Основы экологии

1. Основы экологии Красноярский государственный медицинский университет им. В.Ф. Войно-Ясенецкого Кафедра Биологии с экологией и курсом фармакогнозии Миграция биогенных элементов Лекция № 4 для специальности 060609 – «Медицинская кибернетика» (очная форма обучения) к.б.н. Ирина Григорьевна Ермакова Красноярск 2013

2. Миграция элементов • Это перемещения элементов в земной коре и в пределах биогеоценозов. • Миграция происходит как в процессах круговорота веществ, так и вне их (при почвообразовании, сезонные и суточные миграции легкорастворимых солей). • Большое значение имеет биогенная миграцияэлементов (в том числе микроэлементов). 

3. Большой круговорот веществ в природе (геологический) • обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

4. Большой круговорот веществ

5. Большой круговорот веществ • Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. • Там они переплавляются и образуют магму — источник новых магматических пород. • После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы. • Символом круговорота веществ является спираль, а не круг.

6. Малый круговорот веществ в биосфере • Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический) , в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. • Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. • Этот круговорот для жизни биосферы — главный, и он сам является порождением жизни. • Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

8. В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей. • Такой круговорот обычно называют биологическим. • Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью.

9. он может иметь место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ «от растения к растению», корни которых на поверхности почвы.

10. Химические элементы, в том числе все основные элементы живых организмов, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. • Эти в большей или меньшей степени замкнутые В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами.

11. Биогеохимический цикл (кольцо) на фоне упрощённой схемы потока энергии

12. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм, и т. д. • Такие элементы называют биофильными. • Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

13.  В. И. Вернадский выделяет пять таких функций: • Газовая — основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы — продукт разложения отмершей органики; • Концентрационная — организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов — первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода — водоросли (ламинария), фосфора — скелеты позвоночных животных; • Окислительно-восстановительная — организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью; • Биохимическая — размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества; • Биогеохимическая деятельность человека — охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и другие, для хозяйственных и бытовых нужд человека.

14. В биогеохимических круговоротах следует различать две части 1) резервный фонд — это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами; 2) обменный фонд — значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).

15. Круговорот воды • Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, передвижения водяного пара в атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока. • Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично — просачиваются в землю и образуют подземные воды.

17. Круговорот углерода • Включение углерода в состав органического вещества происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе углекислого газа и воды  образуются сахара. • В дальнейшем, другие процессы биосинтеза преобразуют их в более сложные органические вещества. • Эти соединения формируют ткани фотосинтезирующих организмов и служат источником органических веществ для животных.

19. Круговорот углерода • В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества в конечном итоге до СО2, который выводится во внешнюю среду, где может вновь вовлекаться в процесс фотосинтеза. • Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разрушению редуцентами, в результате чего углерод в виде Н2СО3вновь поступает в круговорот.

20. Круговорот углерода • При определенных условиях разложение накапливаемых мертвых остатков в почве идет замедленным темпом через образование гумуса, минерализация которого под воздействием грибов и бактерий происходит с низкой скоростью. • В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность организмов-деструкторов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа, углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается.

22. Круговорот углерода • Аналогичным образом в прошлые геологические эпохи происходило образование каменного угля и нефти. • Сжигание ископаемого топлива в настоящее время возвращает углерод, выключенный ранее из круговорота, в атмосферу. • В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО2 в состав СаСО3 в виде известняков. • В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи до поднятия органогенных пород над уровнем моря. • Тогда круговорот возобновляется через выщелачивание известняков атмосферными осадками, а также биогенным путем под воздействием лишайников, корней растений

23. Круговорот кислорода Цикл кислорода занимает на Земле около 2000 лет, воды – около 2 млн лет.

24. Круговорот азота • Большая часть биогеохимического цикла азота обусловлена действием живых существ. • Очень большую роль в круговороте играют почвенные микроорганизмы, обеспечивающие азотистый обмен почвы — круговорот в почве азота, который присутствует там в виде простого вещества (газа — N2) и ионов: нитритов (NO2-), нитратов (NO3-) и аммония (NH4+). • Концентрации этих ионов отражают состояние почвенных сообществ, поскольку на эти показатели влияет состояние биоты (растений, микрофлоры), состояние атмосферы, вымывание из почвы различных веществ. • Они способны снижать концентрации азотсодержащих веществ, губительные для других живых организмов. • Они могут переводить токсичный для живых существ аммиак в менее токсичные нитраты и в биологически инертный атмосферный азот.

27. Круговорот серы • Сера представляет собой исключительно активный химический элемент биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в зависимости от окислительно- восстановительных условий среды. • Среднее содержание серы в земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот элемент образует свыше 420 минералов. • В изверженных породах сера находится преимущественно в виде сульфидных минералов: пирита, пирронита, халькопирита , в осадочных породах содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых углях - в виде примесей серного колчедана и реже в виде сульфатов. • Сера в почве находится преимущественно в форме сульфатов; в нефти встречаются ее органические соединения. • В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера в виде сульфатиона переносится природными водами в Мировой океан. Сера поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные.

29. Круговорот серы

30. Круговорот фосфора

31. Круговорот кальция • Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях. • Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca5(PO4)3OH, или, в другой записи, 3Ca3(PO4)2·Са(OH)2 — основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO3 состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др. • В живых тканях человека и животных 1,4-2 % Са (по массовой доле); в теле человека массой 70 кг содержание кальция — около 1,7 кг (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).

32. Почвы, воды и живые организмы содержат почти все элементы, входящие в Периодическую систему Д.И. Менделеева, за исключением искусственно созданных человеком трансуранов. • Но по количественным уровням диапазон колебаний содержания очень велик – от десятков процентов до n∙10-3 - n∙10-5 и даже до n∙10-10 %. • Об этом подробно писал академик В.И. Вернадский еще в 30_х годах ХХ века, указывая об изменении концентрации многих элементов, их изотопного состава под влиянием живых организмов, подчеркивая в то же время, что сведения явно недостаточны для полного понимания того, как формируется химический состав биосферы

33. В.И. Вернадский считал, что «связь состава организмов с химией земной коры и то огромное - первенствующее значение, которое имеет живое вещество в механизме земной коры, указывает нам, что разгадка жизни не может быть получена только путем изучения живого организма. • Для ее разрешения необходимо обратиться и к его первоначальному источнику – к земной коре. • А то, что состав земной коры определяется не геологическими причинами, а свойствами атомов, ясно указывает, что в явлениях жизни сказываются свойства не только одной нашей Земли». • Он дал также определение понятия «биогеохимические провинции».

34. Формирование биогеохимических провинций тесно связано с накоплением и миграцией микроэлементов, которыми чаще всего называют элементы, содержащиеся в живых организмах в небольших количествах, и без которых жизнедеятельность затруднена или невозможна. • Микроэлементы являются инициаторами и активаторами биохимических процессов, без участия которых невозможна регулирующая роль ферментов.

35. Химические элементы в живых организмах • Биогенные элементы • Кислород — 65%, Углерод — 18%, Водород — 10%, Азот — 3% • Макроэлементы - содержание которых в живых организмах составляет больше 0,01 %: • Калий, Кальций, Магний, Натрий, Сера, Фосфор, Хлор • Микроэлементы - содержание менее 0,001 %: • Бром, Йод, Кобальт, Марганец, Медь, Молибден, Селен, Фтор, Хром, Цинк

36. Домашнее задание Ответить на вопросы: • Где в организме используются макро- и микроэлементы, перечисленные на предыдущем слайде. • Какие последствия для организма вызывает недостаток или избыток этих элементов. • Недостаток каких элементов может встречаться в описываемой Вами экосистеме и почему? • Как антропогенное воздействие может влиять на биогеохимические циклы?