Основы биогеохимии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ГЕОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

«ОСНОВЫ БИОГЕОХИМИИ»

дисциплина регионального компонента цикла ОПД

по специальности 020804 (013600) «Геоэкология»

(курс лекций)

ОКСАНА ЛЬВОВНА РОМАНЮК

г. Ростов-на-Дону

2010 г.



Романюк О.Л.

Название: Основы биогеохимии. Курс лекций. Ростов-на-Дону, 2010. 27 с.

Информация об авторах:

Ф.И.О. - Романюк Оксана Львовна

Место работы: кафедра геоэкологии и прикладной геохимии,

геолого-географический факультет, Южный федеральный университет

Должность - старший преподаватель

Ученая степень - кандидат географических наук

Стаж научно-педагогической деятельности - 6 лет



АННОТАЦИЯ

Курс лекций «Основы биогеохимии» предназначен для ознакомления студентов-специалистов 4 курса заочного отделения с учением В.И. Вернадского о биосфере как структурной оболочке планеты Земля. Его содержательная часть полностью отвечает учебному плану, предусмотренному для регионального компонента цикла ОПД по направлению 020408 (013600) «Геоэкология».



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1. Понятие о биогеохимии как науке

Комплексная цель

Проектное задание

Лекция 1.

Тема 1.1. Исторические и методологические предпосылки возникновения биогеохимии как науки

Тема 1.2. Связь биогеохимии с другими науками

Тема 1.3. Задачи биогеохимии

МОДУЛЬ № 1. УЧЕНИЕ В.И.ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ КАК О СТРУКТУРНОЙ ОБОЛОЧКЕ ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ

Комплексная цель

Проектное задание

РАЗДЕЛ 2. Биосфера. Строение и свойства современной биосферы

Лекция 2.

Тема 2.1. Понятие биосферы. Структура и границы биосферы

Тема 2.2. Живое вещество. Свойства и функции живого вещества

Тема 2.3. Свойства биосферы

Тема 2.4. Круговорот веществ в биосфере

РАЗДЕЛ 3. Влияние геохимической среды на развитие и химический состав растений

Лекция 3

Тема 3.1. Факторы, влияющие на химический состав растений

Тема 3.2. Физиологические и морфологические формы растений

Тема 3.3. Биогеохимические провинции.

Список рекомендуемой литературы



Введение

Написание курса продиктовано необходимостью составления краткого курса лекций, в котором были бы изложены взгляды В.И.Вернадского, его учеников и последователей на особенности биосферы как структурной оболочки планеты Земля, миграцию веществ и влияние геохимической среды на развитие и химический состав растений, биогеохимические функции живого.

Курс лекций предназначен для студентов-специалистов 4 курса заочного отделения, обучающихся по специальности 020804 (013600) «Геоэкология».



Календарно-тематический план лекций

Тема занятия/модуль	Тип занятий (часы)	Индиви-дуальные консуль-тации	Само-стоя-тельная работа	Не-де-ля
1	2	3	4	5
РАЗДЕЛ 1. Понятие о биогеохимии как науке
Лекция 1. Тема 1.1. Исторические и методологические предпосылки возникновения биогеохимии как науки. Тема 1.2. Связь биогеохимии с другими науками. Тема 1.3. Задачи биогеохимии.	Лекция 1	-	-	1
МОДУЛЬ № 1. УЧЕНИЕ В.И.ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ КАК О СТРУКТУРНОЙ ОБОЛОЧКЕ ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ
РАЗДЕЛ 2. Биосфера. Строение и свойства современной биосферы. Лекция 2. Тема 2.1.Понятие биосферы. Структура и границы биосферы. Тема 2.2. Живое вещество. Свойства и функции живого вещества. Тема 2.3. Свойства биосферы. Тема 2.4. Круговорот веществ в биосфере.	3	-	-	2
РАЗДЕЛ 3. Влияние геохимической среды на развитие и химический состав растений. Лекция 3. Тема 3.1.Факторы, влияющие на химический состав растений. Тема 3.2. Физиологические и морфологические формы растений. Тема 3.3. Биогеохимические провинции.	2	-	-	3
Итого:	6			3



РАЗДЕЛ 1. Понятие о биогеохимии как науке

Комплексная цель - сформировать представление о биогеохимии как комплексной научной дисциплине.

Проектное задание - знать и изучить:

ь методологические основы биогеохимии;

ь работы учёных, которые внесли существенных вклад в развитие учения В.И.Вернадского о биосфере;

ь положение биогеохимии в системе наук;

ь основные задачи биогеохимии.

Лекция 1

Исторические и методологические предпосылки возникновения биогеохимии как науки.

Биогеохимия - это часть геохимии, изучающая геохимические процессы, происходящие в биосфере при участии живого вещества.

Биогеохимия - сравнительно молодая наука. Возникновение и становление биогеохимии как науки связано с именем В.И.Вернадского. Благодаря его работам выявлена исключительно важная роль живого вещества в миграции химических элементов и термодинамике планеты в целом.

Характеризуя исторические предпосылки возникновения новой науки, А.Е.Ферсман (1929) писал, что в конце XIX столетия образовались две геохимические школы. Одна из них, возглавляемая американским химиком Ф.Кларком, была связана с геохимическими расчётами, другая, основанная В.И.Вернадским, положила начало геохимической географии и биогеохимии.

Методологической основой биогеохимии являются разработанные в 1924 году В.И.Вернадским принципы взаимодействия между живым и косным веществом.

1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Иначе говоря, жизнь стремится заполнить в максимальном объёме любое пригодное для неё пространство.

2. Эволюция видов, в ходе геологического времени приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идёт в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов в биосфере. Этот принцип лежит в основе увеличения продуктивности растений и животных.

3. В течение всего геологического времени заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества, которое существовало в тот или иной момент. Этот принцип важен для понимания современных проблем биосферы. Живое вещество, достигшее качественно новой высшей формы развития - формы человеческого общества - получило возможность существования на всем пространстве земной поверхности. При этом отношения человеческого общества с биосферой также перешли в новую форму: биосфера стала превращаться в ноосферу.

Существенный вклад в развитие биогеохимии внесли многие ученые, их работы являются составляющими этой дисциплины.

ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТОВ Б.Б. Полынов М.А. Глазовская А.И. Перельман	БИОГЕОХИМИЯ А.П. Виноградов В.В. Ковальский Р.Я. Шипунов	УЧЕНИЕ О МИКРОЭЛЕМЕНТАХ И РАДИОИЗОТОПАХ Л.В. Пейве В.А. Ковда В.Б. Ильин В.В. Добровольский В.Г. Большаков
УЧЕНИЕ О БИОЛОГИЧЕСКИХ КРУГОВОРОТАХ Н.П. Ремезов, Н.И. Базилевич, Л.Е. Родин, А.А. Титлянова
УЧЕНИЕ ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ. ЧЕЛОВЕК И БИОСФЕРА В.А. Ковда, Б.Г. Розанов

Связь биогеохимии с другими науками.

Биогеохимия тесно связана со многими естественнонаучными дисциплинами. На рис. 1 представлено положение биогеохимии в системе наук о Земле.

ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ зоология, ботаника, микробиология, физиология, биохимия, генетика	НЕЖИВЫЕ ОБЪЕКТЫ ОБЩАЯ ГЕОЛОГИЯ, ГЕОГРАФИЯ петрография, геохимия ландшафтов, геохимия, минералогия, ландшафтоведение
Почвоведение
Экология
Биогеоценология
БИОГЕОХИМИЯ

Рис. 1. Положение биогеохимии в системе наук.

Провести чёткую границу между биогеохимией и некоторыми науками, изучающими неживую природу (геохимия, геохимия ландшафта), невозможно, так как те процессы и явления, которые они изучают, могут быть обусловлены живыми организмами. Аналогично обстоят дела и при сопоставлении биогеохимии и почвоведения. Практически все почвы формируются в результате биогеохимических процессов. По сути, почвоведение - биогеохимия поверхностного слоя суши.

Экология исследует структуру, организацию, функциональные связи и взаимовлияние компонентов биогеоценоза (ландшафта, экосистемы), а также потоки энергии в экосистеме.

Биогеоценология - наука о единой взаимообусловленности природного комплекса; выявляет связи, пищевые цепи, возможные влияния друг на друга всех компонентов биогеоценоза.

В системе этих наук биогеохимии отводится самостоятельная роль. Она исследует взаимодействие живой и неживой природы в масштабе ландшафта (биогеоценоза, экосистемы), географической (биогеохимической) провинции, страны, континента, суши и всей биосферы в целом.

Задачи биогеохимии.

1. Изучение путей миграции химических элементов, анализ биогеохимических циклов миграции.

2. Исследование географических закономерностей распределения химических элементов, используемых живыми организмами.

3. Изучение биосферы как единой системы живого вещества и минеральных соединений.

4. Изучение влияния жизни на историю земных химических элементов, их миграцию и накопление, её участие в геохимических процессах зоны гипергенеза и почвообразования.

5. Изучение химического обмена в системе человек - организмы - окружающая среда.

6. Изучение химического состава живых организмов и роли химических элементов в развитии организмов. Установление оптимальных потребностей живых организмов в различных химических элементах.

7. Изучение влияния технического прогресса на процессы в биосфере.



Обязательная литература

1. Вернадский В.И. Проблемы биогеохимии. Тр. Биогеохимической лаборатории. Т. 16. М.: Наука, 1980.-320 с.

2. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. М.: Наука, 1985.- 263 с.

3. Безуглова О.С. Орлов Д.С. Биогеохимия. Ростов н/Д: «Феникс», 2000.-320 с.



Контрольные вопросы

1. Укажите, что является предметом изучения биогеохимии.

2. Какие отрасли естественных наук лежат в основе зарождения и становления биогеохимии как комплексной научной дисциплины.

3. Обозначьте основные задачи биогеохимии.

4. Перечислите учёных-исследователей, внесших существенный вклад в развитие биогеохимии.



МОДУЛЬ № 1. УЧЕНИЕ В.И.ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ КАК О СТРУКТУРНОЙ ОБОЛОЧКЕ ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ

РАЗДЕЛ 2. Биосфера. Строение и свойства современной биосферы

Комплексная цель - получить представление о строении и свойствах современной биосферы.

Проектное задание - знать и изучить:

ь структуру и границы современной биосферы;

ь свойства и функции живого вещества;

ь свойства биосферы;

ь основные типы круговоротов веществ;

ь влияние геохимической среды на развитие и химический состав растений.

Лекция 2

Понятие биосферы. Структура и границы биосферы.

Биосфера (от греч. bios - жизнь и sphaira - шар) - оболочка Земли, состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов.

Термин «биосфера» был впервые введён в науку Э.Зюссом. Биосфера Зюсса - это сфера обитания живых организмов.

Тем не менее, заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В.И.Вернадскому, так как именно он развил представление и живом веществе как огромной геологической (биогеохимической) силе, преобразующей свою среду обитания.

По Вернадскому, в состав биосферы входят следующие типы веществ:

Живое вещество -- живые организмы, населяющие нашу планету.

Косное вещество -- неживые тела, образующиеся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы).

3. Биогенное вещество -- неживые тела, образующиеся в результате деятельности живых организмов (некоторые осадочные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.)

4. Биокосное вещество -- биокосные тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (почва, илы, кора выветривания и др.).

5. Радиоактивное вещество - атомы радиоактивных элементов - уран, торий, радий и др.

6. Рассеянные атомы - отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (в таком состоянии часто существуют атомы микро- и ультрамикроэлементов: Mn, Zn, Au, Hg и др.).

7. Вещество космического происхождения - вещество, поступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, космическая пыль).

Биосфера имеет определённые границы. Она занимает нижнюю часть атмосферы, верхние слои литосферы и всю гидросферу. Вглубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере распространение жизни ограничивается, прежде всего, температурой горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5-15 км превышает 1000С. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км. В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10-11 км от поверхности.

Лимитирующим фактором проникновения жизни вверх является жесткое космическое излучение. На высоте 25-30 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь относительно тонкий слой озона - озоновый экран. Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают. Несмотря на то, что споры бактерий и грибов обнаруживаются до высоты 20-22 км, основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1 - 1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни - около 6 км над уровнем моря.

Биосфера неоднородна и мозаична. Океаны и континенты - горизонтальная структурная особенность планеты, определяющая в общих чертах строение биосферы.

В континентальной области биосферы выделяют следующие подсистемы:

- сухопутные,

- земноводные,

- ледовые,

- природные комплексы с переменным режимом.

Наиболее хорошо изучены сухопутные комплексы. В них выделяют такие сложные образования как почвы и коры выветривания. Ледовые комплексы - это суша, покрытая горными и покровными ледниками. Земноводные природные комплексы - представлены речной сетью, озерами. Природные комплексы с переменным режимом - это территории, где периодически появляется снежный покров, существует вечная мерзлота.

В океанической области также чётко выделяются следующие подсистемы:

- водные;

- ледовые;

- с переменным режимом.

Водные природные комплексы - акватории океана, свободные ото льда в течение всего года.

Ледовые природные комплексы - многолетние морские льды (Арктика).

Природные комплексы с переменным режимом - акватории океана, периодически покрывающиеся льдом.

Океаническая область биосферы характеризуется и вертикальной структурой: водно-поверхностный ярус, который населяют фотосинтезирующие организмы; водно-глубинный ярус; бентосный ярус и иловый ярус.

Между океанической и континентальной областями выделяется и переходная область биосферы. Это шельфовая область океана. В шельфовой области выделяются следующие подсистемы:

- земноводные - ежесуточно заливаемая во время приливов часть береговой зоны (литоральная зона);

- мелководная - акватория океана с глубиной около 200 м;

- ледовая - многолетний припай льда в Антарктике и Арктике;

- переменного режима - акватории морей, систематически покрывающиеся льдом.

В шельфовой области вся толща воды населена фотосинтезирующими бактериями, поэтому водно-поверхностный ярус непосредственно переходит в донный ярус.

Континентальная область биосферы занимает 149,0 млн. км2 (133 - сухопутная, 16 - ледовая). Океаническая область - 333,0 млн. км2 (65,3%). Переходная (без литоральной) - 28,0 млн. км2.

Живое вещество. Свойства и функции живого вещества.

Живое вещество - живые организмы, населяющие нашу планету.

Масса живого вещества составляет лишь 0,01% от массы всей биосферы. Тем не менее, живое вещество биосферы - это главнейший ее компонент.

Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), и особенно на границах трех оболочек - атмосферы, гидросферы и литосферы (прибрежные зоны). Эти места наибольшей концентрации жизни В.И. Вернадский назвал «пленками жизни». Вверх и вниз от этих поверхностей концентрация живой материи уменьшается.

К основным уникальным особенностям живого вещества можно отнести следующие:

1. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. Это свойство связано как с интенсивным размножением, так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ.

2. Движение не только пассивное, но и активное, то есть не только под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п., но и против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п.

3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты веществ). Благодаря саморегуляции живые организмы способны поддерживать постоянный химический состав и условия внутренней среды, несмотря на значительные изменения условий внешней среды. После смерти эта способность утрачивается, а органические остатки очень быстро разрушаются. Образовавшиеся органические и неорганические вещества включаются в круговороты.

4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий (микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурой до 140оС, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде).

5. Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков значительнее, чем в неживом веществе.

6. Высокая скорость обновления живого вещества. Только небольшая часть живого вещества (доли процента) законсервирована в виде органических остатков, остальная же постоянно включается в процессы круговорота.

Все перечисленные свойства живого вещества обуславливаются концентрацией в нём больших запасов энергии.

Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества:

1. Энергетическая (биохимическая) - связывание и запасание солнечной энергии в органическим веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов.

2. Газовая - способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. С газовой функцией связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня. Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10% от современной. Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши.

3. Концентрационная - «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Результат концентрационной деятельности живого вещества - образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.

4. Окислительно-восстановительная - окисление и восстановление различных веществ с участием живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, P, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода

5. Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) - сапрофитные грибы и бактерии.

6. Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов.

7. Средообразующая - преобразование физико-химических параметров среды. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры.

8. Рассеивающая - функция, противоположная концентрационной - рассеивание веществ в окружающей среде. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п.

9. Информационная - накопление живыми организмами определённой информации, закрепление её в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

10. Биогеохимическая деятельность человека - превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода - нефти, угля, газа.

Таким образом, биосфера представляет собой сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путём обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.

Свойства биосферы.

К основным свойствам биосферы относят следующие:

- целостность и дискретность. Целостность биосферы обусловлена тесной взаимосвязи слагающих её компонентов. Она достигается круговоротом вещества и энергии. На понимании целостности биосферы основываются теория и практика рационального природопользования.

- централизованность. Центральным звеном биосферы выступают живые организмы (живое вещество).

- устойчивость и саморегуляция. Биосфера способна возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения, создаваемые внешними и внутренними воздействиями, включением определённых механизмов.

- ритмичность. Биосфера проявляет ритмичность развития - повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Основные из них - суточный и годовой.

- круговорот веществ и энергозависимость. Биосфера - открытая система. Её существование невозможно без поступления энергии извне, а круговорот веществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов химических элементов.

- горизонтальная зональность и высотная поясность. Горизонтальная зональность - закономерное изменение природной среды по направлению от экватора к полюсам. Высотная поясность - закономерная смена природной среды с подъёмом в горы от их подножия до вершин. Зональны климат, воды суши и океана, процессы выветривания, растительность, почвы, животный мир.

- большое разнообразие условий обитания и живых организмов. Это свойство обусловлено следующими причинами: разными средами жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной); разнообразием природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; наличием регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); биологическим разнообразием живых организмов.

Круговорот веществ в биосфере.

Круговорот веществ - многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. В зависимости от движущей силы внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты.

Геологический круговорот (большой круговорот веществ в природе) - круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы.

К эндогенным процессам относятся: тектонические движения, землетрясения, магматизм, матаморфизм. Эти процессы происходят под влиянием внутренней энергии Земли.

Экзогенные процессы включают выветривание горных пород и минералов, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, отложение и накопление продуктов разрушения с образованием осадочных пород. Эти процессы протекают под влиянием внешней энергии Солнца.

Эндогенные и экзогенные процессы противоположны по своему действию. Первые ведут к образованию крупных форм рельефа, вторые - к их сглаживанию.

Магматические горные породы в результате выветривания преобразуются в осадочные. В подвижных зонах земной коры они погружаются вглубь Земли. Там под влиянием высоких температур и давлений они переплавляются и образуют магму, которая, поднимаясь на поверхность и застывая, образует магматические породы.

Таким образом, геологический круговорот веществ протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.

Биологический круговорот - круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. В отличие от большого геологического малый биологический круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части:

1. резервный фонд - это часть вещества, не связанная с живыми организмами;

2. обменный фонд - значительно меньшая часть вещества, которая связана прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением.

В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты можно разделить на два типа:

1. круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота);

2. круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа).

Круговороты газового типа более совершенны, так как обладают большим обменным фондом, а значит способны к быстрой саморегуляции.

Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, так как основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коры в «недоступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путём извлечения живым веществом. Однако извлечь нужные живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.

Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Так, например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре.

С появлением человека возник антропогенный круговорот - круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нём можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей.

Геологический и биологический круговороты в значительной степени замкнуты, антропогенный - нет. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды - основным причинам всех экологических проблем человечества.



Обязательная литература

1. Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера. М.: Наука, 1994.

2. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её окружения. М.: Наука, 1987.-339 с.

3. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. М.: Наука, 1985.-263 с.

4. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высшая школа, 1989.-527 с.

5. Безуглова О.С. Орлов Д.С. Биогеохимия. Ростов н/Д: «Феникс», 2000.-320 с.

6. Колесников С.И. Экология. М.: Академцентр, 2008.

Дополнительная литература:

1. Бессонов О.А. Геохимическая история углерода в биосфере. Ростов-на-Дону. МП «Книга», 1996, 154 с.

2. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Высшая школа, 1998.-413 с.



Контрольные вопросы

1. Дайте определение биосферы.

2. Что такое живое вещество?

3. Перечислите основные свойства биосферы.

4. Сравните геологический и биологический круговорот веществ.

биогеохимия биосфера живой растение



РАЗДЕЛ 3. Влияние геохимической среды на развитие и химический состав растений

Лекция 3

Факторы, влияющие на химический состав растений.

В научной литературе рассматривается более 100 факторов, влияющих на поглощение химических элементов растениями и, соответственно, на их химический состав. Они делятся на 2 группы: внутренние - физиологические и внешние - экологические.

К физиологическим факторам, влияющим на химический состав растений, относят следующие: принадлежность к определённому таксону (отдел, класс, семейство, род, вид), морфология и анатомия (органов, частей органов, тканей, типов и видов клеток), стадия развития растений и их отдельных частей, взаимовлияние химических элементов, находящихся в органах и тканях растений.

Экологические факторы значительно разнообразнее физиологических. Они могут быть разделены на несколько групп.

1) Внешние источники элементов (наиболее обширная и важная группа). К ним относятся почвы, почвообразующие горные породы, минералы, руды, почвенные и подземные воды и газы, а также атмосферные твердые и жидкие частицы - аэрозоли, жидкие осадки и газы, т.е. все источники корневого и некорневого поступления химических элементов в растения.

2) Климатические и погодные факторы: широтную и высотную зональность, атмосферные осадки, влияние температуры воздуха и почвы, ветра, атмосферного электричества, электрических, в т.ч. грозовых, разрядов и т.п.

3) Антропогенные факторы - влияние человека и техногенеза на химический состав растений. Они касаются в основном загрязнения внешней среды токсичными химическими элементами и, в меньшей степени, физического воздействия человека на внешнюю среду при разработке МПИ, рекультивации земель и обработке почв в сельском хозяйстве.

4) Геофизические поля внешней среды растений (малоизученная группа): электрические, магнитные, гравитационные и сейсмические.

Физиологические и морфологические формы растений.

Известно, что состояние геохимической среды динамично - формы и концентрации химических элементов в почве как во времени, так и в пространстве постоянно меняются, поэтому один и тот же вид растения может оказаться в самых разнообразных геохимических условиях и вынужден или приспосабливаться к этим условиям, или погибнуть.

В зависимости от реакции на геохимическую среду (на содержание химических элементов) можно выделить 2 большие группы растений:

1) адаптированные к изменениям концентрации химических элементов; 2) не адаптированные к изменениям концентрации химических элементов.

Изменение концентраций химических элементов в среде у не адаптированных растений вызывает различные физиологические нарушения, приводящие к эндемичным заболеваниям; развитие растений угнетается, нарушаются генеративные функции и вид вымирает.

К числу наиболее распространенных эндемических заболеваний относится «розеточная болезнь» листопадных деревьев, связанная с недостатком Zn; «деформация сердечка» цветной капусты при недостатке Mo; «гниль корня» у сахарной свеклы, капусты, помидоров в результате недостатка B.

Кроме вышеперечисленных заболеваний, наиболее широко распространенной реакцией растений на необычную геохимическую среду являются хлорозы (нарушается образование хлорофилла, листья желтеют и белеют, растения отстают в росте и развитии). При условии резко недостаточного или избыточного потребления любой химический элемент может вызвать хлороз.

Кроме эндемических заболеваний у неадаптированных растений может возникать разнообразная изменчивость, проявляющаяся в общем угнетенном состоянии организма и нарушении генеративной функции, что, в конечном итоге, приводит к гибели большей части растений. Незначительное количество особей (1-3%) может выживать и в результате постепенного длительного процесса неадаптированные физиологические формы могут перейти в адаптированные.

Некоторые виды растений оказываются хорошо приспособленными к перенесению высоких концентраций элементов. В число адаптированных форм входят, прежде всего, растения, длительно произрастающие в данной местности, которые в результате естественного отбора приобретают устойчивость к неблагоприятным условиям обитания. В основном, это дикорастущая флора, и те культурные растения, которые издавна возделываются в данном районе.

Способность накапливать химические элементы у адаптированных форм выражена в различной степени. Поэтому среди адаптированных растений выделяется группа организмов, концентрирующих элементы в значительном количестве, и группа организмов, не концентрирующих химические элементы. В последнем случае подразумевается не отсутствие всякого накопления, а минимальное извлечение из почвы данного элемента.

Растения могут не накапливать элемент в больших количествах в силу своей физиологической природы, несмотря на присутствие или даже избыток его в среде. Например, злаки не реагируют на разные уровни содержания в почве B, Ni, Co, а дуб, граб и калина - Mo.

Растения, концентрирующие химические элементы, можно подразделить на 2 группы: привычных или типичных концентраторов и непривычных концентраторов.

Привычные концентраторы, как правило, всегда извлекают значительные количества химического элемента из среды, даже при условии его среднего, нормального содержания в почве. Это связано с тем, что у растений уже выработался особый обмен веществ, который зависит от среды обитания, от содержания в ней химических элементов.

Специфика концентрирования у некоторых растений бывает настолько прочно связана с обменом веществ, что при отсутствии необходимого элемента нарушается жизнедеятельность организма. Классическим примером может служить обыкновенное растение наших водоёмов - ряска, накапливающая в организме десятые доли % Cl. При отсутствии в воде следов хлора растение испытывает сильное угнетение, причем попытки заменить хлор-ион на ион йода не дают результата и растение погибает.

К непривычным концентраторам относится большинство растений местной флоры с широкой амплитудой выносливости к химическим элементам. Растения могут произрастать как при повышенных концентрациях элементов в почве, так и при нормальном их содержании. В нормальных условиях, из необогащенной почвы растения не извлекают больших количеств элемента. При расселении в зоны, более обогащенные химическими элементами, непривычные растения-концентраторы накапливают значительные количества химических элементов, приближаясь по степени накопления к привычным концентраторам.

У адаптированных растений, концентрирующих химические элементы, могут возникать различные реакции организма в ответ на необычное содержание химических элементов в среде обитания. Привычные концентраторы могут образовывать эндемичные виды и физиологические формы, без видимых морфологических изменений. В группе же непривычных концентраторов, наблюдается разнообразная морфологическая изменчивость. При этом, в отличие от неадаптированных форм растений, у непривычных концентраторов функция воспроизведения не нарушается и остается вполне жизнеспособное потомство.

Примерами морфологической изменчивости могут служить полиморфизм цветков мака (рассечение лепестков и махровость цветков) под влиянием Zn и Pb; карликовость ряда растений на почвах, обогащенных Cr; разнообразная пигментация листьев (синеватость, усиление зеленой окраски) под влиянием избытка Ni.

Биогеохимические провинции.

Резкий дефицит или избыток элементов в среде приводит к заболеваниям растений, человека, животных. Такие болезни называются биогеохимическими эндемиями, а районы их распространения - биогеохимическими провинциями. Биогеохимические эндемии чаще всего возникают от избытка или недостатка микроэлементов.

В условиях биогеохимических провинций с резко выраженным недостатком или избытком определенных элементов, особенно сильно проявляется изменчивость обмена веществ у растений. В таких районах наблюдается обострение естественного отбора, выработка приспособительных изменений обмена веществ, ведущих к сохранению вида, усиление расхождения химических и морфологических признаков и, следовательно, возникновение новых химических разновидностей или форм растений (физиологическая и морфологическая изменчивость). Особенно часто подобные провинции встречаются в горных зонах, где геохимическая среда разнообразна.



Обязательная литература

1. Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера. М.: Наука, 1994.

2. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её окружения. М.: Наука, 1987.-339 с.

3. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. М.: Наука, 1985.-263 с.

4. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высшая школа, 1989.-527 с.

5. Безуглова О.С. Орлов Д.С. Биогеохимия. Ростов н/Д: «Феникс», 2000.-320 с.

6. Колесников С.И. Экология. М.: Академцентр, 2008.

Дополнительная литература:

1. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Высшая школа, 1998.-413 с.



Контрольные вопросы

1. Перечислите основные факторы, влияющие на химический состав растений.

2. Приведите примеры реакций неадаптированных растений на изменение геохимической среды.

3. Приведите примеры эндемичных заболеваний у растений.

4. Дайте определение биогеохимической провинции.



СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Обязательная:

1. Безуглова О.С. Орлов Д.С. Биогеохимия. Ростов н/Д: «Феникс», 2000.-320 с.

2. Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера. М.: Наука, 1994.

3. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её окружения. М.: Наука, 1987.-339 с.

4. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Высшая школа, 1998.-413 с.

5. Колесников С.И. Экология. М.: Академцентр, 2008.

6. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. М.: Наука, 1985.-263 с.

7. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высшая школа, 1989.-527 с.

Дополнительная:

1. Бессонов О.А. Геохимическая история углерода в биосфере. Ростов-на-Дону. МП «Книга», 1996, 154 с.

2. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Высшая школа, 1998.-413 с.

Размещено на Allbest.ru

...