Вид, его критерии и экологическая характеристика

Живое вещество в природе существует в виде отдельных дискретных таксономических единиц — видов (биологических видов).

Биологический вид (вид) — совокупность особей, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биохимическим, генетическим (наследственным) сходством, свободно скрещивающихся друг с другом и дающих плодовитое потомство, приспособленных к сходным условиям существования, занимающих в природе определенный ареал (область распространения), т. е. занимающих одну и ту же экологическую нишу.

Виды образованы популяциями и подвидами (последнее характерно не для всех видов). Биологический вид характеризуется следующими критериями:

1) генетическим, т.е. все особи данного вида обладают одинаковым набором хромосом;

2) биохимическим, т. е. для всех особей этого вида характерны одинаковые химические соединения (белки, нуклеиновые кислоты и др.), которые отличаются от аналогичных соединений других видов;

3) морфофизиологическим, т. е. организмы одного вида имеют общие признаки внешнего и внутреннего строения и характеризуются одинаковыми процессами, обеспечивающими их жизнедеятельность;

4) экологическим, т. е. особи данного вида вступают в одинаковые (отличные от других видов) взаимоотношения с природной средой;

5) историческим — особи данного вида имеют одинаковое происхождение и в процессе внутриутробного развития проходят одинаковый цикл этого развития согласно биогенетическому закону;

6) географическим — особи данного вида проживают на определенной территории и приспособлены к существованию на данной территории.

Биохимические законы[править | править вики-текст]

В. И. Вернадский вывел два фундаментальных закона (сам он назвал их «принципами») развития биосферы.

Первый биогеохимический закон — биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к своему максимальному проявлению. Анализ геологических данных показывает, что распространение жизни, живых существ (давление жизни) неуклонно нарастает. Живые организмы способны занимать самые различные экологические ниши, сохраняться в самых неблагоприятных условиях (в горячих и серных источниках, на дне океанов, на ледниках). Это дало основание говорить о «всюдности» жизни (термин Вернадского).

Второй биохимический закон — эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, должна идти в направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в биосфере. Согласно этому закону, в биосфере право на жизнь получают только виды, необходимые самой биосфере для выполнения определённых функций и усиления тем самым биогенной миграции химических элементов.

По законам Вернадского, биосфера на определённой стадии своего развития преобразуется в сферу разума — ноосферу.

16)

17) Механическая миграция, как Вы уже знаете, происходит без изменений химического состава и физического состояния вещества. Процессы механической миграции включают два аспекта:

1. Перемещение масс газообразных (атмосфера, вулканические газы), жидких (наземные и подземные воды, магматические расплавы) и твёрдых (движение ледников, горнопородных масс и грунтов на склонах, блоков литосферы в тектонических процессах).

2. Миграция взвесей в газовых, жидких и твёрдых (ледники) средах. Это процесс циклический; он включает:

o механическую дезинтеграцию горных пород и минералов;

o механический перенос дезинтегрированного минерального вещества;

o механическую дифференциацию в процессе переноса;

o накопление перемещённых частиц.

Дезинтеграция – результат физического (температурного) выветривания. Наиболее интенсивна при максимальном контрасте дневных и ночных температур (горные области, районы без растительности – т.к. наличие растительного покрова, особенно лесной растительности, сглаживает температурные контрасты). В холодном климате дополняется морозным выветриванием.

Перенос осуществляется различными агентами: ветром, текучими водами, ледниками, иногда непосредственно под действием гравитации (на склонах). В наибольших масштабах осуществляется текучими водами, в меньшей мере – ветром. В высокогорных и полярных районах в современную эпоху большую роль играет ледниковый перенос. Все реки мира ежегодно поставляют в океан 15-16 млрд. т наносов (оценка масштабов переноса). Это только итоговый результат, массы переносимого и переотлагаемого материала внутри континентов не менее значительны.

В конечном счёте все виды переноса, кроме эолового – это прямой результат действия гравитационных сил. Поэтому Ферсман назвал механогенез «областью геохимического влияния силы тяжести».

Механическая дифференциация осуществляется благодаря непостоянству скоростей движения водных и воздушных потоков, переносящих частицы твёрдого вещества. Способность потока переносить частицы определённой массы определяется энергией потока. Она прямо пропорциональна массе воды и квадрату скорости течения. Поэтому зависимость процесса от скорости потока очень велика, и даже небольшие горные реки могут переносить крупную гальку и валуны.

