Биосфера

Одной из наиглавнейших особенностей планеты Земля является существование на ней жизни. Этим она отличается от всех своих соседок по Солнечной системе. Область существования живых организмов на Земле называют биосферой (сферой жизни). Впервые этот термин ввел австрийский геолог Э. Зюсс в 1875 г., но распространился он после издания в 1926 г. трудов выдающегося ученого В. Вернадского. Живые существа (растения, животные, микроорганизмы) существуют на поверхности Земли, в ее атмосфере, гидросфере и верхней части литосферы, в целом образуя пленку жизни (сферу) на нашей планете. Верхняя граница биосферы простирается на 85 км над поверхностью Земли. На таких высотах (в стратосфере) во время запусков геофизических ракет в пробах воздуха были обнаружены споры микроорганизмов, правда, в латентном (спящем) виде из за слишком неблагоприятных условий существования. Нижняя граница биосферы достигает глубин литосферы, где температура составляет больше 10000С (в молодых складчатых областях – это приблизительно 1.5 – 2 км и на кристаллических щитах – 7-8 км). Приспосабливаемость живых организмов удивляет. Так, живые бактерии обнаружены в горячих гейзерных источниках с температурой до 980оС, активная и довольно разнообразная жизнь бурлит в трещинах антарктических ледников и на наибольших глубинах Мирового океана, даже в океанических водах пораженных сероводородом, также существуют специфические серные бактерии. Живые организмы не только приспосабливаются к условиям внешней среды, но и активно их меняют. В. Вернадский доказал, что живые организмы играют очень важную роль в геологических процессах, которые формируют лицо Земли. Химический состав современных атмосферы и гидросферы обусловлен жизнедеятельностью организмов. Большое значение имеют организмы для формирования литосферы – большинство пород, и не только осадочных, а и таких как граниты, так или иначе связаны своим происхождением с биосферой. «Если бы на Земле не было жизни, - писал ученый, - лицо ее было бы таким же неизменным и химически инертным, как недвижимое лицо Луны, как инертные обломки небесных светил».Согласно последним оценкам, сухая масса живого вещества на Земле составляет 2-3 триллиона тонн. Это сравнительно малая величина, в 10 млн раз меньше массы земной коры и в миллиард - массы Земли. Однако живое вещество отличается от неживого очень высокой активностью, в частности, очень быстрым круговоротом веществ. Все живое вещество атмосферы обновляется в среднем за восемь лет. Биомасса мирового океана восстановляется за 33 дня, его фитомасса каждый день, фитомасса суши – приблизительно за 14 лет. Следует учесть, что жизнедеятельность животных, растений и микроорганизмов сопровождается непрерывным обменом веществ между организмами и средой, в следствие чего все химические элементы земной коры, атмосферы и гидросферы многоразово входили в состав тех или иных организмов. Подсчитано, что вся вода планеты проходит цикл расщепления в растительных клетках и восстановления в растительных и животных организмах, то есть обновляется биосферой приблизительно за 2 млн. лет. Образно выражаясь, мы дышим воздухом, которым дышали динозавры, и пьем воду, которая входила в состав тканей юрских папоротников. Живые организмы играют огромную роль в аккумуляции солнечной энергии. Например, залежи каменного угля – это не что иное, как солнечная энергия, накопленная зелеными растениями минувших геологических эпох. Так же можно определить и природу многих минералов, в частности карбоната кальция, который образует огромные массы известняков и почти на 100% имеет биогенное происхождение. Важную роль живые организмы играют в накоплении многих металлов, таких как железо, медь, марганец. Большое значение для биосферы и хозяйственной деятельности человека имеет круговорот азота, серы, фосфора и других элементов. Установлено что любой растворимый, но не летучий элемент может совершать круговорот только через биосферу. Живые организмы накапливают некоторые элементы в своих тканях, а водные жители, кроме того, увеличивают их содержание и в своей среде жизни, то есть в воде (например, такие элементы, как молибден, кобальт, никель находятся в водной среде в значительно большем количестве, нежели на суше).Очевидно что за миллиарды лет геологической истории жизнь неузнаваемо изменила внешние оболочки нашей планеты. Одним из проявлений биологической активности организмов является также скорость их размножения. При идеальных условиях (теоретически) она может достигать скорости звука. Так, К. Линней подсчитал, что три мухи могут съесть антилопу с такой же скоростью, как это делает лев (учитывая скорость размножения мух). Одноклеточная водоросль диатомея теоретически способна за восемь дней создать массу живой материи которая равна земной, а на протяжении следующего дня удвоить ее. Так почему же этого не происходит? Дело в том, что биосфера – это единый гигантский суперорганизм, в котором автоматически поддерживается гомеостаз — динамическое постоянство физико-химических и биологических свойств внутренней среды и стойкость основных функций. Консументы, например, не позволяют растениям слишком разрастаться, поедая «лишнюю» биомассу. За травоядными пристально «следят» хищники, предотвращая их чрезмерное размножение и уничтожение растительности. Этими хищниками «руководят» хищники второго порядка и паразиты, а теми, в свою очередь - сверхпаразиты, и т.д. Поэтому на Земле существует много видов животных. Среди них нет «лишних» или «вредных». Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные и обновленные процессы, концентрация химических элементов и т.п.) не могут выполняться организмами какого-либо одного вида, а лишь их комплексом. Отсюда вытекает чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система, с большим количеством видов организмов, каждый из которых выполнял свою роль в общей системе. Без этого биосфера вообще не могла бы существовать, то есть стойкость ее существования обусловлена ее сложностью.Среди многочисленных связей в биосфере есть очень важные, незаменимые. Об этом надо помнить! Вмешательство человека в процессе деятельности в биосферные взаимосвязи, о значении которых большей частью он не имеет правильного представления, часто приводит к нежелательным следствиям. Например, в 30-ые годы ХХ века в Китае велась всенародная борьба с воробьями. Считалось, что птицы, таская зерно, потребляют часть урожая, и уничтожение их позволит увеличить сборы урожая. Советские ученые, приезжая в командировку в Китай, с удивлением наблюдали, как какой-нибудь большой начальник в середине разговора вдруг срывался с места и, громко крича, мчался за птицей. Воробья гоняли до тех пор, пока он не падал от утомления на землю, и тогда добивали. Результаты такой охоты оказались плачевными. Ведь зерноядные птицы выкармливают своих птенцов насекомыми. Уничтожение заметного числа птиц сразу же привело к размножению насекомых, поедающих зерно. В результате уничтожения птиц сбор урожая не увеличился, а уменьшился! Да, птицы съели меньше, зато насекомые съели больше! Каждое живое существо рождается, развивается, выполняет свою программу жизни как составная часть исполинского сверхорганизма — биосферы. И поскольку человек есть неотъемлемая составная часть биосферы, определенная стадия ее запрограммированного развития, то вся его деятельность не должна противоречить общей программе эволюции биосферы.

