Файл: Учебное пособие СанктПетербург 2012 Рецензенты Ивахнюк Г. К., доктор химических наук, профессор, академик манэб.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 1041
Скачиваний: 10
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Часть азота растениями усваивается в виде ионов аммония и мочевины, образующихся в результате разложения органических веществ. Возвращение азота в атмосферу происходит в результате Деятельности бактерий-денитрификаторов. разлагающих нитраты до свободного азота и кислорода.
Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со стоком вод с континентов), используется водными фотосинтезирующими организмами (прежде всего фитопланктоном), а затем, попадая в цепи питания животных, частично возвращается на сушу с продуктами морского промысла или птицами. Небольшая часть азота, как и углерод, попадает в осадочные соединения.
Круговорот серы. Сера является одним из наиболее опасных загрязнителей. Ее круговорот представлен на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Схема круговорота серы.
Рис.2.6. Схема круговорота фосфора.
Круговорот фосфора. Иной цикл характерен для фосфора (рис. 2.6), в круговороте которого отсутствует газообразная фаза. После неоднократного потребления его организмами на суше и в водной среде он в конечном счете выводится в донные осадки. Возвращение фосфора с организмами океана не компенсирует его потребности на суше. Не компенсируются эти потребности и в результате использования природных минеральных соединений. В данном случае односторонний процесс, заканчивающийся осадочным циклом, грозит дефицитом фосфора для организмов. Последний в значительной мере восполняется человеком через внесение минеральных удобрений, представляющих в основном продукты переработки морских осадочных пород.
Таким образом, среда, в которой мы живем, — результат прежде всего функционирования живых организмов, а последние, в свою очередь, — продукт той среды, которая ими создана, результат их медленной постоянной адаптации к изменявшейся среде. В связи с этим стабильность и устойчивость биосферы возможна при выполнении условий для сохранения всего многообразия организмов и их деятельности.
2.5. Учение В.И. Вернадского о биосфере. Основные этапы ее эволюции
Владимир Иванович Вернадский (1863—1945) использовал термин «биосфера» и создал науку с аналогичным названием. Если с понятием "биосфера" по Зюссу связывалось только наличие в трех сферах земной оболочки (твердой, жидкой и газообразной) живых организмов, то по В. И. Вернадскому
им отводится роль главнейшей преобразующей силы. При этом в понятие биосферы включается преобразующая деятельность организмов не только в границах распространения жизни в настоящее время, но и в прошлом. В таком случае под биосферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть, где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности и которая обладает антиэнтропийными свойствами. В. И. Вернадский не только конкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, но, самое главное, всесторонне раскрыл роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе нет более мощной геологической силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности.
Учение В. И. Вернадского о биосфере произвело переворот в геологии, взглядах на причины ее эволюции. До трудов В. И. Вернадского в геологических явлениях и эволюции верхних слоев литосферы, прежде всего земной коры, первенство отводилось физико-химическим процессам выветривания. В. И. Вернадский показал первостепенную преобразующую роль живых организмов и обусловливаемых ими механизмов разрушения горных пород, круговорота веществ, изменения водной и атмосферной оболочек Земли.
В. И. Вернадским введен в литературу термин живое вещество. Под ним он понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию и химический состав.
В. И. Вернадский выделил очаги наибольшей концентрации жизни, назвав их пленками и сгущениями живого вещества. Под пленками живого вещества понимается повышенное количество его на больших пространствах. В Океане обычно выделяют две пленки: поверхностную, или планктонную, и донную, или бентосную. Мощность поверхностной пленки обусловливается в основном эуфотической зоной, то есть тем слоем воды, в котором возможен фотосинтез. Она колеблется от нескольких десятков и сотен метров (в чистых водах) до нескольких сантиметров в загрязненных водах. Донная пленка образована в основном гетеротрофными экосистемами, и поэтому органическое вещество ее представлено вторичной продукцией, а количество его зависит в основном от поступления трупов организмов с поверхностной пленки.
