Лекция введение в экологию (В. И. Торшин)

Вид материала

Лекция

Содержание Лекция 2. СФЕРЫ ЗЕМЛИ Атмосфера. Состав и строение. Состав атмосферы. Строение атмосферы. Возникновение гидросферы Гидросфера и живые организмы

Подобный материал:

• 5 класс. Учебник «природа. Введение в биологию и экологию 5» авторы т. С. Сухова,, 161.71kb.
• Приказ № от Рабочая программа по (предмету) Введение в общую биологию и экологию Класс, 990.63kb.
• С. В. Шадрина Лекция 5 сентября, 15: 00-16: 30, Введение в геометрию пространства модулей, 5.97kb.
• Первая лекция. Введение 6 Вторая лекция, 30.95kb.
• Рабочая программа дисциплины «введение в биохимическую экологию» Код дисциплины, 145.9kb.
• Текст лекций н. О. Воскресенская Оглавление Лекция 1: Введение в дисциплину. Предмет, 1185.25kb.
• А. И. Мицкевич Догматика Оглавление Введение Лекция, 2083.65kb.
• Н. А. Агаджаняна издательская фирма «крук», 4251.88kb.
• Текст взят с психологического сайта, 4254.71kb.
• Конспект лекций н. О. Воскресенская Москва 2008 Оглавление: Лекция Введение в дисциплину, 567.5kb.

Лекция 2. СФЕРЫ ЗЕМЛИ

Введение

Возникновение жизни на Земле произошло на базе разнообразных условий среды при сочетании различных температур, агрегатных состояний вещества, элементного состава. Отсюда вытекает закон о единстве состава живого и неживого вещества - все элементы, существующие в окружающей среде, входят в состав живых организмов. Однако количественные характеристики отдельных элементов и химических соединений в живой и неживой природе кардинально различаются: в живом веществе преобладают легкие элементы, причем с увеличением атомного номера возрастает токсичность элемента для организма. Эта закономерность известна в экологии, как закон Виноградова, - названный в честь знаменитого геохимика.

Основные геосферы Земли: литосфера, гидросфера, атмосфера являются исходными источниками вещества для формирования живого вещества и биосферы в целом. Существование газообразной, водной и твердой оболочек Земли и характеристика физических условий среды определили тип и характер обмена элементами между литосферой, атмосферой и гидросферой как неживыми средами с одной стороны и биосферой с другой. Легкие и инертные вещества, находящиеся в газовой фазе (в атмосфере) обмениваются с живым веществом наиболее интенсивно. Находящиеся в гидросфере, растворенные или в ионной форме вещества также интенсивно обмениваются с биосферой. Практически все элементы таблицы Менделеева существуют в растворенном состоянии, и именно в таком состоянии могут обмениваться с живыми организмами. Литосфера, - самая инертная из геосфер, является, по существу, депо минеральных веществ, которые могут взаимодействовать с живыми организмами, переходя в растворенную форму. Растения усваивают только растворенные в воде вещества. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене со средой, его окружающей, который создается и поддерживается на нашей планете энергией Солнца.

В основных геосферах подвижность вещества возрастает в ряду литосфера, гидросфера и атмосфера, его перемещение осуществляется согласно физико-химическим законам. В биосфере же вещество перемещается согласно биологическим принципам, а в случае с человеком движущим началом для переноса вещества может служить социальная необходимость, и, в конечном счете, свобода воли.

Атмосфера. Состав и строение.

Атмосфера газовая оболочка Земли, которая вращается вместе с планетой как единое целое. Масса атмосферы составляет около 5,15х10¹⁵ т. Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле, оказывает большое влияние на разные стороны жизни биосферы и человечества. Атмосфера является наиболее подвижной оболочкой Земли. Атмосфера - самое древнее образование среди геосфер. По господствующей в настоящее время теории конденсации планет из газо-пылевого облака Канта-Лапласа первоначальное состояние всех планет – смесь газов и частиц, которые затем объединяются под влиянием гравитационных сил.

Состав атмосферы.

