Биокосные системы Земли
Живые организмы и неорганическая (косная) материя на Земле тесно связаны между собой и образуют в совокупности различные сложные природные системы, которые В. И. Вернадский назвал биокосными. В книге биокосные системы рассмотрены с позиций геохимии.
Характеризуя почвы, подземные воды, биосферу и другие биокосные системы, автор рассказывает не только о том, как перемещаются атомы в этих системах, но и как происходит при этом превращение энергии, изменение информации. В последнее десятилетие изучение биокосных систем приобрело особенно большое значение в связи с проблемой охраны природы и загрязнения окружающей среды. Этим вопросам также уделено внимание.
Почва — особое природное тело 1
Почвоведение в XX в. 2
Почва как биокосная система 5
Илы — подводные почвы 9
Кора выветривания 11
Водоносные горизонты 17
Поверхностные воды 20
Общие черты биокосных систем 28
А. И. Перельман
Биокосные системы Земли
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
доктор геолого-минералогических наук А. В. Щербаков
От автора
Биокосные естественные тела характерны для биосферы. Это закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел (напр., почвы), причем все их физико-химические свойства требуют — иногда чрезвычайно больших — поправок, если при их исследовании не учтено проявление находящегося в них живого вещества.
Стремительно развивается естествознание в нашу эпоху. И то, что еще недавно казалось новым, значительным и важным, порой воспринимается уже как вчерашний день науки, достояние истории. Но наряду с быстрым «старением» знания наблюдается порой и обратное явление — возрастание роли представлений, идей, высказанных еще в прошлом столетии. К их числу мы относим понятие о биокосных системах Земли, становление которого связано с именем В. В. Докучаева. Миновало столетие с тех пор, как увидели свет первые труды ученого, науки о Земле изменились неузнаваемо, но роль докучаевских открытий не уменьшилась, а, наоборот, сильно увеличилась, и его идеи заняли почетное место во многих науках.
Значение научного подвига Докучаева легче выразить в терминах нашей эпохи, когда существуют общая теория систем и кибернетика, эти ровесники революции, происходящей в естествознании и технике.
Современники связывали с именем В. В. Докучаева в первую очередь создание нового понятия о почве, заложившего основы почвоведения. Почва оказалась первым типом особого класса природных систем земной коры, которые ученик Докучаева В. И. Вернадский позднее назвал биокосными. Биокосные системы играют огромную роль в механизме природы и жизни человечества, для них характерно взаимопроникновение и тесная связь между живой и неживой (косной) материей.
В. И. Вернадский увидел на нашей планете множество биокосных систем. Ученый подробно охарактеризовал самую крупную из них — биосферу, которая сейчас привлекает большое внимание.
К биокосным системам относятся и многие другие образования земной коры. Так, уже в начале XX в. была установлена биокосная природа коры выветривания, илов. Автор книги обосновал понятие о водоносном горизонте как биокосной системе. К более высокому уровню организации относятся артезианские бассейны подземных вод, моря и океаны. Характерно, что все эти системы изучаются разными науками, порой достаточно далеко отстоящими друг от друга в официальной классификации знания. Так, почвоведение относят к наукам биологическим и сельскохозяйственным, учение о ландшафтах и океанологию — к наукам географическим, изучением подземных вод занимается гидрогеология, илов — литология. Что же касается учения о биосфере, то оно пока еще официально «не приписано» ни к какой науке.
«Ведомственная разобщенность» наук, изучающих биокосные системы, не мешает этим системам обладать многими общими свойствами. Это и позволяет рассматривать биокосные системы в целом с единых позиций. Такая методология разработана геохимией. Она заключается в анализе биокосных систем на атомарном уровне, в изучении свойственной им миграции химических элементов.
В работе над книгой автора поддерживало убеждение, что ознакомить широкие круги читателей с биокосными системами необходимо. Особенно теперь, когда остро стоит проблема «Человек и окружающая среда». Сложности задачи был противопоставлен тот принцип в работе, который всегда выручает ученых и о котором говорил И. П. Павлов, — последовательность. Автор старался рассказать о каждой биокосной системе в отдельности, а потом уже установить и общие черты этих систем. И конечно, надо было начинать с того, как Докучаев открыл почву.
Почва — особое природное тело
Термин «почва» существовал на многих языках до работ Докучаева. Однако под ним подразумевались разные понятия — рыхлые продукты разрушения горных пород (в геологии), пахотный слой (в агрономии), любая поверхность суши вплоть до городской мостовой (в санитарии) и т. п. Этот старый и достаточно неопределенный термин В. В. Докучаев использовал для наименования открытого им особого природного тела. Было это в 70-х годах прошлого века.
Окончив в 1871 г. естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета, Докучаев стал сотрудником вновь учрежденной кафедры геологии.
Профессора Петербургского университета Д. И. Менделеев, А. Н. Бекетов, А. В. Советов, А. М. Бутлеров, А. А. Иностранцев и др. уделяли много внимания сельскому хозяйству, принимали участие в деятельности Вольного экономического общества (ВЭО). В 1877 г. общество обратилось к Докучаеву с предложением изучить черноземную полосу Европейской России. В. В. Докучаев был одним из немногих геологов, изучавших молодые (четвертичные) ледниковые, речные и прочие поверхностные отложения Русской равнины. С геологических позиций почвы в то время относились именно к этим образованиям, и не удивительно, что выбор ВЭО пал на Докучаева.
За 6 лет (1877-1882) Докучаев обследовал огромные пространства юга России, от Бессарабии до предгорий Урала и от долины Оки до побережья Черного моря и Северного Кавказа. К изучению чернозема он подходил не с каких-либо конкретных практических позиций (например, агрономических), а как натуралист-геолог, т. е. изучал червовом как особое природное явление. Докучаева интересовали состав и свойства этой почвы, ее зависимость от рельефа, климата, растительности, подстилающих пород.
Источник
Биокосные системы (коры выветривания, почвы, природные воды, илы)
В соответствии с системным принципом организации биосферы, а также с тем, что в основе ее функционирования лежат круговороты веществ и энергии, современной наукой сформулированы биохимическая, термодинамическая, био-геоценотическая, кибернетическая концепции биосферы.
Согласно В.И. Вернадскому, биосфера — это такая оболочка, в которой существует и существовала в прошлом жизнь и которая подвергалась и подвергается воздействию живых организмов.
Эта оболочка включает в себя:
· живое вещество, образованное совокупностью организмов;
· биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, сланцы, известняки и др.);
· костное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты тектонической деятельности, метеориты);
· биокостное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).
Биокосные системы Земли разных уровней организации (почвы, илы, коры выветривания, водоносные горизонты, ландшафты, артезианские бассейны, моря, океаны и др.) являются естественно-историческими образованиями, сформировавшимися в конкретной геохимической обстановке при участии живого вещества в процессе развития физико-географической оболочки.
Как и все другие объекты Природы, биокосные системы обладают энергоинформационной и физической структурами.
Энергоинформационная структура, в силу специфических ее свойств, несет информацию о развитии биокосных систем; находится в непрерывном взаимообмене на уровне энергии и информации с конкретно-материальной физической структурой и способна оказывать на нее влияние путем передачи информации по голографическому принципу.
Изменение энергоинформационной программы развития биокосных систем может быть обусловлено внутренними, в результате аутоэволюции, и внешними факторами, обусловленными действием активных химических веществ, повышенного радиоактивного фона, магнитных и гравитационных полей, космических излучений, энергоинформационных и информационных воздействий и др.
Изменение энергоинформационной структуры биокосных систем ведет к адекватным изменениям их физической структуры.
Энергоинформационные структуры биокосных систем находятся во взаимосвязи с аналогичными структурами своего окружения, изменяясь и оказывая влияние на другие системы.
Под биокосными понимаются системы, для которых характерно взаимопроникновение живых организмов и неорганической (косной) материи. В ходе кругооборота биокосные системы не возвращаются в прежнее состояние, для них характерно поступательное развитие. В результате кругооборота формируется окислительно-восстановительная зональность биокосных систем. Например, в верхней зоне озер, где развит фотосинтез и О2выделяется растениями, формируется окислительная обстановка, в глубоких частях, где происходит разложение органического вещества, растет содержание в воде СО2, а в илах может сложится восстановительная (глеевая или сероводородная) среда.
Так в озерах формируется окислительно-восстановительная зональность, тоже происходит и в других биокосных системах и биосфере в целом. Следовательно, работа живого вещества создает резко окислительные условия на земной поверхности и резко восстановительные в болотах, илах и особенно подземных водах.
Геохимическое своеобразие биокосных систем определяется сочетанием биогенной, физико-химической и механической миграции. По уровням организации среди них выделяются низкоорганизованные (почвы, илы, коры выветривания) и более высокоорганизованные (ландшафты, моря, океаны и т.д.).
Во всех биокосных системах происходит взаимодействие горных пород с природными водами и организмами. Характерны два противоположных процесса: выветривание и цементация. Для первого (выветривания) типичен вынос из пород элементов – водных мигрантов (Ca, Mg, K, Na) и присоединение воздушных мигрантов (О2, Н2О, СО2). Для цементации наиболее характерны аккумуляция водных мигрантов на геохимических барьерах, уменьшении пористости. Выветривание и цементация – разные стороны одного процесса, но в конкретных системах соотношение между ними неодинаково. Выветривание особенно широко развито в почвах и коре выветривания, хотя происходит и цементация; в водоносных горизонтах доминирует цементация.
Все биокосные системы литосферы богаты свободной энергией и неравновесны, дифференцированы в пространстве, и в них формируется окислительно-восстановительная и кислотно-щелочная зональность.
Почва – это верхний горизонт литосферы, вовлеченный в биологический кругооборот при участии растений, животных и микроорганизмов; это область наивысшей геохимической энергии живого вещества. Геохимическая сущность почвообразования заключается в разложении органических веществ микроорганизмами. Эти процессы интенсивны во влажных тропиках и угнетены в тундре. В почвах происходит биогенная аккумуляция веществ, направленная снизу вверх, а также нисходящая миграция водных растворов, вызывающих выщелачивание. Почвообразование приводит к дифференциации элементов, то есть, однородная горная порода превращается в неоднородный зональный почвенный профиль со многими горизонтами. И с геохимической точки зрения сущность почвообразования состоит в окислительно-восстановительных реакциях; для всех почв характерна окислительно-восстановительная зональность, которая отражает процессы разложения органических веществ.
Выделяют почвы окислительные (сухопутные растительные), в том числе черноземы, буроземы, каштановые почвы равнин) и восстановительные: глеевые (почвы заболоченных равнин влажного климата) и сероводородные (солончаки и некоторые другие).
Ил – природное тело, аналогичное почве, где роль атмосферы занимает гидросфера. Для илов также характерен профиль, расчленяющийся на горизонты, окислительно-восстановительная зональность, геохимические барьеры. Характерно постоянное увлажнение, при образовании ила не принимают участия высшие растения, он более однороден, чем почва.
Систематизируются илы по окислительно-восстановительной обстановке. Окислительные илы образуются в океанах, морях, реках, где господствуют кислородные воды, преимущественно на небольших глубинах в прибрежных частях океанов и морей или на больших глубинах, но там где в холодной воде растворено много О2 и мало органики (например, красные глубоководные глины Тихого океана). Глеевые илы – в озерах влажного климата, где разлагается много органического вещества. В озерах лесной зоны формируются глеевые илы – сапропели. Сероводородные илышироко развиты в морях, океанах, озерах степей и пустынь.
Источник
Биокосные системы
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 13 Марта 2013 в 21:49, реферат
Краткое описание
Биокосными называют системы, в которых неразрывно связаны и взаимодействуют живое и неживое вещества. Примером биокосной системы является почва, представляющая собой единство минерального вещества (порода, вода, воздух), живых организмов и мертвого биоорганического вещества (гумус и др.). Если изъять из почвы один из этих компонентов, то она утратит свои характерные свойства (прежде всего плодородие), т.е. станет другой системой.
Прикрепленные файлы: 1 файл
Биокосные системы.docx
Геохимическое своеобразие биокосных систем определяется сочетанием механических, физико-химических и биогенных миграционных процессов. Все биокосные системы (почвы, илы, коры выветривания и т.д.) имеют много общих черт. Это относится к процессам десульфуризации, оглеения, окисления сульфидов, засоления, огипсования, карбонатизации и др.
Во всех биокосных системах земной коры происходит тесное взаимодействие горных пород с природными водами в близких термодинамических условиях. Это определяет некоторые общие особенности физико-механической миграции в них, которая складывается из двух противоположно направленных процессов – выветривания и цементации. Миграция элементов при выветривании, в свою очередь, также складывается из двух противоположных процессов – выщелачивания из пород и минералов водных (Ca, Mg, K, Na и др.) и присоединения воздушных (О, Н – в виде Н2О, Н + и ОН — , СО2 и др.) мигрантов. Для второй группы процессов – цементации наиболее характерна аккумуляция ранее выщелоченных на других участках водных мигрантов на геохимических барьерах, уменьшение пористости и, соответственно, увеличение плотности пород. В результате могут образоваться различные конкреции, а также ожелезненные, карбонатизированные, огипсованные и др. горизонты.
Таким образом, выветривание и цементация представляют собой две стороны единого процесса миграции: первый порождает второй. Но соотношение между этими процессами в каждой конкретной биокосной системе неодинаково. Выветривание особенно интенсивно протекает в почвах, где многие первичные минералы подстилающих пород неустойчивы. В почвах возникают и геохимические барьеры, приводящие к цементации и образованию глинистых, гипсовых и других иллювиальных горизонтов.
Все биокосные системы земной коры богаты свободной энергией, являются неравновесными и отличаются дифференцированностью в пространстве ( разделяются на различные горизонты), в них формируется окислительно-восстановительная и кислотно-щелочная зональность.
В настоящее время, говоря о биосфере, подразумевают особую оболочку Земли, в которой существуют живые (животные и растительные) организмы. В биосферу входят населенные этими организмами гидросфера, часть литосферы, атмосфера. Основы учения об этой сфере были заложены В.И. Вернадским.
Одной из важнейших ее особенностей является биокосность. Биокосными называют системы, в которых живые организмы и неживое, косное вещество взаимосвязаны и взаимообусловлены. Из всех известных к настоящему времени биокосных систем крупнейшей является биосфера. К биокосным системам, кроме биосферы, относятся почвы, илы, природные воды, геохимические ландшафты. В результате специфической жизнедеятельности на космических станциях возникают техногенные биокосные системы.
Как без косного вещества невозможно представить жизнь и развитие организмов, так и без организмов не может существовать ни одна биокосная система. Одному из авторов этой книги приходилось в тайге видеть почву (вернее то, что ранее было почвой) на участках, где прошли сильные лесные пожары, при которых почва так интенсивно «прожарилась», что были уничтожены живые организмы. На протяжении ряда лет на этих участках ничего не произрастало, хотя на них несомненно заносились семена различных растений и хватало минеральных питательных веществ. Так продолжается до тех пор, пока образовавшийся после пожара минеральный субстрат постепенно не заселяется организмами, вероятно, начиная с микроорганизмов.
Неразрывная связь и постоянное взаимодействие живого и косного веществ в биосфере создали условия, наиболее пригодные для жизни и работы людей. Рассмотрим это несколько подробнее. Организмы, как уже было показано, способствовали созданию атмосферы и гидросферы Земли и продолжают удерживать их (а точнее их состав) в определенных геохимических и биогеохимических рамках. Таким образом, были созданы конкретные условия, определяющие любые перемещения вещества в биосфере, а следовательно, и жизнь на нашей планете. В сжатой форме это выражено в одном из важнейших природных законов, названном, по предложению А.И. Перельмана, законом Вернадского: миграция химических элементов в биосфере происходит при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, существовавшим и существующим в биосфере со времени ее образования.
Из этого закона можно сделать следующие важнейшие выводы. Во-первых, жизнедеятельность может быть безопасной лишь в условиях, созданных к настоящему времени живым веществом нашей планеты. Во-вторых, уничтожение и даже только изменение соотношения между отдельными организмами живого вещества может настолько изменить обстановку на поверхности Земли, что нарушатся важнейшие природные условия, определяющие безопасность жизнедеятельности людей. Среди различных миграционных процессов, протекающих в биосфере в соответствии с законом Вернадского, особо следует выделить биологический круговорот химических элементов (БИК). Он представляет собой поступление в живые организмы элементов из почв, вод, атмосферы и других организмов с последующим переходом снова в эти же части биосферы. При этом в соответствии с законом Перельмана (имя А.И. Перельмана предложено для этого закона в 2000 г. В.А. Алексеенко) в ходе биологического круговорота атомы поглощаются живым веществом и заряжаются энергией. Покидая живое вещество, они отдают накопленную энергию окружающей среде.
