Кыргызско-Российский(Славянский)Университет.

Реферат

По концепции современного естествознания.

Круговороты.

Выполнил:

Студент группы М-1-99

Гавришев Егор

Бишкек-1999

КРУГОВОРОТЫ

Одно из замечательных открытий геохимии заключается в установлении того, что движение многих химических элементов осуществляется в виде круговых процессов - круговоротов. Именно эти элементы слагают земную кору, жидкую и газовую оболочки нашей планеты. Их круговороты могут происходить на ограниченном пространстве и на протяжении небольших отрезков времени, а может охватывать всю наружную часть планеты и огромные периоды. При этом малые круговороты входят в более крупные, которые в своей совокупности складываются в колоссальные биогеохимические круговороты. Они тесно связаны с окружающей средой.

В биосфере, как и в каждой экосистеме, постоянно осуществляется круговорот углерода, азота, кислорода, фосфора, серы и других химических элементов. Энергия поступает в экосистемы во время фотосинтеза, а рассеивается главным образом в виде тепла, когда организмы используют ее для своей жизнедеятельности. Вследствие непрерывно происходящих потерь энергии необходимо, чтобы она столь же непрерывно поступала в экосистемы в виде энергии солнечного света. В отличие от этого вода и элементы питания совершают непрерывный круговорот.

Как уже было сказано, энергия протекает через биосферу, происходит непрекращающийся обмен энергией между Землей и космосом. Однако веществом Земля и космос не обмениваются. Различают два круговорота - большой, или геологический, малый (биологический). Причем только малый круговорот совершается в пределах биосферы. Очень важным элементом круговорота является живое вещество, а "мотором", который "раскручивает колесо круговорота", является энергия Солнца.

Никогда новый цикл круговорота не является точным повторением старого, но обязательно имеет что-то новое, пусть и очень малозаметное. Эти различия, постепенно накапливаясь с каждым новым циклом, приводят к заметным изменениям. Таким образом и происходит развитие биосферы.

КРУГОВОРОТ ВОДЫ

Вода - весьма распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки, озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.

Природная вода не бывает абсолютно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.

Весьма важное значение для нашей планеты имеет КРУГОВОРОТ ВОДЫ. Он слагается из процессов, имеющих разную протяженность - от оборота воды на протяжении суток в результате транспирирующей деятельности одного растения, всасывающего выпавшею атмосферную воду корнями и вновь возвращающего ее в атмосферу листьями, до медленного движения огромных масс воды, связывающего земную кору с гидросферой и атмосферой.

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 10000кг воды. По расчетам О.П. Добродеева, 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, по данным А.П.Виноградова, 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.

КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА.

Кислород - самый распространенный элемент земной коры. В свободном состоянии он находится в атмосферном воздухе, в связанном виде входит в состав воды, минералов, горных пород и всех веществ , из которых построены организмы растений и животных. Массовая доля кислорода в земной коре составляет около 47%.

Кислород - бесцветный газ, не имеющий запаха. Он немного тяжелее воздуха.

Кислород играет исключительно важную роль в природе. При участии кислорода совершается один из важнейших жизненных процессов - дыхание. Важное значение имеет и другой процесс, в котором участвует кислород, - тление и гниение погибших животных и растений; при этом сложные органические вещества превращаются в более простые (в конечном результате в CO2, воду и азот), а последние вновь вступают в общий круговорот веществ в природе.

Установившиеся в биосфере объемы потоков кислорода и кислородосодержащих соединений в современных условиях нарушаются техногенными миграциями. Промышленные, бытовые и сельскохозяйственные отходы, сброшенные в природные воды (реки, озера, моря, океаны), связывают растворенный в воде кислород, что также нарушает объемы кислородных потоков в биосфере. Загрязнение почв, сведение лесов уменьшает обмен кислородом и диоксидом углерода между атмосферой и сушей. Однако запасы кислорода на планете неисчерпаемы. Он входит в состав кристаллических решеток минералов и высвобождается из них при помощи живого вещества. Поэтому для поддержания установившихся объемов кислородных потоков в биосфере необходимо сохранение живого вещества как главной геохимической силы.

Геохимический круговорот кислорода связывает газовую и жидкую оболочки с земной корой. Его основные моменты: выделение свободного кислорода при фотосинтезе, окисление химических элементов, поступление предельно окисленных соединений в глубокие зоны земной коры.и их частичное восстановление , в том числе за счет соединений углерода, вынос оксида углерода и воды на поверхность земной коры и вовлечение их в реакцию фотосинтеза.

КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА.

Углерод находится в природе как в свободном состоянии, так и в виде многочисленных соединений. Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита.

Соединения углерода очень распространены. Кроме ископаемого угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти, представляющей сложную смесь различных углеродсодержащих соединений, преимущественно углеводородов. Кроме того растительные и животные организмы состоят из веществ, в образовании которых главное участие принимает углерод. Таким образом, этот элемент - один из распространенных на Земле, хотя общее его содержание в земной коре составляет всего около 0,1%.

Углекислый газ поглощается растениями-продуцентами и в процессе фотосинтеза преобразуется в углеводы, белки, липиды и другие органические соединения. Эти вещества с пищей используют животные-консументы. Одновременно с этим в природе происходит обратный процесс. Все живые организмы дышат, выделяя углекислый газ, который поступает в атмосферу. Мертвые растительные и животные остатки и экскременты животных разлагаются (минерализуются) микроорганизмами-редуцентами. Конечный продукт минерализации - углекислый газ - выделяется из почвы или водоемов в атмосферу. Часть углерода накапливается в почве в виде органических соединений.

В морской воде углерод содержится в виде угольной кислоты и ее растворимых солей, но накапливается он в форме карбоната кальция CaCO3 (мел, известняки, кораллы). Часть углерода в виде карбонатов надолго исключается из круговорота, образуя осадки на дне водоемов. Однако с течением времени в процессах горообразования осадочные массы поднимаются на поверхность в виде горных пород. В результате преобразований этих пород углерод карбонатов вновь вовлекается в круговорот. Углерод поступает в атмосферу также с выхлопными газами автомашин, с дымовыми выбросами заводов и фабрик.

В процессе круговорота углерода в биосфере образуются энергетические ресурсы - нефть, каменный уголь, горючие газы, торф, древесина, которые широко используются человеком. Все эти вещества произведены фотосинтезирующими растениями за разное время. Возраст лесов - десятки и сотни лет; торфяников - тысячи лет; угля, нефти, газов - сотни миллионов лет. Следует учитывать, что древесина и торф - восполнимые ресурсы, т.е. воспроизводящиеся за относительно короткие промежутки времени, а нефть, горючий газ и уголь - ресурсы невосполнимые.

КРУГОВОРОТ АЗОТА.

Большая часть азота находится в природе в свободном состоянии. Свободный азот является главной составной частью воздуха, который содержит 78,2% азота. Неорганические соединения азота не встречаются в природе в больших количествах, если не считать натриевую селитру NaNO3, образующую мощные пласты на побережье Тихого океана в Чили. Почва содержит незначительные количества азота, преимущественно в виде солей азотной кислоты. Но в виде сложных органических соединений - белков - азот входит в состав всех живых организмов.

Общее содержание азота в земной коре (включая гидросферу и атмосферу) составляет 0,04%

Азот - незаменимый элемент. Он входит в состав белков, и нуклеиновых кислот. Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода. Частично азот поступает из атмосферы благодаря образованию оксида азота (IV) из азота и кислорода под действием электрических разрядов во время гроз. Однако основная масса азота поступает в воду и почву благодаря фиксации азота воздуха живыми организмами.

В почве и воде живут фиксаторы азота - бактерии и водоросли. Они обогащают почву азотом, когда их отмершие клетки минерализуются. Благодаря этому ежегодно поступает около 25 кг азота на гектар. Самые эффективные фиксаторы азота - клубеньковые бактерии, живущие в корнях бобовых растений. Азот из разнообразных источников поступает к корням растений, поглощается ими и транспортируется в стебли и листья, где в процессе биосинтеза строятся белки.

Белки растений служат основой азотного питания животных. После отмирания организмов белки под действием бактерий и грибов разлагаются с выделением аммиака. Аммиак частично потребляется растениями, а частично используется бактериями-редуцентами. В результате процессов жизнедеятельности некоторых бактерий аммиак превращается в нитраты. Нитраты, как и аммонийные ионы, потребляются растениями и микроорганизмами. Часть нитратов под действием особой группы бактерий восстанавливается до элементарного азота, который выделяется в атмосферу. Так замыкается круговорот азота в природе.

КРУГОВОРОТ ФОСФОРА

Фосфор принадлежит к числу довольно распространенных элементов; содержание его в земной коре составляет около 0.1% (масс.). Вследствие легкой окисляемости фосфор в свободном состоянии в природе не встречается. Из природных соединений фосфора самым важным является ортофосфат кальция, который в виде минерала фосфорита иногда образует большие залежи. Богатейшие месторождения фосфоритов находятся в Южном Казахстане в горах Каратау. Фосфор, как и азот, необходим для всех живых существ, так как он входит в состав некоторых белков как растительного, так и животного происхождения. В растениях фосфор содержится главным образом в белках семян, в животных организмах - в белках молока, крови, мозговой и нервной тканей. В виде кислотного остатка фосфорной кислоты фосфор входит в состав нуклеиновых кислот - сложных органических полимерных соединений, принимающих непосредственное участие в процессах передачи наследственных свойств живой клетки. Сырьем для получения фосфора и его соединений служат фосфориты и апатиты. Природный фосфорит или апатит измельчают, смешивают с песком и углем и накаливают в печах с помощью электрического тока без доступа воздуха всех живых организмах.

Основной источник его - горные породы (главным образом изверже-

ные). Среднее содержание фосфора в земной коре 0,085%. Представлен он в основном апатитом и фторапатитом. В осадочных породах это обычно вивианит, вавелит, фосфорит. С образованием биосферы высвобождение фосфора из горных пород усилилось, в результате произошло значительное перераспределение его. Все живое вещество планеты (в среднем) содержит фосфора 0,07%, т.е. немногим менее, чем в литосфере.

Источником фосфора в биосфере главным образом являются апатиты, встречающиеся во всех магматических породах. В превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы усваивают фосфор из почв, водных растворов. Фосфор входит в состав белков, нуклеиновых кислот, и других органически соединений.

Особенно много фосфора в костях животных. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия для образования богатых фосфором пород, которые в свою очередь служат источником фосфора в биогенном цикле.

Деятельность человека в настоящее время направлена на увеличение содержания фосфора в окружающей среде. Это явление В.А.Ковда назвал фосфатизацией суши. Она происходит за счёт вылова продуктов моря, богатых фосфором, и главным образом в результате извлечения фосфора из агроруд для производства фосфорных удобрений, различных фосфорсодержащих препаратов. Фосфатизация суши происходит неравномерно. Наиболее сильно она проявляется в промышленно развитых районах, характеризующихся большой плотностью населения. В отличие от них выделяются районы, где происходит, наоборот, дефосфатизация..

КРУГОВОРОТ СЕРЫ.

Сера встречается в природе как в свободном состоянии (самородная сера), так и в различных соединениях. Очень распространены соединения серы с различными металлами. Из соединений серы в природе распространены также сульфаты, главным образом, кальция и магния. Наконец, соединения серы содержаться в организмах растений и животных.

Сера широко используется в народном хозяйстве. В виде серного цвета серу используют для уничтожения некоторых вредителей растений. Она применяется также для приготовления спичек, ультрамарина (синяя краска), сероуглерода и ряда других веществ.

Круговорот серы происходит в атмосфере и литосфере . Поступление серы в атмосферу происходит в виде сульфатов, серного ангидрида и серы из литосферы при вулканических извержениях, в виде сероводорода за счет распада пирита (FeS2 ) и органических соединений. Антропогенным источником поступления серы в атмосферу являются тепловые электростанции и другие объекты, где происходит сжигание угля, нефти и других углеводородов, а поступление серы в литосферу, в частности в почву, происходит с удобрениями и органическими соединениями. Перенос соединений серы в атмосфере осуществляется воздушными потоками, а выпадение на земную поверхность либо в виде пыли, либо с атмосферными осадками в виде дождя (кислотные дожди) и снега. На поверхности Земли в почве и водоемах происходит связывание сульфатных и сульфитных соединений серы кальцием с образованием гипса (CaSO4). Помимо этого происходит захоронение серы в осадочных породах с органическими остатками растительного и животного происхождения, из которых в дальнейшем происходит образование угля и нефти. В почве изменение соединений серы происходит с участием сульфобактерий использующих сульфатные соединения и выделяющих сероводород, который поступая в атмосферу и окисляясь снова переходит в сульфаты. Кроме этого сероводород в почве может восстанавливаться до серы, которая денитрифицирующими бактериями окисляется до сульфатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

* Глинка Н.Л. Общая химия: Уч. пособ. для вузов/ Под ред. В.А. Рабиновича. - Л.: Химия, 1987

* Кемп П., Армс К. Введение в биологию. - М. : Мир, 1988. - С. 139-142.

* Общая биология / Под ред. Д.К.Беляева. - М.: Просвещение, 1985. - С. 237-241.