Биогенные микроэлементы

Входят в состав ферментов и нередко бывают лимитирую­щими факторами. Для растений в первую очередь необходи­мы: железо, марганец, медь, цинк, бор, кремний, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Если в этом наборе, например, не­хватка Мn, Ре, С1, 2п и V, то не будет полноценным процесс фотосинтеза, а если не будет Мо, В, Со и Ре, то нарушится азотный обмен, и т. п. Эти же микроэлементы необходимы животным и человеку. Их недостаток (или избыток при загряз­нении) вызывает болезни.

Граница между макро- и микроэлементами довольно ус­ловна: например, натрия животным требуется во много раз боль­ше, чем растениям, для которых натрий часто вносят в список микроэлементов.

Эдафические факторы и их роль в жизни растений и почвенной биоты

Эдафические (от греч. еёарпоз — почва) факторы — поч­венные условия произрастания растений. Делятся на химиче­ские — реакция почвы, солевой режим почвы, элементарный химический состав почвы, обменная способность и состав об­менных катионов; физические — водный, воздушный и тепло­вой режимы, плотность и мощность почвы, ее гранулометри

Лекция 12

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

Автором термина «биосфера» является французский естествоиспыта­тель Жан Батист Ламарк, который использовал его в 1803 г. в труде по гидрогеологии Франции для обозначения совокупности организмов, обитающих на земном ша­ре. Затем термин был забыт. В 1875 г. его «воскресил» профессор Венского университета геолог Эдуард Зюсс (1831 - 1914) в работе о строении Альп. Он ввел в науку представление о био­сфере как особой оболочке земной коры, охваченной жизнью. В таком общем смысле впервые в 1914 г. использовал этот термин и В. И. Вернадский в статье об истории рубидия в земной коре.

Владимир Иванович Вернадский использовал этот термин и создал науку с аналогичным названием. Его книга «Биосфера» вышла в 1926 г. Главные его мысли о биосфере, глубина и значение его идей только теперь начинают осознаваться обществом. К сожале­нию, как зарубежные, так и отечественные исследователи рань­ше мало опирались на труды В. И. Вернадского, часть из кото­рых впервые была опубликована только в конце 70-х гг. Идеям В. И. Вернадского предстоит сыграть ключевую роль в форми­ровании мировоззрения современного человека, в понимании им своего места в природе и ответственности за будущее био­сферы, в формировании новой экологической морали и этики.

Биосфера, по мнению ученого, состоит из семи взаимосвязанных веществ: живого, биогенного, косного, биокосного, радиоактивного, космического, рассеянных атомов. Везде в ее пределах встречаются либо само живое вещество, либо следы его биохимической деятельности.Схема строения биосферы представлена на рис.2.

Атмосфера, вода, нефть, уголь, известняки, глины и их производные – сланцы, мрамор и гранит, созданы живым веществом планеты. Bерхние слои земной коры, лишенные в настоящее время жизни, в другие геологические эпохи были переработаны живыми организмами.

Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются и настоящее время, обычно называют современной биосферойилинеобиосферой, а древние биосферы относят кпалеобиосферам, или былым биосферам. В качестве примеров последних можно назвать безжизненные скопления органических веществ (залежи каменных углей, нефти, горючих сланцев и т.п.) или запасы других соединений, образовавшихся при участии живых организмов (мел, известь, соединения кремния, рудные образования и т.п,).

Лекція 13

Границы биосферы:

Целесообразно различать границы нео- и палеобиосферы.

Необиосферав атмосфере простирается примерно на высоту 25-30 км, фактически до озонового экрана, за пределами которого жизнь невозможна вследствие наличия губительных космических ультрафиолетовых лучей.

По современным представлениям, вся толща мирового океана, в том числе и самая глубокая Марианская впадина (11022 м), занята жизнью. К необиосфереследует относить также и донные отложения, где возможно существование живых организмов. В литосферужизнь проникает на несколько метров, ограничиваясь в основном почвенным слоем, но по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров.

Границыпалеобиосферы в атмосфере примерно совпадают с необиосферой, под водами к палеобиосфере следует отнести и осадочные породы, которые по В. И Вернадскому практически все претерпели переработку живыми организмами. Это толща от сотен метров до десятка километров.

