- •2 Взаимодействие биологического и костного вещества: состав воздуха, воды, происхождение почвы, их биологическая регуляция
- •13 Полнота биотического круговорота. Особенности сукцессии наземных экосистем
- •6 Фотозиснтез и дыхание: кислород атмосферы как продукт
- •21 Охрана атмосферы как одна из важнейших современных задач человечества
СОДЕРЖАНИЕ
2 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО И КОСТНОГО ВЕЩЕСТВА: СОСТАВ ВОЗДУХА, ВОДЫ, ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОЧВЫ, ИХ БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ………………………………………………………………………………………………………2
13 ПОЛНОТА БИОТИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА. ОСОБЕННОСТИ СУКЦЕССИИ НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ ………………………………………………………………………………12
6 ФОТОЗИСНТЕЗ И ДЫХАНИЕ: КИСЛОРОД АТМОСФЕРЫ КАК ПРОДУКТ……18
21 ОХРАНА АТМОСФЕРЫ КАК ОДНА ИЗ ВАЖНЕЙШИХ СОВРЕМЕННЫХ ЗАДАЧ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА……………………………………………………………………………………………...20
2 Взаимодействие биологического и костного вещества: состав воздуха, воды, происхождение почвы, их биологическая регуляция
Взаимодействие биологического и костного вещества
Вещество, составляющее биосферу, существенно неоднородно. Поэтому различают косное и живое вещества. Косное вещество преобладает по массе и объему. Происходит непрерывная миграция атомов косного вещества биосферы в живое и обратно. Все исследуемые объекты в биосфере следует называть естественными телами биосферы. А среди них можно различать тела живые, а также косные или биокосные, как, например, почва или озерная вода.
В.И. Вернадский подчеркивал принципиальное значение связей живого и косного вещества, фундаментальный характер биологического единства земных естественно-природных процессов: “Между косным и живым веществом есть непрерывная, никогда не прекращающаяся связь, которая может быть выражена как непрерывный биогенный ток атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно. Этот биогенный ток атомов вызывается живым веществом. Он выражается в непрекращающемся никогда дыхании, размножении и т.п.”. В этом постоянном обмене, рассматривая взаимодействие живого и косного вещества в космопланетарном аспекте, В.И. Вернадский выделил несколько основополагающих свойств, среди которых — два биохимических принципа:
1. Геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению.
2. При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию.
Важная сторона естественнонаучных обобщений, сделанных В.И. Вернадским, состояла в том, что он постоянно поддерживал космические, “вселенские” аспекты процессов и явлений, происходящих в живом веществе. Перечисляя планетарные свойства жизни, В.И. Вернадский, наряду с первым и вторым биохимическими принципами, указывал также, что “живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей”. Обмен этот проявляется, в частности, в том, что живое вещество “создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца”.
Химический состав воздуха
В 1754 году Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не однородное вещество.
Состав воздуха: |
|||
Вещество |
Обозначение |
По объёму, % |
По массе, % |
Азот |
N2 |
78,084 |
75,50 |
Кислород |
O2 |
20,9476 |
23,15 |
Аргон |
Ar |
0,934 |
1,292 |
Углекислый газ |
CO2 |
0,0314 |
0,046 |
Неон |
Ne |
0,001818 |
0,0014 |
Метан |
CH4 |
0,0002 |
0,000084 |
Гелий |
He |
0,000524 |
0,000073 |
Криптон |
Kr |
0,000114 |
0,003 |
Водород |
H2 |
0,00005 |
0,00008 |
Ксенон |
Xe |
0,0000087 |
0,00004 |
Состав воздуха может меняться: в крупных городах содержание углекислого газа будет выше, чем в лесах; в горах пониженное содержание кислорода, вследствие того, что кислород тяжелее азота, и поэтому его плотность с высотой уменьшается быстрее. В различных частях земли состав воздуха может варьироваться в пределах 1-3 % для каждого газа.
Воздух всегда содержит пары воды. Так, при температуре 0 °C 1 м³ воздуха может вмещать максимально 5 граммов воды, а при температуре +10 °C — уже 10 граммов.
Ниже будут более подробно рассмотрены 4 наиболее весомые составляющие воздуха: Азот, Кислород и Углекислый газ.
Азот. Азот атмосферы — индифферентный для человека газ, он служит как бы разбавителем других газов. Количество азота во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе одинаково. В условиях повышенного давления вдыхание азота может оказать наркотическое действие.
Кислород. Это важнейшая составная часть воздуха. Его биологическое значение для человека состоит прежде всего в обеспечении окислительных процессов в организме. Без него невозможна жизнь людей, животных и растений. Взрослый человек в покое поглощает в среднем 12 л кислорода в час, а при физической работе — в 10 с лишним раз больше. Значительное количество кислорода воздуха расходуется на окисление органических веществ, содержащихся в нем, воде, почве, и на процессы горения. В нормальных условиях концентрация кислорода у поверхности почвы практически постоянна.
В жилых и спортивных сооружениях количество кислорода почти не изменяется благодаря естественной и искусственной вентиляции.
При нормальном атмосферном давлении вдыхание чистого кислорода полезно и широко применяется в лечебно-профилактических целях. Для повышения работоспособности и ускорения восстановительных процессов у спортсменов иногда назначается вдыхание чистого кислорода по специальной схеме.
В крови человека кислород находится преимущественно в химически связанном с гемоглобином состоянии, образуя оксигемоглобин.
Двуокись углерода, или углекислый газ. Этот газ образуется в результате окислительно-восстановительных процессов, протекающих в организме людей и животных, горения топлива, гниения органических веществ.
Количество углекислого газа в атмосфере колеблется от 0,03 до 0,04%. В воздухе городов концентрация углекислого газа увеличивается за счет промышленных выбросов — до 0,045%, в жилых и общественных зданиях (при плохой вентиляции) — до 0,6—0,8%. Взрослый человек в покое выделяет в среднем 22 л углекислоты в час, а при физической работе — в 2—3 раза больше.
Признаки ухудшения самочувствия у человека появляются только при продолжительном вдыхании воздуха, содержащего 1,0— 1,5% углекислого газа, выраженные функциональные изменения — при концентрации 2,0—2,5% и резко выраженные симптомы (головная боль, общая слабость, одышка, сердцебиение, понижение работоспособности) — при 3—4%.
Гигиеническое значение углекислого газа заключается в том, что он служит косвенным показателем общего загрязнения воздушной среды помещений. Параллельно с увеличением его содержания повышаются температура, относительная влажность, запыленность воздуха, изменяется его ионный состав, главным образом за счет увеличения положительных ионов.
Гигиенической нормой содержания углекислого газа в воздухе жилых и служебных помещений, спортивных залов считается концентрация 0,1 %.
Состав воды
При прохождении через различные породы вода приобретает характерные для этих пород свойства. Так пройдя через известковые породы, вода становится известковой, через доломитовые – магниевой, через каменную соль и гипс – минеральной.
Свойства воды. Они оказывают своё влияние и на здоровье человека, и на состояние систем водоснабжения, и на работу бытовых приборов.
1. Водородный показатель – десятичный логарифм концентрации ионов водорода, но с обратным знаком. Для всего живого в воде минимум - рН=5, в питьевой воде может быть рН 6,0-9,0, а в воде водоёмов культурно-бытового водопользования - 6,5-8,5.
2. Общая жесткость – совместная концентрация ионов кальция и магния. Вода может в зависимости от величины жесткости быть: очень мягкой – 0-1,5 мг-экв/л, мягкой – 1,5-3 мг-экв/л, средней жёсткости – 3-6 мг-экв/л, жёсткой – 6-9 мг-экв/л, очень жёсткой – более 9 мг-экв/л. Оптимальный уровень жёсткости воды для внутреннего употребления -3,0-3,5 мг-кв/л. Употребление воды с большей жёсткостью может привести к заболеваниям суставов, образованию камней. Жёсткость воды свыше 4,5 мг-экв/л приводит к отложению осадка на стенках бытовых приборов, накоплению осадка в трубах водоснабжения.
3. Хлориды – их содержание в природных водах может быть от долей миллиграмма до нескольких граммов на литр. Наличие хлоридов в воде более 350 мг/л, даёт ей солёный вкус и приводит к заболеваниям у людей пищеварительной системы.
4. Сульфаты – их содержание обусловлено вымыванием солесодержащих пород. Если содержание в воде сульфатов превышает 500 мг/л, то это ведёт к заболеванию кишечно-пищеварительного тракта.
5. Нитраты – содержатся в основном в поверхностных водах. В концентрации превышающей более 20 мг/л, на организм человека оказывают токсическое действие. Использовании в пищу воды с увеличенным содержанием нитратов может повлечь за собой заболевания сердечно-сосудистой системы, крови.
6. Сульфиды – сероводород. Находится чаще всего в подземных источниках. Появление сероводорода в поверхностных водах может быть следствием сброса неочищенных вод. Присутствие в воде сероводорода обнаруживается по неприятному запаху издаваемому им.
7. Железо – вода получает красно-коричневую окраску, развиваются железобактерии, трубы засоряются. Из-за слизеобразования железобактерий ухудшаются свойства воды, ухудшается её вкус. Высокое содержание железа в воде неблагоприятно действует на кожу человека, возможно изменение морфологического состава крови, может способствовать развитию аллергии.
8. Марганец – присутствие в питьевой воде до 0,5 мг/л не влияет на здоровье людей, но может быть неприятным, так как вода имеет металлический привкус. Также наличие в воде марганца может вызывать образование плёнки на трубах, которая позже отслаивается в виде чёрного осадка.
9. Перманганатная окисляемость – общая концентрация кислорода, соответствующая количеству иона перманганата МпО4, необходимому для обработки этим окислителем пробы воды. Характеризует количество органических и неорганических веществ в воде и предназначен для оценки качества водопроводной воды. При перманганатной окисляемости выше 2 мгО2/л, воду требуется обеззараживать, так как в ней много легко окисляющихся органических соединений. Если обеззараживать такую воду хлорированием, то образуются ещё более вредные для здоровья хлоруглеводы.
10. Аммоний – азот аммонийный, конечный продукт разложения – аммиак, наличие его в воде не опасно. Если же аммиак образовался после разложения белка сточных вод, то такая вода для питья непригодна. Содержание аммония в воде не может превышать 0,5 мг/л.
11. Щелочность – под этим подразумевается содержание в воде гидроксильных ионов ОН.
12. Кремниевая кислота - слабая минеральная кислота, соли которой имеются в природной воде.
13. Сухой остаток – служит ориентиром наличия в воде неорганических солей.
14. Кислород растворённый – растворяется в природной воде при контакте с воздухом.
15. Углекислый газ – имеется в природной воде, после растворения из воздуха и как результат протекания в воде и почве биохимических процессов.
16. Хлор остаточный – или избыточный обладает очень сильным бактерицидным действием. Нормативы содержания в воде: свободный хлор 0,3-0,5 мг/л, связанный 0,8-1,2 мг/л.
17. Медь и её соединения часто встречаются в природных водах, но, как правило, их концентрация не превышает десятых долей мг/л.
18. Алюминий – высокие концентрации редки, основными источниками поступления в водопроводную воду могут быть коагулянты на основе солей алюминия.
Образование почвы
Почва образуется из горных пород благодаря одновременному воздействию двух процессов: выветривания горных пород и почвообразования.
Выветривание горных пород. Выветриванием называется совместное действие различных факторов и процессов, приводящих к разрушению и глубоким изменениям горных пород, составляющих земную кору. Главными факторами выветривания являются температурные колебания, ветер, вода и др.
В. Р. Вильямс пишет: «Горная порода, чтобы стать почвой, должна развить два новых свойства, слагающих существенный признак почвы — ее плодородие. Она должна приобрести способность к образованию и сохранению запаса воды, необходимой для обеспечения развития растений, и она должна сконцентрировать и удержать необходимый для развития растений запас элементов их зольной и азотной пищи».
При выветривании горные породы начинают разрушаться под влиянием следующих факторов.
Благодаря значительным колебаниям дневных и ночных температур, а также в результате неравномерного нагревания и охлаждения верхних и внутренних слоев этих пород, образуются трещины и разрывы. Вода и атмосферные осадки — дождь и снег — продолжают это разрушение. Замерзая в трещинах, вода разрывает их еще больше, измельчая верхние слои пород. Ветер довершает разрушение, причем мягкие породы истачиваются ветром быстрее и измельченные частицы нередко переносятся в другие места.
В конечном результате под влиянием ветра, воды, дождя, снега обнажающаяся поверхность горных пород теряет свою массивность, образуется рыхлый слой, так называемый рухляк, представляющий собой измельченную минеральную массу из обломков разнообразной величины и формы, а также частиц различной величины (песок, пыль, ил). Этот рыхлый слой горной породы отличается от первоначальных горных пород тем, что он стал проницаем для воды и воздуха.
Одновременно с физическим происходит и химическое выветривание горных пород, в результате чего происходит изменение их химического состава. Вода, имея примесь углекислоты, энергично разлагает сложные горные породы, образуя новые соединения. Воздух при химическом выветривании действует на горные породы своими составными частями: кислород воздуха, окисляя, переводит одни соединения в другие; углекислота воздуха, соприкасаясь с водой, растворяется в ней, увеличивая тем самым растворяющую способность воды.
В результате химического выветривания первичных (кристаллических) горных пород появляемся так называемые вторичные, или осадочные, породы известняки, песчаники, глинистые сланцы и др. В процессе химического выветривания отлагаются конечные продукты выветривания — песок, пыль и ил, а сложные нерастворимые соединения переходят в простые и растворимые соли, которые затем вымываются атмосферной водой.
Разрушенная размельченная горная порода еще не является почвой, так как не обладает плодородием. Однако процессы выветривания уже подготовили горную породу для перехода ее в почву: появляется поглотительная способность, капиллярность, связность (глинистые частицы), влагоемкостькость (способность удерживать воду). Так закладываются почвообразующие, или материнские породы.
На такой материнской породе поселяются растения, корни которых как при жизни растений, так и после отмирания и гниения их остатков выделяют различные органические кислоты, растворяющие минеральные соединения и усиливающие процесс разрушения горных пород. На почвообразующих материнских породах поселяются также бактерии и другие микроорганизмы, выделяющие кислотные соединения и участвующие таким образом в изменении горных пород и минеральные соединений.
В результате жизнедеятельности растений и микроорганизмов происходит процесс синтеза и разрушения органического вещества, протекают биологические и физико-химические процессы, происходит обогащение гумусом, образуется плодородная почва.
Совокупность процессов, в результате действия которых на материнской породе формируется почва, носит название почво образовательного процесса.
На ход почвообразовательного процесса оказывают влияние материнская порода, климат, рельеф, растительный и животный мир. В этом процессе основным фактором, по Вильямсу, является биологическое воздействие растительных формаций, являющихся природными комбинациями различных групп зеленых растений и бесхлорофилльных микроорганизмов.
В зависимости от различных природных условий, процессы почвообразования происходили по-разному, благодаря чему в настоящее время мы имеем различные почвы, основные типы которых приурочены к географическим местностям с определенными природными условиями.