В наземных экосистемах также выделяют две пленки живого вещества. Приземная, заключенная между поверхностью почвы и верхней границей растительного покрова
, имеет толщину от нескольких сантиметров (пустыни, тундры, болота и др.) до нескольких десятков метров (леса). Вторая пленка — почвенная. Эта пленка наиболее насыщена жизнью, во всяком случае, богата организмами. На 1 м2 почвенного слоя насчитывают миллионы насекомых, десятки и сотни дождевых червей и сотни миллионов микроорганизмов. Толщина данной пленки находится в прямой зависимости от мощности почвенного слоя и его богатства гумусом. В тундрах и пустынях это несколько сантиметров, на черноземах, особенно тучных, — до 2—3 метров.
Повышенные концентрации живого вещества в биосфере обычно приурочены к условиям так называемого "краевого эффекта" или экотонов. Такой эффект возникает на стыках сред жизни или различных экосистем. В приведенных примерах для водных экосистем поверхностная пленка — это зона контакта атмосферы и водной среды, донная — водной толщи и донных отложений, почвенная — атмосферы и литосферы.
Вещества неживой природы относятся к косным (например, минералы). В природе, кроме этого, довольно широко представлены биокосные вещества, образование и сложение которых обусловливается живыми и косными составляющими (например, почвы, воды).
Живое вещество — основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть. Если его выделить в чистом виде и распределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см или 0,01% от массы всей биосферы. В чем же причина столь высокой химической и геологической активности живого вещества?
Прежде всего это связано с тем, что живые организмы благодаря биологическим катализаторам (ферментам) совершают, по выражению академика Л. С. Берга, с физико-химической точки зрения что-то невероятное. Например, они способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при обычных для природной среды значениях температуры и давления. В промышленных условиях связывание атмосферного азота до аммиака требует температуры порядка 500° С и давления 300—500 атмосфер.
В живых организмах на порядок или несколько порядков увеличиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В. И. Вернадский в связи с этим живое вещество назвал формой чрезвычайно активированной материи.
Свойства живого вещества.
К основным уникальным особенностям живого вещества, обусловливающим его крайне высокую преобразующую деятельность, можно отнести следующие:
1. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство.
В. И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Данное свойство дало основание В. И. Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности размножения), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Например, площадь листьев растений, произрастающих на 1 га, составляет 8—10 га и более. То же относится к корневым системам.
2. Движение не только пассивное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п.), но и активное. Например, против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п.
3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты), сохраняя при этом высокую физико-химическую активность.
4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий. Например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля —273° С, микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурами до 140° С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т.п.
5. Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков (в сотни, тысячи раз) значительнее, чем в неживом веществе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100—200 раз больше веса их тела. Особенно активны организмы-грунтоеды. Дождевые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего человечества) за 150—200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы. Такие же явления имеют место в донных отложениях океана. Слой донных отложений здесь может быть представлен продуктами жизнедеятельности кольчатых червей (полихет) и достигать нескольких метров. Колоссальную роль по преобразованию вещества выполняют организмы, для которых характерен фильтрационный тип питания. Они освобождают водные массы от взвесей, склеивая их в небольшие агрегаты и осаждая на дно.
Впечатляют примеры чисто механической деятельности некоторых организмов, например роющих животных (сурков, сусликов и др.), которые в результате переработки больших масс грунта создают своеобразный ландшафт. По представлениям В. И. Вернадского, практически все осадочные породы, а это слой до 3 км, на 95—99% переработаны живыми организмами. Даже такие колоссальные запасы воды, которые имеются в биосфере, разлагаются в процессе фотосинтеза за 5—6 млн. лет, углекислота же проходит через живые организмы в процессе фотосинтеза каждые 6—7 лет.
6. Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши — 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), — 33 дня. В результате высокой скорости обновления живого вещества за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Только небольшая часть его (доли процента) законсервирована в виде органических остатков (по выражению В. И. Вернадского, ушла в геологию), остальная же включилась в процессы круговорота.
Все перечисленные и другие свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нем больших запасов энергии. По В. И. Вернадскому, по энергетической насыщенности с живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов.
Функции живого вещества.
Всю деятельность живого вещества в биосфере можно, с определенной долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление о его преобразующей биосферно-геологической деятельности.
В. И. Вернадский выделял девять функций живого вещества: газовую, кислородную, окислительную, кальциевую, восстановительную, концентрационную и другие. В настоящее время название этих функций несколько изменено, некоторые из них объединены. Мы приводим их в соответствии с классификацией А. В. Лапо (1987):
1. Энергетическая. Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием. Это функция — одна из важнейших и будет подробнее рассмотрена в разделе энергетики экосистем.