Живые организмы являются своеобразными аккумуляторами солнечной энергии. Часть их разряжается, выделяя энергию сразу при разложении, связанном с отмиранием. Другая часть, захороняемая без полного разложения, образует своеобразные залежи каустобиолитов – горных пород из
остатков организмов и продуктов их частичного разложения. К каустобиолитам относятся нефть, уголь, горючие сланцы, т.е. основные источники энергии, используемой в настоящее время при самых различных процессах хозяйственной деятельности.
Образование каустобиолитов шло многие миллионы лет, а сейчас перед человечеством стоит проблема истощения и даже полного уничтожения этого источника энергии. С этой проблемой, несомненно, связана безопасность жизнедеятельности людей, и многие страны уже сейчас начинают все в большей мере использовать возобновляемые источники энергии (солнечную, ветровую, приливную), а некоторые отдают предпочтение развитию далеко небезопасной для жизнедеятельности атомной энергетики.
Благодаря действию живых организмов биосфера обладает и таким влияющим на безопасность жизнедеятельности свойством, как неравномерность распределения химических элементов. Созданные организмами условия на поверхности Земли стали весьма существенно отличаться от условий в глубинных частях планеты. Это привело к приспосабливанию к условиям биосферы минералов, образовавшихся в других условиях, и получило название выветривания. Выветривание привело к дифференциации вещества.
Однако живые организмы не только создавали условия для течения процесса выветривания, но и непосредственно участвовали (и продолжают участвовать) в нем, усиливая дифференциацию элементов. Достаточно вспомнить об образовании органогенных известняков или органогенных кремнистых пород. В результате этих процессов создалась определенная неравномерность распределения химических элементов в разных частях биосферы. Антропогенное увеличение этой неравномерности может резко уменьшить безопасность жизнедеятельности людей и привести к катастрофе (подробнее см. гл. 3).
В настоящее время антропогенная деятельность по своим последствиям может быть сопоставима с глобальными природными процессами. Все антропогенные процессы производственной жизнедеятельности, вызывающие миграцию вещества в биосфере, были названы академиком А.Е. Ферсманом техногенезом. Под воздействием техногенеза уже сейчас изменяются многие параметры, характеризующие состояние биосферы.
С точки зрения миграции вещества это (В.А. Алексеенко, 2000) – в первую очередь изменение соотношения масс химических элементов, находящихся
и мигрирующих в разных формах нахождения; изменение интенсивности миграции; появление новых геохимических барьеров; изменение дальности миграции веществ; появление глобальных техногенных аномалий (подробнее см. гл. 5).
В сумме все это показывает, что биосфера в настоящее время переживает переход в новое состояние своего существования – в ноосферу (сферу разума). Основателем учения о ноосфере является выдающийся ученый Владимир Иванович Вернадский, который в 1944 г. писал: «Ноосфера есть новое геохимическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Перед нами открываются все более и более широкие творческие возможности».
Переходя в ноосферу, биосфера остается биокосной системой. Главным механизмом, определяющим ее единство, продолжает оставаться биологический круговорот атомов – БИК. Однако даже в начальный период формирования ноосферы (а именно его мы переживаем сейчас), безопасность жизнедеятельности начинает все в большей мере определяться не только различными природными факторами и природными стихийными бедствиями, но и многочисленными техногенными факторами. Роль последних в безопасности жизнедеятельности никогда не была столь большой и многообразной, как в настоящий период.
Часть техногенных факторов является своеобразным продолжением природных, но степень их воздействия на жизнедеятельность людей резко возрастает и они становятся небезопасными для жизнедеятельности. К таким факторам относится, например, резкое изменение концентрации определенных веществ в среде жизнедеятельности людей. Другие техногенные факторы практически не имеют природных аналогов, и организмы, включая человеческие, просто не имели возможности привыкнуть к их воздействию. К ним можно отнести лазерное излучение.
Источник