http://school.bakai.ru/?id=ecogl01

Успехов в изучении!

Экологические проблемы атмосферы

Атмосфера – воздушная оболочка земного шара – имеет слоистое строение. До высоты 11-12 км над полюсами воздух наиболее плотен. Этот слой, в котором сосредоточено 4/5 всей массы атмосферы, называют тропосферой. С ней связана погода. В этом слое существуют различные формы жизни, и поэтому именно тропосферу (точнее, ее нижнюю часть) относят к биосфере. В контакте с тропосферой ведут свою жизнь почти все обитатели суши. Даже во время полетов на самолете мы не поднимаемся выше тропосферы. Кроме того, загрязнения, попадая в тропосферу, переходят в более высокие слои, например, в стратосферу, очень медленно. Объемные доли газов (в %) в воздухе тропосферы таковы: азот – 78,08; кислород – 20,95; аргон – 0,92; углекислый газ – 0,03; другие газы, такие как ксенон, метан, гелий – 0,02 (в сумме).На высотах от 12 до 50 км тропосфера переходит в стратосферу. В стратосфере значительно меньше водяных паров. Здесь задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180–200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц, и других свечений.На высоте около 50 км находится граница между стратосферой и выше лежащей мезосферой.Атмосфера менялась на протяжении всей земной истории. Несколько миллиардов лет назад она преимущественно состояла из углекислого газа, азота и водяного пара; кислород появился в ней 1,5-2 миллиарда лет назад в результате активной деятельности прежде всего цианобактерий. С появлением зеленых фотосинтезирующих растений содержание кислорода стало неуклонно увеличиваться и в последние 0,5 миллиарда лет стабилизировалось на одном уровне. Однако сравнительно недавно вновь начались перемены в составе атмосферы, вызванные производственной деятельностью человека. Последствия этих изменений крайне неприятные:
- вымывание из атмосферы кислот – «кислотные дожди»;
- утончение и перфорация слоя стратосферного озона, который защищает земную жизнь от ультрафиолетового излучения Солнца и появление озоновых дыр;
- потепление климата, вызванное накоплением в атмосфере газов, поглощающих инфракрасное излучение и препятствующих его рассеянию, - «парниковый эффект»;
- фотохимический смог в городах и т.д.

http://school.bakai.ru/?id=ecopb0105

Приятного чтения!

Экологические проблемы гидросферы

Жизнь на Земле зародилась в воде. Вода стала первичной средой для эволюции органического мира и входит в состав всех живых существ. Почти все запасы мировой воды - это соленые воды Мирового океана и подземных кладовых. Пресные водные ресурсы существуют благодаря вечному круговороту воды. В круговороте воды участвуют три основных потока воды – осадки, испарения и влагоперенос. Осадки в виде дождя и снега в основном выпадают в океаны (385 тыс.км³ в год). Поверхностный сток и поток грунтовых вод направлены с суши в океан. В атмосферу вода возвращается, испаряясь. Большой вклад в этот процесс вносит транспирация – физиологическое испарение воды растениями (через устьица листьев). Водяной пар переносится атмосферными потоками с океана на сушу. Вода распределена по планете очень неравномерно. Океаны содержат основную ее часть (97,41%), и лишь малая ее часть находится на суше (2,59%). Из этой воды большая часть малодоступна (ледники, снега, грунтовые воды), и лишь 0,014% всего влагозапаса доступно людям и другим живым организмам. Таким образом, из 1360 млн.км3 мировых запасов воды около 9000 км³ может быть использовано человеком. Этого запаса достаточно, чтобы обеспечить нужды 20 млрд. человек (сейчас планету населяют 6 млрд.) Однако имеется много районов, где воды катастрофически не хватает, а в других местах она потеряла свои качества и стала непригодной из-за неразумных действий человека. Гидросфера – водная оболочка Земли – очень уязвимая часть природы. И если в ближайшее время кардинально не улучшится ее использование и охрана, жизнь на планете окажется под угрозой. Вода, к сожалению, легко загрязняется чуждыми ей примесями. Проходя через гидрологический цикл, она может вбирать в себя отходы двух видов:
- обычные – органические остатки (экскременты животных и человека, растительные остатки)
- промышленные – отходы производств и вышедшая из употребления промышленная продукция.Такая вода, естественно, считается загрязненной и уже непригодна для питья. Существует важный критерий, с помощью которого определяют качество воды, т.е насколько она загрязнена. Этот критерий – количество растворенного в воде кислорода. Живущие в воде аэробные бактерии с помощью кислорода окисляют органические вещества, попавшие в воду, так как последние служат им пищей и удовлетворяют их энергетические запросы. Органические вещества, способные окисляться в воде бактериями, называют биоразложимыми. Процесс окисления достаточно сложен. В результате его органические загрязнители исчезают, а содержащиеся в них элементы превращаются в окисленные формы, которые совершенно неопасны для живых организмов. Однако иногда эти окислительные реакции настолько снижают количество растворенного кислорода в воде, что аэробные бактерии уже не могут существовать в такой обедненной среде – и на смену им приходят анаэробные. Последние разлагают органические вещества до метана, аммиака, сероводорода и гидрида фосфора – токсичных для гидробионтов веществ с неприятным запахом. Замещение аэробных бактерий анаэробными в водоемах приводит к заполнению водоемов осадочными материалами и мертвым органическим веществом – эутрофикации.Органические отбросы, биогенные вещества наносят вред водным экосистемам тогда, когда перегружают их. Загрязненная ими вода может при благоприятных условиях очиститься сама (естественное самоочищение). Однако существуют загрязнители, которые абсолютно чужды экосистемам – ксенобиотики. Вред от них более существенен, а последствия зачастую непредсказуемы. Среди ксенобиотиков самыми опасными являются металлы, например, ртуть и свинец.

http://school.bakai.ru/?id=ecopb0106

Удивительных открытий!

Тургор

Растительная клетка представляет собой осмотическую систему. Пектоцеллюлозная оболочка хорошо проницаема как для воды, так и для растворенных веществ. Однако плазмалемма и тонопласт обладают избирательной проницаемостью, легко пропускают воду и менее проницаемы, а в некоторых случаях непроницаемы для растворенных веществ. В этом можно убедиться, рассмотрев явления плазмолиза и тургора. Если поместить клетку в раствор более высокой концентрации, чем в клетке, то под микроскопом видно, что цитоплазма отстает от клеточной оболочки. Это особенно хорошо проявляется на клетке с окрашенным клеточным соком. Клеточный сок остается внутри вакуоли, а между цитоплазмой и оболочкой образуется пространство, заполненное внешним раствором. Явление отставания цитоплазмы от клеточной оболочки получило на­звание плазмолиза. Плазмолиз происходит в результате того, что под влиянием более концентрированного внешнего раствора вода выходит из клетки (от своего большего химического потенциала к меньшему), тогда как растворенные вещества остаются в клетке. При помещении клеток в чистую воду или в слабо концентрированный раствор вода поступает в клетку. Количество воды в клетке увеличивается, объем вакуоли возрастает, клеточный сок давит на цитоплазму и прижимает ее к клеточной оболочке. Под влиянием внутреннего давления клеточная оболочка растягивается, в результате клетка переходит в напряженное состояние — тургор.

Наблюдения за явлениями плазмолиза и тургора позволяют изучить многие свойства клетки. Явление плазмолиза показывает, что клетка жива и цитоплазма сохранила полупроницаемость. В мертвых клетках мембрана не обладает полупроницаемостью, не контролирует потоки веществ, и осмотический выход воды не происходит. По скорости и форме плазмолиза можно судить о вязкости цитоплазмы. Наконец, явление плазмолиза позволяет определить величину ос­мотического потенциала в клетке (плазмолитический метод). Этот метод основан на подборе изоосмотического, или изотонического, раствора, т. е. имеющего осмотический потенциал (Ψ_{осм. р-ра}) , равный осмотическому потенциалу кле­точного сока (Ψ_{осм. кл.}). Раствор, при котором в клетке начался плазмолиз, имеет осмотический потенциал, примерно равный осмотическому потенциалу клетки. Зная концентрацию этого наружного раствора в молях, можно вычислить его осмотический потенциал, а следовательно, осмотический потенциал клетки (Ψ_{осм. р-ра} = Ψ_{осм. кл.}).

Определение величины осмотического потенциала имеет большое значение, в частности для экологических исследований. Величина осмотического потенциала позволяет судить о максимальной способности растения поглощать воду из почвы и удерживать ее, несмотря на иссушающее действие атмосферы. Осмотический потенциал колеблется в широких пределах, от —5 до —200 бар. Осмотический потенциал около —1 бара наблюдается у водных растений. Осмотический потенциал, равный —200 бар, обнаружен у выжатого сока талофта Atriplex confertifolia. В 1 л сока этого растения содержится 67,33 г хлоридов. У большинства растений средней полосы осмотический потенциал колеблется от —5 до —30 бар. Вместе с тем необходимо отметить, что факторы, действующие на изменение осмотического потенциала, чрезвычайно разнообразны. Даже соседние, рядом расположенные клетки могут отличаться по величине осмотического потенциала. Обычно отрицательная величина осмотического потенциала больше у мелких клеток по сравнению с крупными. Установлены определенные градиенты осмотического потенциала в пределах одной ткани. Так, в тканях стебля отрицательный осмотический потенциал возрастает от периферии к центру и от основания к верхушке. В корне отрицательный осмотический потенциал, наоборот, постепенно снижается от основания к верхушке. В проводящих элементах стебля и корня, как правило, отрицательная величина осмотического потенциала очень низка (от —1 до —1,5 бара). В листьях осмотический потенциал колеблется от -10 до -18 бар. Осмотический потенциал различен у разных жизненных форм. У древесных Пород он более отрицателен, чем у кустарников, а у кустарников более отрицателен, чем у травянистых растении. Разные экологические группы различаются по величине осмотического потенциала. У растений пустынь осмотический потенциал более отрицателен, чем у степных растений; у степных более отрицателен, чем у луговых. Еще меньше осмотическая концентрация у растений болотных и водных местообитаний (соответственно наименее отрицательный осмо­тический потенциал). У светолюбивых растений осмотический потенциал более отрицательный, чем у теневыносливых. На величину осмотического потенциала влияет концентрация растворенных веществ в клеточном соке — это осмотически активные вещества (органические кислоты, соли, аминокислоты, сахара). Растение в определенной степени регу­лирует величину осмотического потенциала. Ферментативное превращение сложных нерастворимых веществ в растворимые (крахмала в сахара, белков в аминокислоты) приводит к возрастанию концентрации клеточного сока и повышению отрицательной величины осмотического потенциала. Увеличенное накопление растворимых солей также делает более отрицательным осмотический потенциал. Несмотря на то, что осмотический потенциал меняется в зависимости от внешних условий, все же для каждого вида эти изменения происходят в своих определенных пределах. Величину осмотического потенциала многие физиологи считают одной из характеристик данного вида растений.

http://fizrast.ru/fiziol-kletka/postuplenie-vody/osmoticheskaya-sistema.html

Приятного изучения!

Осмос

Как известно, при температуре выше абсолютного нуля все молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении. Это показывает, что они обладают определенной кинетической энергией. Благодаря постоянному движению при смешении двух жидкостей или двух газов их молекулы равномерно распределяются по всему доступному объему.

Осмос — результат неравенства химических потенциалов воды по разные стороны мембраны. Идеальная полупроницаемая мембрана пропускает молекулы воды и не пропускает молекулы растворенного вещества. В 1877 г. немецкий физиолог В. Пфеффер приготовил искусственную полупроницаемую мембрану. Для этого в пористый фарфоровый сосуд наливали раствор медного купороса и помещали в другой сосуд, заполненный раствором ферроцианида калия. В порах первого фарфорового сосуда растворы соприкасались и реагировали друг с другом. В результате в порах образовалась пленка из ферроцианида меди Cu₂[Fe (CN)₆], которая обладала полупроницаемостью. Таким образом, была создана как бы модель клетки: полупроницаемая пленка имитировала мембрану, а стенки сосуда — пектоцеллюлозную оболочку. Сосуд, в порах которого образовалась полупроницаемая мембрана, заполненный раствором сахарозы, помещали в воду. Такой прибор получил название осмометра. Химический потенциал воды во внутреннем сосуде будет тем меньше, чем выше концентрация сахарозы. Таким образом, поступление воды в раствор через полупроницаемую перегородку обусловливается разностью между свободной энергией чистой воды и раствора, происходит самопроизвольно по градиенту свободной энергии воды.
В осмометре при наличии полупроницаемой мембраны вода будет поступать в раствор, что приведет к его разбавлению, и движение воды будет замедляться. Если к осмометру присоединить трубку, раствор будет подниматься по ней. Наконец давление столба жидкости уравновесит силу, с которой молекулы воды поступают в осмометр. Таким образом, энергия молекул воды, которая уменьшилась благодаря введению растворенного вещества, восполнится давлением столба жидкости. Это давление повышает химический потенциал раствора (I_р), делая его равным химическому потенциалу чистой воды (I_в). Согласно закону термодинамики самопроизвольно идут только процессы, сопровождающиеся выделением энергии. В большинстве случаев измерить свободную энергию в абсолютном выражении не представляется возможным. Однако можно измерить разность между конечным (g₂) и начальным энергетическим состоянием (g₁). Поскольку g₁ > g₂, то изменение Δg будет иметь отрицательное значение. В нашем случае g₁ — это химический потенциал чистой воды, a g₂ — химический потенциал воды после добавления растворенного вещества. Δg будет равно, но противоположно по знаку тому давлению, которое надо приложить к системе, чтобы предотвратить поступление в него воды через полупроницаемую мембрану. Δg и будет осмотический потенциал Ψосм раствора.
Таким образом, осмотический потенциал равен разности между химическим потенциалом раствора и химическим потенциалом чистой воды и всегда отрицателен. Осмотический потенциал показывает недостаток энергии в растворе по сравнению с чистой водой, вызванный взаимодействием вода — растворенное вещество. Иначе говоря, осмотический потенциал показывает, насколько прибавление растворенного вещества снижает активность воды. Осмотический потенциал относится к так называемым коллигативным свойствам раствора, таким, как понижение точки замерзания или повышение точки кипения. Все эти показатели зависят от молярной концентрации. 1 моль раствора любого недиссоциированного вещества имеет осмотический потенциал -22,7 бара (-22,4 атм). Поскольку уменьшение химического потенциала, или активности воды, пропорционально числу частиц, то при растворении диссоциированных веществ абсолютное значение осмотического потенциала будет больше, для чего вводится соответствующий (изотонический) коэффициент. Надо учесть, что осмотический потенциал любого раствора проявляется только в условиях осмотический системы: раствор — полупроницаемая мембрана — растворитель. Сказанное дает возможность измерить осмотический потенциал раствора (Ψ). Присоединив манометр, можно измерить давление, которое надо приложить к системе, чтобы предотвратить поступление воды в раствор. Оно будет по абсолютной величине равно, но противоположно по знаку осмотическому потенциалу раствора.

http://fizrast.ru/fiziol-kletka/postuplenie-vody/osmos.html

Успехов в изучении!

Диффузия

Как известно, при температуре выше абсолютного нуля все молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении. Это показывает, что они обладают определенной кинетической энергией. Благодаря постоянному движению при смешении двух жидкостей или двух газов их молекулы равномерно распределяются по всему доступному объему.

Диффузия — это процесс, ведущий к равномерному распределению молекул растворенного вещества и растворителя. Как всякое движение, диффузия требует энергии. Диффузия всегда направлена от большей концентрации данного вещества к меньшей, от системы, обладающей большей свободной энергией, к системе с меньшей свободной энергией. Свободной энергией называется часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу. Свободная энергия, отнесенная к 1 молю вещества, носит название химического потенциала. Таким образом, химический потенциал — это мера энергии, которую данное вещество использует на реакции или движение. Химический потенциал — функция концентрации. Скорость диффузии зависит от температуры, природы вещества и разности концентраций. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше его активность и его химический потенциал. Диффузионное передвижение вещества всегда идет от большего к меньшему химическому потенциалу. Наибольший химический потенциал у чистой воды. Добавление к воде молекул растворенного вещества приводит к возникновению связи между молекулами воды и растворенного вещества, что уменьшает ее активность, ее свободную энергию, ее химический потенциал. В том случае, если диффундирующие вещества встречают на своем пути мембрану, движение замедляется, а в некоторых случаях прекращается. Диффузия воды по направлению от своего большего к меньшему химическому потенциалу через мембрану носит название осмоса. Иначе говоря, осмос — это диффузия воды или другого растворителя через полупроницаемую перепонку, вызванная разностью концентраций или разностью химических потенциалов.

http://fizrast.ru/fiziol-kletka/postuplenie-vody/osmos.html

Успехов в изучении!
 

День птиц

Издавна на Руси было принято встречать ранней весной птиц, возвращающихся с юга в родные места. Прилет пернатых считали одной из радостных примет весны, их приветствовали песнопениями и закликаниями.

 В апреле соблюдали обычай "отпущенья птиц на волю". Покупатели птиц тут же на рынке растворяли клетки и выпускали синичек-сестричек, краснозобых снегирюшек, щеглят-молодцов, приговаривая: Вы по воле
Полетайте.
Вы на вольной
Поживите,
К нам весну
Скорей ведите! ...
Подробнее см.: http://www.nkj.ru/archive/articles/4559/ (Наука и жизнь, ВИДИШЬ СКВОРЦА - ЗНАТЬ, ВЕСНА У КРЫЛЬЦА)