Лабораторная работа №6 Файл - Донской государственный

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
КАФЕДРА "БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ"
СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА БИОСФЕРЫ
Методические указания
к лабораторным и практическим занятиям
Ростов-на-Дону
2007
1
Составители: доц., к.х.н. Озерянская В.В.
ст. преп. Лазуренко Р.Р.
УДК 502.211
Свойства и функции живого вещества биосферы: Методические указания к
лабораторным и практическим занятиям / Издательский центр ДГТУ, 2007, 8 с.
Предназначены для студентов специальности 280202 Инженерная защита
окружающей среды.
Печатается по решению методической комиссии гуманитарного факультета.
Научный редактор – проф., д.т.н. Месхи Б.Ч.
Рецензент – доцент, к.х.н. Дымникова О.В.
© Издательский центр ДГТУ
2007
2
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Сформировать представление о центральном положении живого вещества в
структуре биосферы.
2 ЗАДАНИЕ
Ознакомиться с основными положениями по теме и ответить на контрольные
вопросы по вариантам (см. таблицу).
1
1, 5, 8, 13,
17, 21, 25
Номер варианта
2
3
4
Номера вопросов
2, 6, 10, 14, 3, 7, 9, 11, 1, 4, 10, 12,
18, 20, 24
15, 19, 23
16, 18, 22
5
3, 5, 7, 11,
14, 20, 25
3 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Согласно учению В.И. Вернадского о биосфере, живое вещество –
совокупность всех живых организмов, населяющих планету. Живое
вещество характеризуется суммарной массой, химическим составом и энергией.
Живое вещество составляет крайне незначительную часть биосферы: если
живое вещество выделить в чистом виде и распределить равномерно по
поверхности Земли, то оно образует слой толщиной всего около 2 см. Масса
живого вещества биосферы составляет около 2,41012 т, что соответствует
примерно одной двухтысячной (1/2000) массы атмосферы – самой лёгкой
оболочки Земного шара. Объём живого вещества составляет приблизительно одну
полуторамиллионную (1/1500000) объёма всей биосферы.
Тем не менее, по сравнению с другими веществами биосферы (косным,
биокосным, биогенным и др.), живое вещество играет определяющую роль в
процессах, протекающих в биосфере, выполняя по отношению к ней целый ряд
важнейших функций, основными из которых являются энергетическая и
средообразующая.
Энергетическая функция живого вещества заключается в связывании
и запасании живыми организмами солнечной энергии в процессе
фотосинтеза, передаче её по пищевым цепям и рассеивании в виде тепла.
Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия,
собственных источников которой она не имеет. Она может потреблять энергию
только от внешних источников, главным из которых является Солнце. Почти 99%
рассеянной лучистой энергии электромагнитной природы, поступившей в
биосферу, поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой и расходуется на
протекание физических и химических процессов (движение воздуха и воды,
поглощение и выделение газов, испарение и др.). И только около 1% солнечной
3
энергии накапливается в первичном звене поглощения и в концентрированном
виде передаётся потребителям.
Первичным звеном поглощения солнечной энергии являются зелёные
растения и некоторые виды бактерий, которые в процессе фотосинтеза
преобразуют её в энергию химических связей (энергию пищи). Процесс
фотосинтеза представляет собой превращение зелёными растениями и
фотосинтезирующими микроорганизмами при участии энергии света и
поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др.) простейших неорганических
соединений (воды, углекислого газа, минеральных элементов) в сложные
органические вещества, необходимые для жизнедеятельности всех организмов.
Реакция фотосинтеза с использованием углекислого газа в общем виде
выражается уравнением:
хлорофилл
6CO2 + 6H2O + 2821,9 кДж  C6H12O6 + 6O2
Ежегодно фотосинтезирующие организмы суши и океана связывают около
310 кДж солнечной энергии, при этом образуется более 100 млрд. т
органических веществ. Синтезированные органические вещества (сахара, белки и
др.) последовательно переходят от одних живых организмов к другим в процессе
их питания и переносят заключённую в них энергию: растения поедаются
травоядными животными, которые в свою очередь становятся жертвами
хищников и т.д. В процессе жизнедеятельности живых организмов энергия
рассеивается в виде тепла. Часть энергии, запасённой живыми организмами и не
израсходованная в биосфере, с их отмиранием складируется в виде залежей
полезных ископаемых (углей, торфа, горючих сланцев и др.) и может быть
использована в дальнейшем.
18
Сконцентрированные в живом веществе большие запасы
обуславливают наличие у него целого ряда уникальных свойств:
энергии
1. Чрезвычайно высокая скорость протекания химических реакций – на
несколько порядков (в сотни, тысячи раз) выше, чем в неживом веществе. Она
обусловлена наличием внутри живых организмов мощных биологических
катализаторов белковой природы – ферментов. Об этом свойстве можно судить по
скорости переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности.
Например, количество пищи, ежедневно потребляемое гусеницами некоторых
видов насекомых, в 100–200 раз превышает их собственный вес, а дождевые
черви за 150–200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой
почвы.
2. Способность быстро занимать (осваивать) всё свободное
пространство – "всюдность" жизни (В.И. Вернадский). Она обусловлена
быстрым размножением и способностью живых организмов интенсивно
увеличивать поверхность собственного тела или образуемых ими сообществ.
Например, площадь листьев растений, занимающих территорию в 1 га, может
составлять до 10 га и более. Некоторые простейшие формы организмов могли бы
4
освоить весь Земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов,
сдерживающих их потенциальные возможности размножения.
3. Способность как к пассивному, так и к активному движению. Под
пассивным движением понимается движение под действием внешних сил
(например, силы тяжести), под активным – движение против силы тяжести,
против течения воды, против воздушных потоков и т.п.
4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным
условиям внешней среды – к жизни в воде, воздухе, почве, внутри живых
организмов, а также в крайне трудных по физико-химическим параметрам
условиях. Например, некоторые организмы переносят очень низкие (до –273 С)
или очень высокие (до +180 С) температуры, способны жить в бескислородной
среде, в ледовых панцирях и т.п.
5. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти –
включение в круговорот веществ при сохранении высокой физико-химической
активности.
6. Высокая скорость обновления живого вещества. В среднем для
биосферы цикл полного обновления живого вещества составляет 8 лет, при этом
для суши – 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом
жизни, – 33 дня. В результате высокой скорости обновления за всю историю
существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через
биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли.
Обладание перечисленными свойствами позволяет живому веществу
выполнять по отношению к биосфере особую, средообразующую функцию (роль).
Средообразующая функция живого вещества заключается в его
воздействии на окружающую среду, преобразующем её физикохимические параметры.
Средообразующая функция живого вещества в биосфере имеет, по В.И.
Вернадскому, химическое содержание и выражается в участии живых организмов
в химических процессах изменения вещественного состава биосферы. В.И.
Вернадский писал: "На земной поверхности нет химической силы более
постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным
последствиям, чем живые организмы, взятые в целом".
Средообразующая функция живого вещества является суммарной, т.е.
складывается в результате совместного действия нескольких биогеохимических
функций:
1. Газовая – заключается в способности живых организмов изменять и
поддерживать определённый газовый состав среды обитания и атмосферы в
целом. Прежде всего, это относится к накоплению в атмосфере её основных
газовых компонентов: кислорода – за счёт выделения зелёными растениями в
результате процесса фотосинтеза, азота – за счёт выделения бактериями в
процессе разложения органического вещества, а также поддержанию баланса O2 и
CO2 (углекислый газ выделяется живыми организмами при дыхании и зелёными
растениями ночью).
5
Вследствие выполнения живым веществом газовой функции сложились
современный химический состав атмосферы с уникально высоким содержанием
кислорода (21%) и низким содержанием углекислого газа (0,03%), а также
умеренные температурные условия (+15 С).
С газовой функцией связаны два переломных периода (точки) в
эволюции биосферы. Первый из них относится ко времени, когда содержание
кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая
точка Пастера), что обусловило появление первых аэробных (способных жить
только в среде, содержащей кислород) организмов. Это произошло около 1,2
млрд. лет назад и с тех пор восстановительные процессы в биосфере стали
дополняться окислительными. Второй переломный период относится ко времени,
когда концентрация кислорода в атмосфере достигла примерно 10% от
современного уровня (вторая точка Пастера), что создало условия для
образования озона в результате фотодиссоциации кислорода и формирования в
верхних слоях атмосферы защитного озонового экрана. Это обусловило
возможность выхода живых организмов на сушу (до этого функцию защиты
организмов от губительного действия жёсткого ультрафиолетового излучения
выполняла вода).
2. Концентрационная – заключается в способности организмов
концентрировать в своём теле рассеянные химические элементы (углерод,
водород, азот, кальций, магний, йод, фосфор, кремний и многие др.), повышая их
содержание по сравнению с окружающей средой на несколько порядков.
Отмирание живых организмов приводит к накоплению этих элементов в
литосфере вплоть до образования залежей полезных ископаемых – углей, нефти,
торфа, известняков, различных руд и т.д.
3. Окислительно-восстановительная – заключается в интенсификации под
влиянием живого вещества природных процессов окисления (благодаря
обогащению среды кислородом и деятельности аэробных бактерий) и
восстановления (прежде всего, благодаря разложению органических веществ при
дефиците кислорода анаэробными бактериями). Результатом окислительных
процессов является, например, образование болотных железных руд, результатом
восстановительных – выделение метана, сероводорода.
4. Деструктивная – заключается в разрушении живыми организмами и
продуктами их жизнедеятельности как остатков органического вещества, так и
косных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом
веществ, главную роль в ней играют организмы-редуценты (бактерии, грибы и
др.).
5. Транспортная – заключается в переносе вещества и энергии в результате
активного движения живого вещества. Эта функция связана с размножением,
ростом и перемещением в пространстве (миграцией, кочёвкой и т.п.) живых
организмов.
6. Рассеивающая – противоположна концентрационной. Она проявляется
через пищевые цепи и транспортную функцию живого вещества: например,
рассеивание вещества происходит при выделении экскрементов, гибели
6
организмов при перемещении в пространстве и т.д. Железо гемоглобина крови
рассеивается, например, кровососущими насекомыми.
7. Информационная – заключается в накоплении живыми организмами и их
сообществами определённой информации, закреплении её в наследственных
структурах и передаче последующим поколениям.
Выполняя биогеохимические функции, живое вещество адаптируется к
окружающей среде и приспосабливает её к своим биологическим потребностям.
Как писал В.И. Вернадский, "организм имеет дело со средой, к которой он не
только приспособлен, но которая приспособлена и к нему". Живое вещество и
среда его обитания развиваются как единое целое, при этом, благодаря
непрерывному обмену веществом и энергией, живые организмы осуществляют
контроль за состоянием окружающей среды.
Таким образом, вся природная среда является результатом средообразующей
функции живого вещества. Она создана живыми организмами и они
поддерживают в ней условия, благоприятные для их существования. Все
структурные части биосферы образованы живым веществом – благодаря прошлой
или настоящей деятельности живых организмов. Признание живого вещества
самой мощной геологической силой планеты составляет сущность учения В.И.
Вернадского о биосфере. Грандиозный геологический эффект деятельности
живых организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и
действуют они в течение бесконечно большого промежутка времени.
В обобщающем виде роль живого вещества в биосфере была сформулирована
геохимиком А.Н. Перельманом на основании учения В.И. Вернадского как закон
биогенной миграции атомов: Миграция химических элементов на земной
поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при
непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в
среде, геохимические особенности которой обусловлены живым
веществом.
4 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что понимают под "живым веществом"? Чем оно характеризуется?
2. Дайте сравнительную характеристику массы и объёма живого вещества.
3. Сформулируйте сущность энергетической функции живого вещества.
4. Какой процент солнечной энергии связывается живыми организмами? Какими?
5. В чём сущность процесса фотосинтеза?
6. Напишите реакцию фотосинтеза с участием углекислого газа.
7. Что происходит с органическим веществом, синтезированным растениями?
8. Что происходит с энергией, запасённой живыми организмами и не
израсходованной в биосфере?
9. Охарактеризуйте скорость протекания химических реакций в живом веществе.
10. Что В.И. Вернадский называл "всюдностью" жизни? Чем она обусловлена?
11. Какие формы движения присущи живому веществу?
12. Что называют адаптацией? Приведите примеры.
13. Охарактеризуйте скорость обновления живого вещества биосферы.
7
14. Сформулируйте сущность средообразующей функции живого вещества. Чем
она обусловлена?
15. В чём состоит газовая функция живого вещества?
16. Что называют первой точкой Пастера?
17. Что называют второй точкой Пастера?
18. Охарактеризуйте концентрационную функцию живого вещества биосферы.
19. В чём сущность окислительно-восстановительной функции живого вещества?
20. Что представляет собой деструктивная функция живого вещества?
21. В чём заключается транспортная функция живого вещества биосферы?
22. Как проявляется рассеивающая функция живого вещества?
23. В чём состоит информационная функция живого вещества?
24. Что является результатом средообразующей деятельности живого вещества?
25. Сформулируйте закон биогенной миграции атомов.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА ПО РАБОТЕ:
1. Цель работы.
2. Задание.
3. Ответы на контрольные вопросы по вариантам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воронков Н.А. Экология общая, социальная, прикладная. М.: Агар, 1999. 424 с.
2. Киселёв В.Н. Основы экологии. Мн.: Унiверсiтэцкае, 1998. 367 с.
3. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Ростов н/Д: Феникс, 2000. 576 с.
4. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. М.: ФАИР, 1998. 320 с.
5. Шилов И.А. Экология. М.: Высш. шк., 2000. 512 с.
8