Сказанное относительно осадочных пород применимо и к литосфере, пережившей водную стадию функционирования.

Этапы эволюции биосферы:

1. Образование сравнительно простых органических молекул из неживой природы в первичной атмосфере (4 миллиарда лет назад) при высокой температуре под воздействием вулканической деятельности и различных видов излучений.

2. Возникшие молекулы подвергались дальнейшему синтезу или разрушению. Органическое вещество было расположено в мировом океане различной плотностью. Сгустки органических молекул имели поверхности раздела, на которых происходил постоянный обмен веществом, что приводило к росту этих сгустков, а дальнейшем и к возможности его деления.

3. Появление многофункциональных клеток.

4. Антропогенный период – протекает последние 1,5 миллиона лет.

5. Ноогенез – (ноо – разум) начался в наше время.

Эпоха ноосферы – «сферы разума», высшей стации развития биосферы. Эта эпоха связана с возникновением и развитием в ней человечества, когда разумная человеческая деятельность стано­вится главным определяющим фактором глобального развития. Однако переход биосферы в новое состояние не произойдет сам по себе, это произойдет тогда, ко­гда человечество сформирует и реализует общепланетарную стратегию такого пе­рехода. Человечество должно учитывать экономическое, демографическое и информационное влияние на окружающую среду.

Вернадский писал, что участие каждого отдельного организма в геологиче­ской истории Земли ничтожно мало, однако живых существ на Земле бесконечно много и они, обладая высоким потенциалом размножения, активно взаимодейст­вуют со средой обитания, и, в конечном счете, представляют в совокупности осо­бый, глобальных масштабов фактор развития, преобразующий верхние оболочки Земли.

Живые организмы бесконечно разнообразны, распространены повсеместно, воспроизводятся во многих поколениях, обладают избирательностью биохимиче­ской деятельностью и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы.

Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвалживым суще­ством, характеризующимся суммарной массой, химическим составом и энергией.

О роли живых организмов на Земле Вернадский писал: «Можно без преуве­личений утверждать, что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми орга­низмами, несомненно, что энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет космическое происхождение. Она происходит от Солнца в форме лучистой энер­гии. Но, именно живые организмы – совокупность жизни, превращают эту лучистую космическую энергию в земную и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Это живые организмы, которые своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, своей смертью и своим разложением, постоянным использованием своего вещества, а главное, длящейся сотни миллионов лет непрерывной сменой поколении, своим рождением, размножением порождают одно из гранди­озных планетарных явлений, несуществующих нигде, кроме биосферы.»

Вещества неживой природы относятся к костным(минералы). В природе, кроме этого, довольно широко представлены биокосныевещества, обра­зование и происхождение которых обусловливается живыми и косными состав­ляющими (почвы, воды).

Живое вещество – основа биосферы, хотя и составляет крайне незначитель­ную ее часть. Если его выделить в чистом виде и распределить равномерно по по­верхности Земли, то это будет слой около 2 см или 0,01% от массы всей биосферы. К основным уникальным особенностям живого вещества, обуславливающим его крайне высокую преобразующую деятельность, можно отнести следую­щие:

­ Способность быстро занимать (осваивать) все свободное простран­ство. В. И Вернадский назвал это всюдностью жизни. Данное свойство дало осно­вание Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенци­альные возможности размножения), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Например, площадь листьев растений, произрастающих на 1 га, составляет 8-10 га и более.

­ Движение не только пассивное (под действием силы тяжести, грави­тационных сил и т. п.), но и активное. Например, против течения воды, силы тя­жести, движения воздушных потоков и т.п.

­ Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (вклю­чение в круговороты), сохраняя при этом высокую физико-химическую активность.

­ Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземной, воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий. Например, некоторые организмы выносят темпе­ратуры, близкие к значениям абсолютного нуля –273⁰С, микроорганизмы встреча­ются в термальных источниках с температурами до 140°С, в водах атомных реак­торов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т.п.

­ Феноменально высокая скорость протекания реакции. Она на не­сколько порядков (в сотни, тысячи раз) значительнее, чем в неживом веществе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности. Haпример, гусеницы некоторых насекомых потреб­ляют за день количество пищи, которое в 100-200 раз больше веса их тела.

­ Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши - 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (планктон) - 33 дня. В результате высокой скорости обновления живого вещества за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли.

Все перечисленные и другие свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нем больших запасов энергии.

Функции живого вещества.

Всю деятельность живого вещества в биосфере можно, с определенной до­лей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые по­зволяют значительно дополнить представление о его преобразующей биосферно–геологической деятельности.

Энергетическая – связана с накоплением энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием.

Газовая – способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.

Окислительно-восстановительная– связана с интенсификации под влиянием живого вещества процессов как окисления, благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления, прежде всего в тех случаях, когда идет разло­жение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процес­сы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои бо­лот, а также значительные придонные толщи воды.

Концентрационная– способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание, по сравнению с окружающей организмов средой, на несколько порядков (но марганцу, например, в теле отдельных организмов - в миллионы раз).

Наряду с концентрационной функцией живого вещества выделяется противоположная ей по результатам – рассеивающая. Она проявляется через трофи­ческую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Железо гемогло­бина крови рассеивается, например, кровосососущими насекомыми.

Деструктивная– разрушение организмами и продуктами их жизнедея­тельности, в том числе и после их смерти, как самих остатков, так и косных ве­ществ.

Транспортная– перенос вещества и энергиив результате активной фор­мы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния (при миграциях и кочевках животных).

Средообразующая. Эта функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций), с ней, в конечном счете, связано преобразование физико-химических параметров среды. В широком по­нимании результатом данной функции является вся природная среда. В более уз­ком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, вобразовании почв.

Информационнаяфункция живого вещества, выражающаяся в том, что живые организмы и их сообщества накапливают определенную ин­формацию, закрепляют ее в наследственных структурах и затем передают после­дующим поколениям.

Лекція 14

Основные свойства биосферы

Биосфера - централизованная система.Это свойство, к сожалению, часто недооценивается человеком и в настоящее время: в центр биосферы или ее звеньев ставится только один вид - человек (антропоцентризм).

Биосфера - открытая система.Ее существование немыслимо без посту­пления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности.

Биосфера – саморегулирующаяся система, для которой, как отмечал В. И. Вернадский, характерна организованность. В настоящее время это свойство на­зывают гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное со­стояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов.

Биосфера - система, характеризующаяся большим разнообразием. В настоящее время описано около 2 млн. видов (примерно 1,5 млн. животных и 0,5 млн. растений). Полагают, однако, что число видов на Земле в 2-3 раза больше, чем их описано. Разнообразие рассматривают как основное условие устойчивости лю­бой экосистемы и биосферы в целом. К сожалению, практически вся без исключе­ния деятельность человека подчинена упрощению экосистем любого ранга.

Важное свойство биосферы - наличие в ней механизмов, обеспечи­вающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных хи­мических элементов и их соединений. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной "строительный материал" живого - уг­лерод.

Понятие круговорота веществ.

Все вещества на планете находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяются два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотические).

Большой круговорот длится сотни тысяч лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания сносятся в мировой океан, где образовывают морские напластования. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна приводят в тому, что эти напластования возвращаются на сушу и включаются в процесс круговорота.

Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируется в веществе растений, расходуется на построение тела и жизненные процессы как их самих, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества почвенной микрофлорой вновь разлагается до минеральных компонентов, доступных растениям.

Круговорот углерода.

Большой (геологический) круговорот углерода можно представить в виде схемы, (рис. 3).

Биотический круговорот углерода – составная часть большого круговорота и связан с жизнедеятельностью организмов. Углерод, содержащийся в виде СО₂ в атмосфере, служит для фотосинтеза растений, а затем вместе с их веществом потребляется консументами разных трофических уровней (рис. 4). При дыхании растений и животных, а также деструкторов мертвой органики в почве выделяется СО₂, в форме которого возвращается в атмосферу. Определенная часть углерода накапливается в виде мертвой органики, переходя в ископаемое состояние. Так, залежи каменного угля или торфа – это и есть органическое вещество.

В связи с тем, что солнечную энергию, аккумулированную в ископаемом топливе, человек интенсивно высвобождает, сжигая топливо, возникает биолого-технический круговорот углерода, выделяющегося в виде СО₂.

