Литература

1. Агаджанян Н.А., Торшын В.И. Экология человека. Избранные лекции. –М: КРУК, 1994. -С. 41-71.

2.Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и человек: Учебное пособие для вузов. –2-ое изд. –М. Высш. шк., 1986. –С. 117-231.

3. Слюсарев А.А., Жукова С.В. Биология. –Киев: Вища шк., 1987. –С. 312-379.

4. Степановских А.С. Общая экология. –Курган: ГИПП "Зауралье", 1999. –С. 139-243.

Практическое занятие № 15 Биосфера, ее структура и функциональная целостность. Биогеохимический круговорот веществ. Основные виды антропогенных воздействий на биосферу.

I. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: изучить биосферу, ее состав и строение. Дать представление о большом круговороте веществ и воды в природе. Изучить особенности биогеохимического круговорота веществ. Познакомить с основными видами антропогенного воздействия на биосферу.

II. Контрольные вопросы:

1. Что такое биосфера и чем она отличается от других оболочек Земли? Строение биосферы.

2. Состав биосферы.

3. Границы биосферы.

4. Механизм большого круговорота воды в природе? Каково его значение?

5. Охарактеризовать поток энергии в природе.

6. Особенности круговорота углерода, азота и кислорода?

7. Понятие о круговороте фосфора.

8. Что такое загрязнение биосферы и каковы ее виды?

9. Виды загрязнения атмосферного воздуха. Каковы его экологические последствия?

10. Загрязнение гидросферы и его последствия.

11. Антропогенное воздействие на литосферу.

III. Оснащенность занятия:

1. Диапозитивы.

2. Таблицы.

IV.Ход работы:

1. Пользуясь таблицами и диапозитивами, изучить строение и состав биосферы.

2. Пользуясь таблицами и методическими разработками, изучить и зарисовать круговороты веществ в природе.

4. Сравнить различные круговороты между собой, записать выводы.

5. Рассмотреть основные виды антропогенных воздействий на биосферу и ее последствия.

Биосфера - “область жизни”, пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа. Развернутое учение о биосфере создано и разработано акад. В.И.Вернадским. Он рассматривал биосферу как оболочку Земли, в которой существует жизнь. В этом плане В.И.Вернадский различал газовую (атмосфера), водную (биосфера) и твердую (литосфера) оболочки земного шара, как составляющие биосферы области распространения жизни.

С другой стороны В.И.Вернадский подчеркивал, что биосфера - не просто пространство, в котором обитают живые организмы. В состав биосферы также входит результат химической активности живых веществ в настоящем и прошлом.

Всю совокупность живых организмов он обозначил термином - живое вещество. К косным веществам относил все геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими. Третья категория вещества в биосфере по В.И. Вернадскому - это биокосное вещество. Сюда он причислял комплекс взаимодействующих живого и костного веществ (океанические воды, нефть, почва). Существуют так же биогенное вещество - геологические породы, созданные деятельностью живого вещества (известняки, каменный уголь).

Основным отличием живого вещества от косного является его охваченность эволюционным процессом, непрерывно создающим новые формы живых существ. Многообразие форм жизни, их многофункциональность создают основу устойчивого круговорота веществ и потоков энергии.

Таким образом, биосфера, по В.И.Вернадскому, представляет собой одну из геологических оболочек земного шара, глобальную систему Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов - живого вещества.

Активная деятельность живых организмов охватывает относительно небольшой слой поверхностных оболочек планеты - нижнюю часть атмосферы, гидросферу и поверхностные слои литосферы (см. лекцию). Каждая из этих геологических оболочек имеет свои специфические свойства, которые определяют набор форм живых организмов, их морфо-физиологические особенности, принципиальные пути эволюции. Поэтому воздушная, водная и почвенная оболочки земли представляют собой не просто пространство, заполненное жизнью, но также выступают как основные среды жизни, формирующие ее состав и свойства (см. практическое занятие № 15).

