Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Вопрос 1. Роль живого вещества в биогенной миграции атомов.
Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов в биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности.
Между всеми формами вещества биосферы, ее косными телами и живыми существами непрерывно идет обмен веществом и энергией. Говоря словами Вернадского, живые организмы вовлекают косное вещество в биогеохимические круговороты, вызывают биогенную миграцию атомов.
Биогенная миграция атомов пронизывает всю биосферу, и именно она создает ее как материальное тело. Энергию для миграции атомов организмы получают из Космоса. В этом проявляется космическая, планетная роль живого вещества.
Областью наивысшей геохимической активности живого вещества является почва. Почвой называют поверхностные слои горных пород, измельченные и переработанные совместным действием климата и живых организмов. Образование почвы В. И. Вернадский считал важнейшим этапом эволюции биосферы.
Правильный, естественный ход, замкнутость и непрерывность биогеохимических круговоротов веществ являются главным фактором, определяющим устойчивость биосферы.
Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского имеет важное теоретическое и практическое значение. Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО, Н2 и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое существовало на Земле в течение всей геологической истории. Согласно закону биогенной миграции атомов, понимание общих химических процессов, протекавших и протекающих на поверхности суши, в атмосфере и заселенных организмами глубинах литосферы и вод, а также геологических слоях, сложенных прошлой деятельностью организмов, невозможно без учета биотических факторов, в том числе эволюционных.
Живое вещество играет ведущую роль в круговороте веществ в природе и осуществляет важнейшие биохимические функции:
· Газовая функция заключается в поглощении растениями диоксида углерода и выделении кислорода в процессе фотосинтеза (при дыхании растений и животных, наоборот, поглощение кислорода и выделение диоксида углерода), в восстановлении азота сероводорода и других газов, то есть в поддержании постоянства газового состава атмосферы.
· Концентрационная функция заключается в поглощении и накоплении в живых организмах различных химических элементов – углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы, йода, железа и других. Благодаря этой функции на определенном этапе развития биосферы растения обогатили атмосферу кислородом и значительно снизили концентрацию диоксида углерода; на местах массовой гибели животных и растений мы обнаруживаем отложения мела, нефти, угля и других полезных ископаемых.
· Окислительно-восстановительная функция заключается в восстановлении и окислении веществ в живых организмах, например восстановление диоксида углерода в процессе фотосинтеза и окисление их до диоксида углерода при дыхании.
Вопрос 2. Средообразующая роль живого вещества.
Живое вещество преобразует физико-химические параметры среды в условия, благоприятные для существования организмов. В этом проявляется еще одна главная функция живого вещества — средообразующая. Например, леса регулируют поверхностный сток, увеличивают влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом.
Можно сказать, что средообразующая функция - совместный результат всех рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота (в ходе фотосинтеза растения выполняют газовую функцию: поглощают углекислый газ и выделяют кислород); деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для организмов элементов.
Средообразующие функции живого вещества создали и поддерживают баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе человека. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия. Эту способность живого вещества к восстановлению благоприятных условий существования выражает принцип Ле Шателье, заимствованный из области термодинамических равновесий. Он заключается в том, что изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компенсации производимых возмущений. В теории управления аналогичное явление носит название отрицательных обратных связей. Благодаря этим связям система возвращается в первоначальное состояние, если производимые возмущения не превышают пороговых значений. Например, на повышение содержания углекислого газа в атмосфере биосфера отвечает усилением фотосинтеза, который снижает концентрацию кислорода. Таким образом, устойчивость биосферы оказывается явлением не статическим, а динамическим.
Средообразующая роль живого вещества имеет химическое проявление и выражается в соответствующих биогеохимических функциях, которые свидетельствуют об участии живых организмов в химических процессах изменения вещественного состава биосферы. 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 (также плодородны воды океана, рек и озер). Живое вещество выполняет следующие биогеохимические функции: газовые, концентрационные, окислительно-восстановительные, биохимические и биогеохимические, связанные с деятельностью человека.
Вопрос 3.рельефообразующая роль живого вещества и формирование коры выветривания.
Корой выветривания называются рыхлые продукты изменения горных пород, образующиеся под почвой, в том числе, и за счет поступающих из нее растворов.
В сложных процессах химического разложения минералов и горных пород велика роль организмов.
Область, населяемая «живым веществом», носит название биосферы. Биосфера охватывает всю гидросферу, нижние слои атмосферы и верхнюю оболочку литосферы. Эта охватываемая биосферой оболочка литосферы, простираясь на глубину, до которой проникают корни растений и распространяются микроорганизмы, составляет, очевидно, часть коры выветривания.
Кора выветривания, таким образом, не совпадает вполне с биосферой, но, во всяком случае, та ее часть, которая входит в состав биосферы, отмечается всеми свойственными живому веществу процессами. Здесь происходит и зарождение, и развитие, и распространение организмов, причем громадное количество их проводит в коре выветривания все стадии своего развития, вырабатывая специфические, приспособленные к существованию в земле, формы (например, земляные черви, низшие грибы и микроорганизмы почвы). В коре же выветривания протекают как разложение трупов и органических остатков, так и другие формы их превращения, которые оставляют скопления углерода в форме лигнита, антрацита, каменного угля, шунгита, углеводородов в форме нефти, озокерита, битуминозных сланцев и т.п. образований.
Все это дает нам право утверждать, что в коре выветривания наряду с расходованием и рассеянием энергии происходит и поглощение ее, и наряду с экзотермическими протекают эндотермические реакции. Эти эндотермические реакции не ограничиваются синтезом органических соединений в живом веществе, но, как это мы впоследствии узнаем ближе, проявляют себя во многих процессах, охватывающих и минеральные соединения. Так, например, наряду с окислением ювенильных сернистых соединений (FeS2,H2S), в коре выветривания под влиянием разложения органических остатков возникают процессы восстановления, и в частности сернокислые соли переходят в более активные сернистые соединения и даже свободную серу. В противоположность обычным при выветривании процессам образования гидратных соединений и карбонатов, здесь имеют место также процессы обезвоживания и освобождения углекислоты карбонатов.
И даже инертный азот воздуха проходит в коре выветривания при содействии микроорганизмов целый ряд форм своих соединений, обусловливающих достаточно энергичные процессы.
Биогенные процессы
Это формирование рельефа под воздействием живых организмов. Примеры: тропинки в лесах, искори, термитники, плотины, в тропических морях- коралловые рифы (окаймляющие, барьерные и атоллы).
Вопрос 4. Минералообразующая роль живого вещества.
Одной из форм взаимодействия косного и живого вещества является образование минералов, связанное с процессами жизнедеятельности организмов.
В.И. Вернадский со свойственной ему широтой и глубиной охвата явлений подчеркивал глобальное значение живого вещества в образовании различных минералов.
Эти идеи получили дальнейшее развитие в работах по изучению скелетов ископаемых организмов, которые, накапливаясь, образовывали горные породы органогенного происхождения. Невозможно также недооценить роль бактерий в формировании различных минеральных скоплений, а также почв. С течением времени умножались и расширялись знания относительно минералов органического происхождения.
Одно из важных направлений биоминералогии изучает явление минерализации в организме человека в период его становления и при протекании различных заболеваний. Появление минеральных образований в мочевом, желчном пузырях, в почках, а также тончайших кристаллических образований в других органах само по себе является заболеванием, но на ранних стадиях минерализации он не ощущается человеком. Появление минеральных
образований служит сигналом, указывающим на нарушение баланса в организме, нормального функционирования его органов и влечет за собой нарушение обмена веществ со всеми вытекающими последствиями.
|
Растения и животные оказывают на горные породы как механическое, так и химическое действие. |
|
Механически горные породы разрыхляют различные роющие животные: кроты, суслики, землеройки, сурки. В условиях влажного климата разрушительную роль играют... дождевые черви; в жарких странах — термиты. Говоря о химических процессах разрушения, надо иметь в виду те кислоты, которые выделяются из корневой системы растений в процессе их жизнедеятельности. |
Вопрос 5. Биогеохимическая зональность земли.
В пределах Мирового океана и на суше поступающая солнечная энергия реализуется различным образом. В океане распределение масс живого вещества существенно зависит от характера циркуляции вод, доставляющих элементы питания фотосинтезирующим организмам. Циклонический характер циркуляции обусловливает подъем в поверхностный слой океана глубинных вод, богатых растворимыми формами химических элементов. В результате обеспечивается питанием значительная масса фитопланктона и поддерживается его биогеохимическая деятельность. Антициклональный режим, способствующий слабой перемешиваемости вод и вследствие этого обедненности элементами питания поверхностного слоя воды, обусловливает ограниченное количество фитопланктона и, следовательно, других гидробионтов. Такие районы занимают обширные центральные части океанов.
Другим важным фактором распределения живого вещества в океане служит приуроченность значительных масс организмов к прибрежной зоне шельфа, куда выносятся элементы питания с суши и где толща воды интенсивно перемешивается, непрерывно восполняя убыль элементов в поверхностном слое.
Наконец, в пелагической части Мирового океана имеются области подъема глубинных вод, обогащенных химическими элементами, в которых нуждаются фитопланктонные организмы. К таким районам относятся области экваториальной и антарктической дивергенции. Масса организмов на единице площади в экваториальном поясе Мирового океана благодаря влиянию морских течений почти в 2 раза меньше, чем в арктическом и субантарктическом поясах, и в 10 раз меньше по сравнению с субарктическим.
Продукция фотосинтезирующих организмов на единице площади составляет (т/км2): в открытом океане – 100, в прибрежной зоне и на шельфе – 300, а в районах подъема глубинных вод –2200.
Вследствие названных причин система широтных поясов Мирового океана нарушена, во-первых, конфигурацией материков и обрамляющей их зоной шельфа, и во-вторых, океаническим течениями. Вместе с тем биогеохимическая зональность океана выражена достаточно отчетливо (табл. 4.43). Из представленных в таблице данных следует, что наибольшая масса фитопланктона на единице площади наблюдается в субарктическом и северном умеренном поясах, которые, как известно, обеспечивают две трети мирового улова рыбы. В то же время около 60 % площади поверхности Мирового океана приходится на экваториальный и тропические поясы и благодаря этому, несмотря на небольшую продуктивность единицы площади этой акватории, в этих поясах создается более половины годовой продукции фотосинтетиков океана. В процессе фотосинтеза органического вещества происходит связывание углекислого газа и выделение пропорционального количества свободного кислорода. Наименьшее количестве кислорода продуцируется в арктическом поясе.
На континентах картина биогеохимической зональности выглядит иначе. Казалось бы, интенсивность биологических и биогеохимических процессов на суше в любом случае должна возрастать по мере перехода от менее теплых поясов к более теплым. Однако, лимитирующим фактором использования энергии для химических, физико-химических, биологических процессов служит наличие воды. На поверхности суши от 95 до 99,5 % поступающей энергии расходуется на испарение и транспирацию воды растениями, на биологические процессы – от 0,5 до 5 %, на гипергенное преобразование минералов – сотые и тысячные доли процента. Полнота использования поступающей энергии в перечисленных процессах зависит от степени увлажнения: в засушливых районах показатель использования очень мал, а в хорошо увлажняемых районах достигает 70–80 %.
Распределение атмосферного увлажнения поверхности континентов не повторяеттермическую зональность. Годовое количество атмосферных осадков, режим их выпадения обусловливают неодинаковую степень увлажнения разных территорий внутри термических поясов, что влечет за собой различную интенсивность водной и биологической миграции химических элементов.
В результате испарения и транспирации основная часть выпавших осадков возвращается в атмосферу. Испаряющаяся влага регулирует тепловой режим, благодаря чему становится возможным существование живых организмов. Обмен воды на конкретной территории имеет определяющее значение для всех видов миграции химических элементов. Этот процесс оценивается количественно с помощью коэффициента относительной увлажненности Ку, который определяется как отношение суммы атмосферных осадков к величине испаряемости.
Анализ ареалов распространения почв всех типов позволил установить интервалы однотипной относительной увлажненности ландшафтов (табл. 4.44). Первые три интервала характеризуют территории различной степени аридности, три последние – гумидные территории. Интервал относительной увлажненности, характеризуемый коэффициентом 0,75 – 1,25 соответствует территориям с уравновешенным водным балансом.
В условиях одинаковой относительной увлажненности интенсивность миграционных, в том числе биогеохимических, процессов возрастает с увеличением количества поступающей солнечной энергии (радиационного баланса). При низкой относительной увлажненности аридных территорий влияние изменения величины радиационного баланса проявляется слабо. Поэтому биогеохимические процессы в экстрааридных ландшафтах высоких и низких широт имеют некоторые общие черты. В пределах гумидных территорий с увеличением относительной увлажненности влияние величины радиационного баланса возрастает, вследствие чего интенсивность массообмена химических элементов в гумидных ландшафтах тропиков и высоких широт сильно различается. Показатели, отражающие динамику масс органического вещества, синтезируемого основными зональными типами растительности суши, приведены в табл. 4.45.
Величина биомассы не дает представления о продуктивности типов растительности. Для этого необходим показатель годового прироста, ежегодной продукции растительности. Прямой пропорциональности между фитомассой и годовым приростом нет. Третий показатель – опад, т.е. величина ежегодно отмирающего растительного материала. Количество органического вещества, заключенного в опаде и в годовом приросте, очень близки. Эти два показателя характеризуют синтез и деструкцию органического вещества на протяжении года.
Отношение опада к фитомассе показывает, насколько прочно данный тип растительности удерживает синтезированное органическое вещество. В наибольше мере оно удерживается в лесах умеренного климата. Так, в таежных еловых лесах на опад расходуется от 2 до 4 % органического вещества фитомассы, в дубравах – около 1,5 %, во влажных тропических лесах – 5 %, а в растительности степей ежегодно отмирает почти все органическое вещество фитомассы.
Последующая эволюция отмершего органического вещества в разных биоценозах складывается по-разному. В тропических лесах опад быстро деструктурируется, а в лесах умеренного климата не успевает полностью перерабатываться. Поэтому под покровом лесов умеренного климата на почве лежит значительное количество (3000–3500 т/км2) мертвого органического вещества – лесной подстилки. В тропиках масса подстилки на одном квадратном километре в десятки раз меньше. В степях количество мертвого органического вещества – степного войлока – незначительное и уменьшается с повышением сухости климата.
Круговорот углекислого газа и степень выведения углерода из этого цикла в различных растительных формациях характеризуют коэффициентом аккумуляции углерода, который равен отношению количества углерода, связанного на единице площади в процессе годового фотосинтеза, к количеству углерода, выделившегося в виде СО2 за год за счет разрушения мертвого органического вещества. В настоящее время отсутствуют экспериментальные данные по непосредственному определению продуцирования СО2 в распространенных растительных формациях, однако ориентировочно считают, что крайние значения коэффициента аккумуляции углерода относятся к влажным тропическим лесам и пустыням (1), с одной стороны, и к тундрам (около 4 – 5), с другой стороны. Все остальные формации характеризуются промежуточными значениями коэффициента.
Соотношение масс углекислого газа, связанного в растительности в процессе фотосинтеза и выделенного из почвы, характеризуется коэффициентом аккумуляции органического вещества, который численно равен отношению массы мертвого органического вещества к массе ежегодного опада. Чем интенсивнее протекает процесс разрушения органического вещества и выделения СО2, тем меньше величина этого коэффициента (табл. 4.46).
Процесс фотосинтеза органического вещества растениями сопровождается выделением кислорода. Ориентировочные данные по геохимической деятельности основных типов растительности в этом направлении представлены в табл. 4.47. Наибольшей продукцией кислорода отличаются тропические и субтропические леса, наименьшей – пустынная и арктическая растительность. Абсолютная величина продуцирования кислорода не отражает истинный вклад той или иной растительной формации в обогащение атмосферы кислородом. Если в течение года вся масса опада разлагается, то соответственно расходуется весь кислород, выделенный при фотосинтезе прироста. Ясно, что кислород сохраняется в атмосфере только при условии систематического накопления в педосфере мертвого органического вещества. Следовательно, атмосфера обеспечивается кислородом вовсе не за счет самых продуктивных формаций типа тропических лесов. Основными поставщиками свободного кислорода на суше являются ландшафты умеренного и бореального поясов, где вследствие угнетения микробиологических процессов накапливается мертвое органическое вещество.
PAGE \* MERGEFORMAT 7