Автор работы: Пользователь скрыл имя, 12 Ноября 2012 в 17:07, реферат
Начнем с того, что же такое биосфера. Биосфера – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются деятельностью живых организмов. Верхняя граница охватывает часть атмосферы до высоты 20-25 км, нижняя граница захватывает часть литосферы на суше 2-3 км и 1-2 км ниже дна океана.
Начнем с того, что же такое биосфера. Биосфера – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются деятельностью живых организмов. Верхняя граница охватывает часть атмосферы до высоты 20-25 км, нижняя граница захватывает часть литосферы на суше 2-3 км и 1-2 км ниже дна океана. Таким образом, биосфера охватывает часть атмосферы, часть литосферы и всю гидросферу. В биосфере Земли происходит постоянный процесс движения и перераспределения вещества. В ней осуществляется массовый перенос твердых, жидких и газообразных тел при различных температурах и давлениях. В ходе различных химических и физических процессов осуществляются так называемые круговороты вещества, различные как по протяженности во времени, так и по степени охвата оболочек земного шара и прилегающей к нему атмосферы.
Из почти 100 химических элементов,
которые встречаются в
Круговорот углерода
Углерод
является одним из самых, наверное, часто
упоминаемых химических элементов в природе
при рассмотрении геологических, биологических,
а в последнее время и технических проблем.
Углерод встречается на нашей планете
в чрезвычайно разнообразных соединениях,
начиная с нахождения в виде чистого углерода
(графит, уголь и т.д.) вплоть до органических
соединений. Неорганическое вещество,
лежащее в основе биогенного круговорота
этого элемента – диоксид углерода (углекислый
газ CO2). В ходе фотосинтеза атомы
углерода этого соединения включаются
в состав глюкозы и других органических
соединений, из которых построены все
растительные ткани. Далее они переносятся
по пищевым цепям и образуют ткани всех
остальных живых существ экосистемы. При
переходе с одного трофического уровня
на другой часть содержащих атомы углерода
молекул расщепляется в процессе клеточного
дыхания для получения энергии. При этом
атомы углерода вновь поступают в окружающую
среду в составе углекислого газа.
После завершения жизненного цикла — гибели (смерти) организма его ткани подвергаются биологическому разложению под воздействием редуцентов, что также приводит к поступлению диоксида углерода в атмосферу. Этот процесс приурочен к почвенным горизонтам и определяет сущность почвенного дыхания.
Другим процессом, движущим углерод, является образование гумуса с помощью сапрофагов и последующую минерализацию вещества под действием грибов и бактерий. Это весьма медленный процесс, скорость которого обусловлена количеством кислорода, химическим составом почвы, ее температурой. При недостатке кислорода и высокой кислотности происходит накопление углерода в торфе. Аналогичные процессы в отдаленные геологические эпохи сформировали залежи угля и нефти, что останавливало процесс круговорота углерода.
Если все процессы жизнедеятельности протекают в гидросфере, то происходит аналогичная приостановка в результате связывания углерода в кальците (СаСО3), входящим в состав коралловых, ракушечных известняков, мела и др. Это самая глубокая консервация углерода, освобождение которого возможно лишь при регрессии моря и дальнейшем выщелачивании карбонатных пород за счет атмосферных осадков или при биологическом выветривании под действием лишайников, корней растений и микроорганизмов.
Круговорот фосфора
Фосфор один из достаточно широко распространенных химических элементов, входящих в состав различных, в том числе и породообразующих минералов, формирующих ряд горных пород. В процессе выветривания этих пород в значительных количествах фосфор поступает в биогеоценозы, а также за счет выщелачивания атмосферными осадками и в конечном счете накапливается в гидросфере. Во всех случаях фосфор оказывается в пищевых системах, но его подготовка не является простой. Фосфор же необходим организмам для построения генов и молекул соединений, переносящих энергию внутри клеток.
В минералах фосфор содержится в форме неорганического фосфата-иона (РО34). Фосфаты обладают растворимостью, но не образуют газообразных форм, т. е. нелетучи. Растения способны к поглощению фосфата из водного раствора для включения их в состав различных органических соединений. В растениях фосфор выступает уже в форме так называемого органического фосфата. В этой форме он уже способен к движению по пищевым цепям и к его передаче организмам экосистем. При каждом переходе от одного трофического уровня к другому достаточное количество фосфоросодержащего соединения для получения организмом энергии подвергается окислению при клеточном дыхании. В этом случае фосфор может оказаться только в составе мочи или ее аналогов и быть выведенным за пределы организма в окружающую среду, где собственно может начать дальнейший цикл через поглощение растениями.
Необходимо остановиться более подробно на различиях в круговоротах фосфора и углерода. Углерод в виде диоксида углерода поступает в виде газа в атмосферу, где свободно распространяется повсеместно воздушными потоками вплоть до нового усвоения растениями. Фосфор же не образует аналогичной газовой формы, и свободного возврата его в экосистему нет. Жидкие же соединения фосфора поступают в водоемы, где они активно насыщают (вплоть до перенасыщения) водные экосистемы. Из водоема фосфор не может возвратиться на сушу, за исключением небольшого количества в виде помета рыбоядных птиц, который откладывается на побережье, например залежи гуано на побережье Перу, фосфаты откладываются на дне водоемов. Возвращаются на сушу фосфоросодержащие горные породы вместе с процессами регрессии моря и при орогенезе.
Как считает Б. Небел, фосфат и аналогичные минеральные биогены, находящиеся в почве, циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их «отходы» жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. Это характерно для всех естественных экосистем (Б. Небел, 1993).
Круговорот кислорода
Биохимический цикл — планетарный процесс, который является объединяющим элементом для атмосферы, гидросферы и литосферы. В атмосфере преобладающей формой кислорода является молекула О2, но так как отмечали мы уже выше имеется еще О3-озон и О-атомарный кислород. Кислород в свободной форме является как продуктом жизнедеятельности, так и элементом, поддерживающим жизнь. В.И. Вернадский писал: «Жизнь, создающая в земной коре свободный кислород, тем самым создает озон и предохраняет биосферу от губительных коротких излучений небесных светил».
Круговорот кислорода в биосфере представляет собой сумму весьма сложных процессов, так как кислород входит в состав многих различных органических и неорганических соединений. Однако главным является обмен между атмосферой и живыми организмами. Процесс фотосинтеза продуцирует кислород, а процессы разложения его связывают. Незначительное количество кислорода образуется в процессе диссоциации молекул воды и озона в верхних слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетовой радиации. Значительная часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и т. п.
Круговорот азота
Круговорот азота сложнее, чем круговороты
углерода и фосфора, поскольку включает
и газовую, и минеральную фазы. Основная
часть атомов азота находится в воздухе,
который на 78 % состоит из одноименного
газа. Но растения не могут усваивать газообразный
азот непосредственно из воздуха, для
включения в органический синтез азот
должен входить в состав ионов аммония
или нитрата. Азот воздуха был бы потерян
для биогеохимического круговорота, если
бы на Земле не существовало организмов,
способных превращать газоообразный азот
в аммонийную форму в ходе азотофиксации
(нитрификсации). Важнейшую роль среди азотофиксирующих
организмов играют бактерии рода Rhizobium,
живущие в клубеньках на корнях бобовых
растений (так называемые клубеньковые
бактерии), и ряд сине-зеленых водорослей
(цианобактерии). Клубеньковые бактерии
являют собой один из ярких примеров мутуализма
- тесной взаимосвязи двух организмов,
выгодной для обоих. Растения обеспечивают
бактерий местом обитания и питательными
веществами (сахарами), получая от них
взамен доступную форму азота. По пищевым
цепям входящий в состав органических
молекул азот передается от бобовых другим
организмам экосистемы. Когда в процессе
клеточного дыхания содержащие азот органические
вещества расщепляются, азот выделяется
в окружающую среду главным образом в
аммонийной форме.
Некоторые бактерии в процессе
нитрификации могут переводить аммонийную
форму в нитратную, но и нитратные, и аммонийные
формы в равной степени могут усваиваться
любыми растениями, в результате чего
азот совершает круговорот как минеральный
биоген. Однако такая минерализация азота
обратима, поскольку другие почвенные
бактерии в процессе денитрификации постепенно
превращают нитраты снова в газообразный
азот. Следует отметить, что часть газообразного
азота окисляется в воздухе во время грозовых
разрядов и поступает в почву с дождевой
водой, но таким способом фиксируется
в десять раз меньше азота, чем в ходе бактериальной
нитрификации.
