Физическая экология. Эволюция атмосферы Земли

1. Физическая экология

Занятие 3
Эволюция атмосферы Земли

2.

Атмосфера: обоснование эволюции
Масса
атмосферы, г
Средняя
молярная масса
Венера
5·1023
Марс
3·1019
Земля
5·1021
43,4
43,5
29
Давление, бар
92
7 10-3
Температура, К
730
220
Состав атмосферы (объемные %)
СО2
96
95
N2
3,5
3,5
O2
0,13
Ar
0,01
1,6
H2O
< 0,01
< 0,03
1
288
0.033
77
21
0,9
0,1 – 1,0

3. Весна на Марсе

Снимок сделан 16 января 2014 г. камерой HiRISE (High-Resolution
Imaging Science Experiment), установленной на борту Марсианского
Исследовательского Орбитального зонда MRO.

4.

Кислород (О2) в атмосфере
Атмосфера: масса свободного О2 -- 106 Гт
Земная кора: масса связанного О2 -- более 1010 Гт
Стационарный поток О2 через атмосферу равен 3·1017 г·год –1
Время обмена О2 в атмосфере – три тысячи лет (!)
Оцените годовое потребления О2 Человечеством – ?
Существует динамическое равновесие процессов окисления и
восстановления на поверхности Земли. Поступление
кислорода - в основном от усвоения СО2 растениями
(фотосинтеза) и разложения органики. Поглощение О2 окисление при дыхании животных и растений, рассеяние в
земной коре, окисление углерода при горении
(антропогенный фактор).

5.

Появление кислорода в атмосфере
Геохимические и инсоляционные условия в древнем океане
способствовали формированию матов – слойчатых
сообществ прокариотов, безъядерных микроорганизмов.
Доказательством являются строматолиты — ископаемое
карбонатные остатки цианобактериальных матов,
образованных на дне мелководного водоёма.
Прокариоты уже могли осуществлять фотосинтез, сначала
бескислородный, аноксигенный, например, на основе
сероводорода. Позднее, уже в первой половине архея,
цианобактерии освоили более энергетически выгодный
кислородный фотосинтез, который и стал источником
процесса, получившего наименование кислородной
катастрофы.

6. Признаки жизнедеятельности прокариотов

Строматолиты из Архея (Австралия)
Современные строматолиты
(Shark Bay, Австралия)

7.

Накоплений кислорода в атмосфере
Появление свободного кислорода в атмосфере
стимулировало эволюцию жизни. Первые эукариоты (клетки
с обособленным ядром) относятся к геологическим
отложениям с возрастом 1,8·109 лет. Эукариотическому
фитопланктону для жизнедеятельности требует
относительное содержание кислорода в воздухе 10-3–10-2 от
современного значения. Известно критическое содержание
кислорода порядка 10-2 от современного, так называемая
точка Пастера, при котором анаэробное брожение сменяется
энергетически более выгодным кислородным окислением.
Анаэробное расщепление глюкозы:
C6H12O6 → 2C3H6O3 + 47 ед. энергии
Аэробное расщепление глюкозы:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 686 ед. энергии

8.

Кислород в атмосфере: что думают ученые?

9.

Углерод (СО2) в атмосфере
Атмосфера: масса углерода в составе СО2 – 720 Гт
Мировой океан: масса растворенного в составе СО2 углерода
– 105 Гт
Стационарный поток углерода через атмосферу – 60 Гт·год–1
Время обмена углерода в составе СО2 в атмосфере – 12 лет
Земная кора: содержание углерода – более 75·106 Гт
Горючих минералов органического происхождения < 104 Гт
Доступные запасы органического топлива – 4·103 Гт
Массой углерода в живой биомассе – 550 Гт

10.

Углерод (С) в биомассе
https://github.com/milo-lab/biomass_distribution

11.

Круговорот углерода и кислорода
(модель Костицына)
Владимир Александрович
Костицын (псевдонимы Семёнов,
Семён Петрович 1883 — 1963) —
боевик РСДРП, математик,
астрофизик, эколог-теоретик,
политический деятель периода
Временного правительства.
Костицын В. А. Эволюция атмосферы, биосферы и климата:
М., Наука, 1984

12.

Модель Костицына
5
1
s
4
2
x
y
3
v
u
x - масса свободного атмосферного кислорода
y - суммарная масса СО2 в атмосфере и океане
v - общая масса кислорода и углерода в растениях
u - общая масса кислорода и углерода в животных
s - общая масса кислорода и углерода в останках растений и животных в коре

13.

Модель Костицына
Схема обмена выглядит так:
4 - 5 разложение растений
4 - 2 дыхание и разложение
растений
4 - 3 поедание растений
животными
4 - 1 питание растений
3 - 2 дыхание и разложение
животных
3 - 5 разложение животных
2 - 4 питание растений
1 - 4 дыхание растений
1 - 3 дыхание животных
dx
13u 14 41
dt
dy
32u 24 42
dt
ds
35u 45
dt
d
14 41 24 42 45 u
dt
du
13u 32u 35u u
dt

14.

Модель Костицына
Запишем два последних уравнения в форме:
u = u (- )
( u )
где
14 41 24 42 45
13 32 35
Это – классическая система уравнений Вольтерра–Лотки
«хищник – жертва»

15.

Модель «хищник – жертва»
u = u (- )
( u )
Записанная система имеет периодическое решение:
u La exp u
где
La u0 0 exp u0 0

16.

Модель «хищник – жертва»
Умножим первое уравнение на μ/u, а второе на λ/υ и сложим:
u
u
u
Теперь умножим оба уравнения на β и сложим:
u u
Приравниваем правые части, разделяем переменные,
интегрируем и получаем приведенное ранее решение

17.

Модель «хищник – жертва»
Разделим переменные и получим графическое решение:
u exp u La exp
G(υ)
υ
F(u)
u

18.

Модель Костицына
u (t T )
ln
T dt 0
u (t )
0
T
T
(t T )
ln
T u dt 0
(t )
0
T
где
1
U c u dt
T0
T
1
Vc dt
T0
T
2

19.

Производство кислорода
x(t T ) x(t )
1
13U c 14Vc 41Vc ( 32 35 )( 41 14 ) 13 ( 45 24 42 )
T
Если выполняются условия:
• 41 - 14 > 0, растения выделяют кислорода больше, чем
усваивают,
• 45 > 24 - 42, растения больше теряют в гумус, чем
приобретают, обмениваясь СО2 с атмосферой,
то приращение массы кислорода за период положительно,
т.е. концентрация кислорода в атмосфере циклически
возрастает.

20. Убывание углерода в атмосфере?

Сходным образом из предположений о том, что
42 - 24 < 0, растения больше усваивают углекислого газа,
чем выделяют,
35 > 13, животные больше теряют в гумус, чем
приобретают, усваивая О2,
получается вывод об уменьшении общей массы СО2 за
цикл.

21. Взаимодействие биологических видов

Вольтерра обобщил уравнение хищник - жертва на
случай n биологических видов, взаимодействующих
между собой:
dN r
1
rNr
dt
r
n
s 1
sr
NsNr
Коэффициенты r определяют численность организмов в отсутствие других
видов, они могут быть положительными и отрицательными. Воздействие
одного вида на другой может быть положительным (знак коэффициента в
сумме +), отрицательным (знак -) или нейтральным (множитель 0). В итоге
получается четыре вида взаимодействия: конкуренция (- -), симбиоз (+ +),
а также взаимодействия (+ -), (-+): как в рассмотренном в лекции случае
или, к примеру, аллелопатия, т.е. взаимовлияние растений путем
выделения фитонцидов «антибиотиков в окружающую среду и
комменсализм, от commensalis – сотрапезники + 0,- 0.

22. Накопление кислорода в атмосфере

23. Дополнительная литература

1. Горяченко В.Д. Элементы теории колебаний.
М.: Высшая школа, 2001.
2. Мюррей Д. Математическая биология. Т.1.
Введение. М.-Ижевск. 2009.
3. Костицын В. А. Эволюция атмосферы,
биосферы и климата: М., Наука, 1984