Реферат
По концепции современного естествознания.
Круговороты.
Выполнил:
Студент группы М-1-99
Гавришев Егор
Бишкек-1999
КРУГОВОРОТЫ
Одно из замечательных открытий геохимии заключается в установлении того, что движение многих химических элементов осуществляется в виде круговых процессов - круговоротов. Именно эти элементы слагают земную кору, жидкую и газовую оболочки нашей планеты. Их круговороты могут происходить на ограниченном пространстве и на протяжении небольших отрезков времени, а может охватывать всю наружную часть планеты и огромные периоды. При этом малые круговороты входят в более крупные, которые в своей совокупности складываются в колоссальные биогеохимические круговороты. Они тесно связаны с окружающей средой.
В биосфере, как и в каждой экосистеме, постоянно осуществляется круговорот углерода, азота, кислорода, фосфора, серы и других химических элементов. Энергия поступает в экосистемы во время фотосинтеза, а рассеивается главным образом в виде тепла, когда организмы используют ее для своей жизнедеятельности. Вследствие непрерывно происходящих потерь энергии необходимо, чтобы она столь же непрерывно поступала в экосистемы в виде энергии солнечного света. В отличие от этого вода и элементы питания совершают непрерывный круговорот.
Как уже было сказано, энергия протекает через биосферу, происходит непрекращающийся обмен энергией между Землей и космосом. Однако веществом Земля и космос не обмениваются. Различают два круговорота - большой, или геологический, малый (биологический). Причем только малый круговорот совершается в пределах биосферы. Очень важным элементом круговорота является живое вещество, а "мотором", который "раскручивает колесо круговорота", является энергия Солнца.
|
|
Никогда новый цикл круговорота не является точным повторением старого, но обязательно имеет что-то новое, пусть и очень малозаметное. Эти различия, постепенно накапливаясь с каждым новым циклом, приводят к заметным изменениям. Таким образом и происходит развитие биосферы.
КРУГОВОРОТ ВОДЫ
Вода - весьма распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки, озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.
Природная вода не бывает абсолютно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.
Весьма важное значение для нашей планеты имеет КРУГОВОРОТ ВОДЫ. Он слагается из процессов, имеющих разную протяженность - от оборота воды на протяжении суток в результате транспирирующей деятельности одного растения, всасывающего выпавшею атмосферную воду корнями и вновь возвращающего ее в атмосферу листьями, до медленного движения огромных масс воды, связывающего земную кору с гидросферой и атмосферой.
Круговорот воды на поверхности Земли складывается из 520 тыс. км выпадающей и такой же массы испаряющейся воды. При этом на континентах выпадает в год 109000 км, а испаряется 72000км. Разница в 37000 км и есть цифровое значение полного речного стока. С поверхности Мирового океана испаряется воды больше (448000 км), чем выпадает осадков (441000 км). Разность покрывается стоком речных вод.
|
|
Огромный круговорот воды сопровождает процесс созидания органического вещества. Выделяемый растениями кислород образуется при реакции фотосинтеза за счет расщепления воды. Однако на фотосинтез расходуется всего около 1% воды, проходящей из почвы через растения в атмосферу. Чтобы вырастить 1 ц пшеницы, растения должны пропустить через себя не менее 10000кг воды. По расчетам О.П. Добродеева, при формировании общепланетарной биомассы всех ныне существующих живых организмов в результате фотосинтеза было расщеплено такое количество воды, которое в 3,5 раза больше количества, находящегося во всех реках мира.
Время, необходимое для прохождения всей воды нашей планеты через систему биологического круговорота, можно определить следующим образом. Общая масса воды в наружных оболочках Земли - земной коре, гидросфере и атмосфере, по данным А.П.Виноградова, составляет 160000000 млрд. т. Масса воды, захватываемая годовой продукцией фотосинтезирующих организмов, около 800 млрд.т/г. Период полного оборота всей воды в процессе образования живого вещества примерно 2 млн. лет. Таким образом, вся огромная масса гидросферы Земли за 2 млн. лет проходит через растительные организмы, масса которых ничтожно мала по сравнению с водной оболочкой.
