Như vậy, có thể nói sinh quyển là phần môi trường có sự sống tồn tại, là toàn bộ các dạng vật sống tồn tại ở bên trong, bên trên và phía trên Trái Đất hoặc là lớp vỏ sống của Trái Đất,
Trang 1Trường đại học tài nguyên và môi
trường Hà Nội
Bộ môn : Cơ sở khoa học môi trường
Giáo viên: Nguyễn Thị Hoài Thương
Lớp DH2KM1
Nhóm 13 Nội dung chính
1.Mai Thị Hằng I Đặt vấn đề
2.Nguyễn Ánh Tuyết II.Sinh quyển
3.Nguyễn Thị Tuyết III Các chu trình sinh dưỡng
4.Toàn Văn Thái IV Kết luận
Trang 2I. Đặt vấn đề
Trên Trái Đất có 4 quyển lón: khí quyển, thủy quyển, thạch quyển và sinh quyển Vậy sinh quyển là gì? Giữa sinh quyển và các chu trình sinh dưỡng có liên hệ gì với nhau?
II. Sinh quyển
1. Khái niệm sinh quyển
a) Sinh quyển là gì?
Trang 3Các khái niệm hiện đại về sinh quyển đã xuất hiện trong các công trình của các nhà tựu nhiên vĩ đại người Pháp, J.B Lamac, vào đầu thế kỷ XIX Năm 1875, nhà địa chất nổi tiếng người Áo, E Zius (1831-1914), đã tách sinh quyển (quyển sống) thành một quyển độc lập của Trái Đất học thuyết
về sinh quyển được nhà địa hóa lỗi lạc, V.I Vernatxki (nga), đề xuất năm
1926 Theo học thuyết này, sinh quyển là lớp vỏ sống của Trái Đất, một hệ thống vô cùng phức tạp với số lượng lớn các yếu tố ngẫu nhiên và nhiều quá trình mang đặc điểm mang đặc điểm xác suất sinh quyển là toàn bộ thế giới sinh vật cùng với các yếu tố môi trường bao quanh chúng trên Trái Đất, bao gồm hoạt động của sinh vật đã, đang và sẽ tồn tại trên vỏ Trái Đất
Như vậy, có thể nói sinh quyển là phần môi trường có sự sống tồn tại, là
toàn bộ các dạng vật sống tồn tại ở bên trong, bên trên và phía trên Trái Đất hoặc là lớp vỏ sống của Trái Đất, trong đó có các cá thể sống và các hệ sinh thái hoạt động Đây là một hệ thống động và vô cùng phức tạp Nhờ hoạt
động của các hệ sinh thái mà năng lượng ánh sáng Mặt Trời đã bị biến đổi cơ bản thành vật chất hữu cơ trên Trái Đất Sự sống trên bề mặt Trái Đất được phát triển nhờ sự tổng hợp của mối quan hệ tương hỗ giữa các sinh vật với môi trường tạo thành dòng liên tục trong quá trình trao đổi vật chất và năng lượng Như vậy, trong sự hình thành sinh quyển có sự tham gia tích cực của các yếu tố bên ngoài như năng lượng Mặt Trời, sự nâng lên và hạ xuống của
vỏ Trái Đất, các quá trình tạo núi, băng hà,…
- Hệ sinh thái là hệ thống bao gồm các quần thể sinh vật và môi trường có mối quan hệ chặ chẽ vơi nhau, tồn tại và phát triển trong 1 giới hạn không gian cụ thể
- Quần xã sinh vật là tập hợp các loài sinh vật khác nhau cùng chung sống trong 1 khoảng không gian của hệ sinh thái hay 1 vùng địa lý nhất định mỗi quần xaxbao gồm nhiều loài( quần thể) sinh vật sống trong 1 khoảng không gian hoặc 1 vùng địa lý nhất định
b) Nguồn gốc hình thành và quá trình tiến hóa sinh quyển.
Sự sống đã ra đời như thế nào trên Trái Đất này? Bằng cách nào mà sự sống đsã tiến hóa đến mức vô cùng đa dạng như hiện nay? Loài người đã xuất hiện từ khi nào?
Có khá nhiều giả thuyết về nguồn gốc của sự sống Tuy nhiên, từ các phân tích hóa học và những đo dạc phóng xạ trên các hóa thạch cổ, các nhà
Trang 4khoa học đều nhất trí với kết luận rằng rong vòng 4,5 tỷ năm vừa qua, sự sống trên Trái Đất đã trải qua 2 giai đoạn phát triển :
- Tiến hóa hóa học trong đó các phân tử hữu cơ, polyme sinh học trải qua 1 loạt các phản ứng hóa học cần thiết để tạo thành tế bào nguyên thủy đầu tiên ( mất khoảng 1 tỷ năm)
- Tiến hóa sinh học từ các vi khuẩn đơn bào có nhân nguyên thủy thành các thể sống có 1 nhân điển hình, rồi thành các sinh vật đa bào ( mất khoảng 3,8
tỷ năm)
Có thể tóm tắt 2 quá trình trên như sau: sau khi các phân tử hữu cơ được hình thành, chúng tích lũy lại và trải qua hàng loạt các phản ứng hóa học sau hàng triệu năm, các khối kết của protein, ARN và các polyme sinh học khác nhau đã hợp lại để hình thành nên tế bào nguyên sinh có màng bao bọc Đây là những hạt nhỏ có khả năng lấy vật chất từ môi trường bên ngoài
để tăng trưởng và phân chia( giống những tế bào sống) Lúc này là vào khoảng 3 tỷ năm trước Cũng bắt đầu từ đây mở ra 1 thời kỳ tiến hóa ngoạn mục của sự sống đầu tiên là sự tiến hóa từ tế bào nguyên sinh thành các thể sống giống như vi khuẩn đơn bào chưa có nhân điển hình Trong quãng thời gian chừng 1 tỷ năm, những sinh vật này sinh sôi, phát triển tại các vùng biển nông hay trong các đại dương sâu thẳm của Trái Đất, trải qua những biến đổi về gen di truyền để rồi tạo nên rất nhiều tế bào mới Các bằng chứng
cổ sinh cho thấy những tế bào có nhân điển hình đầu tiên được ra đời tại các vùng biển nông cách đây ít nhất 1,2 tỷ năm Vì các tế bào có nhân có thể sinh sản hữu tính nên chúng đã tạo ra các thế hệ con cháu với các đặc thù di truyền khác nhau Bằng chứng cổ sinh học cho thấy khoảng 400-500 triệu năm trước, do nồng độ tia cực tím giảm xuống đến mức đủ để sinh vật có thể tồn tại, các thực vật đầu tiên nổi lên khỏi môi trường nước và bắt đầu sống trên cạn Vài trăm triệu năm tiếp theo, nhiều loài động, thực vật đã hình thành, rồi đến các loài thú và cuối cùng là loài người
Thời kỳ ban đầu của tiến hóa sinh học – trong khoảng tử 3,8 tỷ năm đến
570 triệu năm trước đây – tồn tại chủ yếu là các loài vi sinh vật sống trong nước ( hầu hết là vi khuẩn, sau đố là sinh vật đơn bào) Thực vật và động vật ban đầu sống ở biển, sau đó chuyển lên sống trên cạn ( 400 triệu năm trước)
2. Các đặc trưng của sinh quyển
a) Phạm vi của sinh quyển
Trang 5
Phạm vi của sinh quyển tùy thuộc vào giới hạn phân bố của các sinh vật:
- Giới hạn trên là nơi tiếp giáp tầng ozon của khí quyển ( từ 25-30 km ) trong tầng bình lưu, các bào tử có trong khí quyển có thể tồn tại đến giới hạn ở độ cao này
- Giới hạn dưới xuống tới đáy đại dương và trong lớp vỏ phong hóa ở các lục địa, một số vi khuẩn có thể sống sâu trong lòng đất đến 60m, gần đây người
ta còn phát hiện chúng ở độ sâu lớn hơn
Như vậy, giới hạn của sinh quyển bao gồm phần dưới của khí quyển (tầng đối lưu), hầu hết thủy quyển và phần trên của thạch quyển
Tuy vậy, sinh vật phân bố không đều trong bề dày của sinh quyển mà chỉ tập trung vào nơi có thực vật mọc phổ biến, dày khoảng vài chục mét trên, dưới bề mặt Trái Đất trong thực tế, không phải bất kỳ nơi nào trên Trái Đất cũng có điều kiện sống như nhau dối với cơ thể sống Ví dụ ở cận Bắc Cực, nơi có khí hậu bâng hà khắc nghiệt quanh năm hoặc trên những dãy núi cao thường chỉ có 1 số dạng bào tử tồn tại ở dạng bào sinh, vi khuẩn hay nấm, đôi khi cũng có 1 vài loài chim di trú tìm đến, song không có loài nào sống
cố định Những vùng như trên gọi là vùng cận sinh quyển
Nơi sinh sống của sinh vật trong sinh quyển bao gồm môi trường cạn( địa quyển ), môi trường không khí( khí quyển ),hoặc môi trường nước ngọt hay
Trang 6nước mặn ( thủy quyển) Đại bộ phận các sinh vật không sinh sống ở những địa hình quá cao, càng lên cao số loài càng giảm, ở độ cao 1km có rất ít các loài sinh vật, ở đọ cao 10-15 km chỉ quan sát được một số vi khuẩn, bào tử nấm và nói chung sinh vật không thể phân bố vượt ra khỏi tầng ozon
Về vấn đề con người có phải là 1 thành phần của sinh quyển hay không, tháng 11 năm 1971, dưới sự bảo trợ của UNESCO chương trình con người
và sinh quyển( MAB) được thành lập Lúc đầu MAB xem con người đứng ngoài cuộc, chỉ quan sát các hoạt động của con người lên các hệ sinh thái và sinh quyển Nhưng sau đó, con người được coi là một bộ phận khăng khít của hệ sinh thái và sinh quyển và thực tế đã trở thành trung tâm của các nghiên cứu, có nghĩa MAB nghiên cứu trực tiếp các vấn đề con người trong mối quan hệ với môi trường
b) Thành phần của sinh quyển
Sinh quyển là 1 hệ thống vật chất bao gồm các thành phần chủ yếu sau:
- Vật chất sống: toàn bộ các sinh vật sống trong sinh quyển
- Vật chất có nguồn gốc sinh vật như: than đá, dầu mỏ, khí đốt, đá vôi,…
- Vật chất được hình thành do tác động của các sinh vật và các quá trình tạo ra vật chất khác, ví dụ lớp vỏ phong hóa, lớp phủ thổ nhưỡng, không khí trong tầng đối lưu,…
- Vật chất mà sinh vật không tham gia vào việc hình thành như đá mẹ, khí hiếm,…
- Các chất phóng xạ phát sinh từ bên trong Trái Đất
- Các chất có nguồn gốc vũ trụ
c) Tính thống nhất của sinh quyển
- Vật chất tạo nên sinh quyển là thống nhất Các tế bào sống nói chung đều chứa 60-90% nước ngoài ra, tất cả các sinh vật sống trên Trái Đất được cấu tạo từ 4 nguyên tố cơ bản là hyđro, oxy, cacbon và nitow
- Trạng thái rắn, lỏng, khí là 3 trạng thái tồn tại của vật chất
- Nguồn năng lượng cung cấp cho sinh quyển là thống nhất( phần lớn từ Mặt Trời)
- Các định luật về sự tồn tại vật chất, định luật về sự trao đổi năng lượng, các định luật hóa lý thông thường là thống nhất, chung cho cả thể giới vô sinh và hữu sinh
Trang 7- Sinh giới sống trong sinh quyển là thống nhất, cấu tạo từ chất thống nhất, mặc dù sinh giới có nhiều mức độ tổ chức khác nhau nhưng chúng thống nhất ở cấu trúc và chức năng, ở phương thức tồn tại và xu thế tiến hóa chung
- Các cơ chế xác định tính thống nhất và toàn diện của sinh quyển là sự di chuyển và tiến hóa của thế giới sinh vật, vòng tuần hoàn sinh địa hóa của các nguyên tố hóa học, vòng tuần hoàn nước tự nhiên,…
d) Các quần xã chính của sinh quyển
Sinh quyển là 1 HST khổng lồ bao gồm các hệ sinh thái nhỏ hơn trong mối quan hệ giữa sinh vật và môi trường, được cấu trúc heo thứ bậc dựa trên cấu trúc chuỗi, lưới thức ăn và bậc dinh dưỡng Để dễ dàng nhận diện sinh quyển trên bề mặt Trái Đất, Campbell(1980) đã phân ra các quần xã chính gọi là đới sinh học ( biome ) dựa trên các thảm thực vật ưu thế và đặc điểm thích nghi của sinh vật với điều kiện môi trường cụ thể:
- Đồng rêu hay đài nguyên: đồng rêu bao quanh Bắc cực, Greenland và 1 vòng đai phần bắc của lục địa Âu – Á, Bắc Mỹ Đây là 1 đồng bằng không cây cối, nhiều đầm lầy, giá lạnh, băng tuyết, nhiệt độ rất thấp, đọ ngưng tụ hơi nước rất kém, mùa sinh trưởng của sinh vật ngắn( khoảng 60 ngày ), nền đất bị đông cứng số lượng loài thực vật ít, chủ yếu là cỏ bông, rêu và địa y Động vật đăc trưng cho vùng là hươu tuần lộc, hươu kéo xe, thỏ,…
- Rừng lá kim: nàm kế đồng rêu về phía nam, kéo dài từ Bắc Mỹ sang châu
Âu Đất bị phủ băng tuyết, mùa đông cực kỳ lạnh và khắc nghiệt, đất nghèo dinh dưỡng thực vật gồm cây lá kim thường xanh, cây thông, cây bụi và thân thảo, hệ động thực vật đa dạng hơn vùng đồng rêu
Trang 8
Rừng lá kim Taiga
- Rừng lá rộng rụng lá theo mùa vùng ôn đới; thành phần động thực vật rất đa dạng về chi, loài Thực vật: thông trắng, thông đỏ, sồi, hồ đào, dẻ gai,… Động vật: sóc, chuột sóc, gõ kiến, sâu bọ.các loài thú lớn,…
- Rừng mưa nhiệt đới: là thảm thực vật phát triển phong phú nhất trong các thảm thực vật trên TĐ, quê hương của các loài lim, lat, samu, tếch, đinh,… Khí hậu vùng nhiệt đới nóng ẩm, nhiệt độ trung bình năm cao(24-30oC) và gần như ổn định quanh năm, lượng mưa lớn; đất đa dạng, giàu chất dinh dưỡng Động vật phân bố theo tán rừng, tàng trên là khỉ, vượn, sóc bay,… dưới đất là voi, lợn rừng, bò rừng, gấu, hổ, báo,…
- Thảo nguyên và xavan nhiệt đới: xavan nhiệt đới là thảm thực vật thân cỏ, có
1 số ít cây gỗ hay nhóm cây gỗ, lượng mưa cao( 1000-1500mm), nhưng có 1 hoặc 2 mùa khô kéo dài Thành phần các loại thực vật nghèo, ưu theess là những loài thuộc họ cỏ Đây cũng là nơi tập trung những đàn lớn sơn dương, gownu, trâu, ngựa vằn,…
Trang 9- Thảo nguyên vùng ôn đới: phân bố ở những nơi có lượng mưa trung bình năm nằm giữa hoang mạc và rừng( 250-750mm) ở Bắc Mỹ, thảo nguyên phân thành thảo nguyên cỏ cao 150-240cm, thảo nguyên cỏ thấp trung bình 60-120cm và thảo nguyên cỏ thấp dưới 60cm Động vật trong vùng là những loài ăn cỏ, ưu thế là tập đoàn móng guốc và nhiều loài ăn thịt như sư tử, chó rừng,…
- Sa mạc: phân bố trong vùng có lượng mưa rất thấp Nhiệt độ chênh lệch ngày đem và các mùa rất lớn Thực vật rất nghèo, trừ các ốc đảo, gồm những cây trốn hạn và chịu hạn.Động vật là những loài thích nghi với điều kiên khô hạn, nóng, gồm những loài ăn đêm, các loài đọng vật có xương sống cỡ lớn như lạc đà 1 bướu, linh dương, báo, sư tử,…
Sa mạc Sahara
e) Đa dạng sinh học của sinh quyển
Đa dạng sinh học (tiếng Anh: biodiversity) được định nghĩa là sự khác
nhau giữa các sinh vật sống ở tất cả mọi nơi, bao gồm: các hệ sinh thái trên cạn, sinh thái trong đại dương và các hệ sinh thái thuỷ vực khác, cũng như các phức hệ sinh thái mà các sinh vật là một thành phần trong đó Thuật ngữ
Trang 10đa dạng sinh học này bao hàm sự khác nhau trong một loài, giữa các loài và giữa các hệ sinh thái khác nhau
Số loài trong sinh quyển cực kỳ đa dạng người ta ước tính có khoảng
5-30 triệu loài sinh vật hiện nay mới chỉ có khoảng 1,65 triệu loài được mô tả Nhóm chim và thú là các nhóm sinh vật được diều tra kỹ lưỡng nhất
f) Tác động tương hỗ giữa các sinh vật
- Quan hệ giữa động vật và thực vật: thực vật là nguồn cung cấp thức ăn cho động vật ăn thực vật, là nơi ở hoặc nơi sinh đẻ cảu 1 số loài động vật tuy nhiên nhiều loài nấm lại là tác nhân gây bệnh đối với động vật Động vật giúp cho sự thụ phấn, thú ăn quả giúp cho sự phát tán Nhiều loại động vật chuyên ăn sâu bọ gây hại thực vật
- Quan hệ cạnh tranh: quan hệ cạnh tranh khác loài thể hiện rất rõ, khi các loài khác nhau có cùng nhu cầu thức ăn, nơi ở Những loài sinh vật càng có quan
hệ sinh thái gần nhau thì giữa chúng có quan hệ cạnh tranh càng gay gắt
- Quan hệ ký sinh – vật chủ: là quan hệ trong đó loài này( loài ký sinh) sống nhờ vào mô hoặc thức ăn được tiêu hóa của loài khác( vật chủ) Vật ký sinh
có thể là nấm, vi khuẩn, động vật nguyên sinh, giun tròn, sán lá,…
- Quan hệ ức chế cảm nhiễm: là quan hệ giữa các loài sinh vật, trong đó loài này ức chế sự phát triển hoặc sự sinh sản của loài khác bằng cách tiết vào môi trường những chất độc
- Quan hệ cộng sinh: là quan hệ hợp tác giữa 2 loài sinh vật trong đó cả 2 bên đều có lợi, sonh mỗi bên chỉ có thể sống, phát triển và sinh sản dựa vào sự hợp tác của bên kia
- Quan hệ hợp tác: cũng giống như quan hẹ cộng sinh song 2 loài không nhất thiết phải thường xuyên sống chunh với nhau, khi tách riêng chúng vẫn có thể tồn tại được
- Quan hệ hội sinh: là quan hệ giữa 2 loài sinh vật,.nhưng chỉ 1 bên có lợi, bên
ki không lợi cũng không có hại gì
- Sự cùng phát triển: đôi khi 2 loài khác nhau phát triển 1 quần hợp thân thiện sao cho cùng với thời gian, quá trình tiến hóa của mỗi loài đều được tác động tốt Sự cunhf tiến hóa là sựu phụ thuộc lẫn nhau của 2 hoặc nhiều loài được diễn ra nhờ tác động tương hỗ của chúng Những thực vật ra hoa và những động vật thụ phấn cho chúng là 1 ví dụ điển hình về sự cùng phát triển Ong, bướm và 1 số loài côn trùng thường mang phấn hoa đực từ cây này đến cây khác và như vậy, thực tế chúng làm cho thực vật thụ phấn
Trang 113. Vai trò và chức năng của sinh quyển
a) Quang hợp và hô hấp
Quang hợp và hô hấp là 2 khía cạnh của quá trình chuyển hóa năng lượng bên trong sinh vật và trong sinh quyển Dưới góc độ nhiệt động học, quang hợp là quá trình giảm entropi của hệ sinh thái, nhằm tạo ra các chất hữu cơ phức tạp từ các hợp chất hoá học đơn giản là CO2 và H2O dưới tác động của ánh sáng Mặt Trời ngược lại, hô hấp là quá trình làm tăng entropi của hệ sinh thái do sự phân huỷ hợp chất hữu cơ thành CO2 và H2O Do vậy, để quá trình quang hợp xảy ra, cần có năng lượng từ bên ngoài, đó là năng lượng Mặt Trời Lịch sử địa chất đã chứng minh rằng quang hợp xuất hiện trước khi xuất hiện hô hấp bằng không khí Vào thời điểm tiến hoá sơ khai của sự sống, khí quyển của Trái Đất chứa rất ít oxi hoặc hoàn toàn không có oxi tự
do Các sinh vật lúc bấy giờ lấy năng lượng sống từ các phản ứng toả nhiệt khác Một số vi khuẩn yếm khí ngày nay đang tiếp tục hoạt động theo cơ chế
đó Ví dụ vi khuẩn Nitơ lấy năng lượng bằng cách phân huỷ muối Nitrat thành muối Nitrit hoặc N2 Các loại khác nhau thì chuyển hóa muối sunfat, canxi thành H2S hoặc biến đổi hợp chất hữu cơ thành khí metan. Quang hợp
là tổ hợp phức tạp của các phản ứng khác nhau về bản chất trong quá trình này xảy ra sự tái tạo các mối liên kết trong các phân tử CO2, H2O, từ các mối liên kết kiểu carbon – oxi và hiđro – oxi, xuất hiện một kiểu liên kết mới carbon – hiđro và carbon – carbon
CO2 + nH2O = H2COH – HCOH – HCOH
Kết quả các biến đổi trên đã xuất hiện phân tử cacbon là nguồn tích luỹ năng lượng trong tế bào Phương trình tổng quát của quá trình quang hợp :
6CO2 + 6 H2O ánhsángmăttrời C6H12O6 + 674kcal/mol
Cơ chế hoạt động của quá trình quang hợp có thể biểu diễn như sau: