| Скачать .docx | Скачать .pdf |
Реферат: Понятие и сущность биогеоценоза
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Основные понятия и представления о биосфере 4
2. Биогеохимические циклы 6
3. Биогеохимические круговороты веществ в биосфере 8
3.1 Круговорот углерода 8
3.2 Круговорот фосфора 10
3.3 Круговорот азота 11
3.4 Круговорот кислорода 12
3.5 Круговорот воды 13
3.6 Круговорот серы 14
3.7 Круговорот калия 14
4. Соотношение биогеохимии с геохимией,
биологией и почвоведением 16
5. Факторы, влияющие на устойчивость
функционирования экосистем 19
6. Практическое значение биохимии 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25
Список использованной литературы 26
ВВЕДЕНИЕ
Как мы знаем, возникновение на Земле живой материи сделало возможным беспрерывную циркуляцию в биосфере химических элементов, которые переходят из внешней среды в организмы и обратно. Эта циркуляция химических элементов и получила название биогеохимических круговоротов. Биогеохимический круговоротпредставляет собой часть биотического круговорота, включающую обменные циклы химических элементов абиотического происхождения, без которых не может существовать живое вещество (углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера и многие другие).
В своей работе я представлю три основных типа биогеохимических круговоротов: круговорот воды, круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан), осадочные циклы химических элементов с резервным фондом в земной коре.
Свою контрольную работу я выстроил таким образом, чтобы стало более ясно и понятно, как устроена и работает эта сложная экологическая система.
1.Основные понятия и представления о биосфере
Биосфера – это глобальная экосистема, область обитания живых организмов, состав, структура и энергетика которой определяются и контролируются планетарной совокупностью живых организмов - биотой.
Термин «биосфера» впервыебыл введен в научный лексикон австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1831–1914) в 1875г. Этим термином Э. Зюсс обозначил сферу обитания организмов.
Согласно учению В.И. Вернадского биосфера представляет собой сравнительно тонкую оболочку в окрестности поверхности Земли, включающую области распространения живого вещества в почве, в воде, в нижнем слое атмосферы, а также и само живое вещество.
В.И. Вернадский разработал представления, по которым, биосфера включает живое вещество (т.е. все живые организмы), биогенное (каменный уголь, торф, гумус, мел, известняк, нефти и т.д.), биокосное (продукты распада и переработки горных и осадочных пород организма), а также радиоактивное вещество, вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль) и рассеянные атомы.
Биосфера – внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25-30км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3км. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты.
В современном понимании биосфера не среда жизни, а глобальная система, где в неразрывной связи существуют, с одной стороны, инертное вещество в твердой, жидкой и газовой фазах, а с другой, – разнообразные формы жизни и их метаболиты. Биосфера представляет собой единство живого вещества и пронизанной им наружной части земного шара. Живое вещество так же немыслимо без биосферы, как последняя без живого вещества.
Теоретическую основу биогеохимии составляет учение о живом веществе и биосфере, которое разработанное В.И. Вернадским.
Живое вещество в биосфере- это совокупность всех живых организмов, выраженная через массу, энергию и химический состав. Жизнь на Земле – самый грандиозный процесс, питаемый энергией Солнца и вводящих в движение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева. Все живое вещество по своей массе занимает ничтожное место по сравнению с любой из верхних геосфер земного шара. По современным оценкам, общее количество массы живого вещества в современную эпоху составляет около 2420·10¹²m, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли – атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду – в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в кратерах вулканов. Живое вещество занимает особое место и качественно отличается от других природных образований, входящих в состав биосферы.
Все растения планеты в результате фотосинтеза ежегодно создают более 100·109 m органических веществ. Примерно половина этого количества приходится на фотосинтез океана. При этом растения усваивают около 200·109 mCO2 и выделяют около 145·109 mO2. Поэтому, именно благодаря растениям с их способностью к фотосинтезу, на Земле оказалось возможным бурное развитие различных форм жизни.
Главным свойством, которым обладает живое вещество, является постоянный и непрерывный массообмен химических элементов с окружающей средой. По этой причине живое вещество играет роль ведущего фактора геохимической эволюции наружной части Земли.
Учение о живом веществе – одна из областей соприкосновения естествознания и философии. В феномене живого вещества много неясного и загадочного. Образование живого только из живого не получило пока научного объяснения и дает основание рассматривать жизнь не только как земное, но и как космическое явление.
Опираясь на труды Л. Пастера и П. Кюри, В.И. Вернадский считал, что живое вещество существует в особом пространстве, геометрия которого отличается от геометрии земных небиогенных тел. В.И. Вернадский был близок к взглядам другого выдающегося ученого и мыслителя XX в. – П. Тейяра де Шардена и разделял его идею о том, что «наличие жизни предполагает существование до беспредельно простирающейся преджизни». Не углубляясь в эти проблемы, можно уверенно констатировать весьма важное значение живого вещества для существующего химического состава наружных оболочек нашей планеты.[1]
2. Биогеохимические циклы
Живое вещество по массе составляет 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах.
Ежегодная продукция живого вещества составляет 232,5 млрд т сухого органического вещества. За то же время на планете фотосинтезируется 115·109 т кислорода. Для этого требуется, чтобы 170·109 т диоксида углерода прореагировало с 68·109 т воды. В процесс вовлекаются 6·109 т азота, 2·109 т фосфора, а также такие элементы, как калий, кальций, сера, железо.
