Биологический и геологический круговороты веществ. Круговороты веществ

Геологический кругооборот веществ имеет наибольшую скорость в горизонтальном направлении между сушей и морем. Смысл большого кругооборота в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан с образованием морских напластований и возвращаются на сушу лишь частично, например, с осадками или с извлеченными человеком из воды организмами. Далее в течение длительного временного отрезка протекают медленные геотектонические изменения - движение материков, поднятие и опускание морского дна, вулканические извержения и т.д., в результате которых образовавшиеся напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Большой геологический круговорот вещества. Под действием денудационных процессов происходит разрушение горных пород и осадконакопление. Образуются осадочные породы. В областях устойчивого погружения (обычно это океаническое дно) вещество географической оболочки входит в глубокие слои Земли. Далее под действием температуры и давления идут метаморфические процессы, в результате которых образуются горные породы, вещество продвигается ближе к центру Земли. В недрах Земли в условиях очень высоких температур происходит магматизм: породы плавятся, поднимаются в виде магмы по разломам к земной поверхности и выливаются на поверхность при извержениях. Таким образом, осуществляется круговорот вещества. Геологический круговорот осложняется, если учитывать обмен веществом с космическим пространством. Большой геологический круговорот не является замкнутым в том смысле, что какая-то частица вещества, попавшая в недра Земли, совсем не обязательно выйдет на поверхность, и наоборот, частица, поднимающаяся при извержении, могла никогда раньше не находиться на земной поверхности

Основные источники энергии природных процессов на Земле

Излучение Солнца - основной источник энергии на Земле. Его мощность характеризуется солнечной постоянной - количеством энергии, проходящей через площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам. На расстоянии в одну астрономическую единицу (то есть на орбите Земли) эта постоянная равна приблизительно 1370 Вт/м².

Живые организмы используют энергию Солнца (фотосинтез) и энергию химических связей (хемосинтез). Эта энергия может использоваться в различных естественных и искусственных процессах. Треть всей энергии отражается атмосферой, 0,02 % используется растениями для фотосинтеза, а остальное на поддержание многих природных процессов – обогрев земли, океана, атмосферы движение возд. масс. Прямое нагревание солнечными лучами или преобразование энергии с помощью фотоэлементов может быть использовано для производства электроэнергии (солнечными электростанциями) или выполнения другой полезной работы. Путём фотосинтеза была в далёком прошлом получена и энергия, запасённая в нефти и других видах ископаемого топлива.

Это огромная энергия ведет к всеобщему потеплению,потому что после того,как прошла через природные процессы излучается обратно и атмосфера не дает ей уйти обратно.

2. Внутренняя энергия Земли; проявление – вулканы, горячие источники

18. Преобразования энергии биотического и абиотического происхождения

В функционирующей природной экосистеме не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, потенциально являются пищей для других организмов: гусеница ест листву, дрозд питается гусеницами, ястреб способен съесть дрозда. Когда растения, гусеница, дрозд и ястреб погибают, они в свою очередь перерабатываются редуцентами.

Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню.

Организмы природных экосистем вовлечены в сложную сеть многих связанных между собой пищевых цепей. Такая сеть называется пищевой сетью.

Пирамиды энергетических потоков: С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается.

Правило 10%: при переходе с одного трофического уровня на другой 90% энергии теряется, и 10% передается на следующий уровень.

Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной энергии. Поэтому длина пищевой цепи обычно не превышает 4 - 5 звеньев.

Энергетика ландшафтной сферы Земли:

1) солнечная энергия: тепловая, лучистая

2) поток тепловой энергии из недр Земли

3) энергия приливных течений

4) тектоническая энергия

5) ассимиляция энергии при фотосинтезе

Круговорот воды в природе

Круговорот воды в природе – процесс циклического перемещения воды в земной биосфере. Состоит из испарения, конденсации и осадков (атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично - просачиваются в землю и образуют подземные воды), а также процессы дегазации мантии: из мантии непрервыно поступает вода. вода обнаружена даже на огромной глубине.

Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше - положение обратное. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом её общее количество остаётся неизменным.

75% поверхности Земли покрыты водой. Водная оболочка Земли – гидросфера. Большую ее часть составляет соленая вода морей и океанов, а меньшую - пресная вода озер, рек, ледников, грунтовые воды и водяной пар.

На земле вода существует в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Без воды невозможно существование живых организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции, без которых не могут жить живые организмы. Вода является самым ценным и самым необходимым веществом для жизнедеятельности живых организмов.