Круговорот азота

Азот составляет около 80% атмосферного воздуха. Некоторая его часть содержится в почве в виде неорганических соединений (аммонийные, нитратные, нитритные), а часть – в форме органических соединений, входящих в состав растительных и животных белков, аминокислот.

Существует большой круг азота, включающий сушу и атмосферу, частью которого является малый круг (рис 5). Он заключается в том, что органические соединения азота после гибели организмов подвергаются (при участии бактерий) процессам аммонификации, нитрификации с последовательным образованием амиака, нитратов и нитритов. Нитраты и нитриты вновь ассимилируются растениями, частично подвергаются восстановлению до оксида азота, вновь посткпающего в атмосферу.

Круговорот фосфора

Фосфор – один из наиболее важных биогенных элементов: он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных менбран, систем переноса энергии, костной ткани, ден­тина.

Круговорот фос­фора, как и других биогенных элементов, совершается по боль­шому и малому цик­лам (рис. 6). Фосфор – подвижный элемент, поэтому процессы, связанные с кругово­ром, зависят от мно­жества факторов ок­ружающей среды, в первую очередь от антропогенных.

Предельно допустимые концентрации (ПДК)- это максимальное коли­чество вредных веществ в единице объема или массы водной, воздушной или грунтовой среды, которая практически не влияет на здоровье человека.

Предельно допустимые нагрузки (ПДН)- это предельные значения хо­зяйственной или рекреационной нагрузки на природную среду, установленные с учетом емкости природной среды, его ресурсного потенциала, возможности к об­новлению с целью охраны окружаются среды от загрязнения или разрушения.

Предельно допустимые остаточные количества (ПДОК)- количество вредных веществ в пищевых продуктах и живых организмах, которые имеют воз­можность кумулировать в цепях питания.

Предельно допустимые выбросы (ПДВ) - объемы (количества) загряз­няющих или других веществ, которые поступают за единицу времени в атмосфер­ный воздух, водоемы, грунт, и превышение которых приводят к негативным по­следствиям для среды.

Предельно допустимые уровни (ПДУ)- влияние на человека факторов окружающей среды – шума, вибрации, загрязнителей, которые действуют перио­дично или на протяжении всей жизни человека и не вызывают соматических и психических заболеваний или каких-либо изменений состояния здоровья.

Предельно допустимые дозы (ПДЗ)- количество вредного вещества, дей­ствие которого не вызывает пагубных последствий в организме.

Предельно допустимые поступления (ПДП)- количество вещества-загрязнителя, который поступает на определенную площадь биоценоза в единицу времени в количествах, которые, не превышают ПДК.

Понятие об эффекте суммации.

При воздействии на организм не одного какого либо вещества, а нескольких одновременно, необходимо учитывать эффект суммациивредного воздействия т.к. различные вещества могут оказывать сходное неблагоприятное действие. Если в воздухе присутствует несколько веществ, обладающих эффектом суммации, то качество воздуха будет соответствовать нормативам при условии:

где:

С₁, С₂, С_n – концентрация веществ, обладающих эффектом суммации;

ПДК₁, ПДК₂, ПДК_n – предельно допустимые концентрации этих веществ.

Лекція 21

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА БИОСФЕРУ

Биосфера, весьма динамичная планетарная экосистема, во все периоды своего эволюционного развития постоянно изме­нялась под воздействием различных природных процессов. В результате длительной эволюции биосфера выработала способ­ность к саморегуляции и нейтрализации негативных процес­сов. Достигалось это посредством сложного механизма круго­ворота веществ, рассмотренного нами во втором разделе.

Главным событием эволюции биосферы признавалось при­способление организмов к изменившимся внешним условиям путем изменения внутривидовой информации. Гарантом дина­мической устойчивости биосферы в течение миллиардов лет служила естественная биота в виде сообществ и экосистем в необходимом объеме.

Однако по мере возникновения, совершенствования и рас­пространения новых технологий (охота — земледельческая куль­тура — промышленная революция) планетарная экосистема, адаптированная к воздействию природных факторов, все в боль­шей степени стала испытывать влияние новых небывалых по силе, мощности и разнообразию воздействий. Вызваны они че­ловеком, а потому называются антропогенными. Под антро­погенными воздействиями понимают деятельность, связанную с реализацией экономических, военных, рекреационных, куль­турных и других интересов человека, вносящую физические, химические, биологические и другие изменения в окружающую природную среду.

