом и “logos” – учение: “наука о доме, месте обитания”) – наука о взаимоотношении живых организмов с окружающей средой. В зависимости от объекта и угла зрения, под которым он изучается бывают направления:

1. В зависимости от размерности объекта делят:

а) Аут-экология – взаимодействие организма и среды.

б) Популяционная экология – популяция и ее среда.

в) Синэкология – сообщество и среда.

г) Глобальная экология – изучает биосферу.

2. В зависимости от объекта: растений, животных, человека, промышленности и т.д.:

а) Экология человека – научная дисциплина, изучающая взаимодействие человека со средой обитания.

б) Промышленная экология – научная дисциплина, занимающаяся принципами создания экологически чистых технологий.

Учение о биосфере

Впервые понятие “биосфера” введено в науку в 19 в. французским ученым Ламарком, но основы науки были разработаны русским ученым Вернадским (1863-1945 гг.). Согласно учению Вернадского биосфера представляет собой оболочку Земли, включающую как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Вещество биосферы состоит из 7 компонентов:

1) Живое вещество – совокупность всех живых организмов на планете: растения, животные и т.д.

2) Биогенное вещество – вещество создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении биологической истории: уголь, нефть и тд.

3) Косное вещество (твердое, жидкое, газообразное) – вещества неорганического происхождения, образующиеся в процессах в которых живое вещество не участвует.

4) Биокосное вещество – вещество создаваемое одновременно в процессе жизнедеятельности живых организмов и неорганической природы, живые организмы играют ведущую роль (вода биосфера, почвы, илы и т.д.).

5) Вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада.

6) Рассеянные атомы, непрерывно образующиеся из различных видов земного вещества под влиянием космического излучения.

7) Вещество космического происхождения: пыль, остатки метеоритов и т.д.

5 основ функции живого вещества:

1) Энергетическая – выполняется растениями, в основе - фотосинтез.

2) Газовая – обеспечивает газовый состав биосферы.

3) Концентрационная – живые организмы могут служить для человека источником как полезных веществ (витамины, аминокислоты), так и опасных для здоровья (тяжелые металлы, ядохимикаты).

4) Деструктивная – процессы разложения мертвой органики, химически разрушают горные породы.

5) Средообразующая – состоит в трансформации химических параметров среды в условии благоприятные для существования организмов, обеспечение газового состава атмосферы, химического состава гидросферы, литосферы.

Появление человека привело к тому, что биосфера начинает преобразовываться и подвергаться активному вмешательству человека. В настоящее время в отличии от первичной биосферы выделяется новое состояние природы – биотехносфера, для нее характерны:

1) некоторые отклонения от газовых параметров атмосферы,

2) изменение в гидросфере,

3) непрерывно возрастающее потребление ресурсов привело к их истощению,

4) загрязнение природной среды отходами хозяйственной деятельности человека.

Очевидно, что нужно так управлять процессами между человеком и биосферой, чтобы они были взаимовыгодными. Вернадский полагает, что в настоящее время человечество должно создать новую оболочку Земли – ноосферу (разумную оболочку) – закономерный этап развития биосферы, этап регулирования, разумного взаимодействия человека и природы.

Строение биосферы

Включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние слои литосферы. Границы этих элементов биосферы определяются условиями, при которых возможно существование живых организмов. Нижней границы биосферы опускаются на 2-3 км от поверхности на суши и на 1-2 км ниже дна океана. Верхней границей биосферы служит защитный озоновый слой с максимальной плотностью на высоте 20-25 км. Выше которого ультрафиолетовое излучение исключает существование жизни.

Протяженность биосферы по вертикали 33-35 км. В пределах биосферы выделяется биогеосфера – пленка жизни – своеобразная оболочка Земли где сконцентрировано практически все живое вещество. Она располагается на границе поверхностного слоя земной коры с атмосферой и верхней частью водной оболочки Земли. Толщина биогеосферы колеблется от нескольких метров в степях и пустынях, до сотен метров в горах и морях.

Атмосфера – газовая оболочка Земли, массой 5,9*10¹⁵ тонн. Состоит из тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы, между которыми располагаются переходные зоны.

Тропосфера. На ее долю приходится ¾ всей земной атмосферы. Толщина ее 7-18 км. Температура воздуха по высоте уменьшается примерно на 0,6⁰ на каждые 100 метров, колеблется примерно от +40⁰ до -50⁰ С.

Стратосфера. Протяженность примерно 40 км. Температура воздуха на высоте 20-30 км постоянно около -50⁰С, затем начинает повышаться и на высоте 50 км достигает -10⁰С. В пределах стратосферы имеется озоновый слой. Высота его у полюсов примерно 7-8 км, у экватора 17-18 км. Максимальная высота присутствия озона 45-45 км.

Озоносфера. Вследствие большого содержания озона поглощает ультрафиолетовые лучи, что и обуславливает повышение температуры.

Мезосфера. Количество озона уменьшается, средняя температура порядка -80⁰С.

Ионосфера. С увеличением высоты температуры увеличивается и на высоте 500-600 км примерно составляет 1600⁰С.

Экзосфера. Высота 800 км, еще обнаруживается газы атмосферы в атомарном состоянии. Силы притяжения Земли недостаточны для удержания материальных частиц, которые рассеиваются в космосе.

Химический состав воздуха до 100 км практически неизменен и состоит: 78,1% азота, 20,9% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% диоксида углерода. Выше 600 км в атмосфере преобладает гелий, а выше 2000-3000 км - водород.

Гидросфера – водная оболочка, включает совокупность поверхностных вод, воду в литосфере и атмосфере. Основная часть поверхностных вод в мировом океане, занимающие 71% поверхности Земли и включает примерно 96% всей воды. Доля пресных вод – 2,5%, однако 70% этой воды в ледниках. Вода в атмосфере главным образом - водяной пар и его конденсат.

Свободные воды гидросферы по вертикали делятся на 2 зоны. Верхняя зона эуфотическая – определяется глубиной проникновения солнечного света примерно 200 м. В этой зоне протекает деятельность фотосинтезирующих организмов. Афотическая зона – непротекает солнечный свет, обитают живые организмы использующие готовые органические вещества, которые синтезировали организмы эуфотической зоны.

Литосфера – внешняя прочная оболочка Земли, включает земную кору и верхнюю часть мантии Земли. Жизнь в литосфере концентрируется в почве. Соотношение 3х фаз в почве: твердых минеральных веществ, жидкости, воды – определяющих основ физических свойств почвы как среды обитания живых организмов.

Круговорот веществ в биосфере

Круговорот веществ и превращение энергии обеспечивает равновесие и устойчивость биосферы как в целом, так и ее частей. Рассмотрим циклы наиболее важных элементов.

Углерод. Круговорот осуществляется по большому и малому циклу. Большой – биологически длится миллионы лет в течении которых органическое вещество, те отходы и остатки растений накапливаются в литосфере. Под действием высоких температур, давлений превращается в уголь, нефть, газ. Добывая их, человек сжигает, насыщая атмосферу углекислым газом, завершая, таким образом круговорот углерода. Малый круговорот происходит в результате поглощения углекислого газа из атмосферы растениями. Затем в процессе фотосинтеза, атом углерода переходит в состав глюкозы и другие вещества и по живым цепям переходит к животным.

6CO₂ + 6H₂O = C₆H₁₂O₆ + 6O₂ – фотосинтез

В процессе дыхания органическое вещество расщепляется вновь в СО₂ и углерод возвращается в атмосферу:

C₆H₁₂O₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + Q – дыхание

Жизнь на Земле поддерживается относительно небольшим количеством углерода. В настоящее время происходит нарушение круговорота углерода из-за деятельности человека. В результате роста использования ресурсов увеличивается поступление СО2 в атмосферу. Наблюдается повышение его концентрации и растения не справляются с его поглощением. В результате изменяется климат на планете.

Кислород. Вся масса свободного О₂ химически возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений суши и мирового океана, поскольку является побочным продуктом реакции фотосинтеза. Скорость оборота О₂ через процесс фотосинтеза примерно 2000 лет. В настоящее время в атмосфере примерно 1,2*10¹⁵ тонн О₂. В результате фотосинтеза образуется ежегодно 2,5*10¹¹ тонн О₂. Почти все это количество используется в процессе дыхания гетеротрофных организмов. Значительная часть О₂ откладывается в земной коре в виде оксидов. Другой источник О₂ – процесс – процесс фотодиссоциации молекул воды, образуется примерно 2*10¹⁰ тонн, приводит к тому что в некоторых странах О₂ сжигается больше чем образуется – нарушение баланса О₂ в атмосфере, что так же может иметь серьезные экологические последствия.