Различают несколько видов круговоротов воды в природе:

Большой, или мировой, круговорот - водяной пар, образовавшийся над поверхностью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: при испарении соленая морская вода превращается в пресную, а загрязненная - очищается.

Малый, или океанический, круговорот - водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, сконденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан.

Внутриконтинентальный круговорот - вода, которая испарилась над поверхностью суши, опять выпадают на сушу в виде атмосферных осадков.

В конце концов, осадки в процессе движения опять достигают Мирового океана.

Скорость переноса различных видов воды изменяется в широких пределах, так и периоды расходов, и периоды обновления воды также разные. Они изменяются от нескольких часов до нескольких десятков тысячелетий. Атмосферная влага, которая образуется при испарении воды из океанов, морей и суши и существует в виде облаков, обновляется в среднем через восемь дней.

Воды, входящих в состав живых организмов, восстанавливаются в течение нескольких часов. Это наиболее активная форма водообмена. Период обновления запасов воды в горных ледниках составляет около 1 600 лет, в ледниках полярных стран значительно больше - около 9 700 лет.

Полное обновление вод Мирового океана происходит примерно через 2 700 лет.

Эффекты взаимодействия солнечного излучения, движущейся и вращающейся земли.

В данном вопросе следует рассмотреть сезонную переменчивость: зима/лето. Расписать, что из-за вращения и движения Земли, солнечное излучение поступает неравномерно, а значит, климатические условия меняются с широтой.

Земля наклонена к плоскости эклиптики 23,5 градуса.

Лучи проходят под разными углами. Радиационный баланс. Важно не только, сколько получает,но и сколько теряет, и сколько остается с учетом альбедо.

Центры действия атмосферы

Крупные области устойчивого высокого или низкого давления, связанные с общей циркуляцией атмосферы – центры действия атмосферы . Они определяют господствующее направление ветров и служат очагами формирования географических типов воздушных масс. На синоптических картах они выражаются замкнутыми линиями – изобарами.

Причины : 1) неоднородность Земли;

2) различие физ. свойств суши и воды (теплоемкость)

3) различие в альбедо поверхностей (R/Q): вода – 6%, экв. леса – 10-12%, шир.леса – 18%, луг – 22-23%, снег – 92%;

4) F Кориолиса

Это вызывает ОЦА.

Центры действия атмосферы :

● перманентные – в них высокое или низкое давление существует круглый год:

1. экваториальная полоса пониж. давления, ось которой несколько мигрирует от экватора вслед за Солнцем в сторону летнего полушария - Экваториальная депрессия (причины: большое количество Q и океаны);

2. по одной субтропической полосе повыш. давления в Сев. и Юж. полушарии; несколько мигрируют летом в более высокие субтропич. широты, зимой - в более низкие; распадаются на ряд океанич. антициклонов: в Сев. полушарии - Азорский антициклон (особенно летом) н Гавайский; в Юж.- Южно-Индийский, Южно-Тихоокеанский и Южно-Атлантический;

3. области пониж. давления над океанами в высоких широтах умеренных поясов: в Сев. полушарии - Исландский (особенно зимой) и Алеутский минимумы, в Юж.- сплошное кольцо пониженного давления, окружающее Антарктиду (50 0 ю.ш.);

4. области повыш. давления над Арктикой (особенно зимой) и Антарктидой – антициклоны;

● сезонные – прослеживаются как области высокого или низкого давления на протяжении одного сезона, сменяясь в другой сезон на центр действий атмосферы противоположного знака. Их существование связано с резким изменением в течение года темп-ры поверхности суши по отношению к темп-ре поверхности океанов; летний перегрев суши создаёт благоприятные условия для формирования здесь областей пониж. давления, зимнее переохлаждение - для областей повыш. давления. В Сев. полушарии к зимним областям повыш. давления относятся Азиатский (Сибирский) с центром в Монголии и Канадский максимумы, в Юж.- Австралийский, Южно-Американский и Южно-Африканский максимумы. Летние области пониж. давления: в Сев. полушарии - Южно-Азиатский (или Переднеазиатский) и Северо-Американский минимумы, в Юж. - Австралийский, Южно-Американский и Южно-Африканский минимумы).

Центрам действия атмосферы присущ определенный тип погоды. Поэтому воздух здесь сравнительно быстро приобретает свойства подстилающей поверхности – жаркий и влажный в Экваториальной депрессии, холодный и сухой в Монгольском антициклоне, прохладный и влажный в Исландском минимуме и т.д.

Планетарный теплообмен и его причины

Основные черты планетарного теплообмена . Солнечная энергия, поглощаемая поверхностью земного шара, расходуется затем на испарение и перенос тепла турбулентными потоками. На испарение уходит в среднем по всей планете около 80%, а на турбулентный теплообмен - остальные 20% от общего тепла.

Процессы теплообмена и изменения с географической широтой его составляющих в океане и на суше отличаются большим своеобразием. Все тепло, поглощаемое сушей весной и летом, полностью теряется осенью и зимой; при сбалансированном годовом бюджете тепла он, следовательно, повсеместно оказывается равным нулю.

В Мировом океане благодаря большой теплоемкости воды и ее подвижности в низких широтах происходит накопление тепла, откуда оно переносится течениями в высокие широты, где расходование его превышает поступление. Таким образом покрывается дефицит, создающийся в теплообмене воды с воздухом.

В экваториальной зоне Мирового океана при большой величине поглощаемой солнечной радиации и пониженном расходовании энергии годовой бюджет тепла имеет максимальные положительные значения. С удалением от экватора положительный годовой бюджет тепла уменьшается из-за увеличения расходных составляющих теплообмена, главным образом испарения. С переходом от тропиков к умеренным широтам бюджет тепла становится отрицательным.

В пределах суши все тепло, получаемое в весенне-летнее время, расходуется в осенне-зимний период. В водах же Мирового океана за долгую историю Земли накопилось огромное количество тепла равное 7,6 * 10^21 ккал. Аккумуляция столь большой массы объясняется высокой теплоемкостью воды и ее интенсивным перемешиванием, в процессе которого происходит довольно сложное перераспределение тепла в толще океаносферы. Теплоемкость всей атмосферы в 4 раза меньше, чем у десятиметрового слоя вод Мирового океана.

Несмотря на то что удельный вес солнечной энергии, идущей на турбулентный теплообмен между поверхностью Земли и воздухом, сравнительно невелик, он является основным источником нагревания приповерхностной части атмосферы. Интенсивность этого теплообмена зависит от разности температур между воздухом и подстилающей поверхностью (водой или сушей). В низких широтах планеты (от экватора примерно до сороковых широт обоих полушарий) воздух нагревается главным образом от суши, неспособной аккумулировать солнечную энергию и отдающей все получаемое тепло атмосфере. За счет турбулентного теплообмена воздушная оболочка получает от 20 до 40 ккал/см^2 в год, а в областях с малым увлажнением (Сахара, Аравия и др.) - даже более 60 ккал/см^2. Воды же в этих широтах накапливают тепло, отдавая воздуху в процессе турбулентного теплообмена лишь 5-10 ккал/см^2 в год и менее. Только в отдельных районах (ограниченной площади) вода в среднем за год оказывается холоднее и потому получает тепло от воздуха (в экваториальной зоне, на северо-западе Индийского океана, а также у западного побережья Африки и Южной Америки).

Cтраница 1

Большой геологический круговорот вовлекает осадочные породы вглубь земной коры, надолго выключая содержащиеся в них элементы из системы биологического круговорота. В ходе геологической истории преобразованные осадочные породы, вновь оказавшись на поверхности Земли, постепенно разрушаются деятельностью живых организмов, воды и воздуха и снова включаются в биосферный круговорот.  

Большой геологический круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в следующем: горные породы подвергаются разрушению, выветриванию и в конечном итоге смываются потоками воды в Мировой океан. Здесь они откладываются на дне, образуя осадочные породы, и лишь частично возвращаются на сушу с организмами, извлеченными из воды человеком или другими животными.  

В основе большого геологического круговорота лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабе планеты без участия живого вещества.  

Кроме малого круговорота существует большой, геологический круговорот. Часть веществ попадает в глубинные слои Земли (через донные отложения морей или иным путем), где происходят медленные превращения с образованием различных соединений, минеральных и органических. Процессы геологического круговорота поддерживаются в основном внутренней энергией Земли, ее активного ядра. Эта же энергия способствует выходу веществ к поверхности Земли. Тем самым большой круговорот веществ замыкается. Он занимает миллионы лет.  

Относительно скорости и интенсивности большого геологического круговорота веществ в настоящее время нельзя привести сколь бы то ни былр точные данные, существуют лишь приближенные оценки, и то лишь для экзогенной составляющей общего цикла, т.е. без учета притока вещества из мантии в земную кору.  

Этот углерод принимает участие в большом геологическом круговороте. Этот углерод в процессе малого биотического круговорота поддерживает газовый баланс биосферы и жизнь в целом.  

Твердый сток некоторых рек мира.