При снижении скорости происходит механическое разделение частиц - крупные обломки остаются на дне, более мелкие переносятся дальше. Сначала происходит в основном разделение по размеру, но когда дело доходит до разделения песчаной фракции достаточно существенную роль начинает играть удельный вес минеральных частиц. Частицы близкого размера, но с разным удельным весом выпадают в осадок неодновременно. Так как минералы имеют и различный химический состав, результатом механической дифференциации оказывается и определённое различие в химизме. Это ещё и механизм формирования россыпных месторождений.

Другие причины возникновения различий в химическом составе при механическом водном переносе:

· Дифференциация по механической устойчивости: прогрессирующее механическое разрушение (истирание) менее устойчивых минералов в процессе переноса, и как следствие – более дальний перенос их более мелких частиц;

· Отделение минерального вещества, проходившего стадию химического выветривания (и, соответственно, химически изменённого) от продуктов чисто механического выветривания. Связано с тем, что частицы вещества, образующегося при процессах химического выветривания, относятся к наиболее мелкой фракции и накапливаются большей частью в глинистых осадках.

Коэффициенты концентрации элементов в глинах относительно песков очень различны. Co – 63, Ni – 34, As – 13, U – 8, Fe – 4, 8, Al – 3, 2, W – 1, 1, Zr – 0, 7, TR – 0, 6, Si – 0, 5.

При эоловом (ветровом) переносе дифференциация в большей мере механическая, но разделение песчаной и глинистой фракций тоже возможно.

В атмосфере обычными объектами механического переноса являются пыль, песок и соли. Песок переносится только на небольших высотах (первые метры). Пыль и микрочастицы соли – значительно выше, но основной объём тоже ограничен тропосферным переносом. Источники солей – как высохшие соляные озёра и солончаки, так и акватории соляных озёр и морей (испарение мелких брызг солёной воды, после чего частицы соли остаются в атмосфере). В условиях непромывного режима почв и грунтов соли, поступающие из атмосферы, могут в них накапливаться. Масштабы процесса могут быть очень значительны (пример – великая «соляная буря» на западе США в 1933 г.).

Другой пример – эоловый перенос вулканического пепла, представляющего собой глубинный материал, с иными концентрациями микроэлементов, чем в образованиях верхней части земной коры. Этот процесс оказывает прямое влияние на содержание этих микроэлементов в почвах и является природным механизмом повышения их плодородия.

Третий пример – разнос мелких частиц, образующихся в результате разрушения крупных метеоритов (иридиевые аномалии). Возможно влияние заражения атмосферы и почв космогенными токсикантами на вымирание некоторых видов живых организмов в геологическом прошлом.

Специфика переноса в твёрдых средах (ледникового) – это малые скорости процесса и полное отсутствие дифференциации вещества.

При механической миграции действуют геохимические барьеры:

· аэродинамический;

· гидродинамический;

· фильтрационный.

18) Физико-химическая миграция. Глубинные (эндогенные) процессы Прямого влияния на миграцию элементов в биосфере глубинные процессы, как правило, не оказывают (исключение составляют лишь области современного вулканизма). Но все глубинные процессы вносят очень большой вклад в формирование геохимической неоднородности литосферы, которая является неотьемлемой составной частью биосферы. Поэтому, чтобы получить представление о механизме формирования таких неоднородностей, надо хотя бы вкратце рассмотреть наиболее важные из эндогенных процессов.

Самый значительный вклад в создание геохимических неоднородностей в литосфере вносят две группы эндогенных процессов: магматические и гидротермальные.

Водная миграция. Водный перенос является ведущим для подавляющего большинства элементов в условиях биосферы. При этом именно вода, находясь в обратимых взаимоотношениях с горными породами, организмами, атмосферой обеспечивает интенсивное взаимодействие между всеми компонентами ландшафта (являясь «кровью ландшафта» по А.И. Перельману).

Масштабы водного переноса связаны с растворимостью химических соединений. Интенсивность процесса для каждого элемента определяется коэффициентом его водной миграции. Вынос элементов при этом происходит в зонах активной циркуляции проточных вод, а накопление – в конечных бассейнах стока (озёрные котловины, мировой океан). Надо иметь в виду, что для разных элементов в составе одного и того же растворимого соединения значения коэффициента могут быть очень различны. Пример – NaCl. В растворённой форме всегда будут переноситься эквивалентные количества катионов и анионов. Но если для Cl^- доля такой миграции будет весьма существенной по отношению к общему количеству его в ландшафте, то её удельный вес в миграции Na⁺ может значимой величиной не выражаться, так как кларк Na на два порядка выше.

Миграция ряда элементов имеет в значительной мере циклический характер. Они не только поступают с речными водами в океан, но и частично возвращаются из океана в атмосферу, а затем с атмосферными осадками возвращаются на сушу. Это, помимо самих О и Н – Cl, S, Na, Li, B, J и др.

Как Вы помните, в классификации А.Е. Перельмана (по особенностям миграции в гипергенных обстановках) водные мигранты подразделяются двояко: по степени подвижности и кроме того на катионогенные и анионогенные элементы. Подвижность определяется коэффициентом водной миграции (отношение содержания химического элемента в минеральном остатке воды к его содержанию во вмещающих породах).

K_X = (M_X/an_x)100,

где M_X – содержание элемента в воде, а – минерализация воды,
n_x- содержание элемента во вмещающей породе.

Дополнительные характеристики – постоянная или переменная валентность, подвижность или же способность осаждаться при различном типе химизма среды, интенсивность миграции в растворах с различными щелочно-кислотными условиями, интенсивность миграции с органическими комплексами. В дополнение ко всему элементы независимо от других признаков подразделяются по роли биогенного накопления в их миграции (существенная или несущественная).

Важнейшие геохимические барьеры при физико-химической миграции:

Окислительный барьер (резкое увеличение Eh) – накопление Fe, Mn, Co, S.

Восстановительные (сероводородный, глеевый – приток кислых вод в соответствующую среду) – накопление Cu, Au, Ag, S, Se, U, Mo.

Кислотные и щелочные – возникают на границах различных горизонтов.

Испарительный барьер

Сорбционные барьеры

Термодинамический барьер

В условиях встречного движения вод возникают двусторонние барьеры.

Возникновение барьеров может быть связано также с резкими изменениями температур, давлений и др. параметров.

Взаимодействие водной среды с атмосферой:

· испарение воды, поступление в атмосферу солевых частиц, аэрозольных взвесей с поверхности водоёмов;

· растворение газов, осаждение в воду атмосферной пыли и аэрозолей.

Взаимодействие гидросферы и атмосферы с литосферой:

1. Химическое выветривание. Реакции гидратации, окисления, карбонатизации.

Разложение алюмосиликатов и образование глинистых минералов.

Разложение Fe-содержащих силикатов приводит к образованию гидрооксидных соединений железа – Fe (OH)₃, FeOOH и др., присутствие которых придаёт выветрелому веществу бурую окраску, очень распространённую в условиях нашего умеренно влажного климата (пример столбовских сиенитов, которые буреют на выветрелой поверхности).

В аридном климате существенную роль играет карбонатизация.

Во влажном и жарком климате (экваториальном) химическое выветривание заходит наиболее далеко, до полного разложения алюмосиликатов на простые гидрооксиды (латеритные почвы).

2. Переход части минерального вещества в растворимые формы – и, соответственно, в водную среду.

3. Химическое осаждение растворённого минерального вещества, его возврат в литосферу.

4. Взаимодействие вещества, осаждаемого из грунтовых в цементация. Образуются «уплотнённые» горизонты внутри почв и осадков (кремнистые, железистые, известковистые, огипсованные). В конечном счёте такой механизм приводит к формированию из рыхлых осадков осадочных горных пород.®од, с дезинтегрированным рыхлым материалом верхних уровней литосферы (почвы, кор выветривания, рыхлых осадков)

19) По окислительно-восстановительным и щелочно-кислотным условиям выделяются 12 классов вод, обозначаемых арабскими чис­лами [I3]. Систематика классов концентрации элементов на техноген­ных барьерах также построена по матричному принципу, каждый класс обозначается двойным индексом — А6, ВЗ, D2 и т.д. [9].

В таблице приведены виды концентрации химических элементов на физико-химических техногенных барьерах (выделены барьеры, наи­более пригодные для локализации загрязнения окружающей среды).

Кислородные техногенные барьеры (А). Подобные барьеры возни­кают, например, при осушении болот, когда понижается кислородная граница. На ее контакте с глеевым горизонтом возникает техногенный барьер А6, почти полный аналог природного барьера. В Молдавии на виноградных плантациях мигрирующие с поверхности отрицательно заряженные комплексные соединения металлов, например Сu(ОН)⁺ или Сu(СОз)₂ ^-2 сорбируются гидроокислами Fе³⁺ кислородного барьера. Так, в почвах под многолетними насаждениями возникают концентрации меди на техногенном кислородно-сорбционном барьере (A7—G7) до 14 КК.

Искусственный кислородный барьер A6 создается на станциях очистки питьевых вод от соединений железа. Используемые для водо­снабжения подземные глеевые воды здесь распыляются в воздухе, в результате чего Fе²* окисляется и поступающая потребителям вода уже лишена примеси железа (последняя в форме рыжей пленки осаждается на песке, через который фильтруется вода).

Сероводородный и сульфидный техногенные барьеры (В). Эти барьеры очень характерны для участков загрязнения сбросами пред­приятий пищевой и химической промышленности, содержащих SO₂ и органические вещества. В наилках в результате десульфуризации (SO₄‾ - H₂S) появляется H₂S, а количество растворенного в воде кислорода резко снижается. Так создаются условия для возникновения сульфидного барьера. На таких участках зарегистри­ровано накопление большого спектра химических элементов: Сu, Pb, Zn, Ni, V, Mn, Cr. Их концентрация в наилках достигает 10 КК [5, б].

Техногенные сероводородные геохимические барьеры вида В1, В2, ВЗ характерны для так называемых сернокислых ландшафтов, форми­рующихся на участках отработки сульфидных руд, вблизи металлурги­ческих комбинатов [9]. Ex: Сясь. Перспективно создание искусственных серо­водородных барьеров для локализаци загрязнения окружающей среды в районах горнообогатительных и металлургических комбинатов.

Глеевый техногенный барьер (С). Он возникает в районах вторич­ного заболачивания, например в зоне подтопления водохранилищ и прудов, формирования верховодки на орошаемых землях. Постоянное или периодическое переувлажнение приводит к снижению Eh среды и, как следствие, к осаждению на границе оглеения рядахимических элементов. На таком барьере в почвах под виноградниками и полив­ными садами зафиксировано накопление техногенной меди до 7 КК. В районах с гумидным климатом наиболее характерны барьеры вида С2, а в степях и пустынях — СЗ и С4 (например, при вторичном заболачивании при неумеренном поливе). Характерные для этого класса барьеров элементы — V, Си, Мо, Se и др.

Щелочной бярьер (D). Подобные барьеры также распространены широко. Oни изучены в степных культурных ландшафтах.

На рис. 1 изображен ландшафтно-геохимический профиль склона, в нижней трети которого отмечается концентрация техногенной меди (18 КК). Накопление меди происходит на техногенном щелочном барьере D3, роль которого выполняет карбонатное полотно дороги. Это пример латерального барьера.

Радиальные щелочные геохимические барьеры установлены в техногенных почвах и наносах с прослоями карбонатсодержащего материала техногенного происхождения.

Так, в культивируемых почвах под многолетними насаждениями встречаются горизонты со строительным мусором карбонатного состава, которые выполняют роль щелочного барьера для мигрирующей в радиальном направлении техногенной меди.

20) БИОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

перемещение химических элементов в природе в процессе жизнедеятельности растений, животных, микроорганизмов.

Циркуляция веществ в биосфере между почвой, атмосферой, растениями, микроорганизмами и животными называется биологическим круговоротом. На Земле все начинается с растительности — и ею же заканчивается.
Под воздействием солнечной энергии деревья и другие зеленые растения создают путем фотосинтеза органические вещества, которые концентрируются в листьях, стеблях, корнях и плодах. Побочный продукт синтеза органики — кислород: вот так земная флора создает основу существования земной фауны. Первичная атмосфера нашей планеты была богата аммиаком и углекислым газом, но кислорода в ней не было, и за то, что мы сегодня можем дышать, надо благодарить только зеленые растения.
Животные усваивают кислород в процессе дыхания, а образующийся при этом углекислый газ вновь поступает в атмосферу. Синтезированная растениями органика служит пищей для травоядных, грызунов и многих птиц, а тех, в свою очередь, поедают плотоядные хищники. Отходы жизнедеятельности животных, их мертвые тела и остатки растений попадают на поверхность почвы, где за дело берутся микроорганизмы. В результате получается гумус. Его разлагают другие пожиратели остатков мертвых организмов, а конечный продукт усваивают живые растения. Итак, круг замкнулся! Биологический круговорот на Земле непрерывен и участвует в большом геологическом круговороте веществ между Мировым океаном и сушей.

Биологический круговорот в природе происходит благодаря солнцу, нагревающему воздух, почву и растительность. При этом испаряется вода, и ее пары, сгущаясь в облака, в конце концов возвращаются на землю дождем или снегом. Дождевая вода из почвы всасывается корнями растений, а попавшая на листья сразу испаряется в атмосферу. Вода, проникшая глубоко в почву, вливается в слой грунтовых вод и оттуда попадает в водоемы или по микротрещинкам грунта — капиллярам — просачивается в почву. Часть солнечной энергии деревья используют для превращения углекислого газа в органические вещества — основу питания всех живых существ. При этом выделяется кислород, необходимый для дыхания животных и человека.
В почве микроорганизмы превращают продукты разложения растений и животных в простые вещества. Они вымываются водой, отчасти растворяясь в ней, и снова попадают в грунтовые воды.

21)

22) ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ (а. geochemical barriers; н. geochemische Barrieren; ф. barrieres geochimiques; и. barreras geoquimicas) — участки земной коры, на которых в направлении миграции химических элементов одна устойчивая геохимическая обстановка на относительно коротком расстоянии сменяется другой. При этом происходит уменьшение миграционной способности отдельных элементов и их избирательное накопление вплоть до образования промышленныхрудных тел

Термин впервые предложен при описании экзогенных процессов, однако в дальнейшем получил более широкое применение. Примерами геохимических барьеров могут служить участки смешения пресных и морских вод в устьях рек, границы зон пластового окисления, дегазация глубинных растворов в областях активного вулканизма, контактово-метасоматические и другие природные процессы. Все они объединяются единой сущностью геохимических явлений. Так кислотно-основные и окислительно-восстановительные геохимические барьеры могут возникать как на границе зоны окисления, так и в результате направленной эволюции эндогенных растворов в анизотропной вмещающей среде.

Существует два типа геохимических барьеров — техногенные и природные. Последние в свою очередь подразделяют на механические, связанные с изменением механического переноса, физико-химические, вызванные сменой параметров состояния (температура, давление, pH, Eh и т.д.), и биогеохимические, обязанные накоплению химических элементов организмами. Наиболее изучены и важны физико-химические геохимические барьеры, в пределах которых по фактору, вызывающему осаждение элементов, выделяются окислительные, восстановительные, глеевые, щелочные, кислые, испарительные, сорбционные и прочие виды геохимических барьеров.

Геохимические особенности руд, образующихся на геохимических барьерах, зависят от природы геохимических барьеров и состава вод, поступающих к барьеру. На сочетании этих двух факторов основана геохимическая систематика концентрации элементов на геохимических барьерах, включающая свыше 100 видов. Знание этих видов позволяет прогнозировать парагенную ассоциацию химических элементов в рудах, комплексно использовать минеральное сырьё. При разработке месторождений полезных ископаемых важное значение имеет создание искусственных (техногенных) геохимических барьеров, которые позволяют локализовать загрязнение окружающей среды

23) Щелочные барьеры (D).

Возникают на участках резкого повышения рН среды в нейтральной, кислой и щелочной обстановках. В соответствии с общими законами миграции на них происходит накопление преимущественно катионогенных химических элементов, лучше мигрирующих в кислой среде: Fe, Mn, Ni, Co, Cu, в том числе такие высоко токсичные загрязнители природной среды, как Pb, Cd, Hg, As, U и др.

Характерный пример: почвенный профиль элювиального ландшафта влажных тропиков на карбонатных породах. Сверху формируются кислые почвы, повышенная кислотность которых обеспечивается разложением больших объёмов органических остатков. Растворы, фильтрующиеся через эти почвы, попадают в карбонатные горные породы, трещинные воды которых имеют щелочную реакцию. Возникает щелочной барьер типа D2.

Способность многих токсичных элементов осаждаться на щелочных барьерах используют для локализации загрязнения, создавая такие барьеры искусственно. Например, для обработки виноградников широко используется в качестве фунгицида смесь медного купороса CuSO₄ и гашеной Ca(OH)₂ извести (бордосская смесь). В результате при многолетнем применении этого средства в почве накапливается избыток меди, достигающий опасного уровня – особенно в почвах подчинённых ландшафтов, куда мигрируют почвенные растворы. Для борьбы с загрязнением на путях миграции растворов роют траншеи, которые заполняют песчано-карбонатной смесью, в которых возникает щелочная среда. Формируется щелочной барьер, на котором медь связывается в форме малоподвижного в этих условиях гидрокарбонатного соединения малахита – Cu₂CO₃(OH)₂.