Влияние жизни на геологические процессы на Земле

Содержание

 

1. Состав вещества биосферы.. 3

2. Особенности основных биосферных циклов. 7

3. Биосферный цикл углерода. 8

4. Биосферный цикл азота. 8

5. Биосферный цикл фосфора. 9

6. Биохимические функции живого вещества. 11

7. Биогенная миграция атомов и биогеохимические принципы.. 12

8. В.И. Вернадский о переходе биосферы в ноосферу. 15

Список литературы.. 19

 

 

1. Состав вещества биосферы

Если говорить о биосфере в целом, то биогеохимические циклы можно разделить на два основных типа: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Разделение биогеохимических циклов на круговороты газообразных веществ и осадочные циклы основано на том, что некоторые круговороты, например те, в которых участвуют углерод, азот и кислород, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических (или же и тех и других) фондов довольно быстро компенсируют различные нарушения. Например, избыток СО₂, накопившийся в каком-нибудь месте в связи с усиленным окислением или горением, обычно быстро рассеивается атмосферными потоками. Кроме того, усиленное образование углекислоты компенсируется ее потреблением растениями и превращением в карбонаты - в морях. Поэтому, циклы газообразных веществ с их громадными атмосферными фондами можно считать в глобальном масштабе хорошо «забуференными», так как их способность возвращаться к исходному состоянию велика.

Самоконтроль циклов с резервным фондом в литосфере затруднен - они легко нарушаются в результате местных флуктуаций, что связано с малой подвижностью резервного фонда. Явление «забуференности» в этом случае не выражено.

Биосфера не только сфера жизни. Это видно из состава вещества биосферы, состоящего из глубоко разнородных геологически не случайных частей. Оно представлено совокупностью живых организмов, живого вещества, рассеянного в мириадах особей, непрерывно умирающих и рождающихся, обладающих колоссальной действенной энергией и являющихся могучей геологической силой, нигде на планете больше не существующей, связанной с другим веществом биосферы только биогенной миграцией атомов. Концентрация живым веществом определённых химических элементов в биосфере есть, по-видимому, её господствующий биогенный геологический процесс.

Также мы имеем вещества, образуемые процессами, в которых живое вещество не участвует: косное вещество, твёрдое, жидкое и газообразное. Из них только газообразное и жидкое (и дисперсное твёрдое) являются на поверхности биосферы носителями свободной энергии.

v  Биокосное вещество, - которое создаётся одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамические равновесные системы тех и других (вода, нефть, почва и т. д.). Организмы в их образовании играют ведущую роль. Эти биокосные организованные массы являются сложными динамическими равновесными системами, в которых резко проявляется геохимическая энергия живого вещества - биогеохимическая энергия.

v  Вещество, находящееся в радиоактивном распаде. Это вещество в такой форме (дисперсно-рассеянное) является одной из самых мощных сил, меняющей всю энергию биосферы.

v  Вещество космического происхождения, атомы, молекулы из электромагнитного потока Солнца, исток отдельных атомов и молекул, приходящих из космического пространства.

Во всякой экосистеме можно выделить следующие компоненты:

Неорганические вещества: углерод, азот, углекислый газ, вода и т. д.

Органические соединения: белки, углеводы, липиды, гуминовые вещества и т.д.

Факторы, связывающие биотическую и абиотическую части экосистемы; климатический режим, температура и другие физические факторы;

Продуценты: автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, которые способны создавать пищу из простых неорганических веществ;

Консументы: гетеротрофные организмы, главным образом животные, которые поедают другие организмы или частицы органического вещества;

Редуценты (деструкторы, декомпозиторы): гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, которые расщепляют сложные соединения до простых, пригодных для использования продуцентами.

Первые три группы - неживые компоненты, а остальные составляют живой вес (биомассу). Расположение трех последних компонентов относительно потока поступающей энергии представляет собой структуру экосистемы.

1.  Продуценты улавливают солнечную энергию и переводят ее в энергию химических связей.

2.  Консументы, поедая продуцентов, разрывают эти связи. Высвобожденная энергия используется консументами для построения собственного тела.

3.  Наконец, редуценты рвут химические связи разлагающегося органического вещества и строят свое тело.

В результате вся энергия, запасенная продуцентами, оказывается использованной.

Органические вещества разлагаются на неорганические и возвращаются к продуцентам. Таким образом, структуру экосистемы образуют три уровня (продуценты, консументы, редуценты) трансформации энергии и два круговорота - твердых и газообразных веществ.