Вклад биосферных и техносферных компонентов в большой геологический круговорот веществ Земли весьма существенный: отмечается постоянно прогрессирующий рост техносферных компонентов за счет расширения сферы производственной деятельности человека.  

Поскольку на земной поверхности основной технобйо-геохимический поток направлен в рамках большого геологического круговорота веществ для 70 % суши в океан и для 30 % - в замкнутые бессточные депрессии, но всегда от более высоких отметок к более низким, в результате действия гравитационных сил соответственно идет и дифференциация вещества земной коры от высоких отметок к низким, от суши к океану. Обратные потоки (атмосферный перенос, деятельность человека, тектонические движения, вулканизм, миграция организмов) в какой-то мере усложняют это общее нисходящее движение вещества, создавая локальные миграционные циклы, но не меняют его в целом.  

Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту. Вода испаряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет.  

По его формулировке, биологический круговорот веществ развивается на части траектории большого, геологического круговорота веществ в природе.  

Перенос вещества поверхностными и подземными водами - это главный по объему фактор дифференциации суши земного шара в геохимическом отношении, но не единственный, а если говорить о большом геологическом круговороте веществ на земной поверхности в целом, то в нем весьма существенную роль играют и потоки, в частности океанический и атмосферный переносы.  

Относительно скорости и интенсивности большого геологического круговорота веществ в настоящее время нельзя привести сколь бы то ни было точные данные, существуют лишь приближенные оценки, и то лишь для экзогенной составляющей общего цикла, т.е. без учета притока вещества из мантии в земную кору. Экзогенная компонента большого геологического круговорота веществ - это постоянно идущий процесс денудации земной поверхности.  

Cтраница 1

Геологический круговорот (большой круговорот веществ в природе) - круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы.  

Геологический круговорот - круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы.  

Границы геологического круговорота значительно шире границ биосферы, его амплитуда захватывает слои земной коры далеко за пределами биосферы. И, самое главное, - в процессах указанного круговорота живые организмы играют второстепенную роль.  

Таким образом, геологический круговорот веществ протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.  

Важнейшую роль в большом цикле геологического круговорота играют малые циклы вещества, как биосферные, так и техносферные, попав в которые вещество надолго выключается из большого геохимического потока, трансформируясь в бесконечных циклах синтеза и разложения.  

Важнейшую роль в большом цикле геологического круговорота играют малые циклы вещества, как биосферные, так и техносферные, попав в которые, вещество надолго выключается из большого геохимического потока, трансформируясь в бесконечных циклах синтеза и разложения.  

Этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте.  

Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются участвующими в малом (биогенном) круговороте относительно небольшими количествами углерода, содержащегося в растительных (5 10й т) и животных (5 109 т) тканях. Однако в настоящее время человек интенсивно замыкает на себя круговорот веществ, в том числе углерода. Так, например, подсчитано, что суммарная биомасса всех домашних животных уже превышает биомассу всех диких наземных животных. Площади культивируемых растений приближаются к площадям естественных биогеоценозов, и многие культурные экосистемы по своей продуктивности, непрерывно повышаемой человеком, значительно превосходят природные.  

Наиболее масштабным во времени и в пространстве является так называемый геологический круговорот веществ.  

Различают 2 типа круговорота веществ в природе: большой или геологический круговорот веществ между сушей и океаном; малый или биологический - между почвой и растениями.  

Извлекаемая растением из почвы вода в парообразном состоянии попадает в атмосферу, затем, охлаждаясь, конденсируется и вновь в виде осадков возвращается в почву или океан. Геологический круговорот воды обеспечивает механическое перераспределение, осаждение, накопление твердых осадков на суше и на дне водоемов, а также в процессе механического разрушения почв и горных пород. Однако химическая функция воды осуществляется при участии живых организмов или продуктов их жизнедеятельности. Природные воды, как и почвы, - сложное биокосное вещество.  

Геохимическая деятельность человека становится сравнимой по масштабам с биологическими и геологическими процессами. В геологическом круговороте резко возрастает звено денудации.  

Фактором, который накладывает основной отпечаток на общий характер и биологич. Вместе с тем геологический круговорот воды беспрерывно стремится вымыть все эти элементы из толщ рухляка суши в бассейн океана. Поэтому сохранение элементов пищи растений в пределах суши требует обращения их в абсолютно нерастворимую в воде форму. Этому требованию отвечает живое органич.  

Малый (биологический) круговорот

Масса живого вещества биосферы сравнительно мала. Если её распределить по земной поверхности, то получиться слой всего в 1,5 см. В таблице 4.1 сопоставлены некоторые количественные характеристики биосферы и других геосфер Земли. Биосфера, составляя менее 10-6 массы других оболочек планеты, обладает несравненно большим разнообразием и обновляет свой состав в миллион раз быстрее.

Таблица 4.1

Сравнение биосферы с другими геосферами Земли

*Живое вещество в расчёте на живой вес

4.4.1. Функции биосферы

Благодаря биоте биосферы осуществляется преобладающая часть химических превращений на планете. Отсюда суждение В.И. Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно (для разных круговоротов от 103 до 105 раз) пропустили через себя, через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём Мирового океана, большую часть массы почв, огромную массу минеральных веществ. И не только пропустили, но и в соответствии со своими потребностями видоизменили земную среду.

Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба.

Газовая функция. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты и в формировании газового состава современной атмосферы. Растения строго контролируют концентрации О2 и СО2, оптимальные для совокупности всех современных живых организмов.

Концентрационная функция. Пропуская через своё тело большие объёмы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию (движение химических веществ) и концентрирование химических элементов и их соединений. Это относится к биосинтезу органики, образование коралловых островов, строительство раковин и скелетов, появление толщ осадочных известняков, месторождений некоторых металлических руд, скопление железно–марганцевых конкреций, на дне океана т. д. Ранние этапы биологической эволюции проходили в водной среде. Организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своём теле.

Окислительно – восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях, например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько мощными катализаторами – ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может проходить в абиотической среде.

Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мёртвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путём соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором. Суммарный запас генетической информации биоты оценивается в 1015 бит. Общая мощность потока молекулярной информации, связанной с обменом веществ и энергии во всех клетках глобальной биоты достигает 1036 бит/с (Горшков и др., 1996).

4.4.2. Составляющие биологического круговорота.

Биологический круговорот осуществляется между всеми составляющими биосферы (т. е. между почвой, воздухом, водой, животными, микроорганизмами и т.д.). Он происходит при обязательном участии живых организмов.

Достигающее биосферы солнечное излучение несёт в себе энергию около 2,5*1024 Дж в год. Только 0,3% её непосредственно преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ, т.е. вовлекается в биологический круговорот. А 0,1 – 0,2 % солнечной энергии, падающей на Землю, оказывается заключённой в чистой первичной продукции. Дальнейшая судьба этой энергии связана с передачей органического вещества пищи по каскадам трофических цепей.

Биологический круговорот условно можно разделить на взаимосвязанные составляющие: круговорот веществ и энергетический круговорот.

4.4.3. Энергетический круговорот. Трансформация энергии в биосфере

Экосистему можно описать как совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом, информацией. Энергию можно определить как способность производить работу. Свойства энергии, в том числе и движение энергии в экосистемах, описываются законами термодинамики.

Первый закон термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не создаётся заново, она лишь переходит из одной формы в другую.

Второй закон термодинамики утверждает, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать. Применительно к энергии в экосистемах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше её энтропия.

Говоря другими словами, живое вещество получает и трансформирует энергию космоса, солнца в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую). Вовлекает эту энергию и неорганическую материю в непрерывный круговорот веществ в биосфере. Поток энергии в биосфере имеет одно направление – от Солнца через растения (автотрофы) к животным (гетеротрофы). Природные нетронутые экосистемы в устойчивом состоянии с постоянными важнейшими экологическими показателями (гомеостаз), являются наиболее упорядоченными системами, и характеризуются наименьшей энтропией.

4.4.4. Круговорот веществ в живой природе

Образование живого вещества и его разложение – две стороны единого процесса, который называется биологическим круговоротом химических элементов. Жизнь – круговорот химических элементов между организмами и средой.

Причина круговорота – ограниченность элементов, из которых строятся тела организмов. Каждый организм извлекает из окружающей среды необходимые для жизнедеятельности вещества и возвращает неиспользованные. При этом:

одни организмы потребляют минеральные вещества непосредственно из окружающей среды;

другие используют продукты, переработанные и выделенные первыми;

третьи – вторыми и т.д., пока вещества не возвратятся в окружающую среду в первоначальном состоянии.

В биосфере очевидна необходимость сосуществования различных организмов, способных использовать продукты жизнедеятельности друг друга. Мы видим практически безотходное биологическое производство.

Круговорот веществ в живых организмах условно можно свести к четырём процессам:

1.Фотосинтез. В результате фотосинтеза растения усваивают и аккумулируют солнечную энергию и синтезируют из неорганических веществ органические вещества - первичную биологическую продукцию - и кислород. Первичная биологическая продукция отличается большим разнообразием – содержит углеводы (глюкозу), крахмал, клетчатку, белки, жиры.

Схема фотосинтеза простейшего углевода (глюкозы) имеет следующую схему:

Этот процесс протекает только днём и сопровождается увеличением массы растений.

На Земле ежегодно в результате фотосинтеза образуется около 100 млрд. т. органического вещества, усваивается около 200 млрд. т. углекислого газа, выделяется примерно 145 млрд. т кислорода.

Фотосинтезу принадлежит решающая роль в обеспечении существования жизни на Земле. Его глобальное значение объясняется тем, что фотосинтез является единственным процессом, в ходе которого энергия в термодинамическом процессе согласно с минималистским принципом не рассеивается, а наоборот – накапливается.

Синтезируя необходимые для построения белков аминокислоты, растения могут существовать относительно независимо от других живых организмов. В этом проявляется автотрофность растений (самостоятельность в питании). В то же время зелёная масса растений и кислород, образующийся в процессе фотосинтеза, являются основой для поддержания жизни следующей группы живых организмов – животных, микроорганизмов. В этом проявляется гетеротрофность этой группы организмов.

2. Дыхание. Процесс обратный фотосинтезу. Происходит во всех живых клетках. При дыхании органическое вещество окисляется кислородом, в результате образуется углекислый газ, вода и выделяется энергия.

3. Пищевые (трофические) связи между автотрофными и гетеротрофными организмами. В данном случае происходит перенос энергии и вещества по звеньям пищевой цепи, которые более подробно были нами рассмотрены ранее.

4. Процесс транспирации. Один из самых важных процессов в биологическом круговороте.

Схематично его можно описать следующим образом. Растения поглощают почвенную влагу корнями. При этом в них поступают растворённые в воде минеральные вещества, которые усваиваются, а влага более или менее интенсивно испаряется в зависимости от условий среды.

4.4.5. Биогеохимические циклы

Геологический и биологический круговороты связаны – они существуют как единый процесс, рождая циркуляцию веществ, так называемые биогеохимические циклы (БГХЦ). Этот круговорот элементов обусловлен синтезом и распадом органических веществ в экосистеме (рис.4.1) В БГХЦ задействованы не все элементы биосферы, а только биогенные. Из них состоят живые организмы, эти элементы вступают в многочисленные реакции и участвуют в процессах, протекающих в живых организмах. В процентном соотношении совокупная масса живого вещества биосферы состоит из следующих основных биогенных элементов: кислорода – 70%, углерода – 18%, водорода – 10,5%, кальция – 0,5%, калия – 0,3%, азот – 0,3%, (кислород, водород, азот, углерод присутствуют во всех ландшафтах и являются основой живых организмов – 98%).

Сущность биогенной миграции химических элементов.

Таким образом, в биосфере имеют место биогенный круговорот веществ (т.е. круговорот, вызванный жизнедеятельностью организмов) и однонаправленный поток энергии. Биогенная миграция химических элементов определяется в основном двумя противоположными процессами:

1. Образование живого вещества из элементов окружающей среды за счет солнечной энергии.

2. Разрушение органических веществ, сопровождающееся выделением энергии. При этом элементы минеральных веществ многократно попадают в живые организмы, входя тем самым в состав сложных органических соединений, форм, а затем при разрушении последних снова приобретают минеральную форму.

Существуют элементы, входящие в состав живых организмов, но не относящиеся к биогенным. Такие элементы классифицируются по их весовой доле в организмах:

Макроэлементы – составляющие не менее 10-2% массы;

Микроэлементы – составляющие от 9*10-3 до 1*10-3% массы;

Ультрамикроэлементы – менее 9*10-6% массы;

Чтобы определить место биогенных элементов среди других химических элементов биосферы, рассмотрим принятую в экологии классификацию. По проявляемой активности в процессах, протекающих в биосфере, все химические элементы делят на 6 групп:

Благородные газы – гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. Инертные газы в состав живых организмов не входят.

Благородные металлы – рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото. Эти металлы почти не создают соединений в земной коре.

Циклические или биогенные элементы (их ещё называют миграционными). На эту группу биогенных элементов в земной коре приходится 99,7% всей массы, а на остальные 5 групп – 0,3%. Таким образом, основная масса элементов – это мигранты, которые осуществляют кругооборот в географической оболочке, а часть инертных элементов очень мала.

Рассеянные элементы, характеризующиеся преобладанием свободных атомов. Вступают в химические реакции, но их соединения редко встречаются в земной коре. Разделяются на две подгруппы. Первая – рубидий, цезий, ниобий, тантал – создают соединения в глубинах земной коры, а на поверхности их минералы разрушаются. Вторая – йод, бром – вступают в реакции лишь на поверхности.

Радиоактивные элементы – полоний, радон, радий, уран, нептуний, плутоний.

Редкоземельные элементы – иттрий, самарий, европий, тулий т.д.

Круглогодично биохимические циклы приводят в движение около 480 млрд. т. вещества.

В.И. Вернадский сформулировал три биогеохимических принципа, которые объясняют сущность биогенной миграции химических элементов:

Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых форм жизни, идёт в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, что является фактором, воссоздающим и поддерживающим биосферу.

Рассмотрим, как движутся в биосфере некоторые из этих элементов.

Круговорот углерода. Главным участником биотического круговорота является углерод как основа органических веществ. Преимущественно круговорот углерода происходит между живым веществом и углекислым газом атмосферы в процессе фотосинтеза. С пищей его получают травоядные, от травоядных – хищники. При дыхании, гниении углекислый газ частично возвращается в атмосферу, возврат происходит при сжигании органических полезных ископаемых.

При отсутствии возврата углерода в атмосферу, он был бы израсходован зелёными растениями за 7-8 лет. Скорость биологического оборота углерода через фотосинтез – 300 лет. Мировой океан играет большую роль в регулировании содержания СО2 в атмосфере. Если в атмосфере повышается содержание СО2, часть его растворяется в воде, вступая в реакцию с карбонатом кальция.

Круговорот кислорода.

Кислород обладает высокой химической активностью, вступает в соединения практически со всеми элементами земной коры. Встречается в основном в виде соединений. Каждый четвёртый атом живого вещества – атом кислорода. Почти весь молекулярный кислород в атмосфере возник и поддерживается на постоянном уровне благодаря деятельности зелёных растений. Кислород атмосферы, связываясь при дыхании и освобождаясь при фотосинтезе, проходит через все живые организмы за 200 лет.

Круговорот азота. Азот является составной частью всех белков. Общее отношение связанного азота, как элемента, составляющего органическое вещество, к азоту в природе равно 1:100000. Энергия химической связи в молекуле азота очень велика. Поэтому соединение азота с другими элементами – кислородом, водородом (процесс азотофиксации) – требует больших затрат энергии. Промышленная фиксация азота идёт в присутствии катализаторов при температуре -500оС и давлении –300 атм.

Как известно, атмосфера содержит более 78% молекулярного азота, но в таком состоянии он не доступен зелёным растениям. Для своего питания растения могут использовать лишь соли азотной и азотистой кислот. Каковы пути образования этих солей? Вот некоторые из них:

В биосфере фиксация азота осуществляется несколькими группами анаэробных бактерий и цианобактерий при нормальной температуре и давлении благодаря высокой эффективности биокатализа. Считается, что бактерии переводят в связанную форму приблизительно 1 млрд. т азота в год (мировой объём промышленной фиксации – около 90 млн.т).

Почвенные азотофиксирующие бактерии способны усваивать молекулярный азот из воздуха. Они обогащают почву азотистыми соединениями, поэтому их значение чрезвычайно велико.

В результате разложения азотосодержащих соединений органических веществ растительного и животного происхождения.

Под действием бактерий азот переходит в нитраты, нитриты, аммонийные соединения. В растениях соединения азота принимают участие в синтезе белковых соединений, которые в цепях питания передаются от организма к организму.

Круговорот фосфора. Ещё одним важным элементом, без которого невозможен синтез белков, является фосфор. Основные источники – изверженные породы (апатиты) и осадочные породы (фосфориты).

Неорганический фосфор вовлекается в круговорот в результате естественных процессов выщелачивания. Фосфор усваивается живыми организмами, которые при его участии синтезируют ряд органических соединений и передают на различные трофические уровни.

Закончив свой путь по трофическим цепям, органические фосфаты разлагаются микробами и превращаются в минеральные фосфаты, доступные для зелёных растений.

В процессе биологического круговорота, который обеспечивает движение вещества и энергии, нет места накоплению отходов. Продукты жизнедеятельности (т.е. отходы) каждой формы жизни являются питательной средой для других организмов.

Теоретически в биосфере всегда должен поддерживаться баланс между продуцированием биомассы и её разложением. Однако в отдельные геологические периоды сбалансированность биологического круговорота нарушалась, когда из-за определённых природных условий, катаклизмов не вся биологическая продукция усваивалась, трансформировалась. В этих случаях образовывались излишки биологической продукции, которые консервировались и откладывались в земной коре, под толщей воды, наносов, оказывались в зоне вечной мерзлоты. Так сформировались залежи каменного угля, нефти, газа, известняка. Надо отметить, что они не засоряют биосферу. В органических полезных ископаемых сконцентрировалась энергия Солнца, накопленная в процессе фотосинтеза. Сейчас, сжигая органические горючие полезные ископаемые, человек высвобождает эту энергию.

Чтобы биосфера продолжала существовать, чтобы движение (развитие) ее не прекращалось, на Земле постоянно должен происходить круговорот биологически важных веществ. Этот переход биологически важных веществ из звена в звено может осуществляться только при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце.

Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ:

- геологический (абиотический), или большой, круговорот;

- биологический (биотический), или малый, круговорот.

Геологический круговорот наиболее четко проявлятся в круговороте воды и циркуляции атмосферы.

На Землю от Солнца ежегодно поступает примерно 21 10 20 кДж лучистой энергии. Около половины ее расходуется на испарение воды. Это и обусловливает большой круговорот.

Круговорот воды в биосфере основан на том, что суммарное ее испарение с поверхности Земли компенсируется выпадением осадков. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда - снова в океан.

В процессе геологического круговорота воды с одного места в другое в масштабе всей планеты переносятся минеральные соединения, а также изменяется агрегатное состояние воды (жидкая, твердая - снег, лед; газообразная - пары). Наиболее интенсивно вода циркулирует в парообразном состоянии.

С появлением живого вещества на основе круговорота атмосферы, воды, растворенных в ней минеральных соединений, т.е. на базе абиотического, геологического круговорота возник круговорот органического вещества, или малый, биологический круговорот .

По мере развития живой материи из геологического круговорота постоянно извлекается все больше элементов, которые вступают в новый, биологический круговорот.

В отличие от простого переноса-перемещения минеральных элементов в большом (геологическом) круговороте, в малом (биологическом) круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических соединений. Эти два процесса находятся в определенном соотношении, что лежит в основе жизни и составляет одну из главных ее особенностей.

В противоположность геологическому, биологический круговорот обладает более низкой энергией. На создание органического вещества, как известно, затрачивается всего 0,1-0,2%, падающей на Землю солнечной энергии (на геологический круговорот - до 50%). Несмотря на это энергия, вовлеченная в биологический круговорот, затрачивается на огромную работу по созиданию на Земле первичной продукции.

С появлением на Земле живой материи химические элементы беспрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду.

Такая циркуляция химических элементов по более или менее замкнутым путям, протекающая с использованием солнечной энергии через живые организмы, называется биогеохимическим круговоротом (циклом).

Основными биогеохимическими циклами являются круговороты кислорода, углерода, азота, фосфора, серы, воды и биогенных элементов.

Круговорот углерода.

На суше круговорот углерода начинается с фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза. Далее из углекислого газа и воды образуются углеводы и высвобождается кислород. При этом углерод частично выделяется во время дыхания растений в составе углекислого газа. Фиксированный в растениях углерод в некоторой степени потребляется животными. Животные при дыхании также выделяют углекислый газ. Отжившие животные и растения разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу.

Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

Круговорот азота.

Круговорот азота, как и другие биогеохимические циклы, охватывает все области биосферы. Круговорот азота связан с его превращением в нитраты за счет деятельности азотфиксирующих и нитрифицирующих бактерий. Нитраты усваиваются растениями из почвы или воды. Растения поедаются животными. В конце концов редуценты вновь переводят азот в газообразную форму и возвращают его в атмосферу.

В современных условиях в круговорот азота вмешался человек, который выращивая на обширных площадях азотфиксирующие бобовые растения, искусственно связывает природный азот. Считается, что сельское хозяйство и промышленность дают почти на 60% больше фиксированного азота, чем естественные наземные экосистемы.

Подобный круговорот азота наблюдается и в водной среде.

Круговорот фосфора.

В отличие от углерода и азота соединения фосфора находятся в горных породах, которые подвергаются эрозии и высвобождают фосфаты. Большая часть их попадает в моря и океаны и частично вновь может быть возвращена на сушу через морские пищевые цепи, заканчивающиеся рыбоядными птицами. Некоторая часть фосфатов попадает в почву и поглощается корнями растений. Усвоение фосфора растениями зависит от кислотности почвенного раствора: по мере повышения кислотности практически нерастворимые в воде фосфаты превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту. Далее растения поедаются животными.

Основными звеньями биогеохимических циклов выступают различные организмы, многообразие форм которых обусловливает интенсивность протекания круговоротов и вовлечение в них практически всех элементов земной коры.

В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т.е. они тесно связаны между собой.