На границах сред жизни происходят интенсивные процессы обмена органическим веществом, водой, минеральными солями, идет поток вещества и энергии. Термин “поток” употребляется в экологии в значении перенос, передача, перемещение. Поток вещества и энергии не тождественные понятия. Энергия не может передаваться по замкнутому кругу. В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входить в круговорот, энергия может быть использована только один раз. Поэтому существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии извне, которая необходима всем организмам для поддержания их жизнедеятельности. Но на значительном протяжении пути вещества и энергии в сообществах совпадают (круговорот энергии - см. лекцию).

Многие вещества, в первую очередь те, из которых строятся организмы растений и животных (углерод, азот, фосфор, кислород), перемещаются от одного трофического уровня к другому, по мере того, как организмы, находящиеся на более высоких трофических уровнях, поедают других, находящихся на нижних уровнях. В конечном счете все вещества в результате действия редуцентов возвращаются в абиотическую среду, где они снова могут быть использованы первичными продуцентами. Подобные перемещения веществ в экосистемах называют круговоротом.

Самое распространенное неорганическое соединение на нашей планете - вода. Вода - основа всех жизненных процессов, единственный источник кислорода в главном движущем процессе на Земле - фотосинтезе. Вода присутствует во всей биосфере: не только в водоемах, но и в воздухе, почве, во всех живых существах. Последние содержат до 80-90% воды в своей биомассе. Потеря 10-20% воды живыми организмами приводит к их гибели.

Круговорот воды осуществляется в основном непосредственно за счет энергии Солнца. Однако с появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к простому явлению физического испарения (превращения воды в пар) добавились более сложные процессы, связанные с жизнедеятельностью живых организмов.

Наличие круговорота воды основано на том, что с поверхности океанов испаряется больше воды, чем выпадает над океанами в виде осадков. “Лишняя” испарившаяся вода переносится в виде пара с атмосферными потоками, выпадает в виде осадков над сушей и поступает обратно в океаны с поверхностным речным стоком и через грунтовые воды.

Незначительная часть воды, проходящей через тела растений, разлагается ими в результате фотолиза на кислород, выделяемый в атмосферу, и водород, включаемый в состав органических веществ. Значительно больше воды растения расходуют на транспирацию, т.е. поглощают из почвы и испаряют в атмосферу (рис.1). Расчеты показывают, что большая часть воды испаряется с поверхности суши растениями. Играя роль “испарителей”, растения уменьшают поверхностный сток и тем самым препятствуют эрозии почвы. При вырубке леса сток воды увеличивается в несколько раз, что вызывает эрозию и снижение плодородия почвы.

Рис. 1. Круговорот воды в биосфере

Величина суммарного испарения (с почвы, с поверхности растений и через транспирацию) зависит от физиологических особенностей растений и их биомассы, поэтому служит косвенным показателем жизнедеятельности и продуктивности сообществ. Растительность при этом выполняет роль грандиозного испарителя, существенно влияя при этом на климат территории. Растительный покров ландшафтов, особенно леса и болота, имеет также огромное водоохранное и водорегулирующее значение, смягчая перепады стока (паводки), способствуя удержанию влаги, препятствуя иссушению и эрозии почв.

Разберем круговорот наиболее важных веществ, тех, из которых состоят белковые молекулы. К ним относятся углерод, азот, кислород, фосфор.

Круговорот углерода. Из всех биохимических циклов он наиболее интенсивный (рис. 2). В круговороте углерода большое значение имеет деятельность живых организмов. Двуокись углерода (СО₂) - наиболее подвижная форма углерода. В его перемещении четко прослеживается трофическая цепь: продуценты- улавливают углерод из атмосферы при фотосинтезе. Консументы - поглощают углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков. Редуценты - возвращают углерод вновь в круговорот. В результате этого лишь около 1% углерода, усвоенного растениями откладывается в виде торфа, удаляясь из круговорота. Всего за 7-8 лет живые организмы пропускают через себя весь углерод, содержащийся в атмосфере.

Рис. 2. Круговорот углерода в биосфере.

Гораздо большее количество углерода, чем в атмосфере, содержится в растворенном виде в морях и океанах, как в виде СО₂, так и в виде угольной кислоты Н₂СО₃ и ее ионов. Этот углерод также доступен для использования живыми организмами и расходуется как в процессе фотосинтеза, так и на образование скелетов.

В последнее время возросло поступление в атмосферу углерода вследствие деятельности человека за счет сжигания ископаемого топлива и вырубки лесов.

Круговорот кислорода играет важнейшую роль в жизни большинства живых организмов (рис.3). Он необходим в процессе дыхания. Кислород не всегда входил в состав атмосферы, а появился в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов. Под действием ультрафиолетовых лучей он превратился в озон - слой в верхних слоях атмосферы, который защищает землю от ультрафиолетовой радиации.

Рис.3. Круговорот кислорода в биосфере

В настоящее время атмосфера содержит всего двадцатую часть всего кислорода земли. А большая его часть содержится в карбонатах, в органических веществах и окислах железа, часть его растворена в воде. В атмосфере сложилось равновесие между производством кислорода в процессе фотосинтеза и его потреблением живыми организмами. В последнее время появилась опасность, что в результате человеческой деятельности запасы кислорода в атмосфере уменьшатся. Особую опасность представляет разрушение озонового слоя. Это связано с деятельностью человека.

Круговорот азота. Азот - незаменимый биогенный элемент, поскольку входит в состав белков и нуклеиновых кислот (рис.4). Атмосфера - неисчерпаемый резервуар азота, однако основная часть живых организмов не может непосредственно использовать этот азот: предварительно он должен быть связан в виде химических соединений.

Рис. 4. Круговорот

азота в биосфере

Частично азот поступает из атмосферы в экосистемы в виде оксида азота, образующегося под действием электрических разрядов во время гроз. Однако основная его часть поступает в воду и почву в результате его биологической фиксации. Существует несколько видов бактерий и сине-зеленых водорослей, которые способны фиксировать азот атмосферы. В результате их деятельности, а также благодаря разложению органических остатков в почве растения-автотрофы получают возможность усваивать необходимый азот.

Круговорот фосфора. Круговорот фосфора в биосфере связан с процессами обмена веществ в растениях и животных. Этот важный и необходимый элемент протоплазмы циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями (рис.5).

Рис.5. Круговорот

фосфора в биосфере

Однако фосфор, в отличие от других веществ, в процессе миграции не образует газовой формы. Резервуаром фосфора является не атмосфера, как у азота, а минеральная часть литосферы. Основными источниками неорганического фосфора являются изверженные породы (апатиты) или осадочные породы (фосфориты). Из пород фосфор вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в континентальных водах. Попадая в экосистемы суши и почву, фосфор поглощается растениями из водного раствора в виде неорганического фосфата и включается в состав различных органических соединений, где он выступает в форме органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от растений к другим организмам экосистемы. Химически связанный фосфор попадает с остатками растений и животных в почву, где вновь подвергается воздействию микроорганизмов и превращается в минеральные ортофосфаты, и далее происходит повторение цикла.

В водные экосистемы фосфор переносится текучими водами. Реки непрерывно обогащают фосфатами океаны. В океанах фосфор переходит в состав фитопланктона, служащего пищей для других организмов, например рыб. Часть фосфора накапливается на разных глубинах.

Круговорот фосфора полностью не замкнут. Возвращение фосфора из океанов на сушу не способно компенсировать его затраты. Поэтому, учитывая то, что запасы фосфора на Земле малы (содержание не превышает 1% в земной коре), то любые воздействия человека на круговорот фосфора несут опасность его потери, что делает его круговорот еще более незамкнутым.