Живое вещество является наиболее активным компонентом биосферы. Оно осуществляет гигантскую геохимическую работу, преобразовывая другие оболочки Земли в геологическом масштабе времени.
Все химические элементы живой материи циркулируют в биосфере по характерным путям, переходя из внешней среды в организмы, а затем возвращаясь во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называют биогеохимическими циклами (или круговоротами), причем «био» относится к живым организмам, а «гео»- к горным породам, воздуху и воде. Термин «биогеохимия» предложен академиком В.И. Вернадским.
В каждом цикле различают две части или два фонда:
-Резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент;
-Подвижный, или обменный, фонд – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.
Для биосферы в целом все биогеохимические круговороты делят на круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и осадочный цикл с резервным фондом в земле.
На рис.1 показана схема биогеохимического цикла в сочетании с упрощенной схемой однонаправленного потока энергии, приводящего круговорот веществ в движение. В природе, в отличие от данной схемы, элементы никогда не бывают распределены по экосистеме равномерно и не находятся всюду в одной и той же химической форме. Резервный фонд обозначен как фонд элементов питания, а обменный фонд изображен в виде заштрихованного кольца, идущего от автотрофов к гетеротрофам и затем возвращающегося к автотрофам.
Наличие больших резервных фондов в круговоротах углерода, кислорода и азота способствует быстрой саморегуляции соответствующих биогеохимических циклов при различных местных нарушениях. Так, избыток CO2, образовавшийся из-за интенсивного горения, достаточно быстро рассеивается в атмосфере и, кроме того, усиленное образование диоксида углерода компенсируется увеличением его потребления или превращением в карбонаты в море. Поэтому считается, что круговороты веществ, включающие в себя большие атмосферные фонды, в глобальном масштабе хорошо зарезервированы или, по выражению Ю.Одума, «хорошо забуферены», так как их способность приспосабливаться к изменениям велика. В результате саморегуляции по принципу обратной связи подобные биогеохимические циклы достаточно совершенны. Тем не менее саморегуляция даже при таком громадном резервном фонде, каким является атмосфера, имеет свои пределы.
Рисунок 1 – «Схема биогеохимического круговорота»
Условные знаки:
Pg – валовая продукция;
Pn – чистая первичная продукция, которая может быть потреблена гетеротрофами в данной экосистеме либо экспортирована, например, для нужд человека;
R – дыхание;
Р – вторичная продукция.
Осадочным циклам характерно, что основная масса вещества сосредоточена в относительно малоподвижном и малоактивном резервном фонде – в земной коре. Поэтому круговорот таких элементов, как фосфор или железо, значительно менее самоконтролируемый и достаточно легко нарушается даже при небольших местных помехах.[2]
3. Биогеохимические круговороты веществ в биосфере
3.1 Круговорот углерода
В ходе фотосинтеза атомы углерода переходят из состава углекислого газа CO2 в состав глюкозы и других органических веществ растительных клеток. Далее они переносятся по пищевым цепям, образуя ткани всех остальных живых существ экосистемы. Однако побывать в составе клеток живых организмов всех трофических уровней удается только малому числу атомов углерода, так как на каждом уровне большинство органических молекул расщепляется в процессе клеточного дыхания для получения энергии. После этого атомы углерода поступают в абиотическую часть окружающей среды в составе углекислого газа, чем завершается один цикл и создаются предпосылки начала другого цикла (Рис.2).
Рисунок 2- «Структурная схема круговорота углерода»
Аналогичным образом углерод возвращается в атмосферу при сжигании любых органических соединений, например древесины, сухой травы или листьев, а также ископаемого топлива.
Вывод части углерода из естественного круговорота экосистемы и «резервирование» в виде ископаемых запасов органического вещества в недрах Земли является важной особенностью рассматриваемого процесса. В далекие геологические эпохи значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, нм редуцентами, а накапливалась в виде детрита. Позже слои детрита были погребены под слоями различных минеральных осадков, где под действием высоких температур и давления за миллионы лет превратились в нефть, уголь и природный газ. Подобные процессы протекают и в настоящее время, но значительно менее интенсивно. Их результат- образование торфа.
В водных экосистемах прерывание круговорота углерода связано с включением СО2 в состав известняков, мела, кораллов в виде Са(СО)3 . при этом углерод исключается из круговорота на целые геологические эпохи.
3.2 Круговорот фосфора
Из всех макроэлементов фосфор - один из самых редких в доступных резервуарах на поверхности Земли. В природе он содержится в различных природных материалах в виде неорганического фосфат-иона (РО3- 4). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. При разрушении горных пород или выщелачивании атмосферными осадками соединения фосфора растворяются. Далее из водного раствора поглощается растениями и включается в состав их органических соединений, выступая в дальнейшем в форме «органического фосфата».
По пищевым цепям фосфор последовательно переходит от растений к организмам всех трофических уровней, и аналогично углероду в каждом из организмов велика вероятность окисления с целью получения необходимой для жизнедеятельности энергии. Если это происходит, то фосфат в составе мочи или ее аналога выводится из организма в окружающую среду, где может снова быть поглощен растениями и вновь запущен в круговорот(Рис.3).
Принципиально различие круговоротов фосфора и углерода состоит в наличии либо отсутствии газовой фазы на одном из этапов цикла. Диоксид углерода в газообразном состоянии, попадая в воздух, свободно распространяется в атмосфере, переносясь на неорганиченные расстояния, пока снова не будет усвоен растениями. В круговороте фосфора подобного этапа нет.
Попадая со сточными водами в водоемы, фосфат насыщает, а порой перенасыщает их экологические системы. Обратно на сушу фосфор в естественных условиях возвращается практически только с пометом и после гибели рыбоядных птиц. Абсолютное большинство фосфатов образует донные отложения, и круговорот вступает в свою самую замедленную фазу. Лишь геологические процессы, протекающие миллионы лет, реально могут поднять океанические отложения фосфатов, после чего возможно повторное включение фосфора в описанный круговорот.
Рисунок 3 – «Структурная схема круговорота фосфора»
Фосфор и другие минеральные биогены циркулируют в пределах экосистемы лишь тогда, когда содержащие их «отходы» жизнедеятельности откладываются в местах поглощения соответствующего элемента. В естественных экосистемах преимущественно так и происходит. Однако вмешательство человека, заключающееся в сборе урожая, содержащего извлеченные из почвы биогены, и перемещение его на большие расстояния к местам потребления нарушает круговорот. Отходы жизнедеятельности человека попадают преимущественно в водоемы. Изъятие фосфора из почв полей в современном сельском хозяйстве компенсируется внесением минеральных фосфорных удобрений, получаемых из природных апатитов, главным месторождением которых в нашей стране является Хибинское. Всего в мире ежегодно добывают 1-2 млн. т фосфорсодержащих пород[3] .
3.3 Круговорот азота
Азот входит в структуру всех белков и вместе с тем является наиболее литимирующим из биогенных элементов. Колоссальный резерв свободного молекулярного азота в атмосфере лишь в ничтожном размере затрагивается биотическим круговоротом. Общее отношение связанного азота к N2 в природе равно 1:100000. энергия химической связи в молекуле N2очень велика. Поэтому соединение азота с другими элементами- кислородом и водородом требует больших затрат энергии.
В биосфере фиксация азота осуществляется несколькими группами анаэробных бактерий и цианобактерий при нормальных температуре и давлении благодаря высокой эффективности биокатализатора. Считается, что бактерии переводят в связанную форму приблизительно 1млрд т азота в год. В клубеньковых бактериях бобовых растений фиксация азота осуществляется с помощью сложного ферментного комплекса, защищенного от избытка кислорода специальным растительным гемоглобином. Непосредственно продукт биофиксации- аминогруппа NH2 - включается в круговорот, в котором участвуют уже все организмы, но главную роль играют еще три группы почвенных и водных бактерий: нитрифицирующие, нитратообразующие и денитрифицирующие бактерии(Рис.4)
Промышленная фиксация
|
 |
Рисунок 4 – «Круговорот азота»
Круговорот азота в биосфере сопряжен с круговоротом углерода, так как соотношение между этими элементами в составе глобальной биомассы постоянно: С : N= 55 : 1. Соответственно и круговорот азота составляет около 1,5 Гт/год. Он замкнут настолько, насколько постоянны общая биомасса и состав экосферы, так как доступные для биоты резервуары связанного азота в почве и в воде достаточно велики по сравнению с круговоротом: приблизительно 40:1.[4]
3.4 Круговорот кислорода
В количественном отношении главной составляющей живой материи является кислород, круговорот которого осложнён его способностью вступать в различные химические реакции, главным образом реакции окисления. В результате возникает множество локальных циклов, происходящих между атмосферой, гидросферой и литосферой.
Кислород, содержащийся в атмосфере и в поверхностных минералах (осадочные кальциты, железные руды), имеет биогенное происхождение и должно рассматриваться как продукт фотосинтеза. Этот процесс противоположен процессу потребления кислорода при дыхании, который сопровождается разрушением органических молекул, взаимодействием кислорода с водородом (отщеплённым от субстрата) и образованием воды. В некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа. В основном он происходит между атмосферой и живыми организмами.
Потребление атмосферного кислорода и его возмещение растениями в процессе фотосинтеза осуществляется довольно быстро. Расчёты показывают, что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется около двух тысяч лет. С другой стороны, для того, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами, необходимо два миллиона лет. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа, и её масса составляет 5,9*1016 т. Масса кислорода, циркулирующего в биосфере в виде газа или сульфатов, растворённых в океанических и континентальных водах, в несколько раз меньше (0,4*1016 т).
Отметим, что, начиная с определённой концентрации, кислород очень токсичен для клеток и тканей (даже у аэробных организмов). А живой анаэробный организм не может выдержать (это было доказано ещё в прошлом веке Л. Пастером) концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1%.
3.5 Круговорот воды
Вода, как и воздух, - основной компонент, необходимый для жизни. В количественном отношении это самая распространённая неорганическая составляющая живой материи. Семена растений, в которых содержание воды не превышает 10%, относятся к формам замедленной жизни. Такое же явление (ангидробиоз) наблюдается у некоторых видов животных, которые при неблагоприятных внешних условиях могут терять большую часть воды в своих тканях.
Вода в трёх агрегатных состояниях присутствует во всех составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере и литосфере. Если воду, находящуюся в различных гидрогеологических формах, равномерно распределить по соответствующим областям земного шара, то образуются слои следующей толщины: для Мирового океана 2700 м, для ледников 100 м, для подземных вод 15 м, для поверхностных пресных вод 0,4 м, для атмосферной влаги 0,03 м.
Основную роль в циркуляции и биогеохимическом круговороте воды играет атмосферная влага, несмотря на относительно малую толщину её слоя. Атмосферная влага распределена по Земле неравномерно, что обуславливает большие различия в количестве осадков в разных районах биосферы. Среднее содержание водяного пара в атмосфере изменяется в зависимости от географической широты. Например, на Северном полюсе оно равно 2,5 мм (в столбе воздуха с поперечным сечением 1 см2 ), на экваторе - 45 мм.
О механизме гидрогеологического цикла было сказано выше – в разделе касающемся описания особенностей гидросферы. Вода, выпавшая на сушу, затем расходуется на просачивание (или инфильтрацию), испарение и сток. Просачивание особенно важно для наземных экосистем, так как способствует снабжению почвы водой. В процессе инфильтрации вода поступает в водоносные горизонты и подземные реки. Испарение с поверхности почвы также играет важную роль в водном режиме местности, но более значительное количество воды выделяют сами растения своей листвой. Причём количество воды, выделяемое растениями, тем больше, чем лучше они ею снабжаются. Растения, производящие одну тонну растительной массы, поглощают как минимум 100 т воды.
Главную роль в круговороте воды на континентах играет суммарное испарение (деревья и почва).
Последняя составляющая круговорота воды на суше – сток. Поверхностный сток и ресурсы подземных водоносных слоёв обеспечивают питание водных потоков. Вместе с тем при уменьшении плотности растительного покрова сток становится основной причиной эрозии почвы.
Как уже отмечалось, вода участвует и в биологическом цикле, являясь источником кислорода и водорода. Однако фотолиз её при фотосинтезе не играет существенной роли в процессе круговорота.
3.6 Круговорот серы
В биосфере сформировался достаточно развитый процесс циклических преобразований серы и ее соединений. Выделяются резервные фонды этого элемента в почве и отложениях (довольно обширные), а также в атмосфере (небольшие). В обменном фонде серы основная роль принадлежит специализированным микроорганизмам, одни виды которых выполняют реакцию окисления, другие — восстановления. На круговоротах азота и серы все больше сказывается промышленное загрязнение воздуха. Сжигание ископаемого топлива существенно увеличивает поступление в атмосферу (и. разумеется, содержание в ней) летучих окислов азота (NО и NО2,) и серы (SO2), особенно в городах. Нынешняя концентрация этих ингредиентов уже становится опасной для биотических компонентов экосистем.
3.7.Круговорот калия
Калий, как известно, принимает участие в процессах фотосинтеза, оказывает влияние на углеводный, азотный и фосфорный обмен, существенным образом сказывается на осмотических свойствах клеток. Он концентрируется в плодах и семенах, в интенсивно растущих тканях и органах растений.
Пока что малоизученным остается круговорот калия в водной среде. Каждый год с водным стоком в Мировой океан поступает около 90 млн т этого элемента. Какая-то часть поглощается водными организмами, но значительное количество нигде не фиксируется, и последующее его перемещение неизвестно.
Важной составной частью круговоротов является ионный и твердый сток. Круговорот химических элементов проходит, как правило, сразу в нескольких сопредельных оболочках Земли (атмосфере и гидросфере, гидросфере и педосфере) либо во всех трех геосферах одновременно. Надежность и постоянство осуществления круговоротов обеспечиваются регулярным обменом веществ и энергией между геосферами. Такого рода направленная связь наглядно проявляется на примере ионного стока, представляющего собой процесс выноса реками с суши химических элементов в ионном растворенном состоянии в Мировой океан. Поступившие в ионной форме химические элементы, как и на суше, в водной среде подвергаются воздействию живых организмов, продолжая круговорот. Миграция химических элементов в растворенном состоянии представляет собой гигантский планетарный процесс.
Твердое вещество поверхности Земли не остается неподвижным. Оно также участвует в миграции, перемещаясь поверхностными водами суши. Поверхностные воды наряду с элементами, мигрирующими в растворенном состоянии или с коллоидными частицами, переносят огромные массы обломков горных порол и минералов, называемые твердым стоком (по аналогии со стоком воды). Значительная часть твердого стока перемещается в пределах суши, но и объемы, попадающие в моря, достаточно велики. В Мировой океан с континентов поступает каждый год 22,13 млрд т обломочного и глинистого материала, что примерно в 7 раз превышает количество выносимых растворенных веществ.
4.Соотношение биогеохимии с геохимией, биологией и почвоведением
Биогеохимия методологически тесно связана с геохимией. Эти науки изучают распределение химических элементов в пространстве и во времени, возникновение и трансформацию разных форм нахождения элементов, процессы их миграции, проявления рассеяния и аккумуляции в разных природных условиях. Различие двух наук заключается в том, что геохимия преимущественно изучает поведение элементов в природных растворах, расплавах и продуктах кристаллизации, состояние и взаимопереходы которых определяются законами термодинамики, физической химии и кристаллохимии, а биогеохимия изучает миграцию и распределение химических элементов в биосфере, где главной движущей силой является деятельность организмов. Это различие такое же глубокое, как различие между неорганической и молекулярной химией. Разумеется, существуют природные обстановки и процессы, в которых действие законов геохимии и биогеохимии тесно переплетаются. Идеи В.И. Вернадского о планетарной роли живого вещества обогатили теорию геохимии и создали основу для выяснения некоторых важных геологических процессов, в том числе процессов осадочного рудообразования.
Биогеохимия связана и с другими науками о Земле, особенно с теми, что изучают состав горных пород, минералов, природных вод и газов, а также развитие природной среды на протяжении геологической истории.
Своеобразно складывались взаимоотношения идей Вернадского с биологическими науками. В.И. Вернадский полагал, что изучение живого организма изолированно от среды обитания методологически ошибочно, ибо и то, и другое неразрывно связаны. Он считал, что, изучая живые организмы, биологи в большинстве своих работ оставляют без внимания неразрывную связь, тончайшую функциональную зависимость, существующую между окружающей средой и живым организмом, заменяют сложные явления природы упрощенными моделями.
В то же время известно критическое отношение к биогеохимии представителей физико-химической биологии, которые не видели смысла в определении содержания химического элемента в организме без изучения его конкретных органических соединений, расшифровки их молекулярной структуры, изучения типа связей данного элемента с другими. Здесь уместно еще раз вспомнить, что главной задачей биогеохимических исследований является изучение массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Эта задача не входит в сферу интересов комплекса наук физико-химической биологии (биохимии, молекулярной и биоорганической химии), но близка к целям биологических наук, изучающих связи между организмами и средой их обитания: геоботаники, биоценологии и особенно экологии. Идеи и подходы биогеохимии весьма перспективны для развития экологии. Изучению массообмена в экосистемах уделяется большое внимание при экологических исследованиях.
Благодаря очень непродолжительным жизненным циклам микроорганизмов геохимический эффект их деятельности наглядно свидетельствует о справедливости главного положения биогеохимии: глубокой взаимозависимости состава окружающей среды и живого вещества. По этой причине принципы биогеохимии были органично восприняты микробиологией. С одной стороны, микробиологи установили закономерное преобразование химического состава воды замкнутых бассейнов под влиянием микробиологической деятельности и важную роль микроорганизмов в глобальном газовом режиме. С другой стороны, было обнаружено, что микроорганизмы, обитающие в илах и почвах (бактерии и актиномицеты), могут адаптироваться к сильно различающимся уровням концентрации кобальта, молибдена, меди, ванадия, урана, селена и бора. Эта способность передается по наследству, благодаря чему адаптация сопровождается перестройкой популяций микроорганизмов.
Важное место в развитии идей В.И. Вернадского о живом веществе и биосфере занимают его работы по геохимии почв. Ясно представляя, что ни в одном из природных образований нет такого тесного взаимопроникновения и взаимодействия живых организмов и неживого вещества, как в почве, Вернадский называл ее биокосным телом. Можно предполагать, что именно углубленное изучение почвы как части биосферы, максимально насыщенной жизнью, было одним из первых шагов в разработке В.И. Вернадским концепции живого вещества. Понятие о живом веществе было впервые им изложено в статье, написанной в 1919 г. и посвященной роли организмов в почвообразовании.
В.И. Вернадский рассматривал почву как центральное звено биосферы, где сходятся разнообразные миграционные циклы химических элементов. «С каждым годом… все яснее становится значение почвы в биосфере – не только как субстрата, на котором живет растительный и животный мир, но как области биосферы, где наиболее интенсивно идут разнообразные химические реакции, связанные с живым веществом».
В 1936 г. В.И. Вернадский ввел в науку понятие о педосфере, которое в настоящее время широко используется при глобальных геохимических построениях. Он отмечал, что химический состав Мирового океана тесно связан с мобилизацией химических элементов в педосфере и с планетарным миграционным циклом почвы – воды рек – воды океана. Не менее ответственную роль играет педосфера в газовом обмене. В.И. Вернадский считал, что многие химические элементы поступают в почву не столько из почвообразующих пород, сколько осаждаются из атмосферы и вновь уходят в нее, захватываясь ветром. Предположение Вернадского о циклической миграции химических элементов в системе почва – атмосфера подтвердилось спустя несколько десятилетий при изучении динамики аэрозолей, их «времени жизни» и дальности переноса.
Принципы биогеохимии оказались весьма перспективными для генетического почвоведения. Крупный почвовед, геохимик и географ Б.Б. Полынов, опираясь на идеи В.И. Вернадского, разработал учение о геохимии ландшафта. Последователи Б.Б. Полынова геохимики-почвоведы и геохимики-ландшафтоведы своими исследованиями способствовали развитию биогеохимии.
В настоящее время разграничение биогеохимических, эколого-геохимических, почвенно-геохимических и ландшафтно-геохимических исследований весьма условно.
5. Факторы влияющие на устойчивость функционирования экосистем
С экологической точки зрения среда обитания организма – это вся совокупность тел и сил внешнего по отношению к живому организму мира. Среда обитания характеризуется огромным разнообразием пространственных и временных элементов, условий и явлений, которые рассматриваются в качестве экологических факторов. Таким образом, экологический фактор – это любой элемент, условие или явление окружающей среды. Способные оказать прямое или косвенное влияние на живые организмы.
Экологические факторы классифицируются по нескольким критериям. Внешние факторы воздействуют на организм, популяцию, экосистему, но не испытывают непосредственного обратного действия: солнечная радиация, атмосферное давление, воздух, скорость течения воды, интенсивность заноса питательных веществ или семян, зачатков и особей других видов из других экосистем. В отличие от них внутренние факторы связаны со свойствами самой экосистемы и образуют ее состав: численность, плотность и структура популяции, пища и ее доступность, концентрации веществ, участвующих в экосистемном круговороте, состав и свойства воздушной, водной, почвенной среды.
Часто важно оценить значимость факторов, выделить главные и второстепенные. Те из них, без которых невозможны жизнь и развитие организма – пища, вода, тепло, свет, кислород – императивные факторы или условие существования. Другие, действующие не обязательно постоянно, но влияющие на различные проявления жизнедеятельности и распространения организмов, называют факторами воздействия.
По природе источников и характеру действия факторов среды разделяют на абиотические и биотические.
Абиотические факторы – это факторы неорганической природы. Это свет, температура, влажность, давление и другие климатические и геофизические факторы; природа самой среды – воздушной, водной, почвенной; химический состав среды, концентрация веществ в ней. К абиотическим факторам также относят физические поля( гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующую и проникающую радиацию, движение сред( акустические колебания, волны, ветер, течения, приливы), суточные и сезонные изменения в природе и другие внешние факторы периодичности или цикличности. Многие абиотические факторы имеют скалярное и векторное выражение, они могут быть охарактеризованы количественно и объективно изменены.
Биотические факторы – это прямые или опосредованные воздействия других организмов, населяющих среду обитания данного организма. Все биотические факторы обусловлены внутривидовыми и межвидовыми взаимодействиями. Внутривидовые факторы – это контакты между членами семьи, группы, стада, популяции одного вида – отношения полов, размножение, уход за потомством, взаимопомощь и защита или наоборот, возникновение внутривидовой конкуренции, отношений доминирования и подчинения, иерархии в стаде или популяции[5] .
Особую группу составляют антропогенные факторы. Проблемы народонаселения и ресурсов биосферы тесно связаны с реакциями окружающей природной среды на антропогенные воздействия. Естественное экологически сбалансированное состояние окружающей среды обычно называют нормальным. Это состояние, при котором отдельные группы организмов биосферы взаимодействуют друг с другом и с абиотической средой без нарушения равновесия круговоротов веществ и потоков энергии в пределах определённого геологического периода, обусловлено нормальным протеканием природных процессов во всех геосферах.
Природные процессы могут иметь катастрофический характер, например извержения вулканов, землетрясения, наводнения, что, однако, также составляет «норму» природы. Эти и другие природные процессы постепенно, с геологической скоростью, эволюционируют и в то же время в течение тысячелетий (на протяжении одного геологического периода) остаются в квазистатическом сбалансированном состоянии. При этом квазистатически протекают малый (биологический) и большой (геологический) круговороты веществ и устанавливаются квазистатические энергетические балансы между различными геосферами и космосом, что объединяет природу в единое целое. Круговороты веществ и энергии в биосфере характеризуются определёнными количественными параметрами, которые квазистатичны и специфичны для данного геологического периода и для каждого элемента земной поверхности в соответствии с их географией.
Обычно в качестве основных параметров, характеризующих состояние окружающей природной среды, выделяют следующие:
1. Энергетический:
Е = Е0 + DЕ,
где Е0 – запас энергии в системе в момент времени t0 ;
DЕ – энергетический баланс системы за время Dt, т.е. в период от t = t0 до t = t0 + Dt .
2. Водный:
W = W0 + DW,
где W0 – запас воды в системе в момент времени t0 ;
DW – водный баланс системы за время Dt, т.е. в период от t = t0 до t = t0 + Dt .
3. Биологический:
В = В0 + DВв - DВm ,
где B0 – начальная биомасса;
DВв – биологическая продуктивность;
DВm – минерализация органики за время Dt .
4. Биогеохимический:
G = G0 + DGв - DGg ,
где G0 – запас химических элементов в системе;
DGв и DGg – изменение запаса химических элементов вследствие биологического и геологического круговоротов веществ.
Эти параметры состояния окружающей среды могут быть количественно определены экспериментальным путём для каждой точки, района, крупного региона, природной зоны или ландшафтно-географического пояса, наконец, для земного шара в целом; они количественно характеризуют состояние и пространственную неоднородность среды.
Геохимический параметр состояния окружающей среды также существенно изменился, особенно в отношении биологического и геологического круговоротов. Под влиянием человеческой деятельности происходят большие изменения в распределении химических элементов в биосфере, природная и антропогенная трансформация веществ, а также переход химических элементов из одних соединений в другие. Природный биологический круговорот веществ нарушен человеком на площади, достигающей почти половины всей поверхности суши: антропогенные пустыни, индустриальные и городские земли, пашни, сады, вторичные низкопродуктивные леса, истощённые пастбища и т.д.
Нарушению геологического круговорота веществ способствовали такие факторы:
1. Эрозия почвенного покрова и возрастания твёрдого стока в океан;
2. Перемещение огромных масс земной коры;
3. Извлечение из недр значительных количеств руд, горючих и других ископаемых;
4. Перераспределение солей в почвах, грунтовых и речных водах под влиянием орошаемого земледелия;
5. Применение минеральных удобрений и ядохимикатов;
6. Загрязнение среды сельскохозяйственными, промышленными и коммунальными отходами;
7. Поступление в природную среду энергетических загрязнений.
Таким образом, исследование изменений параметров состояния окружающей природной среды (хотя и на качественном уровне) позволяет сделать вывод об отсутствии в настоящее время глобального экологического кризиса. В то же время есть все основания считать теперешнее состояние биосферы нарушенным и аномальным. Такое состояние может перейти в кризисное, если человечество не проведёт специальные мероприятия по оздоровлению окружающей его среды.
6. Практическое значение биохимии
По причине того, что основные виды производственной деятельности людей – сельское хозяйство и промышленность – осуществляются на суше, направленность практического использования биогеохимии также связана с изучением процессов, протекающих в пределах Мировой суши. До последних лет основное практическое применение биогеохимии было связано с деятельностью геологической службы, с так называемым биогеохимическим методом поисков месторождений полезных ископаемых. Сущность этого метода заключается в выявлении участков повышенных концентраций рудообразующих элементов в растениях, продуктах их отмирания и метаболизма. Участки повышенных концентраций металлов в растениях и верхнем горизонте почвы – биогеохимические аномалии – дают основание предполагать наличие на глубине залежей руд, не выходящих на поверхность. В этом случае биогеохимические аномалии могут рассматриваться как ореолы рассеяния рудных аккумуляций. Они образуются в результате вовлечения металлов в биологический круговорот и накопления их в растительности и почве. Применение биогеохимического метода поисков месторождений полезных ископаемых в труднопроходимых лесных районах или на территориях, перекрытых рыхлыми аллохтонными отложениями, облегчает обнаружение месторождений и способствует удешевлению комплекса геолого-поисковых работ.
Опыт применения биогеохимического метода в нашей стране обобщен в трудах А.П. Виноградова (1954), Д.П. Малюги (1963), А.Л. Ковалевского (1984).
Биогеохимические исследования сыграли важную роль в открытии многих месторождений руд цветных и редких металлов, сырья для атомной промышленности и других полезных ископаемых. В настоящее время биогеохимический метод значительно усовершенствован, имеются его различные варианты, разработанные с учетом достижений биогеохимии и современных технических возможностей.
Второе направление биогеохимии, важное в практическом отношении, заключается в изучении влияния содержания химических элементов в окружающей среде на организмы животных и человека. Подчеркнем, что речь идет о концентрации химических элементов, обусловленной исключительно природными факторами. В отдельных районах геохимические отклонения настолько велики, что вызывают ответные, часто патологические реакции организмов. Такие районы получили название биогеохимических провинций (Виноградов А.П., 1962).
В.В. Ковальский и его сотрудники (1974) обнаружили связь между продуктивностью сельскохозяйственного скота и избытком и недостатком бора, кобальта, меди, молибдена, селена. Аналогичные исследования в 1973 г. были выполнены в Англии и Ирландии под руководством Дж. Уэбба (1964, 1966), в США – Р. Ибинсом и др.
В некоторых местах установлено влияние содержания микроэлементов в питьевой воде и местных продуктах на здоровье человека. Одним из первых за рубежом к этой проблеме привлек внимание канадский биогеохимик Х. Уоррен (1961). Помимо широко известных примеров заболевания щитовидной железы от недостатка йода необходимо отметить интересное исследование о связи содержания микроэлементов в почвах и растениях с сердечнососудистыми заболеваниями в Джорджии (США), проведенное X. Шаклеттом (1970). Финский геохимик М. Сальми (1963) обнаружил связь между содержанием свинца в горных породах и заболеванием рассеянным склерозом. Для организации методико-гигиенических мероприятий была разработана методика картографирования природных геохимических условий (Добровольский В.В., 1967).
Во второй половине прошлого столетия было развернуто изучение микроэлементов в связи с проблемами сельского хозяйства и медицины. Одним из инициаторов этих исследований стал крупный отечественный почвовед В.А. Ковда. В нашей стране начиная с 1950 г. систематически проводились научные конференции по проблемам микроэлементов: в Москве (1950), Баку (1954), Риге (1958), Киеве (1962), Улан-Удэ (1966), Ленинграде (1970), Риге (1975), Ивано-Франковске (1978), Кишиневе (1981), Чебоксарах (1986) и Самарканде (1990). Биогеохимики принимали активное участие в этой деятельности. Информация о результатах изучения биогеохимии микроэлементов в разных научных центрах публиковалась в ежегодных сборниках в форме систематических обзоров. Наиболее значительны достижения в изучении микроэлементов в системе почва – растения. Под руководством В.А. Ковды и Н.Г. Зырина впервые были составлены карты содержания бора, марганца, цинка, меди и молибдена в почвах на обширной территории Восточно-Европейской равнины.
Рассмотренные выше направления существуют длительное время и стали традиционными в биогеохимии. Третье направление начало складываться в конце 1960-х – начале 1970-х гг. и окончательно определилось в 1972 г. после Стокгольмской конференции ООН, посвященной проблемам состояния и охраны окружающей среды.
Мировое сообщество серьезно озабочено тем, что производственная деятельность достигла опасного уровня и стала отрицательно сказываться на состоянии природы. Предпринимаются усилия по координации исследований в области изучения содержания и распределения опасных загрязнителей и разработке национальных и международных программ, направленных на организацию контроля за загрязнением окружающей среды, изучением закономерностей, поддерживающих нормальное состояние биосферы. Были созданы программы ООН по окружающей среде (UNEP – UnitedNationEnvironmentProgramme), глобального мониторинга (GEMS – GlobalEnvironmentalMonitoringSystem), «Человек и биосфера» (МАВ – ManandtheBiosphere), «Глобальные изменения» (GlobalChanges). Программы курируют ЮНЕСКО и Научный комитет по проблемам окружающей среды Международного союза научных обществ (SCOPE – ScientificCommitteeonProblemsoftheEnvironment).
Биогеохимия, предметом изучения которой служат процессы миграции и массообмена химических элементов, связывающих в единое целое окружающую среду и живые организмы, может стать теоретической основой для комплексных биосферных исследований и осуществления упомянутых выше программ. Биогеохимики принимают самое активное участие в изучении современного геохимического состояния природных систем и их трансформации под воздействием хозяйственной деятельности человечества.
На Стокгольмской конференции ООН среди приоритетных загрязнителей были названы тяжелые металлы. Их воздействие на живые организмы привлекло пристальное внимание ученых. Результаты исследований в этой области были рассмотрены на серии конференций, посвященных проблеме «Тяжелые металлы в окружающей среде» («HeavymetalsintheEnvironment»). Первая конференция была проведена в Торонто (Канада) в 1975 г., затем в Амстердаме (Нидерланды) в 1991 г., в Гейдельберге (Германия) в 1983 г. и в Афинах (Греция) в 1985 г.
По инициативе Доми С. Адриано, руководителя отдела биогеохимической экологии Саванахской экологической лаборатории США, были предприняты усилия по консолидации исследований в области биогеохимии рассеянных элементов на международном уровне в форме регулярных международных конференций: InternationalConferenceontheBiogeochemistryofTraceElements – ICOBTE. Первая конференция ICOBTEсостоялась в г. Орландо (США) в 1990 г., вторая – в Тайбее (Тайвань) в 1994 г., третья – в Париже (Франция) в 1995 г., четвертая – в г. Беркли (США) в 1997 г., пятая – в Вене (Австрия) в 1999 г., шестая – в г. Гуэлф (Канада) в 2001 г., седьмая предполагается в г. Упсала (Швеция) в 2003 г.
Результаты биогеохимических исследований публикуются в периодической научной литературе многих стран. Среди отечественных журналов – это «Почвоведение», «Вестник МГУ» (серии почвоведения и географии), «География и природные ресурсы». Ценные материалы печатаются в трудах биогеохимической лаборатории Российской Академии Наук.
Следует обратить особое внимание на актуальность преподавания основ биогеохимии для подготовки специалистов естественного профиля в высшей школе. Знание теоретических основ биогеохимии необходимо для предотвращения экологически негативных последствий хозяйственной деятельности людей и нейтрализации уже возникших экологических обострений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нужно отметить, что биосфера — не только идеально организованная система, но и своеобразный «механизм», в котором связь и соотношение между живым и косным веществом подчиняются строгим закономерностям, как законы движения небесных светил. Геохимически эти функции жизни осуществляются благодаря размножению организмов. Живое вещество преодолевает сопротивление среды, стремиться распространиться.
Но в результате деятельности человека антропогенное влияние на биосферу и ее компоненты объективно увеличивается.
Биогеохимичсские циклы биогенных элементов, участвующих в природных круговоротах, отработаны эволюционно и не приводят к накоплению отходов. Человек же использует вещество планеты крайне неэффективно; при этом образуется огромное количество отходов, многие из которых переводятся из пассивной формы, в которой они находились в природной среде, в активную, токсичную форму. В результате биосфера «обогащается» несвойственными ей соединениями, т.е. нарушается естественное соотношение химических элементов и веществ.
Подводя итог всему выше сказаному, можно сделать вывод, что экология имеет весьма сложную структуру которую не нужно нарушать и нужно находить пути решения возникающих проблем.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акимова Т.А., Кузьмин А.П., Хаскин В.В. / Экология. Природа – Человек –Техника: Учебник для вузов.-М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2001
2. В.Е. Болтнев, Ю.В.Зайцев/ Экология. Учеб. пособие. Рязань,2003.
3. Вернадский В.И. Биогеохимические очерки. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1940.
4. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. /Экология: Учеб. Для вузов.-2-е изд.,М.: Дрофа,2003.
5. Николенко Н.С. Экология и экономика: Учеб. пособие для студ. экон. вузов и специальностей- Рязань,1999.
6. Попова Н.В.. Экологический мониторинг/ Диагностика устойчивости экосистем по интенсивности процессов трансформации органического вещества.
7. Протасов В.Ф.. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России: Учеб. и справ. пособие.-2-е изд., М: Финансы и статистика,2000.
[1] Вернадский В.И. Биогеохимические очерки. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1940. – с. 198
[2] Н.И. Николайкин, Н.Е. Николайкина, О.П. Мелехова/Экология: Учеб. Для вузов.-2-е изд.,М.: Дрофа,2003.-с.276-278
[3] Н.И. Николайкин, Н.Е. Николайкина, О.П. Мелехова/Экология: Учеб. Для вузов.-2-е изд.,М.: Дрофа,2003.-с.166
[4] Т.А. Акимова, А.П. Кузьмин, В.В. Хаскин / Экология. Природа – Человек –Техника: Учебник для вузов.-М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2001.-с.63-65
[5] В.Е. Болтнев, Ю.В.Зайцев/ Экология. Учеб. пособие. Рязань.-2003.-с.10-15