В настоящее время земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода, она содержит также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные и переменные компоненты. Наиболее важная переменная составная часть атмосферы - водяной пар. Концентрация его колеблется в широких пределах от 3 % у земной поверхности в тропиках до 2% в Антарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поскольку его концентрация быстро убывает с высотой.

Состав атмосферы относительно постоянен только в приземном слое воздуха толщиной 8-10 км. Состав атмосферного воздуха у поверхности Земли представлен в таблице.

Таблица 1.

Состав сухого атмосферного воздуха у поверхности Земли

Газ	Концентрация (%)	Молекул.масса (у.е.)
Азот Кислород Аргон Углекислый газ Неон Гелий Метан Криптон Водород Закись азота Двуокись серы Двуокись азота Аммиак Окись углерода	78.08 20.95 0.93 0.032 0.0018 0.00052 0.0002 0.00011 0.00005 0.00005 0.0001 0.000002 следы следы	28.01 31.99 39.9 44.0 20.18 4.00 16.04 83.8 2.01 44.012 64.06 46.0 17.03 28.0

Из основных компонентов атмосферы наиболее важными являются кислород и углекислый газ. Кислород необходим для дыхания (биологического окисления различных веществ), а углекислый газ – для фотосинтеза. Для большинства животных содержание кислорода в воздухе может быть уменьшено практически на четверть без существенного снижения жизнедеятельности. У млекопитающих содержание кислорода в легких является постоянной величиной и составляет 16%, хотя может быть увеличено до 20%.

Известно, что интенсивность фотосинтеза возрастает с увеличением концентрации СО₂ в атмосфере до 1.5%. Поэтому наблюдаемое в настоящее время увеличение концентрации СО₂ в атмосфере в течение значительного периода не будет оказывать негативного влияния на живые организмы. В настоящее время в результате человеческой деятельности количество углекислого газа в атмосфере непрерывно нарастает (за последние 50 лет она выросла с 0,028% до 0,032%). С этим явлением связывают так называемый «парниковый эффект» - повышение теплосодержания и температуры атмосферы из-за поглощения инфракрасного излучения молекулами СО2.

Строение атмосферы.

Состав атмосферы тесно связан с ее строением. Атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение, что определяется особенностями вертикального распределения температуры. Разные слои атмосферы сильно отличаются друг от друга. У поверхности Земли под действием силы тяжести возрастают плотность и давление. Температура тоже меняется с высотой, сначала падает, а затем повышается в наружных слоях атмосферы. Выше 600 км преобладающим компонентом становится гелий, а еще выше, в 2-20 тыс. км, простирается водородная корона Земли. На этих высотах Земля окружена оболочкой из заряженных частиц, температура которых достигает нескольких десятков тысяч градусов. Здесь располагаются внутренний и внешний радиационные пояса Земли, которые представляют опасность для космонавтов.

Ниже появляются четыре основных слоя. Экзосфера - разреженное пространство выше 400 км с непостоянным соотношением кислорода, гелия и водорода. Ионосфера - область заряженных частиц (ионов и электронов) - мощный слой, включающий в себя мезосферу и термосферу и подразделяющийся на четыре более мелких слоя. Концентрация ионов в ионосфере оказывает заметное влияние на радиоволны: низкочастотные радиоволны проходят через ионосферу, а высокочастотные отражаются. Стратосфера содержит небольшое, но жизненно необходимое количество озона, которое препятствует проникновению смертоносной ультрафиолетовой радиации к поверхности Земли. Основная часть атмосферы сконцентрирована у поверхности Земли, где сосредоточена большая масса воздуха с относительно постоянным составом. Это тропосфера, слой, где формируется погода. Вместе с вышележащими слоями тропосфера защищает Землю от заряженных частиц и радиации. К ее внешней границе температура снижается.

Благодаря небольшому количеству озона на высоте около 50 километров все живое на нашей планете защищено от смертельного ультрафиолетового излучения. В первичной атмосфере, где содержание кислорода составляло 1/1000 его теперешнего уровня, озон продуцировался на малых высотах и в малом количестве. Это не могло обеспечить защиту водных форм жизни на Земле. В этот период наиболее благоприятные условия для синтеза живых молекул и развития простейших форм жизни были в водной среде на глубине примерно 10-15 метров. Однако сейчас человека подстерегает неожиданная и серьезная опасность. Речь идет о медико-биологических последствиях повышенного ультрафиолетового (УФ) излучения в связи с появлением над планетой озоновых «дыр».

Загрязнения атмосферы весьма разнообразны. Это аэрозоли различного состава, газообразные продукты, микроорганизмы.

Гидросфера - это совокупность всех водных объектов Земного шара. Она участвует в формировании облика Земли наряду с другими геологическими процессами – поднятиями и опусканиями Земной коры. Именно в ней возникла жизнь. В живых организмах вода составляет значительную часть массы их тела. Способность воды растворять вещества и является тем свойством, которое обеспечило ее роль в появлении и развитии жизни. Роль гидросферы в формировании поверхности планеты трудно переоценить. Процессы водной эрозии и переноса вещества вследствие перемещения воды под действием силы тяжести являются одним из основных процессов формирования ландшафтов. Реки – основные пути выноса вещества и материалов в моря и океаны. С другой стороны, растворенные в воде вещества изменяют состав самой гидросферы, а также переносят вещество в пределах литосферных плит. Благодаря круговороту воды в природе происходит разделение веществ в литосфере на легкие, растворимые, легко транспортируемые вещества и нерастворимые тяжелые элементы. В связи с этим, формирование биогеохимических провинций и микроэлементный состав почв связан с перераспределением воды по поверхностям водоразделов.

Гидросфера является геологической силой, трансформирующей геологическое и химическое состояние литосферных плит, обеспечивающая перемещение и разделение веществ в пределах земной коры.

Кроме транспорта вещества гидросфера участвует в переносе энергии. Благодаря большой теплоемкости переход воды из одного агрегатного состояния в другое требует поглощения или выделения значительных количеств энергии. Обычный круговорот воды, - испарение с поверхности, конденсация в атмосфере, осадки – является ни чем иным как переносом энергии, которая поглощается при испарении и выделяется при конденсации. Существуют два круговорота воды – большой и малый. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков – это малый круговорот. При вовлечении в этот процесс почвы и растительного покрова круговорот становится большим, поскольку в нем участвуют много промежуточных звеньев (инфильтрация в почву, формирование подземного стока, поступление в растения с последующей транспирацией и др.). Количественные показатели интенсивности круговорота воды, приводимые Е.М.Гусевым, составляют 577000 куб.км. воды, ежегодно испаряющейся с поверхности океана (505000куб. км./год) и суши (75 км./год). В виде осадков выпадает ежегодно над океанами – 458000 куб. км/год и над сушей 119000 куб. км/год. Это количество воды, участвующей в круговороте составляет около 0,03 % от ориентировочных общих запасов воды на Земле. По мнению большинства специалистов, количество воды на планете продолжает увеличиваться. Вода поступает из верхней мантии в виде паров, образуется в верхних слоях атмосферы под действием “Солнечного ветра” и других факторов. Считается, что баланс гидросферы положителен и за последние 500 миллионов лет произошло ее увеличение в 10 раз. В живых организмах по данным А.И.Чеботарева содержится 1120 куб. км. Воды или 0.0001 % от мировых ее запасов. Это в 2 раза меньше, чем в руслах большинства рек и в 10 раз меньше, чем в атмосфере.

Вода на Земле содержится преимущественно в Мировом океане (1338х106 куб. км., или 96,5 %). Значительное количество воды сосредоточено в подземных горизонтах – 23,4х106 куб.км., или 1.7%. Значительная часть гидросферы сосредоточена в ледниках и снежниках – 24х106 куб.км. или 1.73%. Это стратегический запас пресной воды – 69% всех пресных вод, из них большая часть (около 62% ) сосредоточено в озерах, реках и других водоемах – 189,1х103 или 0.014%. Важным резервом воды являются почвенные воды. Они составляют 16,5х103 куб. км., или 0.001%. Учитывая тот факт, что вода является универсальным растворителем, подвижные воды, находящиеся в реках, озерах и других водоемах в первую очередь подвержены загрязнению и не могут рассматриваться как долговременные защищенные от внешних воздействий водные ресурсы. С другой стороны, почвенные и подземные воды являются защищенными сравнительно труднодоступными и частично изолированными от антропогенных воздействий. В связи с этим, эти воды можно рассматривать, как стратегический резерв вод для нужд народного хозяйства.

С точки зрения долговременной перспективы необходимо совершенствование учета и классификации водных ресурсов (водный кадастр), который позволит реально заниматься планированием и распределением водных ресурсов и обеспечением водной безопасности страны. В обводненной России такой подход к проблеме в настоящее время воспринимается с трудом, но с учетом глобального потепления и продолжающегося загрязнения биосферы дефицит водных ресурсов, особенно для бытовых нужд, будет возрастать, а вода, возможно, станет таким же предметом экспорта, как основные энергоносители.

Возникновение гидросферы

Гидросфера прошла длинный путь эволюции. Она неоднократно менялись по массе, соотношениям жидкого и твердого состояний, расположению в пространстве, вовлечению в круговорот и т. д.

Происхождение вод тесно связано с происхождением Земли. Существующие гипотезы возникновения гидросферы можно условно разделить на две группы. Согласно одним, в исходном материале газопылевого облака, сформировавшего нашу планету, уже существовали отдельные молекулы воды, присутствовала вода в виде частичек льда или в форме крупных его скоплений. По другим гипотезам, вода образовалась из первичного кислорода и водорода после конденсации газопылевого облака в протопланету - Землю. При повышении температуры планеты и миграции кислорода и водорода из центральных частей планеты к поверхности образовались молекулы воды, выделившиеся в атмосферу при извержении вулканов и пролившиеся на ее поверхность горячим дождем.

Универсальным показателем, интегрально отражающим особенности процессов, происходящих в водных объектах разного типа, является продолжительность водообмена. Для Мирового океана она составляет 2500 лет, подземных вод различных горизонтов от 1400 до 10000 лет, ледников около 10000 лет, озер - 17 лет, почвенных вод - 1 год, болот - 5 лет, водохранилищ - 0,5 года, рек - 16 суток, атмосферных вод - 8 суток. Эти цифры достаточно наглядно отражают функциональную организацию объектов гидросферы, а также их потенциальную уязвимость.

Гидросфера, как и другие основные сферы Земли - атмосфера и литосфера, испытывает все возрастающее антропогенное и техногенное воздействие. Оно проявляется двумя основными путями: поступлением в водные объекты загрязнений и изменением условий формирования поверхностных и подземных вод. Последствия этих воздействий наиболее остро ощущаются в крупных городах, где проживает уже половина человечества.

Гидросфера и живые организмы

Гидросфера - компонент неживой материи, но с ней связана жизнь на Земле.

Как и в косной (неживой) среде, в гидросфере организма происходит обмен воды с внешним окружением - своего рода внешний круговорот.

Рассмотрим роль воды в организме человека. Эмбрион на 97 % состоит из воды. В младенческом возрасте ее количество сокращается до 86 %. У взрослого человека оно не превышает 60 %. Основная часть воды - 70 % - сосредоточена в клетках, а 30 % - это внеклеточная вода. Особенно много воды в крови - до 90 %. В настоящее время значительное внимание уделяется свойствам воды. Так, установлено, что благодаря водородным связям молекулы воду связываются в восьмигранники – октаэдры. Это так называемая «структурированная вода». Она легко вступает в соединения с биологическими макромолекулами, поглощается живыми организмами. При воздействии на воду каким-либо видом энергии, например микроволновым излучением, значительная часть октаэдров распадается, и в воде повышается количество свободных молекул. Эта вода обладает бактерицидными свойствами. Структура воды сохраняется довольно длительное время (до месяца). Это следует учитывать при использовании воду в качестве растворителя при приготовлении различных лекарственных форм.

Литосфера – каменная оболочка земли – земная коры, развитие всего живого. Твердая земная кора, на которой мы обитаем, по отношению ко всей планете не толще яичной скорлупы. Она составляет 1,5 % ее объема и 0,8 % массы. Это сопоставление говорит о распределении элементов с преобладанием легких (в земной коре) и тяжелых – в мантии и ядре Земли.

Самая верхняя часть земной коры достаточно исследована, в то время как представления о внутреннем строении Земли основаны на изучении сейсмических данных.

Толщина земной коры не одинакова: от 70-75 км под высокими горами до 6-8 км под морским дном. Вместе с самой верхней частью мантии она образует жесткую литосферу, перекрывающую пластичный слой - астеносферу, по которой плиты литосферы могут дрейфовать в боковом направлении.

Земная кора делится на материковую и океаническую. Океаническая кора подстилает материковую, а под океанами несет на себе тонкий покров осадков и лав. Плотность материковой коры - 2,7 г/см³, она легче океанической, плотность которой - 2,9 г/см³.

Под земной корой находится мантия – слой полураплавленных пород с высокими температурой и давлением. В мантии происходит непрерывное движение вещества. Потоки вещества в мантии приводят к перемещению литосферных плит – участков земной коры. Это так называемая ”новая глобальная тектоника” или ”тектоника плит” (Альфред Вегенер, 1880 – 1930 г). Идея дрейфа материков была вызвана удивительным сходством их очертаний. Например, побережья Западной Африки и побережья Южной Америки. Реконструкция положения материков в ранние геологические периоды привели к убеждению о существовании праматерика – Пангеи, которая потом разделилась на Гондвану и Лавразию, а затем через ряд стадий пришла к современному состоянию. Реконструкция осуществлялась с учетом очертаний побережий, границ оледенений, распространения ископаемых животных и растений. Литосферные плиты под действием конвективных потоков вещества в мантии находятся в постоянном движении. При этом, движение каждой из плит осуществляется независимо от других, и если происходит их столкновение, то в месте контакта возникают горные цепи, или, напротив, глубоководные желоба, если одна из плит наползает на другую. Движение литосферных плит – одна из причин землетрясений.

Активные в тектоническом отношении участки – разломы являются геопатогенными зонами, которые оказывают отрицательное воздействие на здоровье человека, которое по своему негативному результату может превосходить антропогенное влияние (А.А.Келлер и В.И.Кувакин). Существует статистически значимые связи между заболеваниями злокачественными новообразованиями, рассеянным склерозом, ишемической болезнью сердца, а также возникновением дорожно-транспортных происшествий с геопатогенными зонами. В.А.Рудник (1998) приводит данные о состоянии здоровья сотен тысяч жителей Санкт-Петербурга, Уфы, городов Ленинградской области и Карелии. Было установлено, что каждые 2 из 3 больных онкологическими заболеваниями проживают или ранее долго жили в геопатогенных районах непосредственно над разломами земной коры. Уровень заболеваемости ишемической болезни сердца был в 2 раза выше, а гипертонической болезнью в 1.5 раза выше, чем в других районах. Смертность в геопатогенных зонах в 2-2.5 раза выше средней. Обращаемость взрослых в поликлиники в геопатогенных зонах в 2 - 3 раза больше, чем в среднем по региону, заболеваемость детей в 2-2.2 раза выше средних показателей. Заболеваемость лейкозом в 3.5 раз выше средних значений, болезни Дауна – в 4 раза. В.А.Рудник утверждает, что статистика дорожно-транспортных происшествий в Калининском районе Санкт-Петербурга и на автотрассе Санкт-Петербург – Мурманск свидетельствует об их увеличении на 30-100% по сравнению с другими районами (без геоаномалий). Вместе с тем, истинные причины и механизмы, связывающие аномалии литосферы и указанные изменения в биосфере в настоящее время не известны.

Неоднородность строения земной коры и биогеохимические особенности литосферы могут проявляться и в других медико-экологических особенностях. Так, при изучении состояния здоровья сельского населения было установлено, что в районах Курской магнитной аномалии отмечается повышенная заболеваемость болезнями сердечно-сосудистой системы. С неоднородностью литосферы и геологическими активными зонами земной коры связаны изменения геофизических полей, в частности, магнитного поля, которые также небезразличны для здоровья человека.

Сферы Земли взаимодействуют друг с другом. Они обмениваются веществом и энергией составляя некое целое – нашу Землю.