8. Биосфера – особая оболочка планеты — Опорный конспект лекций Основные понятия, термины, законы, схемы Для студентов…

^
Биосфера – особая оболочка планеты, объемлющая все формы активной жизни. В более развернутом плане под биосферой понимается нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, включающие совокупность всех живых организмов. Исторически сложившаяся многоуровневая, саморегулирующаяся система.
Биосфера — «область жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа. Целостное учение о биосфере было создано в начале 20 века академиком В. И. Вернадским, согласно которому биосфера представляет собой одну из геологических оболочек земного шара, глобальную систему земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов – живого вещества.
Биосфера имеет определенные границы и охватывает относительно небольшой слой поверхностных оболочек нашей планеты. Каждая из геологических оболочек имеет свои специфические свойства, которые определяют не только набор форм живых организмов, обитающих в данной части биосферы, но и их основные морфофизиологические особенности. При этом атмосфера, гидросфера и литосфера предстают не только как емкости, заполненные жизнью, но как основные среды жизни, активно формирующие ее состав и биологические свойства. Биосферу, как местообитание организмов, можно разделить на три подсферы:
— геобиосфера (верхняя часть литосферы, населенная геобионтами);
— гидробиосфера (океаны, моря и континентальные пресные воды, населенные гидробионтами);
— аэробиосфера(нижняя часть атмосферы, населенная тропобионтами, до 22-24км, где располагается озоновый слой).
Биосфера как целое образует единую экологическую систему Земли, в которой сконцентрировано живое вещество планеты – биота.
Биота – совокупность взаимосвязанных и независимых биологических видов, объединенных общей областью распространения; исторически сложившийся комплекс живых организмов. Различают биоту Земли, государства, гидросферы и т.д.

1. Биосфера – закономерный продут эволюции планеты Земля. 2. Биосфера Земли – большая (глобальная) открытая система, у которой на входе – поток солнечного излучения, а на выходе – минералы (вещества), образовавшиеся в процессе жизнедеятельности организмов и выпавшие из биогеохимических циклов (биогеохимического круговорота). Например, уголь, торф, нефть, горючие сланцы и т.п. 3. Биосферу Земли можно рассматривать как кибернетическую систему, обладающую свойством саморегулирования, что обеспечивается живыми организмами. Примером может служить практически постоянный солевой состав мирового океана, хотя реки ежегодно несут в него значительное количество различных химических соединений, в том числе около 2,5 млн.т карбоната кальция. 4. Огромное внутренне разнообразие биосферы определяет её устойчивость, обеспечивающую блокирование (нейтрализацию) внешних и внутренних возмущений, вплоть до возмущений, носящих катастрофический характер. 5. Биосферу как особую динамическую систему отличает неравновесность, определяемая принципом Бауэра (принципом устойчивого неравновесия живых систем). 6. Биосфера – это не тонкая непрерывная “пленка” живого вещества планеты, а единая сложная организация, созданная сообществами дискретных организмов.
7. Оводненность биосферы – еще одна из её отличительных особенностей. В биосфере практически нет воды без жизни (исключение – воды вулканов и некоторые рассолы) и, что более понятно, жизни без воды.
8. Химические процессы в биосфере протекают или при непосредственном участии живых организмов, либо в среде, чьи физико-химические свойства в значительной мере определяются деятельностью различных организмов на протяжении длительного времени геологической истории Земли. Например, кислород атмосферы, являющийся продуктом фотосинтеза, обновляется при участии хлорофилла растений каждые 2 тысячи лет.
9. Биосфера способна к эволюции, к переходу в высшую стадию развития, называемую ноосферой – сферой разума.

Оболочка планеты
Состав, мас. %
Атмосфера
O – 23,15 %, N – 75,52 %
Гидросфера
O – 88,8 %, H – 11,2 %
Литосфера
O – 50 %, Si – 26 %
Биосфера (биота)
O – 70 %, C – 18 %

Элемент
Содержание, % от живой массы
Элемент
Содержание, % от живой массы
O
70
Mg
4٠10-2
C
18
Cl
2٠10-2
H
10,5
Na
2٠10-2
Ca
5٠10-1
Fe
1٠10-2
N
3٠10-1
Al
5٠10-3
K
3٠10-1
Ba
3٠10-3
Si
2٠10-1
Sr
2٠10-3
P
7٠10-2
Mn
1٠10-3
S
5٠10-2
B
1٠10-3

накопление живым веществом
Элемент
Концентрируется при фотосинтезе, т
Мировые запасы сырья, т
Элемент
Концентрируется при фотосинтезе, т
Мировые запасы сырья, т
C
1011
1012
Co
105
106
P
109
1010
Ni
106
107
Cr
105
108
Cu
107
108
Mn
107
108
Zn
107
107
Fe
108
1011
Mo
105
106

Специфической чертой биосферы как особой оболочки Земли является происходящий в ней круговорот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. Живое вещество выполняет в биосфере следующие биогеохимические функции: – газовую (поглощает и выделяет газы); – окислительно-восстановительную (окисляет, например, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов); – концентрационную (организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний и другие элементы).