Азот. 78% азота находится в воздухе. Некоторая часть в почве и воздухе, часть в белках и аминокислотах. В отличии от углерода растения не могут усваивать атмосферный азот, а могут усваивать в виде ионов NH₄⁺, NO₃^-. Усвоение азота происходит с помощью бактерий живущих на клубнях бобовых растений, они превращают атмосферный азот в аммонийную форму NH₄ (амонофицирующие бактерии) и в нитратную форму NH₃ (нитрофицирующие бактерии). В таких формах азот передается растениями и другими организмами. Часть атмосферного азота окисляется при грозовых разрядах (в десятки раз меньше чем это происходит при помощи бактерий). По пищевым цепям азот попадает в почву и вновь поглощается растениями.

Азот возвращается в атмосферу с помощью денитрифицирующих бактерий.

Большой круг: бактерии – почва - атмосфера.

Малый круг: растения – животные – почва.

Круговорот азота в атмосфере процесс медленный, примерно 10⁷ лет. Люди нарушают круговорот азота, так как научились фиксировать азот в виде минеральных удобрений и вносят в почву. Наблюдается избыток азота в почве и в водоемах. Об этом говорит увеличение азота в виде нитратов в продуктах питания. В водоемах азот способствует быстрому росту растений и к зарастанию водоемов.

Фосфор. Минеральный фосфор достаточно редкий элемент в биосфере. В земной коре его менее 1%. В основном в виде фосфатов. Он вовлекается в круговорот путем растворения в воде с образованием РО₄^3-. Растения поглощают фосфор из воды и затем по пищевым цепям он переходит к животным. Далее, органические фосфаты в составе трупов и отходов переходит в почву.

Малый круг: растения - животные – почва.

Большой круг: литосфера – вода – растения – животные – почва – растения – почва.

В отличии от азота и углерода в круговороте фосфора отсутствует газовая фаза. На суше круговорот фосфора идет практически без потерь. Попадая в водоемы фосфор откладывается в донных отложениях и дальнейшее разложение идет медленно из-за недостатка кислорода. В воде фосфор образует с железом нерастворимые соединения, выпадает в осадок и становится недоступным растениям и организмам. Верхний слой воды оказывается обедненным, что ограничивает рост растений. Возврат фосфора возможен только при сезонном перемешивании и в результате геологических процессов. Ежегодный вынос фосфора в океан 10⁷ тонн, обратно 10⁵ тонн. Даже искусственное внесений фосфора с удобрениями неспособно компенсировать его потерю. Усвоение фосфора растениями сильно зависит от кислотности почвы. В кислых почвах фосфор взаимодействует в железом, алюминием, марганцем и становится недоступным для растений. Чтобы этого, почву известкуют.

Сера. Содержание серы в живых организмах незначительно, но она входит в состав белка тем самым играет большую роль в протекании биохимических процессов. Источником серы в геологическом прошлом служили продукты извержений вулканов. Содержащие диоксид серы (SO₂) и сероводород растения усваивают серу в виде сульфатов из воды и включают ее в состав белков. Животные получают серу входящую в состав готовых органических соединений с пищей. Круговорот серы так же находится под влиянием антропогенной деятельности. В органическом топливе всегда в малом количестве содержится сера. При сжигании она превращается в диоксид серы, т.е. в токсичное вещество. Диоксид серы (SO₂) подавляет процесс фотосинтеза, а при взаимодействии с водой образовывает сернистую кислоту, увеличивая кислотность осадков. Антропогенный источник серы в атмосфере составляет 12,5% от общего содержания.

Вода. Круговорот происходит по следующей схеме. Вода испаряется в атмосферу с водных поверхностей, из почвы, и путем транспирации (испарения с листьев растений). Поднимаясь в атмосферу и охлаждаясь водяной пар конденсируется, образуя атмосферную влагу, переносимую воздушными массами, и выпадает на землю в виде дождя или снега.

Знание круговорота веществ в природе имеет большой смысл, так как вещества находятся под влиянием человека и сами влияют на него. Последствия стали сравнимы с результатом геологических последствий. Возникают новые пути миграции веществ, появляются новые химические соединения, существенно изменяется скорость и оборот веществ в биосфере.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: