БИЛЕТ № 1
Понятие биогеохимии. Основоположники науки. Химический состав Земли.
биогеохимия, согласно В.И.Вернадскому, – это часть геохимии, изучающая
геохимические процессы, происходящие в биосфере при участии живого вещества. Биогеохимия – сравнительно молодая наука. Свое начало она берет из геохимии,
основателем которой был Владимир Иванович Вернадский. В.И.Вернадский впервые
сформулировал такие фундаментальные понятия, как «живое вещество», «биосфера» и
впервые среди ученных осмыслил геологическую роль живого вещества. Понятие
«живое вещество» В.И.Вернадский рассматривал как совокупность живых организмов,
выраженную в массе, химическом составе и энергии, которые участвуют в новой форме
процессов, называемых биогеохимическими.
В.И.Вернадский разработал учение о биосфере и доказал, что биосфера является не
только сферой обитания живой материи, но и планетарной средой.
На основании сделанных выводов о роли живого вещества в геологии истории
планеты В.И.Вернадский предлагает выделить это научное направление в
самостоятельную науку, которую он назвал биогеохимией («био» – жизнь, «гео» –
земля). Тем не менее общее представление о составе Земли благодаря исследованиям В. И. Вернадского, А. Е. Ферсмана и B. М. Гольдшмидта было сформировано уже в начале этого века. Наша планета на 90 % состоит, по-видимому, из четырёх (железо, кислород, кремний, магний) и на 98 % — из восьми химических элементов: вышеназванные четыре плюс никель, кальций, сера и алюминий. На долю всех остальных элементов приходится лишь 2 % от общей массы Земли. Это представление базируется на сопоставлении расчётных физических свойств внутренних оболочек со свойствами различных видов земных пород и отдельных минералов при лабораторных экспериментах с высокими давлениями и температурами, а также на аналогиях с химическим составом метеоритов. Существуют два основных класса метеоритов: один составляют железные, другой — каменные метеориты. Железные метеориты (или сидериты) состоят главным образом из сплавов железа (90 %) с никелем. От общего числа собранных на Земле метеоритов их доля составляет примерно 10 %. Каменные метеориты (аэролиты) состоят из силикатов. Они делятся на две группы:
1 — хондриты, содержащие мелкие округлые зерна (хондры) силикатного (пироксенового, оливинового, смешанного) состава, взвешенные в тонкозернистой массе того же силикатного вещества;
2 — ахондриты, не содержащие хондр. Хондриты имеют преимущественное распространение. Их доля достигает 90 % от общего числа аэролитов. Минеральный состав хондритов подобен составу ультраосновных горных пород, %: оливин — 46, пироксены — 25, плагиоклазы — 11, железо-никелевые компоненты — 12. Существование двух основных классов метеоритов означает, что породившие их материнские тела состояли главным образом из силикатов и железо-никелевых сплавов. Причём силикатные и железо-никелевые массы были обособленны друг от друга: железо-никелевые массы, как более плотные, вероятно, концентрировались в центре тел, а силикаты составляли оболочки.
По аналогии с этим можно предполагать, что Земля также имеет железо-никелевое ядро и мантию, по составу близкую к хондритам. Плотности внутренних масс Земли, установленные геофизическими исследованиями, этому предположению не противоречат. Вопрос о времени разделения первичного космического вещества на силикатную и железо-никелевую фазы до сих пор остаётся дискуссионным.
Гидросфера. Общая характеристика.
Гидросфера – это все воды Земли, находящиеся в любом агрегатном состоянии – твердом, жидком и газообразном..
Общая характеристика гидросферы
Более 70% поверхности земли покрыто водой. Общий объем гидросферы составляет около полутора миллиардов кубических километров, из которых более 95% приходится на Мировой океан.Гидросфера находится в тесном взаимодействии с другими геосферами. Большинство осадочных горных пород образуется на стыке гидросферы и литосферы. Заселенная живыми существами гидросфера является также частью биосферы.Обладая высокой теплопроводностью, гидросфера играет важнейшую роль в обеспечении температурного баланса планеты, передавая тепло из ее недр к периферии.
Границы гидросферы:
Верхней границей гидросферы является высота 8-18 км, гдмолекулы воды начинают разлагаться под воздействием ультрафиолетового излучения. Нижней же границей принято считать глубину 6-14 км ниже земной поверхности и 10 км ниже океанского дна. Именно на этой глубине под воздействием высоких температур происходит разложение и синтез воды.
Химический состав гидросферы:
Вода природных водоемов представляет собой раствор солей различной концентрации. Так как основным составным элементом гидросферы является Мировой океан, то и средний химический состав его близок к морской воде. Но если рассматривать каждый элемент гидросферы отдельно, то выявляется большая разнородность его химического состава.Больше всего в составе морской воды содержится кислорода – около 85,7%. Далее по убыванию – водород H (10.8%), хлор Cl (1,98%) и натрий Na (1.03%). В количественном выражении верхние слои океана содержат более 140 трлн тонн углекислого газа и 8 трлн тонн кислорода. Вообще, в океане содержатся все известные элементы, но концентрация их очень низкая. Вместе с тем, общее их содержание в воде огромно и исчисляется миллионами-миллиардами тонн. Например, золота содержится 6 млн тонн, а серебра – 5 миллиардов. Уже запатентованы способы извлечения этих металлов из океанической воды.
Химический состав поверхностных вод классифицируется по нескольким показателям. Приведем пример классификации по гидрохимическому показателю.
1. Содержание макрокомпонентов – основных соединений, содержащихся в воде. А именно соединений калия, натрия, магния и кальция.
2. Уровень концентрации в воде растворенных газов – кислорода, азота, сероводорода, аммиака и метана.
3. Неорганические формы биогенных элементов - продуктов жизнедеятельности организмов. К ним относятся в основном неорганические соединения азота и фосфора. Биогенных элементов в воде может содержаться от нуля до десяти мг/л.
4. Органические формы биогенных элементов. Именно они отвечают за цвет и запах воды. В эту группу входят практически все классы органических соединений.
5. Микроэлементы, т.е. все известные металлы. Их содержание в природной воде очень незначительно.
6. Бактерии и микроорганизмы.
В составе поверхностных вод содержатся и нерастворимые вещества – песок, глина, илистые вещества, карбонаты, гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды, гумус, планктон и др. Их содержание варьируется от нескольких штук до десятков тысяч на один литр воды, а размеры – от грубодисперсных до коллоидных.
В результате деятельности человека в составе природных вод появились также и токсичные загрязняющие вещества. К ним относятся тяжелые металлы, нефтепродукты, хлорорганические соединения, фенолы и др.
3)Живое вещество. Формы воздействия организмов на ОС.
Живое вещество — вся совокупность живых организмов в биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности. Термин введён В. И. Вернадским. В состав живого вещества входят как органические (в химическом смысле), так и неорганические, или минеральные, вещества. Вернадский писал:
«Идея о том, что явления жизни можно объяснить существованием сложных углеродистых соединений – живых белков, бесповоротно опровергнута совокупностью эмпирических фактов геохимии... Живое вещество – это совокупность всех организмов. »
Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее 10−6 массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты».
Живое вещество развивается там, где может существовать жизнь, то есть на пересечении атмосферы, литосферы и гидросферы. В условиях, не благоприятных для существования, живое вещество переходит в состояние анабиоза.
Специфика живого вещества заключается в следующем:
Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с живым веществом могут быть сопоставлены только недолговечные незастывшие лавовые потоки.Резкое отличие между живым и неживым веществом биосферы наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом веществе реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее.Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты и пр. – устойчивы только в живых организмах (в значительной степени это характерно и для минеральных соединений, входящих в состав живого вещества).Произвольное движение живого вещества, в значительной степени саморегулируемое. В. И. Вернадский выделял две специфические формы движения живого вещества: а) пассивную, которая создается размножением и присуща как животным, так и растительным организмам; б) активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения организмов (она характерна для животных и в меньшей степени для растений). Живому веществу также присуще стремление заполнить собой все возможное пространство.
Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества живое вещество не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены во всех трех фазовых состояниях.Живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел – индивидуальных организмов. Причем, будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме – в виде популяций организмов одного вида: оно всегда представлено биоценозами.Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса, т. е. воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений.
Значение и функции живого вещества[править | править вики-текст]
Работа живого вещества в биосфере достаточно многообразна. По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:
а) химической (биохимической) – I род геологической деятельности; б) механической – II род транспортной деятельности.
Биогенная миграция атомов I рода проявляется в постоянном обмене вещества между организмами и окружающей средой в процессе построения тела организмов, переваривания пищи. Биогенная миграция атомов II рода заключается в перемещении вещества организмами в ходе его жизнедеятельности (при строительстве нор, гнезд, при заглублении организмов в грунт), перемещении самого живого вещества, а также пропускание неорганических веществ через желудочный тракт грунтоедов, илоедов, фильтраторов.
Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере очень важными являются три основных положения, которые В. И. Вернадский назвал биогеохимическими принципами:
Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.
Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.
Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете лучистой энергией Солнца.
Функции живого вещества:
Энергетическая функция
Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе и химической энергии при разложении энергонасыщенных веществ, передача энергии по пищевым цепям.
В результате осуществляется связь биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле. Недаром Вернадский назвал зеленые хлорофилльные организмы главным механизмом биосферы.Поглощенная энергия распределяется внутри экосистемы между живыми организмами в виде пищи. Частично энергия рассеивается в виде тепла, а частично накапливается в отмершем органическом веществе и переходит в ископаемое состояние. Так образовались залежи торфа, каменного угля, нефти и других горючих полезных ископаемых.
2. Деструктивная функция.Эта функция состоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот, т.е. обусловливает превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещество биосферы.Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. «Мы не имеем на Земле более могучего дробителяматерии, чем живое вещество», — писал Вернадский. Пионеры жизни на скалах — бактерии, синезеленые водоросли, грибы и лишайники — оказывают на горные породы сильнейшее химическое воздействие растворами целого комплекса кислот — угольной, азотной, серной и разнообразных органических. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы — кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы.
3. Концентрационная функция
Так называется избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов веществ для построения тела организма или удаляемых из него при метаболизме. В результате концентрационной функции живые организмы извлекают и накапливают биогенные элементы окружающей среды. В составе живого вещества преобладают атомы легких элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты. Наряду с концентрационной функцией живого организма вещества выделяется противоположная ей по результатам — рассеивающая. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, через кровососущих насекомых.
4. Средообразующая функция
Очень важно отметить, что в результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере, на поверхности суши возник плодородный почвенный покров. «Организм имеет дело со средой, к которой не только он приспособлен, но котораяприспособлена к нему», — так характеризовал Вернадский средообразующую функцию живого вещества.