Круговорот серы
Это один из главных биогенов, который попадает в почвенные горизонты в результате естественного разложения отдельных горных пород, содержащих такие минералы, как пирит — серный колчедан (FeS2), медный колчедан (CuFeS2) и при разложении органических веществ, преимущественно растительного происхождения. Из почвы по корневым системам сера поступает в растения, где синтезируются серосодержащие аминокислоты — цистин, цистеин, метионин. Для процессов жизнедеятельности сера необходима животным в значительных количествах, попадает она к ним с пищей.
Из органических соединений сера поступает в почву при разложе- нии преимущественно растительных остатков микроорганизмами. Сера органического происхождения восстанавливается в сероводород (H2S), минеральную серу или окисляется в сульфаты, которые вновь могут быть поглощены корнями растений, т. е. вновь поступает в биологический круговорот.
Круговорот воды
В данном случае речь идет не об отдельном биогене, а о соединении двух важнейших биогенов водорода (Н) и кислорода (О), т. е. воды, значимость которой для жизни на Земле абсолютна. Круговорот воды представляет собой процесс непрерывного, взаимосвязанного перемещения воды в глобальных масштабах. Круговорот воды осуществляется под влиянием солнечной энергии, гравитации, жизнедеятельности организмов. В целом для планеты главным источником прихода воды служат атмосферные осадки, а расхода — испарение, которые сбалансировано составляют 525 тыс. км3 или 1030 мм в год.
В процессе круговорота воды можно выделить так называемые малый и большой. При малом круговороте вода, испарившаяся с поверхности океана, вновь возвращается в него в виде атмосферных осадков. При большом круговороте часть испарившейся с водной поверхности влаги выпадает не только на океан, но и на сушу, где питает реки и другие водоемы, но в конечном счете с подземным или поверхностным стоком возвращается в океан.
Выше были рассмотрены
аспекты водного баланса
Значимую роль в процессе круговорота воды играет эвапотранспирация, которая представляет собой количество влаги, переходящее в атмосферу в результате транспирации зеленых растений и испарения с поверхности почвы, т. е. суммарное испарение (принято измерять его в мм рт. ст.). Транспирацией именуют испарение воды зелеными частями растений, причем она испаряется со всей наружной и всех внутренних поверхностей растений, соприкасающихся с воздухом. Общая транспирация зависит от многих экологических факторов (освещенность, сухость воздуха, ветер, рельеф и др.). Наибольшей транспирацией характеризуются болотные и плавающие растения (рогоз, частуха, рдест—до 4000 мг/дм2»ч). Из наземных растений сильнее всего транспирируют травянистые растения солнечных местообитаний—до 2500 мг/дм2»ч; кустарники в тундре дают всего 150 мг/дм2-ч; а тропические деревья в лесах области туманов лишь до 120 мг/дм2.ч. У вечнозеленых хвойных пород игольчатая хвоя в передней части устьичного аппарата имеет высокую пробку, которая служит дополнительным препятствием для транспирации. У пустынных растений транспирация служит единственным способом зашиты организма от летальных последствий воздействий высоких температур.
Проведенные специалистами
ФРГ количественные оценки роли эвапотранспирации
в круговороте воды показали следующее:
при средней годовой норме осадков 771 мм
в море с подземным и поверхностным стоком
поступает менее их половины—367 мм, а оставшиеся 404 мм
эвапотранспирируются. Шведские ученые
установили, что 1 га елового леса за 1 год
транспирирует при сухой почве до 2100 м3
воды. Величина эвапотранспирации для
растительных формаций средней Европы
составляет до 7000 т на 1та в год. Отдельные
виды древесных пород с успехом могут
использоваться для осушения болот. Классическим
примером может служить осушение Колхидских
болот в Грузии посадками эвкалиптов.
Биогеохимическая деятельность человека
Обязательно следует отметить, что описанные
выше биогеохимические круговороты рассмотрены
только с позиций первых четырех биогеохимических
функций живого вещества, формируемых
В. И. Вернадским, т. е. газовой, концентрационной,
окислительно-восстановительной и биохимической
функций. Однако пятая биогеохимическая
функция живого вещества - биогеохимическая
деятельность человечества - занимает
особое место в истории земного шара и
привносит особые, не присущие ранее черты
в круговороты веществ и химических элементов,
в том числе в круговорот углерода, фосфора,
азота.