2. Газовая — способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (СО ) в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам.
Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со стоком вод с континентов), используется водными фотосинтезирующими организмами (прежде всего фитопланктоном), а затем, попадая в цепи питания животных, частично возвращается на сушу с продуктами морского промысла или птицами. Небольшая часть азота, как и углерод, попадает в осадочные соединения.
Круговорот серы. Сера является одним из наиболее опасных загрязнителей. Ее круговорот представлен на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Схема круговорота серы.
Рис.2.6. Схема круговорота фосфора.
Круговорот фосфора. Иной цикл характерен для фосфора (рис. 2.6), в круговороте которого отсутствует газообразная фаза. После неоднократного потребления его организмами на суше и в водной среде он в конечном счете выводится в донные осадки. Возвращение фосфора с организмами океана не компенсирует его потребности на суше. Не компенсируются эти потребности и в результате использования природных минеральных соединений. В данном случае односторонний процесс, заканчивающийся осадочным циклом, грозит дефицитом фосфора для организмов. Последний в значительной мере восполняется человеком через внесение минеральных удобрений, представляющих в основном продукты переработки морских осадочных пород.
Таким образом, среда, в которой мы живем, — результат прежде всего функционирования живых организмов, а последние, в свою очередь, — продукт той среды, которая ими создана, результат их медленной постоянной адаптации к изменявшейся среде. В связи с этим стабильность и устойчивость биосферы возможна при выполнении условий для сохранения всего многообразия организмов и их деятельности.
2.5. Учение В.И. Вернадского о биосфере. Основные этапы ее эволюции
Владимир Иванович Вернадский (1863—1945) использовал термин «биосфера» и создал науку с аналогичным названием. Если с понятием "биосфера" по Зюссу связывалось только наличие в трех сферах земной оболочки (твердой, жидкой и газообразной) живых организмов, то по В. И. Вернадскому
им отводится роль главнейшей преобразующей силы. При этом в понятие биосферы включается преобразующая деятельность организмов не только в границах распространения жизни в настоящее время, но и в прошлом. В таком случае под биосферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть, где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности и которая обладает антиэнтропийными свойствами. В. И. Вернадский не только конкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, но, самое главное, всесторонне раскрыл роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе нет более мощной геологической силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности.
Учение В. И. Вернадского о биосфере произвело переворот в геологии, взглядах на причины ее эволюции. До трудов В. И. Вернадского в геологических явлениях и эволюции верхних слоев литосферы, прежде всего земной коры, первенство отводилось физико-химическим процессам выветривания. В. И. Вернадский показал первостепенную преобразующую роль живых организмов и обусловливаемых ими механизмов разрушения горных пород, круговорота веществ, изменения водной и атмосферной оболочек Земли.
В. И. Вернадским введен в литературу термин живое вещество. Под ним он понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию и химический состав.
В. И. Вернадский выделил очаги наибольшей концентрации жизни, назвав их пленками и сгущениями живого вещества. Под пленками живого вещества понимается повышенное количество его на больших пространствах. В Океане обычно выделяют две пленки: поверхностную, или планктонную, и донную, или бентосную. Мощность поверхностной пленки обусловливается в основном эуфотической зоной, то есть тем слоем воды, в котором возможен фотосинтез. Она колеблется от нескольких десятков и сотен метров (в чистых водах) до нескольких сантиметров в загрязненных водах. Донная пленка образована в основном гетеротрофными экосистемами, и поэтому органическое вещество ее представлено вторичной продукцией, а количество его зависит в основном от поступления трупов организмов с поверхностной пленки.
В наземных экосистемах также выделяют две пленки живого вещества. Приземная, заключенная между поверхностью почвы и верхней границей растительного покрова
, имеет толщину от нескольких сантиметров (пустыни, тундры, болота и др.) до нескольких десятков метров (леса). Вторая пленка — почвенная. Эта пленка наиболее насыщена жизнью, во всяком случае, богата организмами. На 1 м2 почвенного слоя насчитывают миллионы насекомых, десятки и сотни дождевых червей и сотни миллионов микроорганизмов. Толщина данной пленки находится в прямой зависимости от мощности почвенного слоя и его богатства гумусом. В тундрах и пустынях это несколько сантиметров, на черноземах, особенно тучных, — до 2—3 метров.
Повышенные концентрации живого вещества в биосфере обычно приурочены к условиям так называемого "краевого эффекта" или экотонов. Такой эффект возникает на стыках сред жизни или различных экосистем. В приведенных примерах для водных экосистем поверхностная пленка — это зона контакта атмосферы и водной среды, донная — водной толщи и донных отложений, почвенная — атмосферы и литосферы.
Вещества неживой природы относятся к косным (например, минералы). В природе, кроме этого, довольно широко представлены биокосные вещества, образование и сложение которых обусловливается живыми и косными составляющими (например, почвы, воды).
Живое вещество — основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть. Если его выделить в чистом виде и распределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см или 0,01% от массы всей биосферы. В чем же причина столь высокой химической и геологической активности живого вещества?
Прежде всего это связано с тем, что живые организмы благодаря биологическим катализаторам (ферментам) совершают, по выражению академика Л. С. Берга, с физико-химической точки зрения что-то невероятное. Например, они способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при обычных для природной среды значениях температуры и давления. В промышленных условиях связывание атмосферного азота до аммиака требует температуры порядка 500° С и давления 300—500 атмосфер.
В живых организмах на порядок или несколько порядков увеличиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В. И. Вернадский в связи с этим живое вещество назвал формой чрезвычайно активированной материи.
Свойства живого вещества.
К основным уникальным особенностям живого вещества, обусловливающим его крайне высокую преобразующую деятельность, можно отнести следующие:
1. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство.
В. И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Данное свойство дало основание В. И. Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности размножения), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Например, площадь листьев растений, произрастающих на 1 га, составляет 8—10 га и более. То же относится к корневым системам.
2. Движение не только пассивное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п.), но и активное. Например, против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п.
3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты), сохраняя при этом высокую физико-химическую активность.
4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий. Например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля —273° С, микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурами до 140° С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т.п.
5. Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков (в сотни, тысячи раз) значительнее, чем в неживом веществе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100—200 раз больше веса их тела. Особенно активны организмы-грунтоеды. Дождевые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего человечества) за 150—200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы. Такие же явления имеют место в донных отложениях океана. Слой донных отложений здесь может быть представлен продуктами жизнедеятельности кольчатых червей (полихет) и достигать нескольких метров. Колоссальную роль по преобразованию вещества выполняют организмы, для которых характерен фильтрационный тип питания. Они освобождают водные массы от взвесей, склеивая их в небольшие агрегаты и осаждая на дно.
Впечатляют примеры чисто механической деятельности некоторых организмов, например роющих животных (сурков, сусликов и др.), которые в результате переработки больших масс грунта создают своеобразный ландшафт. По представлениям В. И. Вернадского, практически все осадочные породы, а это слой до 3 км, на 95—99% переработаны живыми организмами. Даже такие колоссальные запасы воды, которые имеются в биосфере, разлагаются в процессе фотосинтеза за 5—6 млн. лет, углекислота же проходит через живые организмы в процессе фотосинтеза каждые 6—7 лет.
6. Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши — 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), — 33 дня. В результате высокой скорости обновления живого вещества за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Только небольшая часть его (доли процента) законсервирована в виде органических остатков (по выражению В. И. Вернадского, ушла в геологию), остальная же включилась в процессы круговорота.
Все перечисленные и другие свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нем больших запасов энергии. По В. И. Вернадскому, по энергетической насыщенности с живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов.
Функции живого вещества.
Всю деятельность живого вещества в биосфере можно, с определенной долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление о его преобразующей биосферно-геологической деятельности.
В. И. Вернадский выделял девять функций живого вещества: газовую, кислородную, окислительную, кальциевую, восстановительную, концентрационную и другие. В настоящее время название этих функций несколько изменено, некоторые из них объединены. Мы приводим их в соответствии с классификацией А. В. Лапо (1987):
1. Энергетическая. Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием. Это функция — одна из важнейших и будет подробнее рассмотрена в разделе энергетики экосистем.
2. Газовая — способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (СО ) в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам.