Лекция 19. Литосфера. Биосфера

Литосфера (lithos + sphaira) – составная часть биосферы, представляющая собой твёрдую оболочку Земли. Включает в себя земную кору и часть верхней мантии. Толщина литосферы достигвет 200 – 300 км.

Земная кора – очень тонкая оболочка планеты. На её долю приходится 0.8 % земной массы и 1.55 % объёма. В составе земной коры преобладают алюмоселикаты. Основную её массу составляет кислород (49.13 %), кремний (26 %) и алюминмй (7.45 %). Доля остальных элементов невелика.

Эффузивный магматизм.

В результате эффузивного магматизма на поверхности Земли формируются вулканы. Магма, достигшая поверхности Земли, освобождается от содержащихся в ней газов и превращается в лаву (от италиянского lava – затопляю).

Значение вулканов:

•Через вулканы глубинное вещество Земли поднимается к поверхности и формирует кору.

•Вулканы – это источники воды на Земле.

•Их роль существенна и в образовании современной атмосферы.

•Источник полезных ископаемых.

•Использование термальных и минеральных вод для лечебных целей.

•Использование тепловой вулканической энергии (Например, столица Исландии Рейкьявик с населением 50 тыс. Жителей полностью удовлетворяет свои потребности в тепловой энергии за счёт термальных вод. В Италии, Японии,

Новой Зеландии и в Петропавловске-Комчатском построены геотермические электростанции).

Через вулканы на поверхность Земли поступает 3-6 млрд. тонн вещества в год. По физическому состоянию выделяют газообразные, жидкие и твёрдые продукты вулканической деятельности.

Летучие компоненты, теряемые магмой на стадии образования представлены вулканическими эманациями (фумарольные газы) и продуктами конденсации возгонов.

Количество вещества, поступающего из недр Земли колоссально Например, вулкан Эбеко в течение года извергвет 4.4 млн. тонн воды, 1 млн. тонн углекислого газа, 1834 тонн азота, 2882 тонн сероводорода, 11.5 тыс тонн серного газа, 440 тонн кислорода, 391 тонн окиси углерода, 11 тонн водорода и т.д. Состав газов изменяется в зависимости от состава лавы и температуры.

Основным компонентом фумарольных газов являются пары воды и углекислый газ Кроме того в состав газов входят H2, SO2, S2, SO3, Cl2, F2, HCl, инертные газы, метан, молекулы кислорода, азота. Другими обычными газами являются СО и сероводород. Содержания водорода изменчивы, но могут быть существенными.

Продукты конденсации возгонов могут содержать большой набор соединений, но чаще всего это сульфаты и хлориды Na, K, Ca, Mg, Al, Fe в сочетании с хлоридом аммония и самородной серой. Некоторые налёты содержат фториды. Состав возгонов меняется за счёт кислотного выщелачивания окружающих вулканических пород. Концентрация многих элементов в возгонах выше, чем в окружающих лавах. К таким элементам относятся Li, Be, Ti, V, Cr, Co, Ni, Zn, Ga, As, Se, Zr, Mo, Sn, Sb, Te, Ba, Pb, Bi. Иногда к ним присоединяются B и Cu.

204

Газовые выделения образуют месторождения различных полезных ископаемых (серы, буры, борной кислоты и т.д.).

Процесс выделения газов может длиться тысячелетия (долина Тысячи дымов на Аляске, район Неаполя).

К поствулканическим явлениям относятся процессы, связанные с затуханием вулканической деятельности, проявляющейся после её активной фазы:

•Выбросы пара и горячих вод (гейзеры),

•Выбросы грязи (грязевые вулканы),

•Выбросы термальных и термоминеральные вод,

•Выбросы газов.

Экологические факторы литосферы:

•Физические (факторы разломов, магнитные аномалии, радиация, механические, упругие волны),

•Химические (природные и антропогенные),

•Биологические.

99 % коры состоит всего из 9 элементов (O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, Ti (без учёта воды). Для Земли в целом многие элементы, такие как Na, K, Al, U и галагены, накапливаются по направлению к поверхности. Другие же элементы, такие, как Mg, S, Fe, Cr, Co, Ni, накапливаются в глубоких слоях.

Почва – поверхностный слой литосферы, сформированный под действием климата и живых организмов (растительных и животных) и возделываемый человеком.

Многообразие условий и сложные процессы формирования химического состава земной коры обусловили регионарную неравномерность распределения химических элементов. Существует учение Александра Павловича Виноградова (ученика и ближайшего сотрудника В.И. Вернадского) о биогеохимических провинциях. Эти провинции определяются зональностью химического состава почв, а также климатической, фитогеографической и геохимической зональностью биосферы. Биогеохимические провинции – это области на поверхности Земли, различающиеся по содержанию (в почвах, водах и т.д.) химических соединений, с которыми связаны определённые биологические реакции со стороны местной флоры и фауны.

Недостаток некоторых элементов или избыток приводят к развитию отклонений в функционировании организма. Эти отклонения способны проявляться в виде заболеваний, характерных для данной местности. Такие заболевания относятся к разряду эндемических.

Воздействие человека на литосферу:

•добыча подземных полезных ископаемых (уголь, нефть, газ),

•интенсивный забор подземных вод,

•взрывы (подземные и надземные),

•загрязнение ксенобтотиками и радиоактивными элементами,

•мелиорация земель (ведёт к ветровой эрозии почвы при недостатке влаги и при отсутствии достаточной растительной защиты).

•заражение почвы.

Загрязнение почвы.

Промышленная деятельность человека приводит и к загрязнению почв. Основные компоненты такого загрязнения - промышленные и бытовые отбросы, отходы строительства, зола тепловых электростанций, отвалы пустой породы в местах разработки полезных иско-

паемых и т. п. Эти загрязнения не только скрывают под собой плодородный слой почвы, но и

содержат ряд химических элементов, которые в больших количествах токсичны для растений и микроорганизмов: сера, молибден, медь, кадмий, цинк, мышьяк, алюминий, фтор и многие другие.

При геолого-разведочных работах составные части промывочных жидкостей, используемых при бурении (каустическая сода, хлорид натрия), а также дизельное топливо, битум

205

засоряют почвы и ведут к их засолению. В большинстве случаев это приводит к локальной гибели растительности.

Загрязнение почвы происходит и в результате сельскохозяйственной деятельности. Просачивание жидкого навоза из хранилищ на свинофермах загрязняет почвы и грунтовые воды. То же происходит при неправильном хранении минеральных удобрений, гербицидов, ядохимикатов, предназначенных для борьбы с вредителями, и т. п. Особая форма "биологического" засорения почв связана с внесением в нее с фекалиями домашних животных яиц гельминтов и патогенных микроорганизмов. Это особенно характерно для пастбищ, приусадебных участков. Попадая из почвы в грунтовые воды, загрязнители проникают в водную среду.

Большую экологическую опасность представляет широкое применение ядохимикатов

в сельском хозяйстве, при озеленительных работах в городах и т.д. Рассчитанные на борьбу с вредными насекомыми и сорняками, пестициды (от лат. pestis - чума, cidо - убивать) ядовиты и для многих других живых организмов, а также для человека. Поэтому при использовании пестицидов в широких масштабах нарушается общая структура биоценоза и свойст-

венные ему регуляторные механизмы. В ряде случаев зафиксировано парадоксальное явление - применение ядохимикатов приводило к повышению численности вредителей за счет уничтожения их естественных врагов и паразитов. Передаваясь по пищевой цепи, токси-

канты способствуют гибели хищных зверей и птиц, а также накапливаются в пищевых про-

дуктах, потребляемых человеком.

Загрязнение городских и сельскохозяйственных почв токсическими химическими веществами имеют прямые последствия для здоровья человека, безопасности продуктов питания и качеств грунтовых вод.

Основные источники загрязнения почвы:

1.Сельское хозяйство – удобрения, пестициды, сточные воды и твёрдые отбросы животноводства.

2.Промышленность, в том числе утечка химических веществ техногенные аварии.

3.Геолого-разведочные работы.

4.Транспорт (оседание на почву присутствующих в воздухе загрязнителей, выброшенных в результате работы промышленных и энергетических предприятий, транспорта).

5.Бытовая деятельность (сточные воды, твёрдые бытовые отходы).

6.Войны и испытания оружия.

Химические факторы загрязнения почвы:

•Пестициды;

•Металлы, в том числе тяжёлые (в органической и неорганической форме),

•Нитраты,

•Нефтепродукты и их производные,

•Радионуклиды

Последствия загрязнения почвы:

1.Торможение процесса почвообразования.

2.Торможение процессов самоочищения почвы.

3.Снижение урожайности, снижение потребительских качеств сельскохозяйственной продукции.

4.Накопление ксенобиотиков с дальнейшим их включением в пищевую цепочку.

Патогенные биологические факторы почвы:

•Яйца глистов (аскариды, власоглавы)

•Возбудители столбняка, ботулизма, газовой гангрены).

•Некоторые грибки.

•Возбудители кишечной мнфекции при фекальном загрязнении почвы.

Ворганизм человека они попадают:

206

•При повреждении кожных покровов (столбняк, газовая гангрена).

•С немытыми продуктами питания (яйца глистов,).

•Нарушения правил гигиены (образование ботулотоксина при заражении продуктов возбудителем ботуллизма при нарушении правил гигиены приготовления пищи).

Биосфера

Биосфера – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Термин введен в научное употребление в 1875 году геологом Э.Зюссом. Впервые же термин «биосфера» был предложен велиим мыслителем и натуралистом Жаном Батистом Ламарком (1744 – 1829).

Учение о биосфере, как активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба, создано В.И. Вернандским. Согласно В.И. Вернандскому, биосфера представляет собой оболочку Земли, включающую в себя как область распространения живого вещества. Так и само это вещество. В биосфере живые организмы (органическое вещество) и их среда обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему.

Нижняя граница биосферы опускается на 2-3 км ниже поверхности суши, на 1-2 км ниже дна океана. Верхняя граница биосферы - озоновый слой, выше которог жизнь невозможна из-за высокой мощности УФИ.

Биосфера возникла около 4 млрд. лет назад. В течение этого периода отдельные организмы не только сами приспосабливались к физической среде, но и приспосабливали среду к своим потребностям. За время своего существования биосфера прошла сложный путь развития, иминуемый биогенезом. В конце его развития появился человек, который начал сам вносить изменения в окружающую среду. Этот период развития биосферы, обусловленный воздейстием человека на окружающую среду, именуется ноогенезом. В результате ноогенеза биосфера трансформировалась в ноосферу.

Функции биосферы:

•энергетическая: аккумулирование и преобразование энергии аутотрофными и гетеротрофными организмами (фото- и хемосинтез, питание);

•биохимическая: синтез органических веществ с вовлечением макро- и микроэлементов, их концентрирования и рассеивания;

•трансформирующая: минерализация органического вещества и преобразрвание органических и неорганических соединений;

•транспортная: массоперенос вещества и биогенная миграция химических элементов;

•гомеостатическая и средообразующая: обеспечение относительного постоянства внутренних сред орагнизма и формирование геохимических свойств окружающей среды;

•экологическая: взаимодействие различных групп организмов и компонентов среды внутри биогеоцинозов и экосистем:

•инфрмационная: регуляция развития организмов и среды;

•космическая: обеспечение периодичности миграционных и биологических ритмов, реакций организмов.

Центральное место в биосфере занимает гетерогенное живое вещество, способное к воспроизведению, сохранению информации и трансформации энергии.

Способность организмов ассимилировать энергию Солнца (фотосинтезирующие рас-

тения, хемосинтезирующие микроогнизмы) с образованием органических веществ и разла-

гатьорганические вещества до минеральных и газообразных соединений лежит в основе биогеихимических циклов химических элементов.

207

Основной функциональной единицей в экологии является экосистема или биогеоциноз. Экосистема или биогеоциноз – это сообщество различных видов организмов и среды их обитания, находящихся во взаимосвязи друг с другом. Эта взаимосвязь осуществляеться за счёт:

•функционирования трофических, или пищевых цепей,

•конкуренции за источники питания, территорию и т.д.,

Биогеоциноз означает конкретный участок земной поверхности, занятый определённым растительным сообществом с характерным населением животных и микроорганизмов, с определённым типом почвы, условий увлажнения и т.д. Границами биогеоцинозов являются границы растительных сообществ. Так, лесостепная территория представлена множеством лесных, степных и луговых биогеоцинозов.

Экосистема в отличие от биогеоциноза не связана с каким-либо участком земной поверхности. При экосистемной подходе каждый лесной, степной и луговой участок может рассматриваться как экосистема. В то же время вся лесостепная зона – тоже экосистема.

Выделяют микроэкосистемы (капля воды, горшок с цветами, ствол гниющего дерева и т.д.), мезоэкосистемы (лес, пруд, космический пилотируемы корабль) и макроэкосистемы (океан, континент). Биосфера – это тоже экосистема.

Экосистемы характеризуются:

•потоком энергии,

•круговоротом веществ,

•развитыми информационными связями (потоки химических и физических сигналов).

Взависимости от доступного источника энергии выделяют 4 типа экосистемы:

1.Природные, субсидируемые только солнечной энергией (к ним относятся океаны, которые занимают огромные площади и являются гомеостатом для Земли).

2.Природные, субсидируемые другими естественными источниками энергии (приливы, течения).

3.Природные, субсидируемые дополнительно человеком (агросистемы).