В структуре и функции экосистемы воплощены все виды активности организмов, входящих в данное биотическое сообщество: взаимодействия с физической средой и друг с другом. Однако организмы живут для самих себя, а не для того, чтобы играть какую-либо роль в экосистеме. Свойства экосистемы слагаются благодаря деятельности входящих в нее растений и животных.

Способность экосистемы к самоподдержанию и саморегулированию реализуется через гомеостаз. В основе гомеостаза лежит принцип обратной связи, который можно продемонстрировать на примере зависимости плотности популяции от пищевых ресурсов. Обратная связь возникает, если «продукт» оказывает влияние на «датчик»

В результате отклонения плотности популяции от оптимума в ту или иную сторону увеличивается рождаемость или смертность, результатом чего будет приведение плотности к оптимуму. Такая обратная связь, т. е. связь, уменьшающая отклонение от нормы, называется отрицательной обратной связью. Положительная же обратная связь увеличивает это отклонение.

Облик биотического сообщества определяется не только разнообразием видов и другими показателями, которые отражают связи между видами, входящими в состав биотического сообщества. Функционирование сообщества и его стабильность зависят также от популяционных связей, от распределения организмов в пространстве и характера их взаимодействия с внешней средой. Все это составляет понятие внутренней организации сообщества. О ней можно судить на основании следующих параметров:

1.  Стратификация (зональность): растения и животные распределены не равномерно по всей экосистеме, а пятнами, в которых плотность может быть максимальной или, наоборот, минимальной.

2.  Активность (периодичность): периодичность сообщества является результатом синхронной активности в течение дня и ночи целых групп организмов. Для всех сообществ характерна также сезонная периодичность, что нередко приводит почти к полному изменению структуры сообщества в течение года.

Изменение экосистем может происходить под воздействием разных причин. В зависимости от вектора действующих сил различают:

1.  Аллогенные изменения, которые обусловлены влиянием геохимических сил, действующих на экосистему извне. В качестве таковых могут выступать климатические и геологические факторы.

2.  Автогенные изменения, которые обусловлены воздействием процессов, протекающих внутри экосистемы.

В большинстве случаев, однако, трудно разграничить процессы, находящиеся под влиянием внешних и внутренних факторов. Например, эвтрофикация озер происходит под действием населяющих их сообществ, толчком к изменению которых служит поступление в озеро питательных веществ извне, с водосбора.

Тем не менее, степень участия сообщества в преобразовании экосистемы, как правило, устанавливается без особого труда и, кроме того, автогенные изменения характеризуются рядом различимых специфических признаков.

2. Особенности основных биосферных циклов

Циклы функционируют под действием биологических и геологических факторов. Существование биогеохимических циклов создает возможность для саморегуляции системы, что придает ей устойчивость - постоянный количественный состав по различным химическим элементам в ней.

В связи с хозяйственной деятельностью человечества и вовлечением в окружающую среду техногенных продуктов этой деятельности, возникают проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимических циклов. Эти нарушения связаны как с изменением баланса в циклах, так и с появлением новых химических соединений, ранее отсутствующих в естественных процессах. Циклы некоторых элементов (например, азота, серы, фосфора, калия, тяжелых металлов) превратились в настоящее время в природно-антропогенные, характеризующиеся значительной незамкнутостью, что приводит к их накоплению и, соответственно, к воздействию на экосистемы.

3. Биосферный цикл углерода

Круговорот углерода связан с использованием СО при фотосинтезе; в процессе дыхания растение возвращает СО в атмосферу. Животные, поедая растения, возвращают в воздух добавочные количества СО. После своей смерти они, так же как и растения, служат субстратом для роста бактерий и грибов, которые в конечном счёте расщепляют органическое вещество до СО. Эрозия и растворение известняка приводят к освобождению карбонатов, а затем и СО. Некоторые организмы, погребённые в осадках, выводят из круговорота большие количества углерода, накопленные в виде нефти, газа, каменного угля и торфа. Но при сжигании этих горючих материалов углерод снова освобождается в виде СО. Организмы, обладающие известковыми раковинами, при своей гибели также временно связывают углерод, участвуя в образовании известняков или коралловых рифов.

4. Биосферный цикл азота

Цикл азота - пример сложного круговорота газообразных веществ, способных к быстрой саморегуляции. Схема цикла может быть представлена следующим образом:

Атмосферный азот связывается при разрядах молний и в результате жизнедеятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей, которые превращают его в растворимые нитраты. Нитраты попадают в почву или в воду, где они могут быть использованы растениями. Некоторое количество азотистых соединений выделяют в почву растения и животные, остальной азот, в конце концов, высвобождается при расщеплении растительного и животного материала бактериями, которые превращают его азотистые вещества в аммиак. Аммиак образуется также при вулканических процессах. Нитрифицирующие бактерии 1 фазы превращают аммиак в нитриты, из которых нитрифицирующие бактерии 2 фазы образуют нитраты. Денитрифицирующие бактерии возвращают азот в атмосферу, такой же кругооборот совершается и в морских местообитаниях.

Азот наиболее распространен на Земле в форме газообразного N₂. И хотя азот важнейший компонент белков и нуклеиновых кислот, растения не могут непосредственно брать его из атмосферы. Они способны усваивать лишь связанный с кислородом или водородом азот, т.е. переведенный в другие химические формы - аммиак, ионы аммония, нитрат - и нитрит-ионы. Важнейшая часть цикла - связывание азота совершается азотфиксирующими бактериями, связыванием в атмосферных процессах и промышленной фиксацией.

Другой важный процесс цикла азота - восстановление нитрат-ионов до атмосферного азота. Осуществляется почвенными анаэробными бактериями - денитрификаторами.

Денитрификация - главная причина потерь азота в земледелии (до половины связанного в удобрениях азота уходит в атмосферу). Велика роль антропогенного фактора в цикле азота. Прежде всего - промышленная фиксация азота (объемы сравнимы с природными). Основной метод фиксации - производство аммиака. Это токсичный газ с резким запахом. Взаимодействует с кислотными осадками, образуя плотные туманы.

5. Биосферный цикл фосфора

В то время как резервуаром азота является воздух, резервуар фосфора - это горные породы, из которых он высвобождается при эрозии. Большая часть фосфора при этом снова теряется, так как вода смывает его в море, где он связан в морских осадках и может стать доступным только тогда, когда здесь произойдёт поднятие земной коры. В мелководных морских осадках фосфор доступен для рыб, которых в свою очередь поедают птицы. Они возвращают фосфор в круговорот со своими экскрементами (гуано), снова смываемыми в море, где их используют планктонные организмы и рыбы. Есть основания полагать, что фосфор возвращается в круговорот не полностью и что доступные ресурсы его, в конце концов, иссякнут. Истощению этих ресурсов способствует человек, который добывает и, в конечном счете, безвозвратно теряет больше фосфора, чем возвращает в оборот.

Фосфор является одним из важнейших биогенов. Он входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутри клеток. Цикл фосфора - пример простого осадочного цикла с весьма несовершенной регуляцией. Особенностью цикла фосфора является отсутствие естественных токсичных его соединений. Главным резервуаром фосфора служат горные породы. В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфат-иона. Фосфаты растворимы в кислых растворах и в бескислородных средах, нелетучи. Растения поглощают фосфат-ионы из водного раствора и включают в состав различных органических соединений. В них фосфор выступает в форме органического фосфата. Особенностью этих соединений является наличие связи Р-О-Р. При их гидролизе освобождается большое количество энергии.

Например, при гидролизе подобной молекулы - пирофосфата выделяется 29 кДж/моль, что значительно больше, чем, если бы гидролизу подверглась любая другая молекула, не содержащая Р-О-Р - связей. По пищевым цепям фосфор поступает от растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе возможно окисление или гидролиз соединений фосфора для получения организмом энергии. Продукты окисления и гидролиза (фосфаты) поступают в окружающую среду, после чего могут снова поглощаться растениями.

Особенность круговорота фосфора можно рассмотреть при сравнении с круговоротом углерода. Значительная часть фонда углерода находится в газообразной фазе, и он способен свободно распространяться в атмосфере. В случае фосфора газовой фазы и свободного перераспределения в экосистеме нет. Попадая в закрытые водоемы, фосфор насыщает и пересыщает систему. Фосфор и другие минеральные биогены циркулируют в системе в том случае, если содержащие их отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах подобное равновесие соблюдается. Это касается и чисто минеральной формы фосфора.

Деятельность человека приводит к нарушению естественного цикла фосфора. Она характеризуется разделением мест потребления и утилизации биогена, в частности, фосфора. Урожай, вместе с извлеченными из почвы биогенами, различные продукты питания, перевозятся на большие расстояния к потребителям. Продукты жизнедеятельности человека, содержащие фосфор, сбрасываются в водоемы и, пересыщая их этим биогеном, вызывают эвтрофикацию. Важнейшим источником накопления фосфора в окружающей среде являются фосфатсодержащие детергенты. Подсчитано, что человеческие экскременты дают только 30% фосфата сточных вод, а 60% поступают в них с детергентами.

6. Биохимические функции живого вещества

Биохимические функции в пределах живого вещества распадаются на две части: