Особенности биохимических круговоротов веществ в биосфере

 

МИНОБРНАУКИ  РОССИИ

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

 

Медицинский институт

Кафедра «Туризм и индустрия гостеприимства»

 

 

КУРСОВАЯ   РАБОТА

по дисциплине «Экология»

на тему:

«Особенности биохимических круговоротов веществ в биосфере»,

«Лимитирующие факторы»

 

 

 

Выполнил:

ст-ка  гр. 930301  _________________________________  / А.Е. Иванова           /

                                                                    подпись                                                                расшифровка подписи

Проверил:

к.т.н., зав. кафедрой _______________________________  / И.Ю. Пономарева    /

                                                                     подпись                                             расшифровка подписи

 

Члены комиссии:

 

__________________________   /                                                  /

                                  подпись                                                 расшифровка подписи

__________________________   /                                                 /

                                  подпись                                                 расшифровка подписи

 

 

Тула, 2012

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Особенности биохимических круговоротов веществ в биосфере

Согласно воззрениям основоположника современного учения о биосфере выдающегося русского ученого В.И. Вернадского, с момента возникновения жизни на нашей планете (ориентировочно 3-4 млрд. лет назад) происходил  процесс  длительного  формирования  определенного  единства  живой  и косной материи т.е. биосферы (от греч. «биос» – жизнь, «сфера» – шар). Биосфера представляет  собой  совокупность всего живого (биота): животные,  растения,  насекомые  и  др.,  включая  человека.  В  биосферу  кроме живых  существ,  входят  продукты  их  распада  и  жизнедеятельности,  участвующая в этих процессах вода, радиоактивные вещества. 

 

 

     Биосфера – это оболочка Земли, область распространения жизни, которая включает все живые организмы и все элементы неживой природы, образующие среду обитания живых. 
    Живое вещество представляет собой наиболее активную часть экосферы. Оно разнообразно и широко распространено, постоянно возобновляется, обладает  высокой  биохимической  активностью  и  приспособляемостью  к  жизненным условиям, выработанной за многие тысячелетия эволюции. Биосфера включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу, литосферу. В.И.Вернадский подошел  к  биосфере  как  к  планетной  среде,  в  которой распространено  живое  вещество.  В  отличие  от  ряда  ученых,  которые  рассматривали биосферу только, как совокупность живых организмов и продуктов  их жизнедеятельности  В.И.  Вернадский  считал,  что живое  вещество  не может  быть  оторвано  от  биосферы, функцией  которой  оно  является.  Кроме того, биосфера есть область превращения космической  энергии, ибо космические излучения, идущие от небесных тел, охватывают биосферу, проникают  сквозь  всю  нее  и  все  в  ней.  Таким  образом,  согласно В.И.  Вернадскому биосфера есть «планетное явление космического характера». Иначе говоря, биосфера – это биологическая земная оболочка, не только охваченная жизнью, но и структурно ею организованная. 

Деятельность живых организмов в биосфере сопровождается извлечением из окружающей среды больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный (с участием живых организмов) круговорот веществ в природе, т. е. циркуляция веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Под круговоротом веществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер.

В круговороте веществ, принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды одни вещества и выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают кислород, выделенный растениями, а поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ, воду и вещества непереваренной части пищи. При разложении бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву и снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы — в живые организмы, а из них—в окружающую среду, пополняя таким образом неживое вещество биосферы. Эти процессы повторяются бесконечное число раз. Так, например, весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2 тыс. лет, весь углекислый газ — за 200—300 лет.

Непрерывная циркуляция химических элементов в биосфере по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом. Необходимость такой циркуляции объясняется ограниченностью их запасов на планете. Чтобы обеспечить бесконечность жизни, химические элементы должны совершать движение по кругу. Круговорот каждого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т. е. все круговороты тесно связаны между собой.

Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основой биогенного круговорота, обеспечивающего существование жизни, является солнечная энергия. Связанная в органических веществах энергия но ступеням пищевой цепи уменьшается, потому что большая ее часть поступает в окружающую среду в виде тепла или же тратится на осуществление процессов, происходящих в организмах, Поэтому в биосфере наблюдается поток энергии и ее преобразование. Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговорота веществ и притока солнечной энергии.

Круговорот воды. Самый значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на Земле — это планетарный гидрологический цикл — круговорот воды.

Каждую секунду в него вовлекается 16,5 млн м3 воды и тратится на это более 40 млрд МВт солнечной энергии (Т. А. Акимова, В.В. Хас-кин, 1994). Но данный круговорот — это не только перенос водных масс. Это фазовые превращения, образование растворов и взвесей, выпадение осадков, кристаллизация, процессы фотосинтеза, а также разнообразные химические реакции. В этой среде возникла и продолжается жизнь. Вода — основной элемент, необходимый для жизни. Количественно это самая распространенная неорганическая составляющая живой материи. У человека вода составляет 63% массы тела, грибов — 80%, растений — 80—90%, а у некоторых медуз — 98%.

В жидком, твердом и парообразном состояниях вода присутствует во всех трех главных составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере, литосфере. Все воды объединяются общим понятием «гидросферы». Составные части гидросферы связаны между собой постоянным обменом и взаимодействием. Вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образует малый круговорот. Когда водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. При этом часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая — питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоками, завершая тем самым большой круговорот.

Над океанами выпадает 7/9 общего количества осадков, а над континентами 2/9. Замкнутая, бессточная часть суши в 3,5 раза беднее осадками, чем периферийная часть суши. Вода, выпавшая на сушу, в процессе фильтрации через почву обогащается минеральными и органическими веществами, образуя подземные воды. Вместе с поверхностными стоками она поступает в реки, а затем в океаны. Поступление воды в Мировой океан (осадки, приток речных вод) и испарение с его поверхности составляет 1260 мм в год.

Значимую роль в процессе круговорота воды играет эвапотранспирация, которая представляет собой количество влаги, переходящее в атмосферу в результате транспирации зеленых растений и испарения с поверхности почвы, т. е. суммарное испарение (принято измерять его в мм рт. ст.). Транспирацией именуют испарение воды

зелеными частями растений, причем она испаряется со всей наружной

и всех внутренних поверхностей растений, соприкасающихся с воздухом. Общая транспирация зависит от многих экологических

факторов (освещенность, сухость воздуха, ветер, рельеф и др.).

Наибольшей транспирацией характеризуются болотные и плавающие 2

растения (рогоз, частуха, рдест – до 4000 мг/дм ° ч). Из наземных

растений сильнее всего транспирируют травянистые растения 2

солнечных местообитаний – до 2500 мг/дм ° ч; кустарники в тундре дают всего 150 мг/дм'ч; а тропические деревья в лесах области туманов лишь до 120 мг/дм'ч. У вечнозеленых хвойных пород игольчатая хвоя в передней части устьичного аппарата имеет высокую пробку, которая служит дополнительным препятствием для транспирации. У пустынных растений транспирация служит единственным способом зашиты организма от летальных последствий воздействий высоких температур.

Круговорот кислорода. Кислород (О2) играет важную роль в жизни большинства живых организмов на нашей планете. В количественном отношении это главная составляющая живой материи. Этот круговорот очень сложный, так как кислород вступает в разнообразные реакции и входит в состав очень большого числа органических и неорганических соединений, и замедленный. Для полного обновления всего кислорода атмосферы требуется около 2 тысяч лет (для сравнения: ежегодно обновляется около 1/3 диоксида углерода атмосферы).

В настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода, хотя в крупных густонаселенных городах с большим количеством транспорта и промышленных предприятий возникают локальные нарушения.

Однако отмечено ухудшение состояния озонового слоя и образование «озоновых дыр» (областей с пониженным содержанием озона) над полюсами Земли, что представляет экологическую опасность. Временные «дыры» возникают также над обширными районами вне полюсов (в том числе и над континентальными районами России). Причиной этих явлений является попадание в озоновый слой хлора и оксидов азота, которые образуются в почве из минеральных удобрений при их разрушении микроорганизмами, а также содержатся в выхлопных газах автомобилей. Эти вещества разрушают озон с более высокой скоростью, чем он может образовываться из кислорода под влиянием ультрафиолетовых лучей.

Сохранение озонового слоя – одна из глобальных задач мирового сообщества. Для прекращения разрушения озонового слоя и его восстановления необходимо отказаться от использования хлорсодержащих веществ – хлорфторуглеродов (фреонов), используемых в аэрозольных упаковках и холодильных установках. Необходимо также уменьшение количества выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и доз азотных минеральных удобрений в сельском хозяйстве.

Содержание озона может увеличиваться в приземном слое атмосферы, так как озон является фотооксидантом, образующимся из оксида азота и углеводородов под влиянием ультрафиолетовых лучей. В этом случае он оказывается опасным загрязнителем, вызывающим раздражение дыхательных путей человека. Однако отрицательно сказывается на здоровье человека и чрезмерно низкое содержание озона в атмосфере.

Круговорот углерода. Углерод является одним из наиболее важных биогенных элементов, его часто называют «основой жизни» в биосфере за его способность образовывать многочисленные пространственные связи с другими химическими элементами и тем самым обеспечивать огромное разнообразие органических веществ. В круговороте особенно велика роль диоксида углерода. Запасы «живого» углерода в составе организмов суши и океана составляют, по разным данным, 550-750 Гт (1 Гт равна 1 млрд т), причем 99,5% этого количества сосредоточено на суше, остальное – в океане. Кроме того, в океане содержится до 700 Гт в составе растворенного органического вещества.

Запасы неорганического углерода значительно больше. Над каждым квадратным метром суши и океана находится 1 кг углерода атмосферы, и под каждым квадратным метром океана при глубине 4 км – 100 кг углерода в форме карбонатов и бикарбонатов. Еще больше запасы углерода в осадочных породах – в известняках содержатся карбонаты, в сланцах – керогены и т.д.

Антропогенное воздействие на цикл углерода связано со сжиганием топлива, выращиванием сельскохозяйственных растений и разведением домашних животных. Последние по своей биомассе существенно превышают биомассу диких животных и растений, что значительно меняет баланс углекислого газа в биосфере. С середины XIX в. содержание СО2 увеличилось на 22 % и про-

должает расти в основном за счет увеличения сжигания ископаемого топлива. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере способствует развитию парникового эффекта, что может привести к глобальным изменениям климата. И хотя часть диоксида углерода поглощается биотой, его накопление в атмосфере в последние десятилетия намного превышает возможности живых организмов регулировать этот процесс.

Приведенные данные характеризуют биогенный круговорот углерода. В круговороте участвуют и геохимические процессы, при которых происходит обмен атмосферного углерода и углерода, содержащегося в горных породах. Однако данных о скорости этих процессов нет. Полагают лишь, что их интенсивность менялась в истории планеты и парниковый эффект, который наблюдается сегодня, многократно проявлялся в прошлом при усилении геохимических процессов с выделением диоксида углерода и при ослаблении процессов, которые “оттягивали” его из атмосферы.