Круговые движения воды не ограничиваются поверхностью Земли. Значительное количество воды присутствует в горных породах в виде пленочных и поровых вод, еще больше входит ее в состав минералов, образующихся в зоне гипергенеза. Все глинистые минералы, оксиды железа и другие распространенные в этой зоне соединения содержат в своем составе воду. Подсчитано, что в 16-ти километровом слое земной коры содержится примерно 200 млн. км воды. Поступая в глубинные зоны земной коры, связанные формы воды постепенно освобождаются и включаются в метаморфические, магматические и гидротермические процессы. С вулканическими газами и горячими источниками глубинные воды поступают на поверхность.
|
|
КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА.
Кислород - самый распространенный элемент земной коры. В свободном состоянии он находится в атмосферном воздухе, в связанном виде входит в состав воды, минералов, горных пород и всех веществ, из которых построены организмы растений и животных. Массовая доля кислорода в земной коре составляет около 47%.
Кислород - бесцветный газ, не имеющий запаха. Он немного тяжелее воздуха.
Кислород играет исключительно важную роль в природе. При участии кислорода совершается один из важнейших жизненных процессов - дыхание. Важное значение имеет и другой процесс, в котором участвует кислород, - тление и гниение погибших животных и растений; при этом сложные органические вещества превращаются в более простые (в конечном результате в CO2, воду и азот), а последние вновь вступают в общий круговорот веществ в природе.
Установившиеся в биосфере объемы потоков кислорода и кислородосодержащих соединений в современных условиях нарушаются техногенными миграциями. Промышленные, бытовые и сельскохозяйственные отходы, сброшенные в природные воды (реки, озера, моря, океаны), связывают растворенный в воде кислород, что также нарушает объемы кислородных потоков в биосфере. Загрязнение почв, сведение лесов уменьшает обмен кислородом и диоксидом углерода между атмосферой и сушей. Однако запасы кислорода на планете неисчерпаемы. Он входит в состав кристаллических решеток минералов и высвобождается из них при помощи живого вещества. Поэтому для поддержания установившихся объемов кислородных потоков в биосфере необходимо сохранение живого вещества как главной геохимической силы.
Геохимический круговорот кислорода связывает газовую и жидкую оболочки с земной корой. Его основные моменты: выделение свободного кислорода при фотосинтезе, окисление химических элементов, поступление предельно окисленных соединений в глубокие зоны земной коры.и их частичное восстановление, в том числе за счет соединений углерода, вынос оксида углерода и воды на поверхность земной коры и вовлечение их в реакцию фотосинтеза.
КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА.
Углерод находится в природе как в свободном состоянии, так и в виде многочисленных соединений. Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита.
Соединения углерода очень распространены. Кроме ископаемого угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти, представляющей сложную смесь различных углеродсодержащих соединений, преимущественно углеводородов. Кроме того растительные и животные организмы состоят из веществ, в образовании которых главное участие принимает углерод. Таким образом, этот элемент - один из распространенных на Земле, хотя общее его содержание в земной коре составляет всего около 0,1%.
Углекислый газ поглощается растениями-продуцентами и в процессе фотосинтеза преобразуется в углеводы, белки, липиды и другие органические соединения. Эти вещества с пищей используют животные-консументы. Одновременно с этим в природе происходит обратный процесс. Все живые организмы дышат, выделяя углекислый газ, который поступает в атмосферу. Мертвые растительные и животные остатки и экскременты животных разлагаются (минерализуются) микроорганизмами-редуцентами. Конечный продукт минерализации - углекислый газ - выделяется из почвы или водоемов в атмосферу. Часть углерода накапливается в почве в виде органических соединений.
В морской воде углерод содержится в виде угольной кислоты и ее растворимых солей, но накапливается он в форме карбоната кальция CaCO3 (мел, известняки, кораллы). Часть углерода в виде карбонатов надолго исключается из круговорота, образуя осадки на дне водоемов. Однако с течением времени в процессах горообразования осадочные массы поднимаются на поверхность в виде горных пород. В результате преобразований этих пород углерод карбонатов вновь вовлекается в круговорот. Углерод поступает в атмосферу также с выхлопными газами автомашин, с дымовыми выбросами заводов и фабрик.
В процессе круговорота углерода в биосфере образуются энергетические ресурсы - нефть, каменный уголь, горючие газы, торф, древесина, которые широко используются человеком. Все эти вещества произведены фотосинтезирующими растениями за разное время. Возраст лесов - десятки и сотни лет; торфяников - тысячи лет; угля, нефти, газов - сотни миллионов лет. Следует учитывать, что древесина и торф - восполнимые ресурсы, т.е. воспроизводящиеся за относительно короткие промежутки времени, а нефть, горючий газ и уголь - ресурсы невосполнимые.
КРУГОВОРОТ АЗОТА.
Большая часть азота находится в природе в свободном состоянии. Свободный азот является главной составной частью воздуха, который содержит 78,2% азота. Неорганические соединения азота не встречаются в природе в больших количествах, если не считать натриевую селитру NaNO3, образующую мощные пласты на побережье Тихого океана в Чили. Почва содержит незначительные количества азота, преимущественно в виде солей азотной кислоты. Но в виде сложных органических соединений - белков - азот входит в состав всех живых организмов.
Общее содержание азота в земной коре (включая гидросферу и атмосферу) составляет 0,04%
Азот - незаменимый элемент. Он входит в состав белков, и нуклеиновых кислот. Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода. Частично азот поступает из атмосферы благодаря образованию оксида азота (IV) из азота и кислорода под действием электрических разрядов во время гроз. Однако основная масса азота поступает в воду и почву благодаря фиксации азота воздуха живыми организмами.
В почве и воде живут фиксаторы азота - бактерии и водоросли. Они обогащают почву азотом, когда их отмершие клетки минерализуются. Благодаря этому ежегодно поступает около 25 кг азота на гектар. Самые эффективные фиксаторы азота - клубеньковые бактерии, живущие в корнях бобовых растений. Азот из разнообразных источников поступает к корням растений, поглощается ими и транспортируется в стебли и листья, где в процессе биосинтеза строятся белки.
Белки растений служат основой азотного питания животных. После отмирания организмов белки под действием бактерий и грибов разлагаются с выделением аммиака. Аммиак частично потребляется растениями, а частично используется бактериями-редуцентами. В результате процессов жизнедеятельности некоторых бактерий аммиак превращается в нитраты. Нитраты, как и аммонийные ионы, потребляются растениями и микроорганизмами. Часть нитратов под действием особой группы бактерий восстанавливается до элементарного азота, который выделяется в атмосферу. Так замыкается круговорот азота в природе.
КРУГОВОРОТ ФОСФОРА
Фосфор принадлежит к числу довольно распространенных элементов; содержание его в земной коре составляет около 0.1% (масс.). Вследствие легкой окисляемости фосфор в свободном состоянии в природе не встречается. Из природных соединений фосфора самым важным является ортофосфат кальция, который в виде минерала фосфорита иногда образует большие залежи. Богатейшие месторождения фосфоритов находятся в Южном Казахстане в горах Каратау. Фосфор, как и азот, необходим для всех живых существ, так как он входит в состав некоторых белков как растительного, так и животного происхождения. В растениях фосфор содержится главным образом в белках семян, в животных организмах - в белках молока, крови, мозговой и нервной тканей. В виде кислотного остатка фосфорной кислоты фосфор входит в состав нуклеиновых кислот - сложных органических полимерных соединений, принимающих непосредственное участие в процессах передачи наследственных свойств живой клетки. Сырьем для получения фосфора и его соединений служат фосфориты и апатиты. Природный фосфорит или апатит измельчают, смешивают с песком и углем и накаливают в печах с помощью электрического тока без доступа воздуха всех живых организмах.
Основной источник его - горные породы (главным образом изверже-
ные). Среднее содержание фосфора в земной коре 0,085%. Представлен он в основном апатитом и фторапатитом. В осадочных породах это обычно вивианит, вавелит, фосфорит. С образованием биосферы высвобождение фосфора из горных пород усилилось, в результате произошло значительное перераспределение его. Все живое вещество планеты (в среднем) содержит фосфора 0,07%, т.е. немногим менее, чем в литосфере.
Источником фосфора в биосфере главным образом являются апатиты, встречающиеся во всех магматических породах. В превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы усваивают фосфор из почв, водных растворов. Фосфор входит в состав белков, нуклеиновых кислот, и других органически соединений.
Особенно много фосфора в костях животных. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия для образования богатых фосфором пород, которые в свою очередь служат источником фосфора в биогенном цикле.
Деятельность человека в настоящее время направлена на увеличение содержания фосфора в окружающей среде. Это явление В.А.Ковда назвал фосфатизацией суши. Она происходит за счёт вылова продуктов моря, богатых фосфором, и главным образом в результате извлечения фосфора из агроруд для производства фосфорных удобрений, различных фосфорсодержащих препаратов. Фосфатизация суши происходит неравномерно. Наиболее сильно она проявляется в промышленно развитых районах, характеризующихся большой плотностью населения. В отличие от них выделяются районы, где происходит, наоборот, дефосфатизация..
КРУГОВОРОТ СЕРЫ.
Сера встречается в природе как в свободном состоянии (самородная сера), так и в различных соединениях. Очень распространены соединения серы с различными металлами. Из соединений серы в природе распространены также сульфаты, главным образом, кальция и магния. Наконец, соединения серы содержаться в организмах растений и животных.
Сера широко используется в народном хозяйстве. В виде серного цвета серу используют для уничтожения некоторых вредителей растений. Она применяется также для приготовления спичек, ультрамарина (синяя краска), сероуглерода и ряда других веществ.
Круговорот серы происходит в атмосфере и литосфере. Поступление серы в атмосферу происходит в виде сульфатов, серного ангидрида и серы из литосферы при вулканических извержениях, в виде сероводорода за счет распада пирита (FeS2) и органических соединений. Антропогенным источником поступления серы в атмосферу являются тепловые электростанции и другие объекты, где происходит сжигание угля, нефти и других углеводородов, а поступление серы в литосферу, в частности в почву, происходит с удобрениями и органическими соединениями. Перенос соединений серы в атмосфере осуществляется воздушными потоками, а выпадение на земную поверхность либо в виде пыли, либо с атмосферными осадками в виде дождя (кислотные дожди) и снега. На поверхности Земли в почве и водоемах происходит связывание сульфатных и сульфитных соединений серы кальцием с образованием гипса (CaSO4). Помимо этого происходит захоронение серы в осадочных породах с органическими остатками растительного и животного происхождения, из которых в дальнейшем происходит образование угля и нефти. В почве изменение соединений серы происходит с участием сульфобактерий использующих сульфатные соединения и выделяющих сероводород, который поступая в атмосферу и окисляясь снова переходит в сульфаты. Кроме этого сероводород в почве может восстанавливаться до серы, которая денитрифицирующими бактериями окисляется до сульфатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
* Глинка Н.Л. Общая химия: Уч. пособ. для вузов/ Под ред. В.А. Рабиновича. - Л.: Химия, 1987
* Кемп П., Армс К. Введение в биологию. - М.: Мир, 1988. - С. 139-142.
* Общая биология / Под ред. Д.К.Беляева. - М.: Просвещение, 1985. - С. 237-241.