ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Биолого-почвенный факультет
Кафедра почвоведения и экологии почв
Реферат
Особенности почвы как природного образования. Понятие о гумосфере как аккумуляторе энергии.
| Выполнилстудент IV курса,группы 133Лойко С. В. |
Томск – 2006
Докучаевское почвоведение построено на парадигме о том, что почва есть функция пяти факторов – климата, горных пород, живых организмов, рельефа и времени (П = f(к, ж.о., г.п., р)∙t). Почва возникает тогда, когда эти факторы сходятся воедино. Для почв характерен некий паттерн организации, благодаря которому мы всегда с уверенностью скажем, что это почва. Наряду с организацией у почв есть следующие биосферные функции:
- преобразование состава верхних слоев литосферы с образованием новых минералов, изменением дисперсности материала, остаточной или аккумулятивной концентрацией элементов (в т. ч. с образованием залежей полезных ископаемых);
- формирование состава грунтовых и поверхностных вод и регулирование общего гидрологического режима территории;
- регулирование газового состава приземного слоя воздуха и, в конечном счете, состава атмосферы;
- поглощение, аккумулирование и передача в нижние слои литосферы солнечной энергии, трансформация её в другие виды энергии;
- защита литосферы от эрозии и геохимического загрязнения, защита гидросферы от загрязнения;
- начальное и конечное звено трофических цепей, источник жизни и депо её метаболитов, среда обитания организмов и их убежище;
- хранилище диаспор;
- связующее звено биологического и геологического круговорота веществ;
- фактор и следствие эволюции биосферы; зеркало её современного состояния и память об её истории.
Кроме собственно почв те же биосферные функции выполняют и другие биокосные и органогенные тела. Поэтому И. А, Соколов предлагает называть природные тела выполняющие биосферные функции почв экопочвами объединяющими собственно почвы (самостоятельные естественно-исторические биокосные субаэральные, формирующиеся на месте тела, являющиеся функциями факторов почвообразования) и парапочвы – тела, образующие экзосферу Земли (геодерму) и выполняющие экологические функции почв, но почвами не являющиеся (#: аллювиальные почвы, вулканические пеплы и лёссы обладающие плодородием, торфяные почвы, илы, грунтовые воды и др.). Стоит отметить, что в природу все эти тела сопряжены и образуют ландшафтное единство. Например, поток, начинающийся в элювиальным горизонте дерново-подзолистой почвы, частью уходит в грунтовые воды, а частью в реку, переносит аллювий и материал, формирующий илы и сапропели. Таким образом, почва как бы передаёт в пространство-времени свои функции другим телам (на дерново-подзолистой почве может сформироваться экопочва – торфяное болото).
Чтобы лучше понять особенности почвы как природного тела, а также роль гумусовых веществ почвы в накоплении энергии, стоит осуществить ретроспективу в историю педосферы.
Хочется вновь затронуть вопрос образования жизни. Концепция первичного бульона, когда из более простых соединений образовывались более сложные выглядит незавершенной в том плане, что не ясно как образовались носители информации ДНК и РНК, весьма устойчивые и способные реплицироваться…, но способные делать это лишь в конечном, устойчивом положении. Теория первичного бульона не объясняет этого.
Среди гипотез образования жизни и универсальных носителей биологической информации, есть интересная для нас, почвоведов. Это «Минеральная» гипотеза химика из Глазго - Грэхема Кэрнз-Смита (G. Cairns-Smith) - высказанная 30 лет назад и за это время усложненная и развитая в трех книгах.
Для понимания своей модели, автор приводит пример с аркой. Арка устойчива лишь в своём конечном положении, когда последний кирпичик на вершине свода уложен. Во всех других положениях она неизбежно разрушится. Как же строят арки? Весьма просто, для этого делается сводчатый каркас, например из брусьев, поверх которого и укладываются кирпичики. Когда последний кирпичик уложен, временный каркас удаляется и мы имеем устойчивое сооружние – арку. То же самое, полагает автор, происходило и во времена формирование молекул ДНК и РНК. Подобным каркасом могли служить глинистые частицы. Известно, что в различных условиях из простых соединений могут формироваться те или иные типы глины. Также одна частицы глины, т. е. конкретный минерал, может служить репликационной матрицей, сообразно которой кристаллизуется другая частица. Минералы могут «мутировать», когда при синтезе возникает какой-либо дефект, передающийся последующим «поколениям» глины.
Условия на земле были благоприятны для возникновения простых органических молекул, которые с водными потоками переносились в водоёмы, также водные потоки активно переносили и взвеси минеральные, так как растительного покрова защищавшего бы горные породы от эрозии, не было. В этих потоках с определенными минералами формировались индивидуальные типы органоминеральных связей. С другими типами глин другие типы. С течением времени эти «наросты» на минеральных частицах усложнялись и изменялись и когда то появилась молекула, которая могла бы реплицироваться уже без помощи минеральной частицы. Так и возникла жизнь.
Согласно гипотезе автора, следует признать, что жизнь зарождалась не столько в океане, сколько на суше, в континентальных реках и водоёмах, а также у дельт рек в океанах и морях, т. е. там, где имелись токи жидкости, в раствор поступала свежая органика, а минеральные частицы постоянно перемещались.
После спонтанного зарождения органической жизни, историю биосферы можно разделить на три этапа (по В. К. Бахнову):
- гидроземный (подводные);
- атмоземный (болотный);
- литоземный (сухопутный).
Каждому из этих этапов соответствовала своя форма почвообразования, явившееся ведущим механизмом формирования биосферы, в частности её кислородсодержащей атмосферы.
Согласно данным К. И. Кобак, основная масса органического углерода (99,90%) сосредоточена в осадочных породах. Учитывая данное обстоятельство и признавая подводные почвы самой древней формой почвообразования на Земле, можно говорить о том, что огромная масса органического углерода, заключенная в осадочных породах, прошла стадию подводного почвообразования, когда органическое вещество создавалось только в водной среде микробиологическими сообществами, в которых преобладали цианобактерии.
Утилизация недоокисленного органического вещества вновь получила наивысшее выражение в последующий атмоземный период развития биосферы, о чем свидетельствуют залежи каменного угля, исходным материалом образования которого служили древние болотные экопочвы.
Выведение углерода из активного состояния в виде газа и консервация на длительное время (с понижением энтропии) – одна из основных исторических функций, выполненных болотным почвообразованием. Обогащение атмосферы кислородом коренным образом изменило геохимию Мирового океана и геохимию суши.
Решающую роль при заселении суши организмами сыграло болотное почвообразование. Растения, прежде чем поселится на суше, вынуждены сначала адаптироваться к жизни в условиях воздушного окружения. Соприкосновение их с воздушной средой было едва ли не самым трудным шагом в процессе формирования наземных растений. В то же время, выход из водной среды открывал им возможность наиболее полного использования лучистой энергии Солнца и газового состава атмосферы (количество СО2 уменьшалось!!!!).
На данном этапе становления биосферы растения во многих отношениях были сходны с водными предками, и длительное время сохраняли потребность в постоянном обильном увлажнении среды своего обитания. Роль фактора, стабилизировавшего водообеспечение, выполняло органическое вещество, которое по своей природе обладает большой способностью поглощать и удерживать воду. Эта особенность органического вещества послужила предпосылкой использования создаваемых самими же растениями запасов мертвых остатков в качестве субстрата – почвы.
Атмоземный этап развития биосферы продолжался около 200 млн. лет. За это время организмы адаптировались к жизни в условиях воздушного окружения и были подготовлены к переселению на литосферную оболочку суши. Однако растительность атмоземного периода имела слаборазвитую корневую систему, приспособленную к функционированию в условиях влажных органогенных почв. Дальнейшее совершенствование растений, прежде всего корневых систем, происходило в течении литоземного этапа. Появилась новая форма почвообразования - автоморфное. Путь к нему шел постепенно, через ряд гидроморфных и полугидроморфных почв, с постепенным уменьшением содержания перегноя, увеличением количества гуминовых кислот. По всей видимости, наиболее поздно сформировавшимися были пустынные биомы, для которых характерен наименее развитый почвенный покров.
Из выше сказанного следует вывод о том, что на протяжении всей истории биосферы между живой и неживой природой, живыми организмами и продуктами метаболизма экосистем существовала тесная связь, взаимозависимость. Для процесса почвообразования, также как и для жизни в целом, характерно рассеяние энтропии, то есть её уменьшение. В то же время происходит повышение упорядоченности, количество информации в почвенных системах в ходе развития растёт.
Наибольшую роль в уменьшение энтропии почвенных систем вносят гумусовые вещества – аккумулятор энергии Солнца, а также микроорганизмы, которые даже аналитически невозможно отделить в процессе анализа органического вещества.
Наиболее энергоемки и термодинамически устойчивы молекулы гуминовых кислот. Они состоят из ароматических конденсированных ядер и многофункциональных периферических алифатических цепей с общей системой сопряженных связей. Подобная система является довольно устойчивой, ядро состоит из 5-6-ти бензольных колец (по И. Д. Комисарову). Алифатическая периферия – переменный компонент, которые может быть, а может и не быть в составе молекулы. В процессе почвообразования к ранее сформированным ароматическим матрицам могут присоединяться цепи различной длины. В то же время при недостатке органического материала, микроорганизмы способны использовать эти цепи на нужды метаболизма.