4.Индустриально-городские, субсидруемые сжиганием ископаемого топлива. Эти экосистемы оказывают наиболее выраженное воздействие на человека.

Любая экосистема включает в себя экотип и биоценоз. Экотип (экотоп) – совокупность абиотических факторов (климатических, почвенно-грунтовых). Биоценоз – совокупность живых организмов: животных (зооциноз), растений (фитоциноз) и микроорганизмов (микробоценоз). Живые организмы, входящие в экосистему, различаются по способу получения энергии – продуценты (автотрофы), консументы (гетеротрофы) и редуценты.

Автотрофы – это зелёные растения, создающие в процессе фотосинтеза органические вещества. Это аккумуляторы солнечной энергии. Гетеротрофы не способны сами создавать органическе вещества, а живут за счёт использования органических веществ, синтезированных автотрофами, и заключённой в них энергии. Редуценты живут за счёт энергии, полученной при разложении мёртвых растений и животных (это в основном многочисленные микроорганизмы м грибы).

Сообщество организмов, получающих ту или иную форму энергии (лучистую или энергию в виде эквивалентного ему вещества), называется трофическим уровнем.

Пищевая цепь – это перенос энергии в виде эквивалентного ей вещества от одного вида организмов к другим. Функционирование пищевых цепей имеет свои особенности. Существуют закон прогрессивного уменьшения энергии и принцип концентрирования в трофической цепи.

Согласно закону прогрессивного уменьшения энергии при переносе энергии по трофи-

ческой цепи часть её теряется. Каждое звено пищевой цепи уменьшает долю энергии примерно на порядок. В то же время увеличивается количество готовых пластических материалов. Следовательно, при употреблении в пищу растительных продуктов человек получает

208

больше энергии, чем при употреблении мясных. При этом в организм поступает меньше необходимых структурных компонентов (например, незаменимых аминокислот).

Одно из следствий функционирования пищевой цепи – эффект концентрирования. Соединения, находящиеся в воде или почве (как естественного, так и антропогенного происхождения), способны мигрировать по трофическим цепям. При этом на каждом новом трофическом уровне их концентрация увеличивается на порядок.

Существует подход, при которм здоровье человека и биосферы рассматривается в комплексе. Как здоровье единого организма, которое зависит от здоровья всех его частей.

Основой деления биосферы могут быть регионы биосферы – биогеохимические поч-

венно-климатические зоны, в пределах которых зональные признаки разнообразия среды и организмов ограничены по сравнению с экологической целостностью биосферы. Существует

система биогеохимического районирования. Она основана на признании единства взаимо-

действия геохимических факторов внешней среды и живых организмов. Это взаимодействие осуществляется в последовательных звеньях миграции химических элементов в биогеохимической пищевой цепи.

Биогеохимическое районирование объединяет понятие геохимических провинций, почвенных зон и провинций, биогеохимических провинций, геохимических ландшафтов, биогеоцинозов, климатических зон, биогеохимических эндемий.

Загрязнение биосферы. Различного рода загрязнения атмосферы, почвы и гидросфе-

ры определяются выбросом промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов, содержащих вещества, не имеющие природных разрушителей и обладающие токсическим дей-

ствием на живые организмы. В самом общем виде можно сказать, что такие формы влияния на биосферу целиком определяются несовершенством технологических процессов и незнанием закономерностей круговорота веществ в природе.

Загрязнение атмосферного воздуха химическими соединениями ведёт к повреждению чувствительных растений. Характерные признаки повреждения растений относят к биологическим индикаторам состояния среды.

Таблица. Внешние признаки повреждения растений в результате загрязнения воздуха.

Химический фактор	Растение	Внешние признаки повреждения
Озон	Сосна	Концы имеют желтовато-коричневый цвет, крап-
		чатость и т.д.
	Ясень	Белые точки, пурпурная бронзовость
	Виноград	Точки от красно-коричневых до чёрных, бронзо-
		вость
	Фасоль, соя	Белые точки
	Огурец	Белые пятна
	Лук	Обесцвеченные концы
	Шпинат,	Пятна серого, металлического оттенка
	Картофель,
	Табак
Двуокись серы	Ель, сосна	Хвоя буреет и опадает
	Берёза вишне-	Междужилковое и краевое обесцвечивание листь-
	вая,	ев
	Тополь осино-
	образный,
	Ясень
	Ежевика.	Обширное междужилковое обесцвечивание.
	Малина
	Виноград	Междужилковое побурение листьев.
	Орляк обыкно-	Красноватый некроз по краям листьев.
	венный

209