Функции
Краткая характеристика процессов
Энергетическая
Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе, химической энергии в результате разложения энергонасыщенных веществ; передача энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества.
Концентрационная
Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества, используемых для построения тела организма и удаляемых из него при метаболизме.
Деструктивная
Минерализация био- и небоигенного органического вещества; разложение неживого неорганического вещества; вовлечение образовавшихся веществ в биологический круговорот.
Средообразующая
Преобразование физико-химических параметров среды.
Транспортная
Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.
– это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере. Геологический (большой) круговорот веществ связан с образованием и разрушением различных форм рельефа в результате геологических процессов при участии энергии Солнца (горообразование, выветривание горных пород, подъем новых материков). Геологический круговорот протекает без участия живых организмов и охватывает обширные области за пределами биосферы.
Движущей силой биологического (биогеохимического или малого) круговорота веществ является деятельность живых организмов, а главным источником энергии является солнечная радиация. Он совершается в пределах биосферы, а его интенсивность определяется в первую очередь температурой окружающей среды и количеством воды (в тропиках скорость круговорота выше, чем в тундре).
Движущей силой антропогенного круговорота веществ является хозяйственная деятельность человека, которая приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды, что обусловливает незамкнутость антропогенного круговорота (обмена) веществ.
Из всех химических элементов наиболее важными для организмов и наиболее значимыми для биосферы являются круговороты основных элементов, входящих в состав живого вещества: углерода, кислорода, азота, фосфора и серы, поскольку они являются компонентами для построения основных молекул живого вещества — углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Эти круговороты создаются живым веществом и одновременно поддерживают жизнедеятельность самих живых организмов. В процессе фотосинтеза за год зелеными растениями потребляется 480 млрд т вещества, уходит в атмосферу 250 млрд т свободного кислорода; при этом создается 240 млрд т живого вещества, в круговорот вовлекается 1,0 млрд т азота, 260 млн т фосфора, 200 млн т серы. За время существования биосферы свободный кислород атмосферы обновлялся не менее миллиона раз, а воды Мирового океана прошли через биогенный цикл не менее 300 раз.
Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода совершает большой и малый круговороты, непрерывно переходя из одного состояния в другое. Испарение воды с поверхности океана, перенос и конденсация водяного пара в атмосфере, выпадение осадков на поверхность океана или на сушу с последующим возвращением воды в океан с речным и подземным стоком образуют большой круговорот. Взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, круговорот воды связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу.
Активность водообмена (по М.И Львовичу)
Часть гидросферы
Объем, тыс. км3
Активность водообмена, число лет
Океан
1 370 000
3 000
Подземные воды В том числе зоны активного водообмена
60 000
5 000
4 000
300
Полярные ледники
24 000
8 000
Поверхностные воды суши
280
7
Реки
1,2
0,030
Почвенная влага
80
1
Пары атмосферы
14
0,027
Вся гидросфера
1 454 000
2 800
Малый круговорот воды отличается тем, что он происходит в пределах экосистемы, представляя собой круговую циркуляцию воды между гидросферой, почвой, атмосферой, растениями, животными и микроорганизмами.
Круговорот углерода в биосфере начинается с поглощения СО2 при фотосинтезе зелеными растениями и фотосинтезирующими водорослями, включает прохождение углерода по цепям питания в составе разнообразных органических соединений и заканчивается выделением углерода в составе СО2, образующегося при окислении органических веществ в процессе дыхания всех видов организмов или их разложения после гибели. Часть углерода может выводится из круговорота и при последующем захоронении детрита накапливаться в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики или осадочных горных пород. Теперь человечество в огромных количествах добывает ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии и, сжигая его, в определенном смысле завершает круговорот углерода, возвращая в атмосферу углекислый газ.
Другой путь углерода связан с созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31- и CO32-, а затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями с образованием залежей известняков.
Круговорот углерода неразрывно связан с круговоротом кислорода – одного из наиболее активных газов, занимающего в составе земной атмосферы второе место после азота. Круговорот кислорода весьма сложен, поскольку он входит в состав множества химических соединений минерального и органического миров, но одним из ключевых звенев его также является СО2 В течение геологической истории Земли содержание СО2 в атмосфере все время снижалось, составляя когда-то 60%, но за последние 100 лет его концентрация вновь стала возрастать и, увеличилась на 25%, что, при сохранении этой тенденции, по мнению многих, может привести к глобальному потеплению. Парниковым эффектом (т.е. способностью задерживать тепловое излучение Земли в космос) обладают многие газы: фреоны (хлорфторуглероды, например — CCl2F2), метан CH4, оксиды азота, пары воды и другие, однако СО2 обеспечивает около 60% этого эффекта, последствиями которого может стать повышение уровня Мирового океана и затопление прибрежных территорий, изменение климата и усиление штормовой активности, смещение климатических зон, таяние многолетней мерзлоты и т.д.
С циркуляцией кислорода связана также проблема разрушения озонового слоя атмосферы, куда в результате человеческой деятельности попадают сотни веществ, многие из которых являются парниковыми газами и разрушителями озона: например, соединение хлора и брома, оксиды азота и серы и т.д. По прогнозам при сокращении озонового слоя на 5% поток ультрафиолетового излучения увеличится на 10%, а количество заболеваний раком кожи – на 20-30%.
является примером саморегулирующегося цикла с большим резервным фондом в атмосфере, в который азот составляет 78%. Большую роль в этом цикле играют микроорганизмы — азотфиксаторы (клубеньковые бактерии бобовых растений, некоторые водоросли и грибы), переводящие N2 в нитраты, доступные остальным растениям, от которых по пищевым цепям он передается другим организмам экосистемы. Продукты их жизнедеятельности и мертвые тела, разлагаясь с помощью бактерий, возвращают азот в почву, главным образом в аммонийной (NH4+) форме, которую некоторые бактерии — нитрификаторы могут переводить в нитритную (NО2-) или нитратную форму (NО3-), усваиваемые любыми растениями. Восстановление связанного азота до газообразного N2 или оксидов азота NxOy осуществляется бактериями – денитрификаторами.
Проблемы, связанные с круговоротом азота заключаются в том, что для повышения продуктивности агроценозов, человек вносит в почву азотные удобрения, которые усваиваются не более чем на 50%. Смытые в реки нитраты приводят к эвтрофированию водоемов, а накопленные в овощах могут вызвать отравление. Оксиды азота, которые образуются в двигателях внутреннего сгорания и входят в состав фотохимического смога, взаимодействуя на свету с не полностью сгоревшими углеводородами топлива, образуют ядовитые озон и ПАН (пероксиацетилнитрат). Кроме того окислы азота в некоторых районах дают до 40% кислотных дождей, под воздействием которых не только гибнут природные сообщества, но и разрушаются памятники архитектуры.
Кислотные дожди связаны и с круговоротом серы, который имеет свои особенности. Сера – биогенный элемент, который почти не бывает в дефиците, имея обширный резервный фонд в почве в виде сульфатов и образуя свыше 420 минералов. В круговороте серы наряду с геохимическими и метеорологическими процессами большую роль играют микроорганизмы, одни из которых выполняют функцию окисления (например, аэробное окисление H2S до SO42- серо- и тиобактериями) а другие восстановления (анаэробное восстановление SO42- до H2S сульфатредуцирующими бактериями). Сульфат SO42- — это основная доступная для живых организмов форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки.
это пример осадочного цикла с резервным фондом в земной коре, где, входя в состав различных минералов, фосфор содержится в виде неорганического фосфат-иона PO43-, который поглощают растения, включая фосфор в состав различных органических соединений, передаваемых по пищевым цепям всем прочим организмам экосистемы. В процессе клеточного дыхания фосфаты вновь поступают в окружающую среду, после чего могут снова поглощаться растениями и начинать новый цикл.
В отличие от углекислого газа, который свободно переносится воздушными потоками, у фосфора нет газовой фазы и, попадая в водоемы, он аккумулируется там, насыщая, а иногда и перенасыщая их экосистемы. Фосфор и другие минеральные биогены циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их "отходы" жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента, как это и происходит в естественных экосистемах, но когда в их функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя например, удобрения или урожай вместе с аккумулированными биогенами на большие расстояния к потребителям. Связующим и важнейшим составным элементом биосферы и всех других оболочек планеты является кислород:
Несмотря на то, что в состав живых организмов входят те же химические элементы, соединения которых образуют атмосферу, гидросферу и литосферу, организмы не повторяют полностью химического состава среды.

Для химических процессов в биосфере характерны следующие особенности: – участие в химических и биохимических реакциях большого числа органических и неорганических веществ; – протекание химических реакций смешанного типа, часто без непосредственного контакта взаимодействующих веществ (например, окислитель и восстановитель в живых организмах в большинстве случаев находятся в разных частях тела); – неравновесность процессов;
– участие в химических реакциях живых организмов.

Фотосинтез:
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
Дыхание:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Превращение солей в организме человека на примере PbCO3:
PbCO3 + 2HCl = PbCl2 + H2CO3
(с кислотой желудочного сока)
PbCO3 + 2NaOH = [Pb(OH)]2CO3 + Na2CO3
(в щелочной среде кишечника)
PbCO3 + H2S = PbS + H2CO3
(в толстой кишке) Образование «зубного камня»:
3Ca2+ + 2PO43- = Ca3(PO4)2

Оцените статью
Добавить комментарий