Вода и водород биосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Якутская государственная сельскохозяйственная академия»

Агротехнологический факультет

Кафедра агробиохимии

РЕФЕРАТ

Тема: Вода и водород биосфере

Якутск - 2016 г

Содержание

Введение

1. Биосфера и ее функция

1.1 Понятие о биосфере

1.2 Границы биосферы

1.3 Состав и свойства биосферы

2. Живое вещество биосферы

2.1 Функции живого вещества

2.2 Круговорот кислорода и водорода

2.3 Круговорот воды в природе

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Человек всегда использовал окружающую среду в основному как источник ресурсов, но в течение довольно продолжительного времени ее деятельность не влияла заметно на биосферу. Лишь в конце ХІХ столетие изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на себя внимание ученых. В первой половине ХХ столетие эти изменения возрастали, а сейчас они лавиной обрушились на человеческую цивилизацию. Стремясь к улучшению условий своей жизни, человек постоянно наращивает темпы материального производства, не задумываясь о следствиях. При таком подходе большая часть взятых от природы ресурсов поворачивается к ней в виде отходов, часто отравленных и непригодных для утилизации. Это создает угрозу как существованию биосферы, так и самого человека.

Предупреждая о возможных следствиях вторжения человека в природу, еще полстолетия тома академик В.И. Вернадский писал: “Человек становится геологической силой, способной изменить счет Земли”. Следствия антропогенной деятельности проявляются в истощении природных ресурсов, загрязнении биосферы отходами производства, разрушении естественных экосистем, изменению структуры поверхности Земли, изменению климата. Антропогенные влияния приводят к нарушению практически всех естественных биогеохимических циклов. Рассмотреть концепцию единства человека и биосферы, которая есть центральной в учении о ноосфере, -- цель этого реферата.

1. Биосфера и ее функция

Длительный период добиологического развития нашей планеты, определяющийся действием физико-химических факторов неживой природы, закончился качественным скачком - возникновением органической жизни. С момента своего появления организмы существуют и развиваются в тесном взаимодействии с неживой природой, причем процессы в живой природе на поверхности нашей планеты стали преобладающими. Под действием солнечной энергии развивается принципиально новая (планетарных масштабов) система - биосфера. В составе биосферы различают:

-живое вещество, образованное совокупностью организмов;

-биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, известняки и др.);

-косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты);

- биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).

Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными между собой тремя группами факторов: развитием нашей планеты как космического тела и протекающих в ее недрах химических преобразований, биологической эволюцией живых организмов и развитием человеческого общества.

Границы жизни определяются факторами земной среды, которые препятствуют существованию живых организмов. Верхняя граница биосферы проходит на высоте около 20 км от поверхности Земли и отграничена озоновым слоем, который задерживает коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца, губительную для жизни. В гидросфере земной коры живые организмы населяют все воды Мирового океана - до 10-11 км в глубину. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.

Атмосфера. Газовая оболочка Земли состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержатся диоксид углерода (0,003 %) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для процессов жизнедеятельности особенно важны: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества; диоксид углерода, используемый зелеными растениями в фотосинтезе; озон, создающий экран, защищающий земную поверхность от ультрафиолетового излучения. Атмосфера образовалась в результате мощной вулканической и горообразовательной деятельности, кислород появился значительно позднее как продукт фотосинтеза.

Гидросфера. Вода - важный компонент биосферы и необходимое условие существования живых организмов. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьируется в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием геологических процессов в литосфере, при которых выделялось большое количество водяного пара.

Литосфера. Основная масса организмов литосферы находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва состоит из неорганических веществ (песок, глина, минеральные соли), образующихся при разрушении горных пород, и органических веществ - продуктов жизнедеятельности организмов.

1.1 Понятие о биосфере

Впервые понятие биосфера, как «область жизни», было введено в науку Ж.Б. Ламарном в начале 19 века, а в геологию Э. Зюссом в 1875 г. Он понимал под этим термином совокупность всех организмов. Это определение близко к современному понятию биота.

Вернадский пошел значительно дальше. Его «биосфера не есть только так называемая область жизни». Это единство живого и косного вещества планеты. Но не только. Это еще и связь с космосом, с космическими излучениями, принимаемыми нашей планетой, строящими ее биосферу.

Биосфера составляет верхнюю оболочку или геосферу, одной из больших концентрических областей нашей планеты Земли.

Если с понятием «биосферы» по Зюссу связывалось только наличие в трех сферах земной оболочки (твердой, жидкой, газообразной) живых организмов, то по В.И. Вернадскому, им отводится роль главнейшей геохимической силы.

В таком случае под понятием биосферы понимается все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть, где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности.

Биосфера охватывает часть атмосферы, верхнюю часть литосферы и гидросферу. Верхняя граница биосферы проходит на высоте примерно 20 км над поверхностью Земли, а нижняя на 6-7-километровой глубине. Биосфера принципиально отличается от прочих земных оболочек поскольку является «комплексной». Она не только «покров» из живого вещества, но и среда обитания миллионов видов живых существ, в том числе и человека.

Вернадский не только сконкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе нет более мощной геологической средообразующей) силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности. Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время обычно называют современной биосферой, или необиосферой, а древние биосферы относят к палеобиосферам, или к белым биосферам.

1.2 Границы биосферы

Биосфера в атмосфере простирается примерно д озонового экрана (у полюсов - 8-10 км, у экватора - 17-18 км, над остальными территориями - 20-25 км).

Гидросфера практически вся, в том числе и самая глубокая впадина (Марианская) Мирового океана (11022 м) занята жизнью. К необиосфере следует относить также и донные отложения, где возможно существование живых организмов.

В литосферу жизнь проникает на несколько километров, но в основном ограничивается почвенным слоем, но по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров.

Границы палеобиосферы в атмосфере примерно совпадают с необиосферой, под водами к палеобиосфере следует относить и осадочные породы, которые практически полностью претерпели переработку живыми организмами. Это толща от сотен метров до десятков километров. Это применимо и к литосфере, пережившей водную стадию функционирования.

Таким образом, границы биосферы определяются наличием живых организмов или «следами» их жизнедеятельности.

Живое вещество образовало ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли. Его масса составляет 2420 млрд. тонн, что более чем в 2 тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли - атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду - в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в областях обширного оледенения и в кратерах действующих вулканов.

«Всюдность жизни» в биосфере обязана потенциальным возможностям и масштабу приспомобляемости организмов, которые постепенно, захватив моря и океаны, вышли на сушу и захватили ее. В.И. Вернадский считал, что этот захват продолжается.

На рис. 4. наглядно показаны границы биосферы от высот атмосферы, где царят холод и низкое давление, до глубин океана, где давление достигает 12 тысяч атмосфер. Это стало возможным, потому что пределы толерантности температур у различных организмов - от абсолютного 0 до +180°С, а некоторые бактерии могут существовать в вакууме. Широк диапазон химических условий среды для ряда организмов - от жизни в уксусе до жизни под действием ионизирующей радиации (бактерии в котлах ядерных реакторов). Более того, выносливость некоторых живых существ по отношению к отдельным факторам выходит даже за пределы биосферы, то есть у них есть еще определенный «запас прочности» и потенциальные возможности к распространению. Однако все организмы выживают еще и потому, что везде, где бы ни было их место обитания, существует биогенный ток атомов. Этот ток не смог бы иметь места, во всяком случае, в наземных условиях, если бы не было почвы.

В целом экологический диапазон распространения живого вещества очень велик.

В 1977 г. в океане на глубине нескольких километров были обнаружены горячие вулканические зоны, в которых при температуре 350°С существуют многочисленные термофильные бактерии.

В экспериментах американского исследователя Камерона сине-зеленые водоросли на протяжении нескольких месяцев не теряли жизнеспособности в условиях, которые соответствовали марианским.

Живое вещество не гибнет в жидком азоте.

Некоторые виды, например, те же сине-зеленые водоросли, не гибнут под действием мощного ионищирующего излучения и поселяются в эпицентре ядерного взрыва уже после нескольких дней его действия.

Живое вещество может сохраняться даже в условиях открытого космоса. Так, третья экспедиция американских астронавтов забыла на Луне телекамеру. Когда через полгода ее возвратили на Землю, на внутренней стороне крышки были обнаружены земные бактерии, которые без каких-либо вредных последствий пережили длительное нахождение за пределами родной планеты.

1.3 Состав и свойства биосферы

Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической части.

Абиотическая часть представлена:

Почвой и подстилающими ее породами до глубины, где еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства.

Атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни.

Водной средой - океаны, реки, озера и т.п.

Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которых не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы.

В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических принципа:

стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни;

обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.

Эти закономерности проявляются прежде всего в стремлении живых организмов «захватить» все мало-мальски приспособленные к их жизни пространства, создавала экосистему или ее часть. Но любая экосистема имеет границы, имеет свои границы в планетарном масштабе и биосфера.

При общем рассмотрении биосферы, как планетарной экосистемы, особое значение приобретает представление о ее живом веществе, как о некой общей живой массе планеты.

Под живым веществом В.И. Вернадский понимает все количество живых организмов планеты как единое целое.

Его химический состав подтверждает единство природы - он состоит из тех же элементов, что и неживая природа, только соотношение этих элементов различное и строение молекул иное.

Свойства биосферы

Биосфере, как и составляющим ее другим экосистемам более низкого ранга, присуща система свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры. Рассмотрим основные из них.

Биосфера - централизованная система.

Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество).

2. Биосфера - открытая система. Ее существование немыслимо без поступления энергии из вне.

Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности. биосфера кислород водород экологический

3. Биосфера - саморегулирующаяся система, для которой, как отмечал Вернадский, характерна организованность. В настоящее время это свойство называется гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, справляясь о *** (извержение вулканов, встречи с астероидами, землетрясения, горообразование и т.п.), благодаря действию гомеостатических механизмов и, в частности, принципа Ле-Гиателье-Брауна при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

Опасность современной экологической ситуации связана прежде всего с тем, что нарушается линия механического гомеостаза и принцип Ле-Гиателье-Брауна, если не в планетарных, то в крупных региональных масштабах. Результат - распад экосистем, либо появление неустойчивых, практически лишенных свойств гомеостаза систем типа агроценоза или урбанизированных комплексов.

4. Биосфера - система, характеризующаяся большим разнообразием.

Разнообразие - важнейшее свойство всех экосистем. Биосфера как глобальная экосистема, характеризующаяся максимальным среди других систем разнообразием. Разнообразие рассматривается как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом. Это условие так универсально, что сформировалось в качестве закона.

5. Важнейшее свойство биосферы - наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот вещества и связанного с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений.

2. Живое вещество биосферы

«На земной поверхности нет химической силы, могущественней по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

Что принципиально отличает нашу планету от какой-либо другой планеты Солнечной системы? Наявность жизни. «Если бы на Земле не было жизни, лицо ее было бы точно также неизменным и химическим инертным, как недвижимое лицо Луны, как инертные обломки небесных светил».

Живое вещество биосферы есть совокупность всех ее живых организмов. Как ученый В.И. Вернадский понимает, что объект его исследований требует некоторых характеристик, а поэтому отмечает: «Я буду называть совокупность организмов, сведенных к массе, химического состава и энергии, живым веществом». Живое вещество в его понимании - это форма активной материи, и ее энергия тем больше, чем больше масса живого вещества. Понятие «живое вещество» ввел в науку В.И. Вернадский и понимал над ним совокупность всех живых организмов планеты.

Какие же свойства живого вещества?

2.1 Функции живого вещества

Какие же функции живого вещества в биосфере?

В.И. Вернадский называет такие: а) газовая; б) кислородная; в) описательная; г) кальционная; д) восстановительная; е) концентрационная; ж) разрушения органических веществ; з) восстановительного распада; и) метаболизма и дыхания организмов.

А.В. Лапо перегруппировал названные Вернадским функции (табл. 1).

Таблица 1 Основные функции живого вещества в биосфере

Первой названа энергетическая функция. «Только жизнь с его морфологическим осложнением может удерживать солнечное излучение на Земле миллионы лет, как мы увидим на примере каменного угля. Действительно, только благодаря «зеленому экрану» биосферы - фотоавтотрофам - солнечная энергия не просто отбивается от поверхности планеты, нагревая только поверхностный слой, а глубоко проникает в толщи земной коры и является энергетическим источником, по сути, для всех экзогенных процессов».

2.2 Круговорот кислорода и водорода

Кислород и водород входят в состав всех органических соединений. Они поглощаются продуцентами в составе воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза, всеми другими организмами, с органическим веществом, созданным продуцентами, во время дыхания (из атмосферы или водного раствора) и потребления питьевой воды. как конечные продукты биологического круговорота, водород и часть кислорода возвращается в неживую среду так же в виде воды, а кислород, кроме того, выделяется в молекулярной форме в атмосферу растениями-продуцентами как один из конечных продуктов фотосинтеза.

2.3 Круговорот воды в природе

Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе. Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути. Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды.

Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее.

В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений[2].

Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных ледников, что отражают медленное движение и скорейшее таяние ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.

Круговорот воды на поверхности Земли складывается из 520 тыс. км выпадающей и такой же массы испаряющейся воды. При этом на континентах выпадает в год 109000 км , а испаряется 72000км . Разница в 37000 км и есть цифровое значение полного речного стока. С поверхности Мирового океана испаряется воды больше (448000 км ), чем выпадает осадков (441000 км ). Разность покрывается стоком речных вод.

Огромный круговорот воды сопровождает процесс созидания органического вещества. Выделяемый растениями кислород образуется при реакции фотосинтеза за счет расщепления воды. Однако на фотосинтез расходуется всего около 1% воды, проходящей из почвы через растения в атмосферу. Чтобы вырастить 1 ц пшеницы, растения должны пропустить через себя не менее 10000 кг воды. По расчетам, при формировании общепланетарной биомассы всех ныне существующих живых организмов в результате фотосинтеза было расщеплено такое количество воды, которое в 3,5 раза больше количества, находящегося во всех реках мира.

Время, необходимое для прохождения всей воды нашей планеты через систему биологического круговорота, можно определить следующим образом. Общая масса воды в наружных оболочках Земли - земной коре, гидросфере и атмосфере составляет 160000000 млрд. т. Масса воды, захватываемая годовой продукцией фотосинтезирующих организмов, около 800 млрд.т/г. Период полного оборота всей воды в процессе образования живого вещества примерно 2 млн. лет. Таким образом, вся огромная масса гидросферы Земли за 2 млн. лет проходит через растительные организмы, масса которых ничтожно мала по сравнению с водной оболочкой.

Круговые движения воды не ограничиваются поверхностью Земли. Значительное количество воды присутствует в горных породах в виде пленочных и поровых вод, еще больше входит ее в состав минералов, образующихся в зоне гипергенеза. Все глинистые минералы, оксиды железа и другие распространенные в этой зоне соединения содержат в своем составе воду. Подсчитано, что в 16-ти километровом слое земной коры содержится примерно 200 млн. км воды. Поступая в глубинные зоны земной коры, связанные формы воды постепенно освобождаются и включаются в метаморфические, магматические и гидротермические процессы. С вулканическими газами и горячими источниками глубинные воды поступают на поверхность.

Заключение

Считают, что вода самое простое вещество на Земле. Она имеет огромное значение в эволюции как живой, так и неживой природы.

Покрывает 70% поверхности Земли и является средой обитания большого количества представителей флоры и фауны. Человеческое тело содержит около 65% воды.

На Земле происходит непрерывный круговорот воды, включающий использование воды на бытовые и производственные нужды человека, использование воды растениями и животными, испарение воды и фильтрацию ее через почву многое другое.

Характер процессов, протекающих с участием воды, во многом определяется ее свойствами как индивидуального вещества.

Химически чистая вода обладает рядом свойств, резко отличающих ее от других природных тел и химических аналогов (гидридов элементов 6 группы периодической системы Менделеева) и от других жидкостей. Эти особые свойства известны под названием аномалии воды.

В биосфере динамическое равновесие неустойчивое. Другими словами, биосфера не только «работает и изнашивается», но и развивается в процессе работы, самосовершенствуется, все более полно, активно и в большем масштабе накапливает, трансформирует энергию, усложняет свою организацию, обогащается информацией.

Особая роль у живого вещества, активно трансформирующего солнечную энергию в химическое молекулярное движение и в сложность биологических структур. Между смежными геосферами идет непрерывный обмен веществ и энергии, накапливаемой в биосфере и земной коре. Получается так, словно за долгую геологическую историю солнечные лучи пронизывают всю земную кору в среднем до тридцати километров. Следовательно, геохимическая энергия жизни сказывается на всей литосфере. Земная кора - область былых биосфер и аккумуляции солнечной энергии.

Биосфера охватывает иные, более значительные масштабы пространства и времени. В этих масштабах наиболее существенно проявляются геологические закономерности, связывающие воедино деятельность живого вещества, организацию биосферы и динамику геосфер, среди которых земной коре принадлежит особая и очень важная роль аккумулятора и трансформатора солнечной и биохимической энергии.

И еще. Связывая учение о биосфере с деятельностью человека не только геологической, но и вообще с многообразными проявлениями бытия личности и жизни человеческого общества, можно сделать вывод, что все мы, люди - это неразрывная часть живого вещества, приобщенная к его бессмертию, необходимая часть планеты и космоса, продолжатели деятельности жизни, дети Солнца.

Список использованной литературы

1. Александров И.А. Космический феномен человека. -- М.: “АГАР”, 1999. -- 432 с.

2 .Алимов А. А., Случевский В. В. Век XX: экология и идеология. - Л.: Лениздат, 1988. -- 111 с.

3. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. -- М, 1989. -- 432 с.

4 .Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. -- М.,1987. -- 632 с.

5. Гумилев Л.Н. Этногенез и биосфера Земли. -- М., 1993. -- 499 с.

6. Дедю И.И. Экологический энциклопедический словарь. -- К.: Гл. ред. МСЭ. -- 408 с.

7. Экология: Учебно-методическое пособие для самостоятельного изучения дисциплин / Дорогунцов С.И. и др. -- К.: Вид-Во КНЕУ, 1999. -- 152 с.

8. Казначеев В.П. Учение В.И. Вернадского в биосфере и ноосфере. -- Новосибирск: Наука, 1989. -- 301 с.

9. Крисаченко В.С. Человек и биосфера. Учебник. -- К., 1999. -- 690 с.

10. Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. -- М., 1993. -- 298 с.

Размещено на Allbest.ru