Основные законы функционирования биосферы: поток энергии и круговорот биогенных элементов.

Основные законы биосферы:

Круговорот веществ и поток энергии.

Круговорот веществ – биогеохимические циклы биогенных элементов: углерод, водород, кислород, азот, кальций, сера.

Круговорот углерода включает в себя эмиссию углекислого газа. Вся земная жизнь основана на углероде и его круговороте в живой природе. Основной запас углерода в составе углекислого газа, в воздухе, доля которого хотя и ничтожен, но неуклонно возрастает. Многие ученые полагают, что увеличение углекислого газа из-за пром. выбросов основная антропогенная причина глобального потепления климата. Эта проблема стала одной из центральных в деятельности ООН и других международных организаций.

(тут должна быть карта загрязненияСО2)

Угроза устойчивости, и стало быть сохранению биосферы возникла в результате стихийного, но масштабного влияния на природу Земли растущего человечества.

Альтернативу этому выдвинули Вернадский и Тейяр-де-Шарден. Это разумные, взвешенные пусти и методы неистощимого природопользования, формирование нового типа взаимодействие с природой с биосферой сферы разума – биосферы.

(Основные биогеографические понятия

· Флора и фауна

· Зональные флористические и фаунистические элементы

· Растительность и животное население

· Фаунистический комплекс (тип фауны)

 

Земноводные или амфибии 6700 видов на Земле, в России 28

Пресмыкающиеся или рептилии 9400 видов, в России – 72

Птицы – самый многочисленный по числу видов класс наземных позвоночных, 28 современных отрядов.

 

 

Морская корова стеллерова корова – беззубое, темно-бурое животоное 6-8 м длиной с раздвоенным хвостом, обитало в мелких бухтах Командорских островов. Питалось водорослями. После открытия экспедицией Беринга в 1741 году была полностью истреблена всего за 27 лет.

Описания вдов только в записках Георга Стеллера.)

Биогенный круговорот

Рассмотрим важнейшие из круговоротов, к которым относятся биогеохимические циклы углерода, кислорода, азота, фосфора, серы, биогенных катионов.

Углерод. Источники углерода в природе столь же многочисленны, сколь и разнообразны. Между тем только углекислота, находящаяся либо в газообразном состоянии в атмосфере, либо в растворенном состоянии в воде, представляет собой тот источник углерода, который служит основой для переработки его в органическое вещество живых существ. Поглощенная растениями в процессе фотосинтеза, она превращается в сахара, а в других процессах биосинтеза преобразуется в протеиды, липиды и т.д. Эти различные вещества служат углеводным питанием животным и не зеленым растениям. Животные-сапрофаги и микроорганизмы, обитающие в почве, превращают отмершие растения и останки животных в новое образование органической материи, более или менее мощный слой коричневой или черной массы — гумус. Скорость воздействия разлагающих организмов на гумус далеко не одинакова, а цепи грибов и бактерий, приводящие к окончательной минерализации углерода, бывают различной длины. Иногда цепь может быть короткой и неполной: органические остатки накапливаются в форме торфа и образуют торфяные болота. В некоторых болотах с мощным покровом из сфагновых мхов слой торфа достигает 20 м и более. Здесь и приостанавливается круговорот. Залежи ископаемых органических соединений в виде каменного угля и нефти свидетельствуют о стагнации круговорота в масштабах геологического времени.

В воде также происходит стагнация круговорота углерода, так как углекислота накапливается в форме СаСО₃ (мел, известняки или кораллы) химического или биогенного происхождения. Часто эти массы углерода остаются вне круговорота в течение целых геологических периодов, пока СаСО₃ в виде горных цепей не поднимется над поверхностью моря. С этого момента начинается поступление углерода и кальция в круговорот. Оно осуществляется вследствие выщелачивания известняка атмосферными осадками, под воздействием лишайников, а также корней цветковых растений.

Деятельность человека играет большую роль в круговороте углерода. Люди, по данным за 60-е гг. нашего столетия, ежегодно выдыхают 1,08-10⁹т углекислого газа, а промышленные предприятия выделяют за тот же срок 1,254- 10⁹т. Человечество ежегодно расходует 5—6- 10⁹т углерода, находящегося в ископаемом состоянии. Если бы образующийся в результате сжигания углекислый газ не удалялся из атмосферы, ежегодный прирост его содержания в воздухе составил бы 2,3 млн т. Однако за последние 100 лет содержание углекислого газа возросло с 290 до 320 млн т, причем более 1/5 этого прироста падает на последнее десятилетие. Таким образом, общий прирост содержания углекислого газа в атмосфере составляет лишь примерно 1/3 газа, выделяющегося при сгорании (по абсолютной массе 200- 10⁹т). Остальная доля углекислого газа уходит на прирост растительной массы (поскольку известно, что растения растут быстрее, если содержание СО₂ в атмосфере выше), а часть растворяется в водах океана. Хотя по некоторым подсчетам биомасса суши за последние 100 лет могла вырасти на 15-10⁹т, однако прямых доказательств, что такой рост имел место, нет.

Интенсивность деятельности человека все возрастает. Повышается год от года и скорость потребления горючих ископаемых. Через 15 лет содержание СО₂ в атмосфере увеличится с 320 до 375—400 млн т. Рост содержания СО2 в атмосфере с неизбежностью приведет к повышению температуры поверхности Земли, а следовательно, к таянию ледников, повышению уровня океана и другим столь же серьезным последствиям. Поэтому перед человечеством стоит задача поиска таких энергетических источников и технологических процессов, при которых содержание углекислого газа в воздухе не будет расти со столь значительной скоростью. Известно также, что вырубка лесов, использование земель под дороги и строения уменьшают площадь зеленого покрова Земли и снижают темпы ассимиляции. При использовании природных фитоценозов и замене их культурными следует иметь в виду необходимость сохранения общего уровня фотосинтеза, а еще лучше — обеспечить его подъем.

Круговорот азота — сложный процесс. Хотя в составе атмосферы на долю азота приходится 70%, однако чтобы он мог быть использован, он должен находиться в виде определенных химических соединений. Пути фиксации азота весьма разнообразны. Связывание азота происходит в процессе вулканической деятельности, при грозовых разрядах в атмосфере, когда имеет место ее ионизация, в момент сгорания метеоритов. Однако несравненно большая роль в процессе фиксации азота принадлежит микроорганизмам как свободно живущим, так и обитающим на корнях, а иногда и на листьях некоторых растений в особых клубеньках.

Оценка количеств фиксированного азота, теряемого и приобретаемого биосферой в различных процессах (по Дювиньо, Тату, 1968). За год в биосферу поступает почти 92 млн т фиксированного азота, возвращается же в атмосферу в результате денитрификации всего примерно 83 млн т. "Пропавшие" 9 млн т, видимо, откладываются каждый год в биосфере: в почве, подземных водах, озерах, реках и океане

Вероятно, самым крупным вмешательством человека в круговорот веществ в природе является промышленная фиксация азота. Количество азота, содержащегося в удобрениях, возросло с 1950 г. к концу 60-х гг. примерно в 5 раз. По данным К. Делвича (1972), промышленность ежегодно фиксирует азота столько же, сколько его фиксировали живые организмы до введения современной агротехники. В 1968 г. мировая промышленность дала 20 млн т фиксированного азота, а через 15 лет это количество превысило 100 млн т, поскольку оно удваивается каждые 6 лет.

Круговорот кислорода. Несомненно, большая часть кислорода атмосферы имеет биогенное происхождение, лишь малая его доля появилась в результате фотолиза (разложения воды на кислород и водород энергией света). Роль живых существ и органического вещества в возникновении углекислого газа атмосферы также бесспорна. Мы можем с определенностью утверждать, что жизнь, возникшая на Земле, постепенно привела к появлению современного состава атмосферы, который и поддерживается деятельностью живых существ. В количественном отношении кислород — главная составляющая живой материи. Если учитывать воду, содержащуюся в тканях, то, например, тело человека содержит 62,8% кислорода и 19,4% углерода. Если рассматривать биосферу в целом, этот элемент, по сравнению с углеродом и водородом, является основным среди простых веществ.

Круговорот кислорода очень усложнен способностью элемента образовывать многочисленные химические соединения, представленные в различных формах. В результате возникает множество эпициклов, происходящих между литосферой и атмосферой или между гидросферой и двумя этими средами (рис. 7).

Атмосферный кислород и кислород, содержащийся в многочисленных поверхностных минералах (осадочные кальциты, железные руды), имеет биогенное происхождение. Огромные послекембрийские отложения оксидов железа свидетельствуют о большой активности примитивных организмов, которые иногда связывали весь свободный кислород гидросферы в своей биомассе и метаболитах. Формирование в атмосфере озонного экрана, способного задерживать наиболее опасную ультрафиолетовую радиацию, началось с момента достижения кислородом концентрации примерно 1% от его современного содержания. После этого автотрофные эукариоты смогли развиваться в верхних слоях воды (там, где солнечный поток был наиболее мощным), что увеличило интенсивность фотосинтеза и соответственно продукцию кислорода.

Потребление атмосферного кислорода и его возмещение первичными продуцентами осуществляется довольно быстро. Подсчитано, что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется 2 тыс. лет. Зато необходимо 2 млн лет, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами. Что касается атмосферного углекислого газа, то его полный круговорот происходит весьма быстро, так как требуется всего лишь 300 лет для его полного возобновления. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась в литосфере в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа и т.д. Эта масса составляет 590 • 10¹⁴ т против 39 • 10¹⁴кислорода, циркулирующего в биосфере в виде газа или сульфатов, растворенных в океанических и континентальных водах.