Реферат: Понятие и сущность биогеоценоза
Главным свойством, которым обладает живое вещество, является постоянный и непрерывный массообмен химических элементов с окружающей средой. По этой причине живое вещество играет роль ведущего фактора геохимической эволюции наружной части Земли.
Учение о живом веществе – одна из областей соприкосновения естествознания и философии. В феномене живого вещества много неясного и загадочного. Образование живого только из живого не получило пока научного объяснения и дает основание рассматривать жизнь не только как земное, но и как космическое явление.
Опираясь на труды Л. Пастера и П. Кюри, В.И. Вернадский считал, что живое вещество существует в особом пространстве, геометрия которого отличается от геометрии земных небиогенных тел. В.И. Вернадский был близок к взглядам другого выдающегося ученого и мыслителя XX в. – П. Тейяра де Шардена и разделял его идею о том, что «наличие жизни предполагает существование до беспредельно простирающейся преджизни». Не углубляясь в эти проблемы, можно уверенно констатировать весьма важное значение живого вещества для существующего химического состава наружных оболочек нашей планеты.[1]
2. Биогеохимические циклы
Живое вещество по массе составляет 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах.
Ежегодная продукция живого вещества составляет 232,5 млрд т сухого органического вещества. За то же время на планете фотосинтезируется 115·109 т кислорода. Для этого требуется, чтобы 170·109 т диоксида углерода прореагировало с 68·109 т воды. В процесс вовлекаются 6·109 т азота, 2·109 т фосфора, а также такие элементы, как калий, кальций, сера, железо.
Живое вещество является наиболее активным компонентом биосферы. Оно осуществляет гигантскую геохимическую работу, преобразовывая другие оболочки Земли в геологическом масштабе времени.
Все химические элементы живой материи циркулируют в биосфере по характерным путям, переходя из внешней среды в организмы, а затем возвращаясь во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называют биогеохимическими циклами (или круговоротами), причем «био» относится к живым организмам, а «гео»- к горным породам, воздуху и воде. Термин «биогеохимия» предложен академиком В.И. Вернадским.
В каждом цикле различают две части или два фонда:
-Резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент;
-Подвижный, или обменный, фонд – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.
Для биосферы в целом все биогеохимические круговороты делят на круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и осадочный цикл с резервным фондом в земле.
На рис.1 показана схема биогеохимического цикла в сочетании с упрощенной схемой однонаправленного потока энергии, приводящего круговорот веществ в движение. В природе, в отличие от данной схемы, элементы никогда не бывают распределены по экосистеме равномерно и не находятся всюду в одной и той же химической форме. Резервный фонд обозначен как фонд элементов питания, а обменный фонд изображен в виде заштрихованного кольца, идущего от автотрофов к гетеротрофам и затем возвращающегося к автотрофам.
Наличие больших резервных фондов в круговоротах углерода, кислорода и азота способствует быстрой саморегуляции соответствующих биогеохимических циклов при различных местных нарушениях. Так, избыток CO2, образовавшийся из-за интенсивного горения, достаточно быстро рассеивается в атмосфере и, кроме того, усиленное образование диоксида углерода компенсируется увеличением его потребления или превращением в карбонаты в море. Поэтому считается, что круговороты веществ, включающие в себя большие атмосферные фонды, в глобальном масштабе хорошо зарезервированы или, по выражению Ю.Одума, «хорошо забуферены», так как их способность приспосабливаться к изменениям велика. В результате саморегуляции по принципу обратной связи подобные биогеохимические циклы достаточно совершенны. Тем не менее саморегуляция даже при таком громадном резервном фонде, каким является атмосфера, имеет свои пределы.
Рисунок 1 – «Схема биогеохимического круговорота»
Условные знаки:
Pg – валовая продукция;
Pn – чистая первичная продукция, которая может быть потреблена гетеротрофами в данной экосистеме либо экспортирована, например, для нужд человека;
R – дыхание;
Р – вторичная продукция.
Осадочным циклам характерно, что основная масса вещества сосредоточена в относительно малоподвижном и малоактивном резервном фонде – в земной коре. Поэтому круговорот таких элементов, как фосфор или железо, значительно менее самоконтролируемый и достаточно легко нарушается даже при небольших местных помехах.[2]
3. Биогеохимические круговороты веществ в биосфере
3.1 Круговорот углерода
В ходе фотосинтеза атомы углерода переходят из состава углекислого газа CO2 в состав глюкозы и других органических веществ растительных клеток. Далее они переносятся по пищевым цепям, образуя ткани всех остальных живых существ экосистемы. Однако побывать в составе клеток живых организмов всех трофических уровней удается только малому числу атомов углерода, так как на каждом уровне большинство органических молекул расщепляется в процессе клеточного дыхания для получения энергии. После этого атомы углерода поступают в абиотическую часть окружающей среды в составе углекислого газа, чем завершается один цикл и создаются предпосылки начала другого цикла (Рис.2).
Рисунок 2- «Структурная схема круговорота углерода»
Аналогичным образом углерод возвращается в атмосферу при сжигании любых органических соединений, например древесины, сухой травы или листьев, а также ископаемого топлива.
Вывод части углерода из естественного круговорота экосистемы и «резервирование» в виде ископаемых запасов органического вещества в недрах Земли является важной особенностью рассматриваемого процесса. В далекие геологические эпохи значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, нм редуцентами, а накапливалась в виде детрита. Позже слои детрита были погребены под слоями различных минеральных осадков, где под действием высоких температур и давления за миллионы лет превратились в нефть, уголь и природный газ. Подобные процессы протекают и в настоящее время, но значительно менее интенсивно. Их результат- образование торфа.
В водных экосистемах прерывание круговорота углерода связано с включением СО2 в состав известняков, мела, кораллов в виде Са(СО)3 . при этом углерод исключается из круговорота на целые геологические эпохи.
3.2 Круговорот фосфора
Из всех макроэлементов фосфор - один из самых редких в доступных резервуарах на поверхности Земли. В природе он содержится в различных природных материалах в виде неорганического фосфат-иона (РО3- 4). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. При разрушении горных пород или выщелачивании атмосферными осадками соединения фосфора растворяются. Далее из водного раствора поглощается растениями и включается в состав их органических соединений, выступая в дальнейшем в форме «органического фосфата».
По пищевым цепям фосфор последовательно переходит от растений к организмам всех трофических уровней, и аналогично углероду в каждом из организмов велика вероятность окисления с целью получения необходимой для жизнедеятельности энергии. Если это происходит, то фосфат в составе мочи или ее аналога выводится из организма в окружающую среду, где может снова быть поглощен растениями и вновь запущен в круговорот(Рис.3).