Строение биосферы и трофические уровни

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Типы вещества в биосфере

Появление и развитие жизни на Земле - это уникальное явление во всей Солнечной системе. Но оно не случайно, а было подготовлено сочетанием ряда благоприятных условий. Прежде всего, для зарождения жизни должен был сформироваться сложный комплекс активно взаимодействующих природных компонентов, которые в течение чрезвычайно длительного времени в относительно стабильных гидротермальных условиях испытали строго направленную эволюцию.

Та часть литосферы, гидросферы и атмосферы Земли, в которой существуют и развиваются растительные и живые организмы, называется биосферой. В ее состав входят не только растительный покров и животное население планеты, все реки и озера, водная масса океанов, но и почвенный слой, значительная часть тропосферы и самый верхний слой земной коры - зоны выветривания. На земной поверхности практически нет площадей, где отсутствует жизнь. Даже в жарких и безводных тропических пустынях или на поверхности высокогорных ледников и полярных льдов обнаружены микробы и другие микроорганизмы.

1.1 Биосфера

По современным представлениям, биосфера - это особая оболочка земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов. Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и ограничена слоем озона, который задерживает губительные для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана - до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и условием проникновения воды в жидком состоянии.

1.2 Типы вещества биосферы Земли

Вещества земного происхождения представлены в биосфере как живым, так и неживым веществом. К живому веществу, по определению Вернадского, относятся все живые организмы биосферы. Современное живое вещество является биогенным, так как оно образуется исключительно путем размножения уже существующего живого вещества.

Биогенное вещество -- это органогенные осадочные породы, состоящие из продуктов жизнедеятельности живых организмов или представляющие собой их разложившиеся остатки (известняки, ракушечные породы, горючие сланцы, ископаемые угли, нефть и др.). Они являются источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии. В.И. Вернадский отмечал, что вещество биосферы состоит из 7 разнородных частей, геологически не случайных: живое вещество, биогенное, косное, биокосное и др.

Биокосное вещество -- вещество, возникающее в результате совместной деятельности живых организмов и косных (абиогенных) процессов (кора выветривания, почвы, природные воды и др.), причем они представляют значительную биогеохимическую энергию в биосфере.

1.3 Структурные уровни биосферы

Аэробиосфера

Расположена в пределах атмосферы (газовой оболочки планеты). Вещество в атмосфере распределено неравномерно, что обуславливается уменьшением плотности воздуха с удалением от поверхности. Обычно атмосферу делят на три крупных совокупности слоев: тропосферу (от поверхности до высоты 8-10 км), стратосферу (8-10 км до озонового слоя) и ионосферу (выше озонового слоя). В более подробном рассмотрении, подразделяется на тропобиосферу (соответствует тропосфере - 8-10 км.), в которой сосредоточены почти все аэробионты (организмы, постоянно живущие в слое воздуха, нуждающиеся во влажности и взвешенных частицах - аэрозолях; в основном - бактерии), и альтобиосферу (от 8-10 км. До озонового слоя, после которого жесткое ультрафиолетовое излучение не допускает существование жизненных форм.

В настоящее время иногда также выделяют парабиосферу (выше озонового слоя, куда некоторые организмы могут случайно попадать, но не могут нормально существовать), апобиосферу (слой выше 60-80 км., куда живые организмы никогда не поднимаются, но биовещество может заноситься в очень незначительных количествах) и артебиосферу (космическое пространство, в котором биологические существа существуют на созданных человеком ограниченных пространствах, т.е. космических спутниках, космических станциях и т.п.).

Гидробиосфера.

Водная оболочка планеты, представленная океанами, морям, и наземными водами (гидросфера). Простирается от поверхности водоемов до глубины 11 км. (Марианская впадина). Подразделяется на марианобиосферу (или океанобиосферу), и аквабиосферу, которая в свою очередь некоторыми учеными делится на лимноаквабиосферу (биосфера озер; в том числе галолимнобиосферу - биосферу соленых озер) и реаквабиосферу (реки).

Геобиосфера.

Самая населенная организмами оболочка, распространяющаяся от поверхности почвы на границе с атмосферой и гидросферой до глубины нескольких километров (верхняя часть литосферы).

Геобиосфера подразделяется на поверхностную часть - террабиосферу, и подземную часть - литобиосферу.

Последняя не имеет окончательно установленных нижних границ и теоретически может распространяться до 20-25 км., на которой вследствие температур около 450оС при любом давлении вода превращается в пар, делая существование любых организмов невозможным.

Сегодня глубины распространения микроорганизмов, подтвержденные опытно, составляют около 2 км.

2. Трофические пирамиды

Совокупность разных организмов и неживых компонентов среды, тесно связанных между собой потоками вещества и энергии, называется экосистемой (от греч. "ойкос" -- "жилище", "местопребывание" и "система" -- "сочетание", "объединение").

Примерами экосистем могут быть озеро, массив леса, участок степи, отдельный гниющий пень и даже содержимое желудка жвачных.

Изучая их, учёные основной упор делают именно на процессы превращения вещества и энергии, а не просто устанавливают присутствие каких-то организмов или выясняют особенности изменения их численности.

Если же экологи имеют дело только с совокупностью совместно обитающих популяций разных видов, то они для этого используют такие термины, как сообщество, или биоценоз (от греч. "биос" -- "жизнь" и "кой-нос" -- "общий").

биосфера трофический экосистема почва

2.1 Понятие о трофических уровнях

Трофический уровень -- это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней.

Так, зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные животные -- второй (уровень первичных консу-ментов), первичные хищники, поедающие травоядных, -- третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники -- четвертый (уровень третичных консументов).

Трофических уровней может быть и больше, когда учитываются паразиты, живущие на консументах предыдущих уровней.

Такая последовательность и соподчиненность связанных в форме трофических уровней групп организмов представляет собой поток вещества и энергии в экосистеме, основу ее организации.

2.2 Трофическая структура экосистемы

В результате последовательности превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т.д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или пх биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанными на единицу площади в единицу времени.

Трофическую структуру обычно изображают в виде экологических пирамид. Эту графическую модель разработал в 1927 г. американский зоолог Чарльз Элтон. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень -- уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими уровнями -- консументами различных порядков. Высота всех блоков одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне. Различают три способа построения экологических пирамид.

1. Пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных организмов на каждом уровне. Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. Иногда пирамиды чисел могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами -- насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых).

2. Пирамида биомасс соотношение масс организмов разных трофических уровней. Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике обычно получается ступенчатая пирамида с суживающейся верхушкой. Так, для образования 1 кг говядины необходимо 70--90 кг свежей травы. В водных экосистемах можно также получить обращенную, или перевернутую, пирамиду биомасс, когда биомасса продуцентов оказывается меньшей, нежели консументов, а иногда и редуцентов. Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона общая масса в данный момент его может быть меньше, нежели у потребителей-консументов (киты, крупные рыбы, моллюски).

Пирамиды чисел и биомасс отражают статику системы, т. е. характеризуют количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем. Пирамида чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или отстрела животных в охотничий период без последствий для нормального их воспроизведения.

3. Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость про хождения массы пищи через пищевую цепь. На структуру биоценоза в большей степени оказывает влияние не количество фиксированной энергии, а скорость продуцирования пищи.

Установлено, что максимальная величина энергии, передающейся на следующий трофический уровень, может в некоторых случаях составлять 30% от предыдущего, и это в лучшем случае. Во многих биоценозах, пищевых цепях величина передаваемой энергии может составлять всего лишь 1%.

3. Состав и структура атмосферы

Воздушная оболочка, которая окружает нашу планету и вращается вместе с ней, называется атмосферой. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, а три четверти массы -- в нижних 10 км. Выше воздух значительно разрежен, хотя его частицы обнаруживаются на высоте 2000--3000 км над земной поверхностью.

Воздух, которым мы дышим, это смесь газов. Больше всего в нём азота -- 78% и кислорода -- 21%. Аргон составляет менее 1% и 0,03% -- углекислый газ. Другие многочисленные газы, например криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон и прочие, составляют тысячные и миллионные доли процента. Воздух содержит также водяной пар, частички различных веществ, бактерии, пыльцу и космическую пыль.

Атмосфера состоит из нескольких слоев.

Нижний слой до высоты 10--15 км над поверхностью Земли называется тропосфера. Она нагревается от Земли, поэтому температура воздуха здесь с высотой падает на 6°С на 1 километр подъёма. В тропосфере находится почти весь водяной пар и образуются практически все облака - прим. от geoglobus.ru. Высота тропосферы над разными широтами планеты неодинакова. Над полюсами она поднимается до 9 км, над умеренными широтами -- до 10--12 км, а над экватором -- до 15 км. Процессы, происходящие в тропосфере -- формирование и перемещение воздушных масс, образование циклонов и антициклонов, появление облаков и выпадение осадков, -- определяют погоду и климат у земной поверхности.

3.1 Слои атмосферы

Атмосфера имеет слоистую структуру. Границы между слоями не резкие и их высота зависит от широты и времени года. Слоистая структура - результат температурных изменений на разных высотах. Погода формируется в тропосфере (нижние примерно 10 км: около 6 км над полюсами и более 16 км над экватором). И верхняя граница тропософеры выше летом, чем зимой.

От поверхности Земли вверх эти слои:

- Тропосфера

- Стратосфера

- Мезосфера

- Термосфера

- Экзосфера

- Тропосфера

4. Воздействие на почву горных предприятий

Существующие в настоящее время технологии по добыче и переработке полезных ископаемых, какими бы передовыми они не являлись, представляют собой мощные источники негативного воздействия на окружающую среду.

Горно-обогатительные комбинаты являются одним из наиболее мощных источников антропогенного загрязнения окружающей среды. Специфика добычи и обогащения руд заключается в извлечении и переработке огромных масс горных пород, из которых используется лишь небольшая часть, все остальное накапливается в виде сбросов и отходов загрязняет и окружающую среду.

Значительный вклад в загрязнение окружающей среды вносят сбросы шахтного, рудничного и карьерного водоотлива, которые зачастую сбрасываются в неочищенном виде. Это приводит к загрязнению водоёма-приёмника сточных вод.

Снизить антропогенное влияние тяжёлых металлов на биосферу можно путем их эффективного удаления на локальных очистных сооружениях в месте их образования. Однако анализ литературных данных показал, что в настоящее время достаточно эффективных и экономичных методов удаления тяжёлых металлов для предприятий горнопромышленного комплекса не существует. Известные методы связаны с образованием большого количества токсичных шламов и низкой эффективностью.

В горнодобывающих районах резко меняются характер и интенсивность поставки химических элементов в водотоки. Это обусловливается изменением условий и соотношения механической и водной миграции, вызванных перемещением больших масс горных пород и их последующим перераспределением в отвалах под действием гравитационных процессов, разрушением хвостохранилищ под действием экзогенных факторов, сливами с рудников, обогатительных фабрик и хвостохранилищ, поверхностным стоком с территорий горных отводов. Различные виды сливов - основной источник поступления техногенных веществ в водотоки.

Значительная часть периодически сбрасываемых стоков приходится на сливы рудничных вод и сливы с хвостохранилищ. Существенным источником загрязнения является поверхностный сток с породных и рудных отвалов, дорог и других объектов в пределах горных отвалов. Большую роль в поставке химических элементов в водные системы играет отмечавшееся выше техногенное усиление процессов выветривания на разрабатываемых месторождениях.

Характерная особенность стоков - резкое обогащение их взвешенным твердым веществом, играющим существенную роль в техногенной миграции элементов. Содержание твердых взвесей в стоках может достигать десятков грамм на литр, т.е. на два - три порядка превышать мутность природных водотоков.

Для водотоков в зонах влияния ГОКов характерно резкое повышение содержаний Na, К, N, фосфатов (влияние бытовых стоков), взвешенных веществ, Са и хлоридов (влияние промышленных стоков). Высокие содержания хлоридов и кальция связаны с использованием хлорной извести при очистке жидкой части хвостов от фотореагентов. Отмечены также высокие содержания нефтепродуктов и различных органических веществ, применяемых в качестве агентов флотационного обогащения.

Для районов ГОКов характерны резкие пространственно-временные изменения кислотно-щелочных условий поверхностных вод, что приводит к заметной перестройке условий миграции химических элементов. Так, при обследовании реки, на которой расположен ГОК по добыче и обогащению вольфраммолибденовых руд, установлено, что все водотоки выше ГОКа характеризуются нейтральной реакцией (рН 7.2-7.5). Тенденция к возрастанию рН и содержания гидрокарбонат-иона наблюдается в районе открытых разработок, в месте слива вод из штолен в районе хвостохранилища. Это, в частности, приводит к увеличению подвижности молибдена на отдельных участках речной сети, миграционная способность которого повышается в соответствии с нарастанием рН.

Особую опасность представляют кислые рудничные воды. Так, в районах медно-цинкового сульфидного оруденения в Калифорнии в результате естественного выщелачивания руд рН вод снижается до 5ч3; эти воды выносят часть рудных компонентов в природные водотоки. Активная добыча руд еще более увеличила интенсивность выщелачивания, что привело к снижению рН природных вод до 3.5--1.4, что и обусловило контрастное возрастание содержаний многих химических элементов в водах.

Характерно то, что даже после прекращения функционирования ГОКов уровень загрязнения воды и донных отложений может оставаться достаточно высоким.

В районах развития добывающих предприятии, где качественный состав техногенных источников (отвалы, хвостохранилиша) аналогичен рудным, соотношение между элементами меняется, а общий уровень их накопления в техногенных потоках значительно выше, чем в рудных.

В заключении следует отметить, что уже сейчас имеется значительный арсенал способов и средств снижения водопроницаемости хвостовых отложений, что позволит резко снизить загрязнение почв и грунтовых вод.

Размещено на Allbest.ru