Известный эколог Б. Коммонер (1974) выделял пять, по его мнению, основных видов вмешательства человека в эколо­гические процессы:

– упрощение экосистемы и разрыв биологических циклов;

– концентрация рассеянной энергии в виде теплового загряз­нения;

– рост ядовитых отходов от химических производств;

– введение в экосистему новых видов;

– появление генетических изменений в организмах растений и животных.

Подавляющая часть антропогенных воздействий носит це­ленаправленный характер, т. е. осуществляется человеком со­знательно во имя достижения конкретных целей. Существуют и антропогенные воздействия стихийные, непроизвольные, имеющие характер последействия (Котлов, 1978). Например, к этой категории воздействий относятся процессы подтопления территории, возникающие после ее застройки, и др.

Нарушение основных систем жизнеобеспечения биосферы связаны в первую очередь с целенаправленными антропоген­ными воздействиями. По своей природе, глубине и площади распространения, времени действия и характеру приложения они могут быть различными (рис. 12.1, по Е. М. Сергееву, В. Т. Трофимову, 1985).

Анализ экологических последствий антропогенных воздей­ствий позволяет разделить все их виды на положительные и отрицательные (негативные). К положительным воздействи­ям человека на биосферу можно отнести воспроизводство при­родных ресурсов, восстановление запасов подземных вод, по­лезащитное лесоразведение, рекультивацию земель на месте разработок полезных ископаемых и некоторые другие мероприя­тия.

Отрицательное (негативное) воздействие человека на био­сферу проявляется в самых разнообразных и масштабных ак­циях: вырубке леса на больших площадях, истощении запасов пресных подземных вод, засолении и опустынивании земель, резком сокращении численности, а также видов животных и растений, и т. д.

Главнейшим и наиболее распространенным видом отрица­тельного воздействия человека на биосферу является загрязне­ние. Большинство острейших экологических ситуаций в мире и в России так или иначе связаны с загрязнением окружающей природной среды (Чернобыль, кислотные дожди, опасные от­ходы и т. д.). Поэтому понятие «загрязнение» рассмотрим по­дробнее.

Загрязнением называют поступление в окружающую при­родную среду любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излуче­ний) в количествах, вредных для здоровья человека, живот­ных, состояния растений и экосистем.

Более развернутую характеристику этого понятия приводит известный французский ученый Ф. Рамад (1981): «Загрязнение есть неблагоприятное изменение окружаюшей среды, которое целиком или частично является результатом человеческой дея­тельности, прямо или косвенно меняет распределение прихо­дящей энергии, уровни радиации, физико-химические свойст­ва окружающей среды и условия существования живых существ. Эти изменения могут влиять на человека прямо или через сель­скохозяйственную продукцию, через воду или другие биологи­ческие продукты (вещества)».

По объектам загрязнения различают загрязнение поверхно­стных и подземных вод, загрязнение атмосферного воздуха, загрязнение почв и т. д. В последние годы актуальными стали и проблемы, связанные с загрязнением околоземного космиче­ского пространства.

Источниками антропогенного загрязнения, наиболее опас­ного для популяций любых организмов, являются промыш­ленные предприятия (химические, металлургические, цел­люлозно-бумажные, строительных материалов и др.), теп­лоэнергетика, транспорт, сельскохозяйственное производст­во и другие технологии. Под влиянием урбанизации в наи­большей степени загрязнены территории крупных городов и промышленных агломераций. Природными загрязнителями могут быть пыльные бури, вулканический пепел, селевые по­токи и др.

По видам загрязнений выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнение (рис. 12.2; по Н. Ф. Реймерсу, 1990; с изменениями). По своим масштабам и распростране­нию загрязнение может быть локальным (местным), регио­нальным и глобальным.

Количество загрязняющих веществ в мире огромно, и чис­ло их по мере развития новых технологических процессов по­стоянно растет. В этом отношении «приоритет», как в локаль­ном, так и в глобальном масштабе, ученые отдают следующим загрязняющим веществам: