МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА
факультет психологии
РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ
«В.И. ВЕРНАДСКИЙ И УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ»
по экологии
Выполнили: Домакеева Л.В.,
д/о, 3 курс, 33 группа
и Далакян К.Г., д/о, 3 курс, 31 курс
Преподаватель: Остроухов С.А.
Москва, 2005
Миллиарды лет Солнце дарит Земле свою энергию. Долгие годы эффект от этого был сравнительно небольшим – энергия бесследно исчезала в бескрайнем космосе. И только с появлением жизни на Земле часть солнечной энергии стала использоваться живыми организмами на строительство своего тела и на преобразование окружающей среды. Те живые организмы, которые около 3 млрд. лет назад начали использовать для жизни энергию химических реакций и Солнца, настолько преобразовали нашу планету, что трудно найти место, где бы не ощущалось влияние живых существ. Оно распространяется и на атмосферу – ее газовый состав, концентрация кислорода и углекислого газа, наличие аэропланктона (бактерий, спор растений и грибов, мелких беспозвоночных)определяется всеми растениями и животными планеты (биотой). Отложения известняков и гранитов, сланцев и каменного угля – это следы деятельности живых организмов за многие миллионы лет. Около 10 километров вверх и примерно столько же вниз – вот вам и вертикальные пределы деятельности животных и растений на Земле. А вместе все это дает представление о биосфере. Наряду с гидросферой, атмосферой и литосферой она образует оболочку нашей планеты, определяемую как сферу обитания и жизнедеятельности живых организмов.
Впервые о биосфере как «области жизни» писал Ж.-Б. Ламарк. Собственно термин «биосфера» в 1875 г. Предложил австрийский ученый Э. Зюсс.
Биосфера – это особая наружная оболочка Земли, чей состав, структура и энергетический потенциал определяются совместной деятельностью живых организмов, т.е. это область распространения жизни.
Биосфера включает:
· живое вещество – совокупность всех живых организмов (микроорганизмов, грибов, растений, животных);
· биогенное вещество – минеральные или органические вещества, созданные в результате жизнедеятельности живых организмов (газ, нефть, каменный уголь, известняки и т.д.);
· косное вещество – формируется без участия живых организмов (вулканизм, геотектонические процессы, метеориты ит.д.);
· биокосное вещество – создается живыми организмами вместе с неживой природой (почвы).
Косное вещество биосферы – включает в себя три основные оболочки Земли: атмосферу, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Границы биосферы определяются абиотическими факторами, которые ограничивают существование живых организмов. Верхняя граница биосферы проходит на высоте около 20 км от поверхности Земли и зависит от озонового слоя, который задерживает ультрафиолетовое излучение. В гидросфере жизнь обнаружена на всех глубинах Мирового океана. В литосфере живые организмы встречаются до глубины 3,5 – 7,5 км, это зависит от температуры земной коры и от уровня проникновения жидкой воды.
Атмосфера, или газовая оболочка Земли, состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа, озона и инертных газов. Атмосфера оказывает огромное влияние на физико-химические и биологические процессы на поверхности земли и в водной среде. Для дыхания всем живым организмам необходим кислород; углекислый газ – источник углерода при фотосинтезе и хемосинтезе; азот в результате деятельности азотофиксирующих бактерий переходит в форму нитратов, усваиваемых растениями.
Гидросфера, или водная оболочка Земли, составляет около 70% поверхности Земного шара. Наибольшие запасы воды сосредоточены в Мировом океане (до 95%), остальные 5% приходятся на пресные водоемы (озера, реки и т.д.). В воде обитает огромное количество живых организмов, причем их типовое разнообразие значительно выше, чем на суше. Состояние гидросферы – важнейший фактор, определяющий климатические условия различных географических областей.
Литосфера – это твердая оболочка Земли, включает в себя земную кору и верхнюю часть мантии. Жизнь в литосфере главным образом сосредоточена в ее верхнем, плодородном слое – почве, глубина которого не превышает нескольких метров. В строении почвы выделяют несколько горизонтов (сверху вниз): верхний, называемый опадом, далее следует гумусовый слой, обеспечивающий плодородие почв, и третий, состоящий в основном из смеси песка и глины.
Толщина коры под континентами составляет, в среднем, 35–40 км. Там, где на суше расположены молодые высокие горы, она часто превышает 50 км (например, под Гималаями достигает 90 км). Под океанами кора более тонкая – в среднем около 7–10 км, а в некоторых районах Тихого океана – всего 5 км. Границы земной коры определяются по скорости распространения сейсмических волн. Сейсмические волны дают информацию и о свойствах мантии. Установлено, что верхняя мантия состоит, главным образом, из силикатов магния и железа. Состав нижней мантии остается загадкой, однако высказывается предположение, что она содержит оксиды магния и кремния. Заключения о составе земного ядра были сделаны на основании не только анализа сейсмических волн, но и расчетов плотности и изучения состава метеоритов. Считается, что внутреннее ядро представляет собой твердый сплав железа и никеля. Внешнее ядро, по-видимому, жидкое и имеет несколько меньшую плотность. Некоторые специалисты считают, что оно содержит до 14% серы.
Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались, в основном, в результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. Сейчас время в срединных хребтах на дне океанов продолжается формирование океанической коры, сопровождающееся выделением газов и небольших количеств воды. По-видимому, и образование коры на молодой Земле было результатом подобных процессов, вследствие чего сформировалась тонкая оболочка, составляющая менее 0,0001% объема всей планеты. Состав этой оболочки, образующей континентальную и океаническую кору, изменялся во времени, прежде всего, за счет перехода элементов из мантии из-за частичного плавления на глубине примерно 100 км. Средний химический состав современной земной коры характеризуется большим содержанием кислорода, за которым следуют кремний и алюминий.
Средние значения относительного содержания химических элементов в верхнем слое земной коры по предложению советского геохимика А.Е.Ферсмана (1883–1945) называют кларками элементов в честь американского ученого Франка Уилгсуорта Кларка (1847–1931), который разработал методы количественной оценки распространенности химических элементов.
Анализ значений кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять порядков. Так, если алюминия в земной коре содержится более восьми процентов по массе, то, например, золота 4,3·10-7 %, меди – 5·10-3 %, урана – 3·10–4%, а такого редкого металла, как рений – всего 7·10–8 %.Элементы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют в природе многочисленные самостоятельные химические соединения, а элементы с малыми кларками рассеяны, преимущественно, среди химических соединений других элементов. Элементы, кларки которых меньше 0,01%, называют редкими.
Основными соединениями, образующими литосферу, являются диоксид кремния, силикаты и алюмосиликаты. Бóльшую часть литосферы составляют кристаллические вещества, образовавшиеся при охлаждении магмы – расплавленного вещества в глубинах Земли. При остывании магмы образовывались и горячие растворы. Проходя по трещинам в окружающих горных породах, они охлаждались и выделяли содержащиеся в них Поскольку некоторые минералы стабильны только при определенных условиях, при изменении температуры и давления они распадаются. Например, ряд силикатов, образующихся глубоко в коре при высоких температуре и давлении, становятся неустойчивыми, когда попадают на поверхность Земли. С другой стороны, на большой глубине под действием внутреннего тепла Земли и повышенного давления многие горные породы меняют свой вид, образуя новые кристаллические формы.
Поверхность континентальной коры подвержена действию атмосферы и гидросферы, что выражается в процессах выветривания. Физическое выветривание является механическим процессом, в результате которого порода размельчается до частиц меньшего размера без существенных изменений в химическом составе. Химическое выветривание приводит к образованию новых веществ, оно происходит под действием влаги, особенно подкисленной, и некоторых газов (например, кислорода), разрушающих минералы.вещества.
Живое вещество биосферы. В пределах границ биосферы живое вещество распределено очень неравномерно. В высоких слоях атмосферы, в глубинах гидросферы и литосферы живые организмы встречаются редко. Жизнь главным образом сосредоточена на границе этих трех сред. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена растениями и только 0,8% составляют грибы, животные и микроорганизмы. В мировом океане это соотношение меняется: на долю растений приходится 6,3% биомассы, а на долю животных и микроорганизмов – 93,7%.
Масса живого вещества составляет около 0,01 – 0.02% от косного вещества биосферы, однако живые существа играют ведущую роль в геохимических процессах на Земле. Деятельность живых организмов является основой, обеспечивающей круговорот веществ в природе. Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет около 232 млрд. т. сухого органического вещества. Оно постоянно преобразуется и разлагается, поставляя вещества и энергию, необходимые для обмена веществ всех живых организмов.
В биосфере живое вещество выполняет газовую, окислительно-восстановительную и концентрационную функции.
Газовая функция состоит в выделении и поглощении газов живыми организмами. Благодаря их деятельности около 2 млрд. лет назад в атмосфере Земли началось накопление свободного кислорода, а затем сформировался озоновый экран. Современный газовый состав атмосферы поддерживается зелеными растениями благодаря процессам дыхания и фотосинтеза. При гниении органических веществ в атмосферу выделяются аммиак и сероводород. Определенные группы бактерий утилизируют эти вредные для других организмов газы и переводят их в соединения, которые усваиваются растениями.
Окислительно-восстановительная функция живого вещества тесно связана с газовой. Превращение веществ и энергии в живых организмах представляет собой цепь окислительно-восстановительных реакций: это процессы фотосинтеза, хемосинтеза, дыхания. Образование органических веществ при автотрофном питании и их разложение в процессе дыхания, с одной стороны, и газообмен между организмами и окружающей средой – с другой, составляют звенья одного процесса. То же самое относится к обмену веществ и гетеротрофных организмов.
Концентрационная функция живого вещества заключается в способности организмов накапливать в теле различные химические элементы в виде органических и неорганических соединений. Например, железобактерии аккумулируют из среды железо; фораминиферы, кишечнополостные, моллюски – кальций, радиолярии, хвощи – кремний; губки – йод и т.д. Содержание некоторых элементов в живых организмах во много раз превышает их содержание в земной коре. Так, в растениях углерода содержится в 200 раз, а азота в 30 раз больше, чем в земной коре. Живые организмы обеспечивают интенсивную миграцию элементов (железа, марганца, серы, фосфора и др.). В результате деятельности живого вещества на Земле образовались залежи органоминерального топлива и почвы.
Круговорот химических элементов в биосфере.
Круговорот веществ представляет собой процессы превращения и перемещения вещества в природе. Это повторяющиеся, взаимосвязанные физико-химические и биологические процессы.
Круговорот углерода. Среди всех элементов круговорот углерода в наибольшей степени зависит от деятельности живых организмов. Углекислый газ ассимилируется зелеными растениями и бактериями – фотосинтетиками и включается в состав органических веществ. В процессе дыхания живых существ в результате сложных цепей преобразования в органических веществах находящийся в них углерод в виде углекислого газа поступает в атмосферу. Углекислый газ образуется также при минерализации органического вещества микроорганизмами. В живом веществе процессы ассимиляции углерода и его выделение при дыхании практически уравновешены. Только около 1% углерода откладывается в виде торфа, то есть изымается из круговорота. В гидросфере углерод содержится в растворенном виде (углекислый газ, угольная кислота, ионы угольной кислоты). Здесь его запасы значительно больше, чем в атмосфере. Углерод гидросферы также используется живыми организмами в процессе фотосинтеза и для построения известковых скелетов (губки, кишечнополостные, моллюски и т.д.). Между Мировым океаном и гидросферой постоянно происходит обмен углеродом, причем в океане значительное количество углерода изымается из круговорота и откладывается в виде малорастворимых карбонатов.
В атмосферу углерод поступает также в результате хозяйственной деятельности человека: при сжигании органоминерального топлива – угля, газа, нефти и продуктов ее переработки и т.д. Данные энергетические ресурсы образовались в результате живых организмов в древние геологические эпохи. Энергетические ресурсы подразделяются на восполнимые (древесина, торф) и невосполнимые (газ, уголь, нефть).
Огромные запасы углерода содержатся в горных осадочных породах – сланцах, карбонатах кальция и магния. Поступление углерода в атмосферу из этих пород зависит от геохимических процессов (выветривание, геоморфизм горных пород) и вулканической деятельности.
Круговорот азота. В газовом составе атмосферы азот составляет около 80%. Атмосферный азот в виде газа не может быть напрямую использован живыми организмами. Фиксация азота и перевод его в соединения. Которые поглощаются растениями, осуществляются почвенными азотфиксирующими бактериями. Примером могут служить клубеньковые бактерии, развивающиеся на корнях бобовых растений. Азотфиксирующие бактерии обогащают почву азотом, тем самым повышая ее плодородие. Азот может поступать непосредственно из атмосферы в виде оксида азота, образующегося под действием электрических грозовых разрядов. При разложении органических остатков под действием микроорганизмов в процессе минерализации выделяется аммиак. Частично аммиак усваивается растениями, но основное его количество переводится в форму нитратов при участии нитрифицирующих бактерий: сначала он окисляется до азотистой кислоты, а затем – до азотной. Некоторое количество аммиака уходит в атмосферу, часть аммиака восстанавливается денитрифицирующими бактериями до молекулярного азота, также поступающего в атмосферу. Соединения азота накапливаются в глубоководных отложениях и тем самым исключаются из круговорота на сотни лет.