Лекции - Экология

Подождите немного. Документ загружается.

самопроизвольной при высоких температурах

+ + +,- Реакция не самопроизвольная при

низкихтемпературах, но становится

самопроизвольнойпри высоких температурах.

Если система находится в состоянии равновесия, то ΔG равно нулю .

Изменение свободной энергии заканчивается при достижении состояния

равновесия, к этому моменту существенно изменяются и концентрации

веществ в системе

В общем виде изменение свободной энергии связано с константой

равновесия изначально DG = -2,303RTlgK. Из этого уравнения следует, что

если величина DG отрицательна, то lgК должен быть положительным или K

> 1 и наоборот, если DG = 0 , то К =1.

На основе знания законов термодинамики можно наметить пути

снижения потерь энергии, получаемой от различных источников. Особенно

перспективным является организация технических процессов преобразования

энергии на основе неравновесных стационарных состояний, когда

присутствует явление приращения и рассеивания энергии. Такие

возможности существуют во всех процессах переработки минерального

сырья и горючих ископаемых, первой стадией которых является деструкция

его первоначальной структуры на фрагменты, последующий синтез которых

в результате самоорганизации приведет к возникновению диссипативных

структур, рассеивающих энергию

Реальным примером этого является комплексное использование угля

(коксование, полукоксование, получение искусственного жидкого топлива),

когда вместо сгорания угля, характеризующегося большой энтропией, может

быть получен ряд продуктов с меньшей суммарной энтропией, а

последующему сжиганию будет подвергаться лишь один из них, имеющий

наибольший уровень энтропии.

Вопросы для самоконтроля к главе 2

1. Какие ресурсы используют для жизни зеленые растения?

2. Назовите виды животных и растений, занимающих смежные

трофические уровни и находящиеся в единой трофической цепи?

3. Чем объясняется односторонний приток энергии в сообществе.

4. Рассчитайте долю энергии, поступающей на 3-й трофический

уровень, при условии, что ее общее количество на 1-ом уровне составляло

100 единиц.

5. В чем состоит различие между консументной и редуцентной

системами?

6. Составьте списки организмов, относящихся к пастбищной и к

детритной пищевым цепям.

7. Какое значение для развития жизни на Земле имело

возникновение фотосинтеза?

8. Теплота сгорания С до СО

= - 393 кДж/моль, а теплота сгорания

СО до СО

= - 283 кДж / моль. Вычислите теплоту сгорания С до СО.

9. Для каждого из следующих случаев укажите приводит ли

процесс к повышению или понижению хаотичности, т.е. беспорядка в

системе

(т)

+ 3 O

2(г)

Û 2 Fe

3 (т)

(водн)

+ C l

(водн)

Û AgСl

(т)

(ж)

Û H

(г)

10. .Приведите примеры деградации энергии и необратимых

процессов, стремящихся к равновесию.

11. Сформулируйте 1 и 2 законы термодинамики.

12. Что такое энтропия и отражением каких природных процессов

она является?

13. Сформулируйте принцип порядка Больцмана.

14 Какое количество энергии будет израсходовано на фотосинтез 1 г

сахара при использовании источника, дающего синий свет с длиной волны,

соответствующей максимуму поглощения (430 нм)? Какой процент от этой

энергии будет усвоен человеком при использовании такого сахара в пищу,

если средняя калорийность углеводов равна 17 кДж/г?

Тема 3. Современные процессы в биосфере

Биосфера - область активной жизни, охватывающая нижнюю часть

атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы (рис. 3.1). Термин

"биосфера", впервые предложенный австрийским ученым Э. Зюссом в 1875Hг,

нередко употребляют как синоним термина "природа". Особая заслуга в

разработке учения о биосфере принадлежит русскому исследователю -

энциклопедисту В. И. Вернадскому (1864 - 1945).

Человечество родилось в биосфере, сейчас живет в ней и пользуется

продукцией, созданной прежними биосферами. Оно зависит от биосферы, ее

состояния, но в то же время активно изменяет ее. К сожалению, воздействие

человечества на биосферу нередко приводит к экологическим конфликтам,

когда, извлекая временную выгоду, человек своей деятельностью

(антропогенный пресс) ухудшает состояние той или иной части биосферы.

Это может приводить к серьезным изменениям состава флоры и фауны,

численности популяций. Пластичные виды приспосабливаются

(адаптируются) к изменившимся условиям, другие же могут исчезнуть с лица

Земли.

3.1 Этапы эволюции биосферы

Картину эволюции биосферы воссоздает палеонтология по

окаменевшим остаткам организмов прошлого, сохранившимся в земных

пластах. Для определения их возраста пользуются методами относительной и

абсолютной геохронологии. Методы относительной геохронологии исходят

из представления о том, что более поверхностный пласт всегда моложе

лежащего под ним.

Методы абсолютной хронологии основываются на естественной

радиоактивности некоторых химических элементов.

В 1919 г. Резерфорд осуществил первое искусственное превращение

одного ядра в другое. Ему удалось превратить азот -14 в кислород -17,

пользуясь быстрыми альфа- частицами, которые испускает радий. Реакция

протекает по уравнению:

N +

Не →

О +

Такие реакции сделали возможным синтез ядерных изотопов в

лабораторных условиях и использование закономерностей ядерного распада

для различных целей, в том числе и для геохронологии. При записи ядерных

превращений принято указывать поочередно ядро-мишень,

бомбардирующую частицу, испускаемую частицу и , наконец получаемое

ядро. При записи альфа- частицы, протона и нейтрона используются

обозначения : (α, p, n).

Э. Резерфорд и П. Кюри в начале 20 века для определения

геохронологического возраста предложили использовать принцип

постоянной скорости распада в рядах радиоактивности. Абсолютное

постоянство периода полураспада любого радиоизотопа позволяет

использовать его как «молекулярные часы», в частности, для определения

возраста самых разнообразных объектов.

При наличии N

ядер в момент времени t

= 0 их число во времени

убывает по закону :

-λt

, где

λ – постоянная распада, связанная с периодом полураспада

соотношением : λ=0,693T

1/2

, где T

1/2

– период ,полураспада за который число

атомов уменьшается вдвое. Дальнейшее преобразование зависимостей

позволило получить формулу для определения возраста исследуемого

объекта :

t = 3,32T

1/2

lgN

Например, с помощью изотопа углерод - 14 устанавливают возраст

веществ органического происхождения. Этот метод основан на том, что в

верхних слоях атмосферы в результате захвата нейтронов азота постоянно

образуется изотоп

N+

n→

C+

Эта реакция является слабым, но довольно постоянным источником

поступления в атмосферу

С, который претерпевает бета -распад с периодом

полураспада 5700 лет.

С →

N+

-1

Углерод, участвующий в круговороте СО

в природе, имеет 13,6

распадов в мин на 1 г углерода. При отмирании растительных остатков они

перестают участвовать в круговороте, в результате чего скорость распада

уменьшается.

При проведении датировки с помощью

С обычно предполагают, что

его отношение к

С в атмосфере сохранялось постоянным на протяжении

последних 50000 лет.

С включается в диоксид углерода и затем в процессе

фотосинтеза попадает вместе с ним в более сложные углеводороды,

входящие в состав растений. Животные поедают растения и таким образом в

них тоже попадает

С. В организме таким образом тоже существует

постоянное соотношение

С и

С, как и в атмосфере. Однако после смерти

организм уже не получает соединений углерода, которые бы поддерживали

постоянный уровень содержания

С, падающий в результате

радиоактивного распада, и отношение

С к

С постепенно уменьшается.

Если это соотношение уменьшается вдвое по сравнению с атмосферой,

можно заключить, что данный объект имеет возраст, равный периоду

полураспада

С, т.е. 5700 лет. Описанный метод нельзя использовать для

датировки объектов возраст которых превышает 20 000 - 50 000 лет.

Радиоактивность столь древних объектов слишком низка, чтобы ее можно

было измерить достаточно точно. Метод датировки событий при помощи

радиоуглерода может быть проверен путем сравнения возраста деревьев,

определенного путем подсчета колец на срезе, с данными радиоизотопного

анализа. У растущего дерева каждый год прибавляется одно кольцо. В

старых кольцах запас радиоуглерода не возобновляется.

С постепенно

распадается, тогда как содержание

С остается постоянным. Большинство

использованных для проверки деревьев были калифорнийскими соснами,

возраст которых достигал 2000 лет. По возрасту деревьев, умерших в

установленное время несколько тысяч лет назад можно было проводить

сопоставление вплоть до периода примерно в 5000 лет до н. э. Оба метода

датировки согласуются с точностью до 10 %.

Пример1

При исследовании куска древесины, обнаруженного археологами в

гробнице, оказалось, что интенсивность радиоактивного распада изотопа

углерода-14 в 10 раз меньше, чем у куска свежесрезанной древесины. Период

полураспада

С равен 5600лет. Определите возраст куска древней

древесины.

Ответ 18200 лет.

Пример 2

В 1983 году была измерена скорость распада углерода в двух кусках

дерева корабля викингов; она составила 12.0 распадов в мин на 1 г углерода.

Дерево, из которого скандинавы - викинги построили свой корабль было

срублено:

Варианты ответа 1) в 431г.; 2) в 948 г.; 3) в 1035г.; 4) в 1465 г

Объекты иного типа можно датировать аналогично с помощью других

изотопов.

Известны четыре ряда радиоактивности, каждый из которых

начинается радионуклидом с большим периодом полураспада :

232

(1,389х10

лет, формула ряда 4n) ;

237

Np (2,14х10

лет, формула ряда 4n +

1) ;

238

U (4.51х10

лет, формула ряда 4n + 2) ;

235

U (7,1х10

Лет, формула ряда

4n + 3). С течением времени в каждом ряду устанавливается вековое

равновесие, при котором скорости распада и образования каждого

промежуточного члена ряда равны. Время достижения векового равновесия

для всех рядов – период полураспада родоначальника ряда. Благодаря этому,

в земной коре содержатся все члены естественных рядов, но все же , чем

меньше период полураспада какого – либо нуклида, тем меньше содержится

его в земной коре.

Старейшим методом изотопной геохронологии является свинцовый. Он

назван так потому, что возраст пород определяется по накоплению свинца

при распаде урана и тория. В результате распада урана – 238 возникает

свинец – 206, урана – 235 – свинец – 207 и при распаде тория – 232 – свинец -

208

Для определения возраста содержащих уран минералов можно

измерять отношение свинца -206 к урану-238.

Если свинец - 206 каким-то образом оказался включенным в минерал

в результате нормального химического процесса, а не в результате

радиоактивного распада, то такой минерал должен содержать большее

количество более распространенного изотопа свинца - 208. При отсутствии

больших количеств этого геонормального изотопа свинца можно

предполагать, что весь содержащийся в образце свинец - 206 некогда был

ураном-238.

Возраст наиболее древних минералов и остатков микроорганизмов,

обнаруженных на Земле, составляет приблизительно 3 – 3,5х10

лет. Это

указывает на то, что кора Земли образовалась не позже указанного времени.

До кристаллизации коры изотопы свинец-206 и уран-238 могли разделяться.

Согласно имеющимся оценкам потребовалось (1-1.5)10

лет, чтобы Земля

остыла и ее поверхность отвердела. Это показывает, что возраст Земли

можно оценить в (4-4,5)10

лет.

Пример 3

Период полураспада для процесса

238

U—

206

Pb равен 4,5х10

г. Образец

минерала содержит 50,0 мг

238

U и 14,0 мг

206

Pb. Каков возраст этого

минерала?

Ответ: 3,51х10

лет

Календарь истории Земли разделяется на длительные промежутки

эоны. Эоны подразделяются на эры. Эры – на периоды; периоды – на эпохи;

эпохи – на века.

Геологическая история Земли делится на два эона : криптозойский

(kryptos – скрытый, zoe – жизнь) – интервал времени в 3,5 млрд. лет, в

течение которого сформировались докембрийские толщи пород, лишенные

явных остатков скелетной фауны и фанерозойский (phaneros – явный),

который продолжается 570 млн. лет.

Криптозойский эон подразделяется на архей и протерозой с границей

между ними 2600 млн. лет назад

Уже в архее существовала первичная атмосфера Земли. В ее состав

входили пары воды, метан, аммиак, углекислый газ, водород, к ним

примешивались инертные газы- аргон, гелий, криптон, ксенон и

выделявшиеся при вулканических извержениях газообразные сероводород,

фтористый водород, хлористый водород и др. Однако вследствие того, что

масса Земли в этот период была незначительна, легкие газы (водород и

гелий) ушли в мировое пространство, а кислород немедленно расходовался

на процессы окисления элементов, образовавших нашу планету. Таким

образом, первичная атмосфера протопланеты была утеряна.

Постепенно газы, вовлеченные во внутренние слои Земли, начали

выделяться. Благодаря им, образовалась вторичная собственная земная

атмосфера. К этому времени накопление космических частиц на Земле,

увеличившее массу нашей планеты, достигло такого уровня, что Земля

смогла удерживать газы. В состав вторичной атмосферы входили те же

самые компоненты, что были в первичной и по прежнему в ней не было ни

азота , ни кислорода, ни озона.

Поэтому жизнь зарождалась в водных глубинах без доступа Солнца и

свободного кислорода (анаэробный процесс).

В горных породах архея находят графит. Это – остатки окаменевших

бактерий – прокариотов и сине – зеленых водорослей. После архея наступил

протерозой. В позднем протерозое выделяют два периода : Рифей и Венд.

Рифей характеризуется образованием карбонатных отложенийи, началом

кислородной жизни сине – зеленых водорослей, которыми и был «открыт» 2

млрд. лет назад фотосинтез. Вопрос об источниках насыщения земной

атмосферы кислородом остается дискуссионным, Многие исследователи

считают, что основную роль в этом процессе сыграл фотосинтез.

Незначительная часть кислорода могла также образоваться вследствие

фотолиза воды под воздействием ультрафиолетовых лучей. Но есть и такая

точка зрения, что кислород в атмосферу поступал также из океанских

глубинных впадин, где он образовывался при извержении базальтов.

Азот современной атмосферы образовался в результате распада

аммиака и выделения газообразного азота при вулканической деятельности.

Водород же господствовал в верхних слоях атмосферы на высоте 100 км.

До сих пор нет точных оценок количества углекислого газа в

атмосфере на ранних этапах ее развития. По результатам анализа

базальтовых пород подводных хребтов в Тихом и Атлантическом океанах

американский геохимик Д. Маре сделал вывод, что содержание СО

атмосфере Земли в первый миллиард лет ее существования было в тысячу раз

больше, чем в настоящее время, т.е. 39% . Температура в приземном слое

достигала почти 100

С (сверхпарниковый эффект был обусловлен не только

углекислым газом, но и водяным паром) и вода в Мировом океане

приближалась к точке кипения.

В последующем химические процессы связывания углекислого газа и

вывода его из атмосферы и океана в осадочные породы способствовали

некоторому снижению парникового эффекта.

В таких условиях происходило зарождение жизни около 3,5 млрд лет

назад. С появлением фотосинтезирующих организмов парниковый эффект

стал гаситься биохимическим путем за счет изъятия из атмосферы

углекислого газа и одновременного накопления кислорода.

В докембрии установлено несколько эпох повышенной тектоно-

магматической активности. С этим эоном свзаны богатейшие месторождения

железных, медных, марганцевых руд, золота , урана, полиметаллов.

Современный фанерозойский геологический эон длится уже более 570

млн. лет и изучен весьма основательно.

Самая древняя эра этого эона - палеозойская продолжалась 335 млн.

лет. В ней отмечалось быстрое заселение планеты организмами с твердой

позвоночной системой, формирование залежей каменного угля, нефти,

сланцев, фосфоритов, медных руд. Существует гипотеза, что Земля в

палеозое представляла собой суперконтинент Пангею (pan - вся, gaia –

земля), которая в результате глобальной тектоники раскололся вначале на

два суперконтинента Гондвану и Лавразию, разделенных древним океаном

Тетис, а затем - в мезозойскую эру появились и современные континенты.

Палеозойская эра делится на 6 периодов :

 Кембрий (80 млн. лет) – первые позвоночные, моллюски, черви,

красные водоросли, фосфориты в Казахстане, Монголии и Китае.

 Ордовик (65 млн. лет) – все виды беспозвоночных, горы

Шотландии, Казахстана, горючие сланцы Прибалтики, фосфориты и

железные руды, начало формирования озонового экрана.

 Силурий (35 млн лет) – примитивные позвоночные, медные

руды, фосфориты, насыщение озонового экрана.

 Девон (55 млн. лет) – отступление моря, появление первых рыб,

накопление нефти, каменных солей.

 Карбон (65 млн. лет) – первые позвоночные, накопление

каменноугольных запасов Кузбасса, Донбасса, Тунгусского бассейна, в

Аппалачах, Руре.

 Пермь (45 млн. лет) – появление земноводных и примитивных

пресмыкающихся, хрящевых и акулообразных рыб, накопление угольных

ресурсов Западной Европы, Северной Америки, Китая, Индии, Австралии,

России, нефти, каменных солей.

Затем наступила мезозойская эра в составе 3-х периодов :

 Триас (50 млн. лет) – расцвет популяции динозавров, появление

сумчатых, яйцекладущих, продолжение образования залежей угля в Южной

Африке и Австралии, нефти, алмазов, урана, медно – никелевых руд.

 Юрский (53 млн. лет) – развитие рыб, летающих ящеров и птиц.

Млекопитающие еще малочисленны и примитивны, зато некоторые

пресмыкающиеся достигли громадных размеров Продолжалось

формирование залежей нефти, газа, оолитовых железных руд, доломита,

кальция, фосфоритов.

 Меловой (60 млн. лет) – появление крупных млекопитающих,

зубастых птиц, образование залежей писчего мела, нефти, угля, осадочных

железных руд.

Переход от мезозойской к кайнозойской эре ознаменовался массовой

гибелью динозавров, причины которой до сих пор не ясны.

Кайнозойская эра (kainos – новый) началась 72 млн. лет назад и

продолжается по сей день. В ней различаются три периода :

 Палеоген (45 млн. лет) – увеличение числа млекопитающих,

появление грызунов, насекомых. В этот период сформировались Анды,

Кордильеры, залежи бурых углей, нефти, газа. Бокситов, железных и

марганцевых руд.

 Неоген (25 млн. лет) – появились горные цепи Кавказа, Альп,

Гималаев, продолжали формироваться богатые залежи нефти, газа, бурого

угля.

Четвертичный-Антропоген (0,6 – 3,5 млн. лет и до сих пор) –

сформировался современный образ планеты, прошли процессы оледенения,

произошло становление человека.

3.2 О гипотезе возникновения жизни на Земле

Для рабочей гипотезы возникновения жизни современник и друг Ч.

Дарвина Ч. Лайель в своей книге «Основы геологии или попытка объяснить

древние изменения поверхности Земли действующими сейчас процессами»

разработал принцип актуализма. В соответствии с ним ученый полагал , что

эволюция земной поверхности, ее развитие до современного состояния

обусловлено факторами, которые являются актуальными и сегодня, т. е.

законы природы не изменились.

Реконструкцию событий, происходивших до возникновения жизни,

целесообразно начать с происхождения химических элементов.

Возможно что самым начальным звеном в длинной цепи событий

эволюции был синтез первых элементов - кирпичиков, из которых

впоследствии был построен весь окружающий нас мир.

Под воздействием гравитационной и ядерной энергии в процессе т.Hн.

звездного нуклеосинтеза происходило образование стабильных ядер

различных элементов.

Большинство астрономов сейчас принимает гипотезу, что звезды

образуются путем постепенной конденсации гигантских темных,

первоначально холодных облаков, состоящих в основном из водорода.

В ходе конденсации электростатическое отталкивание при

объединении водородных ядер относительно невелико. Оно преодолевается

тогда, когда температура объекта превышает 10

HС. При этом протоны,

сливаясь вместе, образуют ядро Не, тогда как часть вещества превращается в

энергию.

В процессе образования Не температура внутри звезд может достигать

нескольких сотен миллионов градусов. При такой температуре уже возможно

слияние ядер Н и Не с образованием Li, Be, C, O, N, Ne.

.ОНеС

,СНеВе



При еще более высокой температуры порядка 109HоС образуются ядра

Mg, Si, S, Ar, Ca. Возникновение углерода в стабильном процессе

нуклеосинтеза делает его достаточно распространенным в космосе

элементом.

Термодинамические данные показывают, что в присутствии водорода

углерод восстанавливается до метана, азот до аммиака и кислород до воды.

Недавние радиоастрономические наблюдения показали наличие в

межзвездном пространстве аммиака и паров воды. В различных районах

Млечного Пути были обнаружены моноокись углерода и цианистый водород.

Первой органической молекулой, обнаруженной в космическом

пространстве, был формальдегид.

По данным американского ученого С. Фокса относительное

содержание атомов некоторых элементов в доступной для изучения части

Вселенной

таково: При формировании Земли в состав нашей планеты вошли

все элементы, сформировавшиеся в космическом пространстве, а наиболее

летучие из них могли образовать первичную земную атмосферу.

Результатом подобных процессов стало в конце концов накопление

атомов исходной первобытной дюжины химических элементов (H, C, N, O,

Na, Mg, P, S, Cl, K, Ca), достаточной в качестве базового набора. Из них

природа могла бы собирать любые биомолекулы. И возможность такого

абиогенного (небиологического) синтеза была неоднократно показана в

модельных экспериментах.

Биогенные элементы :водород, углерод, кислород, азот и фосфор

широко распространены в космосе и имели возможность реагировать между

собой с образованием простейших неорганических соединений.

Преобладание водорода, кислорода, азота и фосфора в живых системах не

случайно: водород - хороший восстановитель, легко образует с кислородом и

азотом водородные связи, имеющих большое значение в образовании

биологических структур и для процессов жизнедеятельности.

Элемент Относительное

содержание

Элемент Относительное

содержание

С 1 Mg 0,29

H 9200 Si 0,27

He 369 S 0,11

N 2,2 P 0,001

O 3,7

Содержание атомов углерода условно принято за единицу

Кислород обладает большой окислительной активностью, а для

фосфора характерно образование макроэнергетических связей, в которых

запасается энергия при химических реакциях. Углерод - главный носитель

органической жизни имеет специфическую валентность и соответственно

способность к соединению почти со всеми элементами, к образованию цепей

и циклов, может выполнять функции катализатора.

В основе всей живой природы лежат органические вещества. Растения

и животные, микроорганизмы и вирусы - все живые существа состоят из

огромного количества различных органических веществ и сравнительно

небольшого числа неорганических.

Именно соединения углерода, благодаря их большому разнообразию и

способности к многочисленным химическим превращениям, явились той

основой, на которой возникла жизнь во всех ее проявлениях.

Для этого потребовались очень сложные органические вещества,

молекулы которых содержат цепи из многих тысяч атомов, т.е.

высокомолекулярные соединения, которые называют биополимерами

В 1953Hг. американский химик С.HМиллер провел эксперимент,

который, как казалось тогда, решал вопрос, каким образом возникла жизнь на

древней Земле. В герметически закрытом стеклянном приборе он воссоздал

условия, характерные, согласно взглядам того времени, для первобытной

планеты. Через газовую смесь, содержащую CH

, NН

, и Н

, Миллер

пропускал электрические разряды, а воду на дне прибора нагревал, имитируя

неспокойный древний океан.

Через несколько дней исследователь обнаружил присутствие

аминокислот - основы белков, являющихся в свою очередь строительным

материалом всех известных форм жизни на Земле. Эксперименты Миллера

доказали, таким образом, возможность абиогенного синтеза важных для

жизни молекул.

Этот факт послужил подтверждением гипотезы академика

А.И.HОпарина о "белковом начале развития жизни на планете."

Все белки построены по единому плану, его раскрыл еще в начале

нашего столетия берлинский ученый Эмиль Фишер, расщепив различные

белки. Продуктами расщепления оказались низкомолекулярные

органические соединения - аминокислоты.

СOOH

Следует отметить, что валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин,

фенилаланин, триптофан, лизин, и в некоторых случаях аргинин составляют

особую группу незаменимых аминокислот, которые не синтезируются

клетками животных и человек и должны поступать в организм с белковой