Реферат: Особенности эволюции гидросферы Земли, роль живого вещества

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования

«КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

Направление подготовки: 05.03.06 - Экология и природопользование

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Учение о биосфере»

на тему: Особенности эволюции гидросферы Земли, роль живого вещества

Выполнил:

студент гр. 02-001

Гимадиев Ильшат

Казань 2022

Оглавление

• Введение
• 1. Эволюция гидросферы
• 2. 2,0-2,7 млрд. лет назад - смена восстановительных реакций на окислительные
• 3. Возникновение жизни
• 4. Стабильность состава вод океана
• 5. Образование пресной воды на Земле
• Заключение
• Список литературы
• Введение
• Вода на Земле имеет практически повсеместное распространение. Она образует самостоятельную оболочку. Которая называется гидросферой. Эта оболочка проникает во все остальные сферы Земли, поскольку она, как и вода, является «всюдной». Здесь дается широкое толкование гидросферы, в состав которой включаются все виды природных вод. Гидросфера охватывает воды Мирового океана, поверхностные воды, атмосферные воды, наземные и подземные льды, все виды воды земных недр и биогенные воды, то есть можно выделить надземную, наземную и подземную гидросферу.
• Предметом изучения гидрогеологии является подземная гидросфера - это наиболее сложная водная земная оболочка. Ее сложность объясняется несколькими обстоятельствами: 1) весьма тонким слоем подземной гидросферы, доступной для изучения (до 5-12 км); 2) наличием в подземной гидросфере кроме жидкой, твердой и парообразной фаз нескольких специфических видов воды (физически связанных, химических связанных и др.); 3) специфическими и разнообразными условиями и процессами взаимодействия воды с водовмещающей средой (породами, газами, живыми организмами). При всем этом следует помнить, что подземная гидросфера является первичной по отношению к наземной и надземной водной оболочками. Сначала образовались подземные воды, которые в процессе эволюции Земли перешли в наземное и надземное состояние. Постепенно характер водообмена между оболочками приобрел современный вид.
• Обособление оболочек Земли произошло около 4 млрд. лет назад. По гипотезе американских ученых 4,25 млрд. лет назад Земля столкнулась с космическим объектом величиной с Марс. От столкновения поверхностный слой Земли толщиной 1000 км расплавился, Земля получила импульс и закрутилась вокруг своей оси с эклиптикой 23⁰, что стабилизировало земные сутки (24 часа). 90% вещества космического тела было поглощено Землёй, а 10% образовало “кольцо” подобное Сатурну, которое потом собралось и образовало Луну. Вначале она была в 15 раз ближе к Земле. Всё это и привело к обособлению оболочек Земли. За счет разогревания вещества мантии, по мнению академика А.П. Виноградова, произошло его разделение на две фазы: тугоплавкую (дуниты) и легкоплавкую (базальты).
• В ходе этого процесса к поверхности Земли устремились наиболее летучие компоненты базальтовой магмы - пары воды и газы. Механизм этого грандиозного процесса выплавления и дегазации мантии А.П. Виноградовым был воспроизведен экспериментально (зонное плавление). В мантии содержится примерно 20·10⁸ т. воды, причем 7,5 - 24% этого количества мигрировало в земную кору и Мировой океан, т.е. участвовало в создании гидросферы. Из космоса с метеоритами могло поступить 1·10⁴ т., т.е. на 4 порядка меньше. Верхние слои атмосферы могли дать воды еще меньше (серебристые облака, открытые Вернадским).
• Таким образом, мантия - единственный источник воды на Земле.
• 1. Эволюция гидросферы началась на рубеже архея - протерозоя, когда установилось динамическое равновесие между водой и газами. В это же время образовался гранитный слой, обособились геосинклинали и платформы, возникли континентальные моря. Все это положило начало атмосфере и регулярному гидрологическому круговороту воды.
• По А.П. Виноградову летучие вещества стали источником анионов солевой массы океанической воды, а все главные катионы образовались при разрушении горных пород.
• На раннем этапе в атмосфере почти не было кислорода, а были CO₂, NH₃, NH₄, H₂S, НСl и др.
• 2. Примерно 2,0-2,7 млрд. лет назад произошла смена восстановительных условий в атмосфере и на поверхности на окислительные, причем источником О₂, явились фотохимические реакции с Н₂О и СО₂ в верхних слоях атмосферы.
• 3. Возникновение жизни. В связи с интенсивными космической и ультрафиолетовой радиацией образовались сложные органические соединения из CH₄, NH₃, H₂, H₂S, CO₂, H₂O и др., и на их базе на определенной глубине в океане (под экраном слоя воды) развивались простейшие организмы, а на суше их не было (так как еще не существовал озонный экран. Образование его вызвало первый глубокий биологический переворот, так как восстановление Н₂О в процессе жизнедеятельности привело к освобождению свободного кислорода, что явилось началом формирования современной кислородно-азотной атмосферы и озонного экрана, и жизнь смогла развиваться на суше. В результате образования атмосферы прекратился радиогенный и фотогенный синтез сложных органических молекул.
• 4. В раннем палеозое сформировалось НСО₃-СО?₃ равновесие, которое обеспечило стабильность состава вод океана. С появлением жизни на Земле изменились процессы выветривания в сторону усиления под влиянием СО₂. В результате фотосинтеза кислород в атмосфере в настоящее время возобновляется за 2 - 3 тыс. лет, а углекислота за 350 - 500 лет (без учета современного парникового эффекта), а вся вода Мирового океана проходит через фотосинтезирующие растения за несколько миллионов лет.
• 5. Образование пресной воды на Земле.
• Основными факторами появления пресной воды на Земле являются возникновение жизни, образование современной атмосферы, расчленение земной коры на платформы и геосинклинали. Все это имеет возраст 2,5-3,0 млрд. лет. Именно возникновение большого гидрологического круговорота воды привело к образованию пресных подземных вод, образовавшихся из атмосферных осадков.
• Относительно состава вод Мирового океана существуют неоднозначные мнения. Одни считают, что он сформировался в раннем палеозое. Другие являются сторонниками значительных изменений состава даже за последние 0,5-0,6 млрд. лет. Например, Ю.П. Казанский установил 5 гидрогеологических типов океанических вод в процессе эволюции гидросферы от архея до кайнозоя, а современный сульфатно-хлоридный натриево-кальциевый состав появился по его данным, в Перми. Наряду с водообменом между мировым океаном и подземной гидросферой происходил и происходит солеобмен. Состав Мирового океана отражает условия предыдущих эпох, а за счет огромных водных масс он слабо реагирует на воздействие извне. Не меняется изотопное отношение Н²/Н¹ и О¹⁸/О¹⁶ за 300 - 500 млн. лет. Это постоянство используется в качестве стандарта среднеокеанической воды SMOW (Standart middle ocean water).

гидросфера вода океан земля

1. Эволюция гидросферы

Происхождение гидросферы однозначно не установлено. Есть несколько гипотез, но наиболее известными являются три из них.

Согласно гипотезе «холодного» начала, гидросфера образовалась при нагреве и расплавлении первичного холодного пылевого облака.

Гипотеза «горячего» начала предполагает, что вода на Земле выделилась из её недр в процессе остывания планеты на ранних стадиях её формирования - несколько миллиардов лет назад. Подтверждением её служит то, что вода действительно содержится в мантии и продолжает выделяться на поверхность при извержении вулканов в виде пара.

Самая молодая гипотеза утверждает, что вода была принесена на Землю из космоса, падающими на её поверхность кометами, которые действительно состоят изо льда.

В.И. Вернадский придерживался теории магматического происхождения гидросферы и ведущей роли живого вещества в ее эволюции.

Он считал, что: в целом гидросфера - продукт магматических процессов, но в определении его основных свойств немалую роль играла жизнь. Главные параметры океана стабилизировались еще в раннем архее, а дальнейшие преобразования гидросферы шли в пределах, в которых могли существовать и эволюционировать организмы.

А.П. Виноградов (1989) отводя дегазации мантии ведущую роль в образовании океана, признавал вместе с тем и влияние жизни на стабилизацию его современных химических свойств и солевого состава. Он выделял три стадии в истории мирового океана:

- эволюция океана в отсутствие биосферы (архей)

- эволюция океана под влиянием жизни (конец архея - начало палеозоя)

- стабильный состав океана (палеозой - современность).

Современная наука выделяет 7 этапов эволюции гидросферы:

1-й этап: Образование первичного океана в результате дегазации мантии более 4 млрд. лет назад (в это время возникла твердая земная кора).

Первичный океан был:

- кислым (в воде растворялись продукты вулканической деятельности - вулканические дымы HCl, HF и другие)

- хлоридным (за счет обогащенности хлоридами алюминия, железа и других тяжелых металлов)

2-й этап: Восстановительный - происходит нейтрализация сильных кислот (за счет их взаимодействия с силикатными породами ложа океана).

С поверхности островов выветриваются карбонаты K, Ca, Mg и Na, в воде накапливаются карбонатные соли иона становится хлоридно-карбонатной.

3-й этап: Появление первых живых организмов - привело к изменению характера транспорта взвесей и солей в донных отложениях.

Толща воды разделилась на слои: активный, средний и глубинный

4-й этап: Возникновение фотосинтезирующих организмов

Гидросфера теряет углекислоту и обогащается кислородом.

5-й этап: Нейтральный - кислотность воды приближается к нейтрально. Самородная сера и сероводород в условиях обилия кислорода переходят в сульфатную форму. Подвижность тяжелых металлов резко сокращается.

Вода становится хлоридно-карбонатно-сульфатной

6-й этап: Выход жизни на сущу - сопровождается снижением уровня углекислоты в атмосфере и гидросфере. Происходит ощелачивание океанических вод.

Вода становится хлоридно-сульфатной.

7-й этап: Современный - начался в палеозое. Ведущую роль играют живые организмы. Происходит стабилизация активной реакции воды океана и создание буферной системы, обеспечивающей стабильность рН океанической воды (7,5-8,5)

2. Атмосфера -- газовая оболочка, окружающая планету Земля и вращающаяся вместе с ней. Состоит из азота (78,1%), кислорода (21 %), аргона (0,9 %), углекислоты (0,04 %) и других газов (неон, гелий, метан и т.д.).

Атмосферу разделяют на нижнюю (до 20 км -- тропосфера и тропопауза), среднюю (от 20 до 90 км -- стратосфера, мезосфера и мезопауза) и верхнюю (свыше 90 км -- термосфера: ионосфера, термопауза и экзосфера).

2. 2,0-2,7 млрд. лет назад - смена восстановительных реакций на окислительные

Кислородная катастрофа (кислородная революция) -- глобальное изменение состава атмосферы Земли, произошедшее в самом начале протерозоя в период сидерий около 2,45 млрд лет назад. Результатом кислородной катастрофы стало появление в составе атмосферы свободного кислорода и изменение общего характера атмосферы с восстановительного на окислительный. Предположение о кислородной катастрофе было сделано на основе резкого изменения характера осадконакопления.

Точный состав первичной атмосферы Земли на сегодняшний день неизвестен, однако, как правило, учёные считают, что она сформировалась в результате дегазации мантии и носила восстановительный характер. Основу её составляли углекислый газ, сероводород, аммиак, метан. В пользу этого свидетельствуют:

· неокисленные отложения, образовавшиеся явно на поверхности (например, речная галька из нестойкого к кислороду пирита);

· отсутствие известных значимых источников кислорода и других окислителей;

· изучение потенциальных источников первичной атмосферы (вулканические газы, состав других небесных тел).

Единственным значимым источником молекулярного кислорода является биосфера, точнее, фотосинтезирующие организмы. Фотосинтез, видимо, появился на заре существования биосферы (3,7-3,8 млрд лет назад), однако археи и большинство групп бактерий практиковали аноксигенный фотосинтез, при котором не вырабатывается кислород.

Кислородный фотосинтез возник у цианобактерий 2,7-2,8 млрд лет назад. Выделяющийся кислород практически сразу расходовался на окисление горных пород, растворённых соединений и газов атмосферы. Высокая концентрация создавалась лишь локально в пределах бактериальных матов (т. н. «кислородные карманы»). После того как поверхностные породы и газы атмосферы оказались окисленными, кислород начал накапливаться в атмосфере в свободном виде.

Поскольку подавляющая часть организмов того времени была анаэробной, неспособной существовать при значимых концентрациях кислорода, произошла глобальная смена сообществ: анаэробные сообщества сменились аэробными, ограниченными ранее лишь «кислородными карманами»; анаэробные же сообщества, наоборот, оказались оттеснены в «анаэробные карманы» (образно говоря, «биосфера вывернулась наизнанку»). В дальнейшем наличие молекулярного кислорода в атмосфере привело к формированию озонового экрана, существенно расширившего границы биосферы, и привело к распространению более энергетически выгодного (по сравнению с анаэробным) кислородного дыхания.

В результате изменения химического состава атмосферы после кислородной катастрофы изменилась её химическая активность, сформировался озоновый слой, резко уменьшился парниковый эффект. Как следствие, планета вступила в эпоху Гуронского оледенения.

В октябре 2015 года геохимики из Висконсинского университета в Мадисоне на основе изучения образца яшмы из ЮАР, датированного 3,4-3,23 миллиардами лет, выдвинули предположение о начале кислородной катастрофы на 830 миллионов лет ранее.

В настоящее время сам феномен кислородной катастрофы (заключающийся в том, что началась деятельность фотосинтетических организмов, связанное с этим накопление кислорода и превращение условий на поверхности планеты из восстановительных в окислительные) подвергается серьёзной критике. Установлено, что фотосинтетические организмы-продуценты кислорода появились ещё в начале архея, но свободный кислород в атмосфере Земли на рубеже архея и протерозоя появился благодаря изменениям характера земного вулканизма и это был постепенный и растянутый во времени процесс, но никак не единомоментное событие. Накопление органического углерода, отражающее жизнедеятельность древних организмов-фотосинтетиков, в архее проходило практически на таком же уровне, как и в последующие геологические эпохи. Но образовывавшийся на протяжении всего архея кислород не накапливался в атмосфере, а быстро расходовался на окисление каких-то веществ.

Этими веществами были, вероятно, вулканические газы (сероводород, сернистый газ, метан и водород) и соединения двухвалентного железа (Fe²⁺). Изменения в характере вулканизма в конце архейской эры, связанные с формированием и стабилизацией континентальных плит, уменьшили поступление этих газов в атмосферу древней Земли, и кислород в итоге начал накапливаться. Но на протяжении большей части следующего за археем протерозоя уровень кислорода в земной атмосфере не повышался и в целом оставался низким, наблюдались даже периоды его снижения. И лишь в конце протерозоя по неизвестным причинам произошёл второй кислородный скачок, с которым связывается появление многоклеточных организмов.

По одной из версий, новый рост содержания кислорода в биосфере в конце протерозойской эры был вызван тем, что планктонные организмы-обитатели гидросферы приобрели способность осаждать органику, образующуюся при отмирании живых организмов, из толщи воды на дно (т. н. пеллетная транспортировка), тем самым выводя её из биологического круговорота. Поэтому значительная часть кислорода, тратившаяся на окисление мертвого органического вещества до углекислого газа и воды, высвободилась и, в итоге, кислород стал накапливаться.

Всё это вместе говорит о том, что «Великое кислородное событие» следует рассматривать как сильно растянутый во времени процесс, продолжительностью не менее 1,5 млрд лет, имевший два выраженных скачка (около 2,5 млрд и 0,8-0,9 млрд лет назад) и как минимум одно падение (около 2,1 млрд лет назад) в содержании атмосферного кислорода. И все эти события являлись преимущественно результатом изменений вулканических процессов и геохимических соотношений, а не сдвигов биологической активности и метаболизма.

Интересной особенностью кислородных скачков являются наступавшие вслед за ними глобальные оледенения (Гуронское оледенение и Криогений). Как предполагается, Гуронское оледенение было вызвано снижением содержания метана в атмосфере вследствие уменьшения его выбросов от вулканической деятельности на фоне дополнительного его окисления появившимся в атмосфере кислородом. Наступление же Криогения было вызвано, как предполагается, распадом древнего суперконтинента Родинии, что привело к падению содержания в атмосфере углекислого газа (в ходе распада по краям разломов происходили массивные излияния базальта, который химически связывал атмосферный углекислый газ). Вызванное этим снижение концентрации парниковых газов приводило к глобальным охлаждениям Земли различного масштаба и продолжительности.