Круговорот веществ: понятие, виды

С О Д Е Р Ж А Н И Е : 
 
Введение……………………………………………………………..3 
 
1. Круговорот веществ: понятие, виды……………………..…..4 
 
      1.1 Круговорот углерода………………………………………6 
 
      1.2 Круговорот азота…………………………………………..7 
 
2. Понятие загрязнения окружающей среды…………………..13 
 
3. Ноосфера как новая стадия эволюции биосферы…………15 
 
Заключение…………………………………………………………..19 
 
Список использованной литературы…………………………….20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Введение 
 
Биосферой называют часть земного шара, в пределах которой существует жизнь. Для этой особой оболочки Земли наиболее важными являются три условия. Во-первых, в ней имеется много воды в жидком состоянии, что автоматически подразумевает наличие достаточно плотной атмосферы и определенный диапазон температур. Во-вторых, на неё падает мощный поток лучистой энергии от Солнца. В-третьих, в ней имеются выраженные поверхности раздела между веществом в различных фазовых состояниях - газообразном, жидком и твёрдом. 
 
Следует отметить, что человек (со своим научно-техническим прогрессом) занимает главное, основополагающее место в круговороте веществ биосферы. Если уже не говорить о его главенствующем месте в природной среде. Следствием развития науки и техники явилось загрязнение атмосферы, вод, почв нашей планеты. С момента появления человека биосфера вынуждена подстраиваться под все возникающие и возникающие потребности человечества. Защита окружающей среды - это комплексная проблема, которая может быть решена только совместными усилиями специалистов различных отраслей науки и техники. Наиболее эффективной формой защиты окружающей среды от вредного воздействия промышленных предприятий является переход к малоотходным и безотходным технологиям, а в условиях сельскохозяйственного производства к биологическим методам борьбы с сорняками и вредителями.  Это потребует решения целого комплекса сложных технологических, конструкторских и организационных задач.  
 
 
 
 
 
1.Круговорот веществ: понятие, виды. 
 
Академик В. Р. Вильямс писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного - это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т. е. вовлечь его в круговорот. 
 
Все вещества на планете Земля находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой(геологический) и малый (биотический). 
 
Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуют мощные морские напластования. Часть химических соединений растворяется в воде или потребляется биоценозом. Крупные медленные геотектонические  изменения, процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещение морей и океанов в течение  длительного времени приводят к тому, что эти напластования      возвращаются на сушу и процесс начинается вновь. 
 
Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них. Продукты распада органического вещества под воздействием бактерий вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям, и вовлекаются ими в поток вещества. 
 
        Возврат химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реакций называется биохимическим циклом. 
 
   В круговороте веществ участвуют три группы организмов: 
 
  Продуценты (производители) - автотрофные организмы и зеленые растения, которые, используя солнечную энергию, создают первичную продукцию живого вещества. Они потребляют  углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород. К этой группе принадлежат некоторые бактерии хемосептики, способные создавать органическое вещество. 
 
Консументы (потребители) - гетеротрофные организмы, питающиеся за счет автотрофных и друг друга. Они подразделяются на: консументы 1-го порядка - животные, питающиеся растениями, потребляющие кислород и выделяющие углекислый газ; консументы 2-го порядка - хищники и паразиты растительных организмов; консументы 3-го и 4-го порядка сверхпаразиты. Всего в цепи питания существует не более 5 звеньев. 
 
 Редуценты (восстановители) - организмы, питающиеся организмами, бактериями и грибками. Здесь особенно велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки, превращающие их в конечные продукты: минеральные соли, углекислый газ, воду, простейшие органические вещества, поступающие в почву и вновь потребляемые растениями. 
 
В результате фотосинтеза на суше ежегодно создается 1,5*10¹⁰-5,5*10¹⁰ т растительной биомассы, в которой заключено около 3*10¹⁸ Кдж энергии. Весь прирост живого вещества составляет 8,8.10¹¹ т/год. Общая масса живого вещества на Земле включает около 500 тыс. видов растений и около 2 млн. видов животных. 
 
Скорость образования биологического вещества (биомассы) т. е. образование массы вещества в единицу времени, называютпродуктивностью экосистемы. 
 
На суше общий объем биомассы равен 6,6*10¹² т, что составляет около 4,5*10¹⁸ кДж солнечной энергии. Биомасса океанов существенно меньше, чем на суше, т. е. 3*10¹⁰ т. В океане масса животных в 30 раз больше массы растений, а на суше масса растений составляет 98-99% от всей биомассы. Биологические продуктивности суши и океана примерно равны, т. к. биомасса океана состоит в основном из одноклеточных водорослей, которая обновляется ежедневно. Обновление биомассы суши происходит в течение 15 лет. 
 
1.1 Круговорот углерода 
 
Круговорот энергии связан с круговоротом веществ. Наиболее характерен для процессов, происходящих в биосфере, круговорот углерода. Соединения углерода образуются, изменяются и разрушаются. Основной путь углерода - от углекислого газа в живое вещество и обратно. Часть углерода выходит из круговорота, отлагаясь в осадочных породах океана или в ископаемых горючих веществах органического происхождения (торф, каменный уголь, нефть, горючие газы), где уже аккумулирована его основная масса. Этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. 
 
Обмен углекислым газом происходит также между атмосферой и океаном. В верхних слоях океана растворено большое количество углекислого газа, находящегося в равновесии с атмосферным. Всего в гидросфере содержится около 13*10¹³ т растворенного углекислого газа, а в атмосфере - в 60 раз меньше. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшими количествами углерода, участвующего в малом круговороте и содержащегося в растительных тканях (5*10¹¹ т), в тканях животных (5*10⁹т).  
1.2 Круговорот азота 
 
Важную роль в биосферных процессах играет круговорот азота. В них участвует только азот, входящий в определенные химические соединения. 
 
Фиксация его в химических соединениях происходит при вулканической деятельности, при грозовых разрядах в атмосфере в процессе её ионизации, при сгорании материалов. Определяющее значение в фиксации азота имеют микроорганизмы. 
 
Соединения азота (нитраты, нитриты) в растворах поступают в организмы растений, участвуя в образовании органического вещества (аминокислоты, сложные белки). Часть соединений 
 
азота выносится в реки, моря, проникает в подземные воды. Из соединений, растворенных в морской воде, азот поглощается водными организмами, а после их отмирания перемещается в глубь океана. Поэтому концентрация азота в верхних слоях океана заметно возрастает. 
 
Одним из важнейших элементов биосферы является фосфор, входящий в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, костной ткани. Фосфор также участвует в малом и большом круговоротах, усваивается растениями. В воде фосфаты натрия и кальция растворяются плохо, а в щелочной среде они практически не растворимы. 
 
      Ключевым элементом биосферы является вода. Круговорот воды происходит путем испарения ее с поверхности водоемов и суши в атмосферу, а затем переносится воздушными массами, конденсируется и выпадает в виде осадков. 
 
      Средняя продолжительность общего цикла обмена углерода, азота и воды, вовлеченных в биологический круговорот 300-400 лет. В соответствии с этой скоростью освобождаются минеральные соединения, связанные в биомассе. Освобождаются и минерализуются вещества гумуса почвы. 
 
Различные вещества имеют разную скорость обмена в биосфере. К подвижным относят: хлор, серу, бор, бром, фтор. К пассивным - кремний, калий, фосфор, медь, никель, алюминий и железо. Круговорот всех биогенных элементов происходит на уровне биогеоценоза. От того, насколько регулярно и полно осуществляется круговорот химических элементов, зависит продуктивность биогеоценоза. 
 
Вмешательство человека отрицательно влияет на процессы круговорота. Например, вырубка лесов или нарушение процессов ассимиляции веществ растениями в результате загрязнений приводят к снижению интенсивности усвоения углерода. Избыток органических элементов в воде под воздействием промышленных стоков вызывает загнивание водоемов и перерасход растворенного в воде кислорода, что препятствует развитию аэробных (потребляющих кислород) бактерий. Сжигая ископаемое топливо, фиксируя атмосферный азот в продуктах производства, связывая фосфор в детергентах (синтетические моющие средства), человек нарушает круговорот элементов. 
 
Скорость круговоротов биогенных элементов достаточно высока. Время оборота атмосферного углерода составляет около 8 лет. Ежегодно в наземных экосистемах в круговорот вовлекаются примерно 12% содержащегося в воздухе диоксида углерода. Общее время круговорота азота оценивается более чем в 110 лет, кислорода - в 2500 лет. 
 
Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места, времени и скорости процессов по уровням от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием, но это равновесие подвижное и динамичное. 
 
В процессе своей деятельности человек постоянно воздействует на экосистему в целом или на ее отдельные звенья. Например, при отстреле животных, вырубке деревьев, загрязнении природной среды. Не всегда и не сразу это ведет к распаду всей системы, нарушению её стабильности. Но сохранение системы не значит, что она осталась неизменной. Система трансформируется, и оценить эти изменения крайне сложно. 
 
В настоящее время на земле практически не осталось экосистем, не подверженных влиянию человека. Воздействия человека на экосистемы так интенсивны, что организмы не успевают приспособиться к ним. На уровне отдельной особи происходят необратимые изменения: часть насекомых гибнет из-за ядовитости гербицидов, другие оказываются устойчивыми (толерантными) к ним. У некоторых отмечаются изменения в хромосомах (мутации), влияющие на наследственность. 
 
Выброс в атмосферу загрязнителей (оксида серы, азота, фтористых соединений, углеводородов) меняет соотношение газов в атмосферном воздухе и создает помехи реакциям фотосинтеза, а в некоторых случаях убивает листву. В индустриальных районах повышение содержания в почве марганца, хрома, никеля, меди, кобальта, свинца снижает урожайность сельскохозяйственных культур. Например, пшеницы на 20-30%, картофеля на 47%, сахарной свеклы на 35%. Такие помехи ведут к разрушению экосистемы в целом, т. к. уничтожается основной трофический уровень - продуценты. За разрушением отдельных экосистем может последовать и разрушение биосферы в целом или намного снизится ее продуктивность. 
 
Вырубка лесов, эрозия почв, замещение природных ландшафтов строительными объектами, горными выработками и городами снижает общую биомассу фотосинтетиков, делает привычным биотический круговорот, отрицательно влияет на жизнь человека. 
 
Развитие биосферы связано с появлением человека на Земле, но длительное время воздействия человека на биосферу определялись только наличием его как биологического вида. 
 
Жизнь живых организмов, в т. ч. и  человека, невозможна без окружающей среды, без природы. Человеку свойственен обмен веществ с окружающей средой, который является основным условием существования любого живого организма. 
 
Организм человека во многом связан с компонентами биосферы - растительностью, насекомыми, животными, микроорганизмами. Он входит в глобальный круговорот веществ. Человеческий организм, как и организмы других животных, подвержен суточным и сезонным ритмам, реагирует на сезонные изменения  окружающей температуры, интенсивности (активности) солнечной радиации. 
 
   Человек - часть природы, но благодаря эволюционному развитию биологических систем животный предок человека подошел к той грани, за которой открылась возможность его социальной эволюции. Сегодня человек является частью особой социальной среды - общества. Человек обладает уникальной способностью самопознания, познания и преобразования окружающего мира. 
 
Человек, как живое существо и человеческий род, как совокупность индивидов, подчиняется законам экосистемы и экосферы. Специфика экосистемы «Человек – окружающая среда» определяется не только физическими и биологическими факторами, но также социально-экономическими условиями, которые по мере развития общества приобретают все большее значение в отношениях человека и природы. В процессе целесообразной трудовой коллективной деятельности человек воздействует на природу, меняет способы организаций своей жизни, создает особые формы общественных отношений. 
 
Биологический обмен веществ между человеком и природой сохранился. Природа остается постоянным условием жизни человека и развития общества. Однако в результате производственной деятельности возник новый процесс обмена веществ и энергии между ПРИРОДОЙ и обществом. Этот обмен носит уже техногенный характер и называется антропогенным или социальным обменом веществ и энергии. 
 
Антропогенный обмен существенно изменяет общепланетарный круговорот веществ, резко ускоряя его. Он отличается от биотического круговорота своей незамкнутостью, носит открытый характер. На входе антропогенного обмена находятся природные ресурсы, а на выходе - производственные и бытовые отходы. Экологическое несовершенство антропогенного обмена заключается в том, что коэффициент полезного использования природных ресурсов, как правило, чрезвычайно низок, а отходы производства ухудшают природную среду, многие из них не разлагаются до природного состояния. В период научно-технического прогресса и на стадии его интенсификации масштабы и скорость антропогенного обмена резко возрастают, вызывая заметные напряжения в биосфере. 
 
До появления человека равновесие биосферы определяли пять энергетических факторов: солнечная радиация, сила гравитации, тектонические силы, химическая энергия (окислительно-восстановительные процессы), биогенная энергия (фотосинтез у растений, хемосинтез у бактерий, усвоение и окисление нищи у животных, размножение и продуктивность у биомассы). 
 
Эти факторы развивались по геологической шкале времени и за 3,5 млрд. лет сформировали природную среду. 
 
В настоящее время появился новый фактор - энергия мирового производства. Этот фактор развивается не по геологической, а по исторической шкале времени. От организации производства зависит сохранение или необратимое нарушение подвижного равновесия в биосфере. 
 
На современном этапе исторического развития сложились две формы взаимодействия общества и природы: э к о н о м и ч е с к а я  и  э к о л о г и ч е с к  а я. Экономическая фор м а - потребление ресурсов природы, т. е. использование их для удовлетворения человеком своих материальных и духовных потребностей. Экологическая форма - охрана окружающей природной среды с целью сохранения человека как биологического и социального организма и его естественной среды обитания. 
 
Человек, потребляя природные ресурсы для решения своих хозяйственных задач, еще и изменяет природную среду, которая  как бумеранг, начинает воздействовать негативно на самого человека. 
 
За всю историю цивилизации было вырублено 2/3 лесов, уничтожено более 200 видов животных и растений, запасы кислорода в атмосфере снизились на 10 миллиардов тонн, в результате неправильного ведения сельского хозяйства потеряно около200 млн. га сельхозугодий. 
 
В последнее время хозяйственное давление человека на природу существенно усилилось: ежегодно в результате только нерациональной его деятельности обращаются в пустыни 44 га земель, уничтожается 690 тыс. га лесов, исчезает по одному виду животных и растений. 
 
2. Понятие загрязнения окружающей среды 
 
Негативная деятельность человека проявляется в следующих т р е х    н а п р а в л е н и я х: загрязнение окружающей природной среды, истощение природных ресурсов, разрушение природной среды. 
 
     Под загрязнением среды обитания понимают физико-химические изменения состава природного вещества (воздуха, воды,  почвы), которые неблагоприятно влияют на окружающую среду обитания. 
 
     Загрязнение окружающей природной среды бывает к о с м и ч е с к о е,  т. е. естественное, которое Земля получает из Космоса или при извержении вулканов, и а н т р о п о г е н н о е, связанное с хозяйственной деятельностью человека. 
 
А н т р о п о г е н н о е загрязнение окружающей среды подразделяется на пылевое, газовое, хuмuческое (в т. ч. Загрязнение почвы химикатами), ароматuческое, тепловое (изменение температуры воды, воздуха, почвы), радиоактивное. Источником загрязнений является хозяйственная деятельность человека: промышленность, сельское хозяйство, транспорт. Доля того или иного источника загрязнения может значительно колебаться в зависимости от региона. 
 
Таким образом, человек стал в настоящий период главной силой, изменяющей процессы в биосфере. Управлять этими процессами человек только учится. Научно-технический прогресс значительно опередил наши знания законов биосферы, что привело к заметному нарушению биосферного равновесия, превышению возможностей природных систем по самоочищению. Необходимо изучать законы природы, чтобы предотвратить ее разрушение, найти пути разумного использования природных ресурсов и сбалансированного природопользования. 
 
Гармоничное сосуществование человека и природы - новый этап в развитии биосферы, который академик В. И. Вернадский назвал ноосферой (греч. nоos - разум). 
 
 
3.Ноосфера как новая стадия эволюции биосферы. 
 
Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) – высшая стадия развития биосферы. Это «сфера взаимодействия природы   общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития».[1] 
 
Почему возникло понятие «ноосфера»? Оно появилось с связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы. Непреходящая ценность учения В.И. Вернадского о ноосфере именно в том, что он выявил геологическую роль жизни, живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы и всего разнообразия живых существ в ней. Среди этих существ он выделил человека как мощную геологическую силу. Эта сила способна оказывать влияние на ход биогеохимических  и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (пока «ближний» космос). Вся эта среда весьма существенно изменяется человеком, благодаря его труду. Он способен перестроить ее согласно своим представлениям и потребностям, изменить фактически ту биосферу, которая складывалась в течение всей геологической истории Земли.  
 
В.И. Вернадский писал, что становление ноосферы «есть не случайное явление на нашей планете», «создание свободного разума», «человеческого гения», а «природное явление, резко материально проявляющееся в своих следствиях в окружающей человека среде». Иными словами, ноосфера – окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом.  
 
Человек, по мнению В.И.Вернадского, является частью биосферы, ее «определенной функцией». Подчеркивая тесную связь человека с природой, он допускал, что предпосылки возникновения человеческого разума имели место еще во времена животных, предшественников Homo sapiens,  и проявление его началось миллиарды лет назад, в конце третичного периода. Но как новая геологическая сила смог проявить себя только человек. 
 
Воздействие человеческого общества, как единого целого на природу, по своему характеру резко отличается от воздействия других норм живого вещества. В.И. Вернадский писал: «Раньше организмы влияли на историю тех атомов, которые были нужны им для роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные для техники и создания цивилизованных форм жизни», что и изменило «вечный бег геохимических циклов».  
 
         Эти гениальные мысли В.И.Вернадского позволили ряду ученых допустить в дальнейшем и такой ход событий в  эволюции биосферы, как коэволюцию между человеческим обществом и природной средой, в результате чего и возникнет ноосфера. Но это будет происходить благодаря «новым формам действия живого  вещества на обмен атомов живого вещества с косной материей». Он считал, что «геологически мы переживаем сейчас выделение в биосфере царства разума, меняющего коренным образом и ее облик, и ее строение, - ноосферы». 
 
         Анализируя представления В.И.Вернадского о ноосфере. Э.В.Гирусов (1986) высказал мнение, что ломка развития человеческой деятельности должна идти не вопреки, а в унисон с организованностью биосферы, ибо человечество, образуя ноосферу, всеми своими корнями связано с биосферой. Ноосфера – естественное и необходимое следствие человеческих усилий. Это преобразованная людьми биосфера соответственно познанным и практически освоенным законам ее строения и развития. Рассматривая такое развитие биосферы в ноосферу с позиций системного подхода, можно заключить, что ноосфера – это новое состояние некоторой глобальной суперсистемы как совокупности трех мощных подсистем: «человек», «производство» и «природа», как трех взаимосвязанных элементов при активной роли подсистемы «человек».  
 
Становление ноосферы, по В.И. Вернадскому, процесс длительный, но ряд ученых полагают, что человечество уже вступило в период ноосферы, хотя многие считают, что пока об этом говорить рано, так как  то, что сейчас происходит во взаимодействии человека и природы, трудно увязать с наступлением эпохи разума. 
 
Тем не менее, прогресс человеческого разума и научной мысли ноосферы налицо: они вышли уже за пределы биосферы Земли, в космос и глубины литосферы (сверхглубокая Кольская скважина). По мнению многих ученых – ноосфера в будущем станет особой областью Солнечной системы. «Биосфера перейдет, так или иначе, рано или поздно в ноосферу… На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего», - утверждал В.И.Вернадский. 
Заключение 
 
Человек, став мощным геологическим фактором, оказывает глобальное воздействие на биосферу. Биосфера, со своей стороны, через свои экологические законы, которые он вынужден соблюдать, чтобы выжить, в том числе и закон о биотической регуляции окружающей среды, воздействует на человека. Создаются условия, очень напоминающие сопряженную эволюцию или коэволюцию – человек-биосфера.  
 
Продуктом такой коэволюции может стать так называемая «ноосфера», т. е. сфера разума, основоположником  теории развития которой был Владимир Иванович Вернадский. 
 
В качестве дополнительных средств защиты применяется различное очистное оборудование, к которому относятся аппараты и системы очистки газовых выбросов, сточных вод, глушители шума при сбросе газов в окружающую среду. Перечисленные мероприятия позволят снизить выброс вредных веществ в окружающую среду и тем самым более полно использовать природные ресурсы. Таким образом, рациональное использование ресурсов и обеспечение качества окружающей среды являются общей задачей, которую должны решать специалисты различных областей науки и отраслей техники. 
 
Перечисленные выше особенности круговорота веществ, эволюции биосферы и понятие загрязнений окружающей среды это лишь некоторые, крайне важные аспекты предмета природопользования, как дисциплины и как науки, изучающей влияние человека на круговорот веществ и природное равновесие. 
 
Представления всего человечества и мировой цивилизации о безграничной возможности самоочищения и самовосстановления природной среды являются ошибочными  т. к. на сегодняшний день все экологи мира бьют тревогу об озоновых дырах, нехватке пресной питьевой воды, сырьевой проблеме, огромных объемах выхлопных газов, глобальном потеплении и многих других экологических проблемах, носящих общемировое, планетарное значение. 
 
   
 
Список использованной литературы: 
 
1. Смирнова Е.О. Основы природопользования. – М.: «испор», - 2003. – с. 56-78. 
 
2. Пирогова Н.О. Экономика и экология: Учебник.  – СПб. :Юристъ – 2002. – с. 90 -111. 
 
3.  Кононенко О.Д. Экология.:Учебник. – М.:2002. – с.70 -80. 
 
4. Вавилова Е.В.Экономическая география и регионалистика: Учебное пособие. – М.:Гардарики, 2001. – с.76 – 78. 
 
5. Москаленко А.П. Экономика природопользования и охраны окружающей среды: Учебное пособие. – М.: ИКЦ «Март» - Ростов - на -  Дону: изд-во Центр, 2003. – с. 67 - 89. 
 
6.   Гирусов Э.В.и другие. Экология и экономика природопользования. М.:Закон и право, ЮНИТИ. – 1998 – с. 345 - 356 
 
7. Черников А.П. Стратегия развития региона. – Новосибирск: ИЭ ИУБП Сибирского  отделения РАН, 2003. – с. 34 - 89