Южно-Уральский государственный университет

Дисциплина: Экологические основы охраны природы и рационального природопользования (краткий курс)

Л Е К Ц И Я 7

Тема: Биосфера и круговороты веществ в ней

(Состав и границы биосферы; круговорот кислорода; круговорот углерода; Круговорот воды; круговорот азота; круговорот фосфора; круговорот серы)

Состав и границы биосферы

Любой биогеоценоз (бгц) – составная часть (рис. 7.1) более крупного природного ландшафта, который составляет как бы вид местности (лес, степь, горный перевал т.п.). Ландшафты объединяются в физико-географические районы (Русская равнина, Западно-Сибирская низменность, Кавказ), где бгц связаны общим климатом, геологическим строением территории и возможностью расселения растений и животных. Совокупность сходных районов образует ландшафтные зоны (тундровую, таёжную, степную, пустынную). Все природные экосистемы связаны между собой через атмосферу и мировой океан и вместе образуют живую оболочку Земли, которую можно рассматривать как самую большую экосистему. Эта экосистема называется биосферой (рис. 7.1).

Хотя понятие биосферы впервые было предложено Ж.Б.Ламарком, создателем как такового учения о биосфере является русский учёный Владимир Иванович Вернадский (1863–1945), который в 1926 году ввёл этот термин в употребление.

Под биосферой он понимал ту часть планеты, где существует или когда-либо существовала жизнь (рис.46). В связи с различными физическими условиями биосфера может быть разделена на 3 среды:

Литосфера – верхняя часть земной коры. Жизнь здесь ограничивается температурой горных пород и подземных вод, а также содержанием кислорода. Самая большая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены бактерии, составляет ~4км.

Гидросфера – водная оболочка Земли. В океане жизнь распространена значительно глубже, она встречается даже на дне океанических впадин глубиной до 11км. Но в основном – в освещаемом и прогреваемом солнцем приповерхностном слое воды шириной около 20м.

Атмосфера – воздушная оболочка нашей планеты. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием там ультрафиолетового излучения солнца. Споры бактерий и грибов были обнаружены на высоте ~22км. Но в основном жизнь сосредоточена на высоте до 1,5км от уровня моря, общепринятой точки отсчёта.

Для жизни в биосфере две характеристики являются основными – это присутствие воды в жидком виде и постоянное проникновение солнечной радиации, которая является единственным источником энергии. Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют между собой, составляя целостную сложно организованную систему, развивающуюся по своим внутренним законам и под действием внешних сил, в том числе космических (солнечных излучений, гравитационных и магнитных полей небесных тел и т.п.).

По современным представлениям, развитие безжизненной геосферы, т.е. оболочки, образованной веществом планеты Земля, происходило в виде ранних стадий миллиарды лет назад. Изменения облика Земли были связаны с геологическими процессами, происходившими в земной коре, на поверхности и в глубинных слоях планеты – извержениями вулканов, землетрясениями, подвижками земной коры, горообразованиями и т.п..

В масштабах близких к современным биосфера существует по меньшей мере 180—200 млн лет. За это время в процессе биологической эволюции через жесткий естественный отбор пропущено на 2-3 порядка большее число видов организмов — микробов, грибов, растений и животных. С возникновением жизни сначала медленно и слабо, затем всё быстрее и значительнее стало проявляться влияние живой материи на геологические процессы Земли. Деятельность живого вещества, проникшего во все уголки планеты, привело к возникновению нового образования – биосферы, единой тесно взаимосвязанной системы геологических и биологических тел и процессов преобразования энергии и вещества. Современный вид планеты – результат деятельности живых организмов, которая началась ~3млрд лет назад. Живое вещество проделало огромную геохимическую работу, полностью преобразовав верхние оболочки Земли. Живые организмы несмотря на их ничтожную совокупную массу по сравнению с массой других геосфер Земли в результате интенсивного обмена веществ тысячекратно (в пределах 10³÷10⁵) пропустили через себя, через свои клетки, ткани, органы, кровь всю земную атмосферу, весь объем мирового океана, большую часть почв, гигантскую массу минеральных и органических веществ, колоссальное количество энергии. И не только «пропустили, но и видоизменили внешний облик и химизм планеты, по существу создав всю земную среду. Отсюда суждение В.И.Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества биосферы. Биогенная миграция веществ во многом определила формирование ландшафтов и природно-климатических зон.

Так, например, в результате процесса фотосинтеза, деятельности зелёных растений, образовался современный газовый состав атмосферы, от которого зависят окислительно-восстановительное равновесие среды, радиационный и тепловой режим на планете, спектральный состав достигающего поверхности Земли солнечного света. В атмосфере появился кислород. В свою очередь на активность фотосинтеза существенно влияет концентрация углекислого газа в атмосфере, наличие влаги и тепла. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздуха, рек и озер, от них во многом зависит соленой состав природных вод и распределение многих химических веществ между сушей и океаном. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие. Почва является целиком результатом совместной деятельности живых организмов и неживой природы (материнских горных пород и минералов; а также климата, сейсмических процессов, физических полей и т.п., т.е. геолого-климатических условий). Таким образом, совокупность живых организмов — биота биосферы — выполняет мощную средообразующую функцию.

Более 99% энергии, поступающей на Землю – это энергия солнечных излучений. Она используется в физических и химических процессах биосферы: перемещение воздушных масс, выветривание, испарение, растворение минералов, поглощение газов и т.д.. Но только при создании органического вещества в процессе фотосинтеза солнечная энергия связывается и запасается на очень длительное время. Это и есть основная планетарная функция живого вещества – концентрационная. Некоторая несбалансированность процессов разложения и синтеза органического вещества когда некоторая его часть накапливается, ведёт к появлению залежей угля, нефти и других органических энергетических веществ., образовывающихся на протяжении очень длительного времени. В результате жизнедеятельности микроорганизмов в больших масштабах осуществляются процессы окисления и восстановления химических элементов, что приводит к образованию осадочных месторождений серы, возникновению железных и железисто-марганцевых руд. Это окислительно-восстановительная функция биоты.

За счёт жизнедеятельности огромного числа живых организмов на Земле постоянно происходит разложение органических остатков до простых соединений – CO₂, NH₄, H, C_xH_y и H₂O. Эти продукты вновь используются автотрофами в процессе фотосинтеза, а часть минеральных веществ идёт на образование почвенного гумуса (рис.44). Таким образом, бесконечное взаимодействие абиотических факторов и живых организмов сопровождается непрерывным круговоротом веществ. В отличии от энергии вещество может передаваться по замкнутым циклам, многократно обращаясь между организмами и окружающей средой. Активность редуцентов – решающий фактор сохранения круговорота биогенных элементов и образования продукции.

Средообразующая функция биосферы, обусловленная, как раз, круговоротом веществ, тесно связана со средорегулирующей функцией — исключительно точной биотической регуляцией окружающей среды. Она задается высокой степенью замкнутости биотического круговорота — равенством скоростей синтеза и распада органических веществ.

С появлением живых существ на планете появилась генетическая информация – активная «живая» информация, отличающаяся от той «мёртвой» информации, которая является простым отражением структуры. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию стала важным экологическим системообразующим фактором в жизни биосферы.

Согласно В.И.Вернадскому (1926), биосфера слагается из четырех категорий субстанций:

1. живое вещество — совокупность всех живых организмов,

2. биогенное вещество — мертвая органика,

3. биокосное вещество — смеси живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных пород),

4. косное вещество – совокупность веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы участия не принимали: горные породы, минералы.

Итак, к современной биосфере относится вся совокупность живых организмов (живое вещество) и все вещества литосферы, гидросферы и атмосферы, которые в настоящее время участвуют в природном биотическом круговороте.

Необходимые для жизни химические элементы и соединения условно называют биотическими элементами или питательными веществами. Среди них различают 2 группы:

• макротрофные вещества – те, которые составляют химическую основу тканей живых организмов – C, H, O, N, P, S, K, Ca, Na, Mg.

• микротрофные вещества, микроэлементы, как их ещё называют, и их соединения – те, которые также необходимы для существования живых систем, но в ничтожно малых количествах – Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, Si, Cl, V, Co и др – их недостаток может сильно ограничивать продуктивность, также как и нехватка макротрофных элементов.

Рассмотрим лишь некоторые из круговоротов веществ, которые являются наиболее важными для функционирования биосферы.