Біологічний та геологічний круговорот речовин. Кругообіг речовин

Геологічний кругообігречовин має найбільшу швидкість у горизонтальному напрямку між сушею та морем. Сенс великого кругообігу в тому, що гірські породи зазнають руйнування, вивітрювання, а продукти вивітрювання, у тому числі розчинні у воді поживні речовини, зносяться потоками води в Світовий океан з утворенням морських напластувань і повертаються на сушу лише частково, наприклад, з опадами або витягнутими людиною з води організмами. Далі протягом тривалого тимчасового відрізка протікають повільні геотектонічні зміни - рух материків, підняття та опускання морського дна, вулканічні виверження і т.д., в результаті яких напластування, що утворилися, повертаються на сушу і процес починається знову.

Великий геологічний кругообіг речовини. Під впливом денудаційних процесів відбувається руйнація гірських порід і осадонакопичення. Утворюються осадові породи. У областях стійкого занурення (зазвичай це океанічне дно) речовина географічної оболонки входить у глибокі верстви Землі. Далі під впливом температури і тиску йдуть метаморфічні процеси, у яких утворюються гірські породи, речовина просувається ближче до центру Землі. У надрах Землі за умов дуже високих температур відбувається магматизм: породи плавляться, піднімаються як магми по розломам до земної поверхні і виливаються поверхню при виверженнях. Таким чином, здійснюється кругообіг речовини. Геологічний кругообіг ускладнюється, якщо враховувати обмін речовиною з космічним простором. Великий геологічний кругообіг не є замкнутим у тому сенсі, що якась частка речовини, що потрапила в надра Землі, зовсім не обов'язково вийде на поверхню, і навпаки, частка, що піднімається при виверженні, могла ніколи раніше не знаходитися на земній поверхні

Основні джерела енергії природних процесів Землі

Випромінювання Сонця - основне джерело енергії Землі. Його потужність характеризується сонячною постійною кількістю енергії, що проходить через майданчик одиничної площі, перпендикулярну сонячним променям. На відстані одну астрономічну одиницю (тобто орбіті Землі) ця постійна дорівнює приблизно 1370 Вт/м².

Живі організми використовують енергію Сонця (фотосинтез) та енергію хімічних зв'язків (хемосинтез). Ця енергія може використовуватись у різних природних та штучних процесах. Третина всієї енергії відбивається атмосферою, 0,02 % використовується рослинами для фотосинтезу, а решта підтримки багатьох природних процесів – обігрів землі, океану, атмосфери рух пов. мас. Пряме нагрівання сонячними променями або перетворення енергії за допомогою фотоелементів може бути використане для виробництва електроенергії (сонячними електростанціями) або виконання іншої корисної роботи. Шляхом фотосинтезу було у минулому отримано і енергія, запасена у нафти та інших видах викопного палива.

Це величезна енергія веде до загального потепління, тому що після того, як пройшла через природні процеси, випромінюється назад і атмосфера не дає їй піти назад.

2. Внутрішня енергія Землі; прояв - вулкани, гарячі джерела

18. Перетворення енергії біотичного та абіотичного походження

У функціонуючій природній екосистемі немає відходів.Всі організми, живі або мертві, потенційно є їжею для інших організмів: гусениця їсть листя, дрізд живиться гусеницями, яструб здатний з'їсти дрозда. Коли рослини, гусениця, дрізд та яструб гинуть, вони у свою чергу переробляються редуцентами.

Всі організми, що користуються одним типом їжі, належать до одного трофічного рівня.

Організми природних екосистемзалучені до складної мережі багатьох пов'язаних між собою харчових ланцюгів. Така мережа називається харчової мережі.

Піраміди енергетичних потоків:З кожним переходом з одного трофічного рівня до іншого в межах харчового ланцюгаабо мережі здійснюється робота і в навколишнє середовище виділяється теплова енергія, а кількість енергії високої якості, що використовується організмами наступного трофічного рівня, знижується

Правило 10%:при переході з одного трофічного рівня в інший 90% енергії втрачається, і 10% передається наступного рівня.

Чим довше харчовий ланцюг, тим більше губиться корисної енергії. Тому довжина харчового ланцюга зазвичай не перевищує 4 – 5 ланок.

Енергетика ландшафтної сфери Землі:

1) сонячна енергія: теплова, промениста

2) потік теплової енергії з надр Землі

3) енергія припливних течій

4) тектонічна енергія

5) асиміляція енергії при фотосинтезі

Кругообіг води в природі

Кругообіг води у природі – процес циклічного переміщення води у земній біосфері. Складається з випаровування, конденсації та опадів (атмосферні опади частково випаровуються, частково утворюють тимчасові та постійні водостоки та водоймища, частково – просочуються в землю та утворюють підземні води), а також процеси дегазації мантії: з мантії безперервно надходить вода. вода виявлена ​​навіть на величезній глибині.

Моря втрачають через випаровування більше води, Що отримують з опадами, на суші - положення зворотне. Вода безперервно циркулює на земній кулі, причому її Загальна кількістьзалишається незмінним.

75% поверхні Землі вкриті водою. Водна оболонка Землі – гідросфера. Більшу її частину становить солона вода морів та океанів, а меншу - прісна водаозер, річок, льодовиків, ґрунтові води та водяну пару.

На землі вода існує у трьох агрегатних станах: рідкому, твердому та газоподібному. Без води неможливе існування живих організмів. У будь-якому організмі вода є середовищем, в якому відбуваються хімічні реакції, без яких не можуть жити живі організми Вода є найціннішим і найнеобхіднішим речовиною для життєдіяльності живих організмів.

Розрізняють кілька видів кругообігів води в природі:

Великий, або світовий, кругообіг - водяна пара, що утворилася над поверхнею океанів, переноситься вітрами на материки, випадає там у вигляді атмосферних опадів і повертається в океан у вигляді стоку. У цьому процесі змінюється якість води: при випаровуванні солона морська водаперетворюється на прісну, а забруднена - очищається.

Малий, або океанічний, кругообіг - водяна пара, що утворилася над поверхнею океану, сконденсується і випадає у вигляді опадів знову в океан.

Внутрішньоконтинентальний кругообіг - вода, яка випарувалася над поверхнею суші, знову випадають на сушу у вигляді атмосферних опадів.

Зрештою, опади в процесі руху знову досягають Світового океану.

Швидкість перенесення різних видівводи змінюється у межах, і періоди витрат, і періоди оновлення води також різні. Вони змінюються від кількох годин до кількох десятків тисячоліть. Атмосферна волога, що утворюється при випаровуванні води з океанів, морів та суші та існує у вигляді хмар, оновлюється в середньому через вісім днів.

Води, що входять до складу живих організмів, відновлюються протягом кількох годин. Це найбільш активна формаводообмін. Період оновлення запасів води в гірських льодовиках становить близько 1600 років, у льодовиках полярних країн значно більше - близько 9700 років.

Повне оновлення вод Світового океану відбувається приблизно через 2700 років.

Ефекти взаємодії сонячного випромінювання, що рухається і обертається землі.

У даному питанніслід розглянути сезонну мінливість: зима/літо. Розписати, що через обертання та рух Землі, сонячне випромінювання надходить нерівномірно, а значить, кліматичні умовизмінюються із широтою.

Земля нахилена до площини екліптики 235 градуса.

Промені проходять під різними кутами. Радіаційний баланс. Важливо не тільки, скільки отримує, а й скільки втрачає, і скільки залишається з урахуванням альбедо.

Центри дії атмосфери

Великі області високого або низького тиску, пов'язані із загальною циркуляцією атмосфери – центри дії атмосфери. Вони визначають панівний напрямок вітрів і служать осередками формування географічних типівповітряних мас. На синоптичних картах вони виражаються замкнутими лініями – ізобарами.

Причини: 1) неоднорідність Землі;

2) відмінність фіз. властивостей суші та води (теплоємність)

3) відмінність у альбедо поверхонь (R/Q): вода – 6%, екв. ліси – 10-12%, шир.ліси – 18%, луг – 22-23%, сніг – 92%;

4) F Коріоліса

Це спричиняє ОЦА.

Центри дії атмосфери:

● перманентні– у них високий або низький тиск існує цілий рік:

1. екваторіальна смуга зниж. тиску, вісь якої дещо мігрує від екватора слідом за Сонцем у бік літньої півкулі - Екваторіальна депресія (причини: велика кількість Q та океани);

2. по одній субтропічній смузі підвищення. тиску в Півн. та Пд. півкулі; кілька мігрують влітку у вищі субтропіч. широти, взимку - у нижчі; розпадаються на ряд океаніч. антициклонів: у Пн. півкулі - Азорський антициклон (особливо влітку) н Гавайський; в Південно-Південно-Індійський, Південно-Тихоокеанський та Південно-Атлантичний;

3. області пониж. тиску над океанами у високих широтах помірних поясів: у Пн. півкулі - Ісландський (особливо взимку) і Алеутський мінімуми, в Південно-суцільна кільце зниженого тиску, що оточує Антарктиду (50 0 пд.ш.);

4. області підвищення. тиску над Арктикою (особливо взимку) та Антарктидою – антициклони;

● сезонні- Простежуються як області високого або низького тиску протягом одного сезону, змінюючись в інший сезон на центр дій атмосфери протилежного знака. Їх існування пов'язане з різкою зміною протягом року температури поверхні суші по відношенню до температури поверхні океанів; літній перегрів суші створює сприятливі умови на формування тут областей пониж. тиску, зимове переохолодження - для областей підвищення. тиску. Все в. півкулі до зимових областей підвищ. тиску відносяться Азіатський (Сибірський) з центром у Монголії та Канадський максимуми, в Південно-Австралійський, Південно-Американський та Південно-Африканський максимуми. Літні області пониж. тиску: в Пн. півкулі - Південно-Азіатський (або Передньоазіатський) та Північно-Американський мінімуми, на Пд. - Австралійський, Південно-Американський та Південно-Африканський мінімуми).

Центрам впливу атмосфери властивий певний тип погоди. Тому повітря тут порівняно швидко набуває властивостей підстилаючої поверхні - жарке і вологе в Екваторіальній депресії, холодне і сухе в Монгольському антициклоні, прохолодне і вологе в Ісландському мінімумі і т.д.

Планетарний теплообмін та його причини

Основні риси планетарного теплообміну. Сонячна енергія, що поглинається поверхнею земної кулі, витрачається потім на випаровування та перенесення тепла турбулентними потоками. На випаровування йде у середньому по планеті близько 80%, але в турбулентний теплообмін - інші 20% від загального тепла.

Процеси теплообміну та зміни з географічною широтою його складових в океані та на суші відрізняються великою своєрідністю. Все тепло, що поглинається сушею навесні та влітку, повністю втрачається восени та взимку; при збалансованому річному бюджеті тепла він, отже, повсюдно виявляється рівним нулю.

У Світовому океані завдяки великій теплоємності води та її рухливості у низьких широтах відбувається накопичення тепла, звідки воно переноситься течією у високі широти, де його витрачання перевищує надходження. Таким чином, покривається дефіцит, що створюється в теплообміні води з повітрям.

В екваторіальній зоні Світового океану при великій величині сонячної радіації, що поглинається, і зниженому витрачанні енергії річний бюджет тепла має максимальні позитивні значення. З віддаленням від екватора позитивний річний бюджет тепла зменшується через збільшення витратних складових теплообміну, переважно випаровування. З переходом від тропіків до помірних широт бюджет тепла стає негативним.

У межах суші все тепло, що отримується у весняно-літній час, витрачається в осінньо-зимовий період. У водах Світового океану за довгу історію Землі накопичилося величезна кількість тепла рівну 7,6 * 10 ^ 21 ккал. Акумуляція такої великої маси пояснюється високою теплоємністю води та її інтенсивним перемішуванням, у процесі якого відбувається досить складний перерозподіл тепла у товщі океаносфери. Теплоємність усієї атмосфери в 4 рази менша, ніж у десятиметрового шару вод Світового океану.

Незважаючи на те, що питома вага сонячної енергії, що йде на турбулентний теплообмін між поверхнею Землі та повітрям, порівняно невелика, вона є основним джерелом нагрівання приповерхневої частини атмосфери. Інтенсивність цього теплообміну залежить від різниці температур між повітрям і поверхнею, що підстилає (водою або сушею). У низьких широтах планети (від екватора приблизно до сорокових широт обох півкуль) повітря нагрівається головним чином від суші, нездатної акумулювати сонячну енергію і віддає все атмосфері, що отримується тепло. За рахунок турбулентного теплообміну повітряна оболонка отримує від 20 до 40 ккал/см2 на рік, а в областях з малим зволоженням (Сахара, Аравія та ін) - навіть більше 60 ккал/см2. Води ж у цих широтах накопичують тепло, віддаючи повітря в процесі турбулентного теплообміну лише 5-10 ккал/см2 на рік і менше. Тільки в окремих районах (обмеженій площі) вода в середньому за рік виявляється холоднішою і тому одержує тепло від повітря (в екваторіальній зоні, на північному заході Індійського океану, а також біля західного узбережжя Африки та Південної Америки).

Сторінка 1

Великий геологічний кругообіг залучає осадові породи вглиб земної кори, надовго вимикаючи елементи із системи, що містяться в них. біологічного круговороту. В ході геологічної історіїперетворені осадові породи, знову опинившись на поверхні Землі, поступово руйнуються діяльністю живих організмів, води та повітря і знову входять у біосферний кругообіг.

Великий геологічний кругообіг відбувається протягом сотень тисяч чи мільйонів років. Він полягає в наступному: гірські породи зазнають руйнування, вивітрювання і змиваються потоками води в Світовий океан. Тут вони відкладаються на дні, утворюючи осадові породи, і лише частково повертаються на сушу з організмами, витягнутими з води людиною чи іншими тваринами.

В основі великого геологічного кругообігу лежить процес перенесення мінеральних сполук з одного місця до іншого в масштабі планети без участі живої речовини.

Крім малого круговороту існує великий, геологічний кругообіг. Частина речовин потрапляє в глибинні шари Землі (через донні відкладення морів чи іншим шляхом), де відбуваються повільні перетворення з утворенням різних сполук, мінеральних та органічних. Процеси геологічного круговороту підтримуються переважно внутрішньої енергією Землі, її активного ядра. Ця ж енергія сприяє виходу речовин до Землі. Тим самим великий кругообіг речовин замикається. Він займає мільйони років.

Щодо швидкості і інтенсивності великого геологічного круговороту речовин в даний час не можна навести хоч би будь-які точні дані, існують лише наближені оцінки, і то лише для екзогенної складової загального циклу, тобто. без урахування припливу речовини з мантії до земної кори.

Цей вуглець бере участь у великому геологічному кругообігу. Цей вуглець у процесі малого біотичного круговороту підтримує газовий баланс біосфери та життя в цілому.

Твердий стік деяких річок світу.

Внесок біосферних та техносферних компонентів у великий геологічний кругообіг речовин Землі дуже суттєвий: відзначається постійно прогресуючий ріст техносферних компонентів за рахунок розширення сфери виробничої діяльності людини.

Оскільки на земній поверхні основний технобйо-геохімічний потік спрямований в рамках великого геологічного кругообігу речовин для 70 % суші в океан і для 30 % - у замкнуті безстічні депресії, але завжди від вищих позначок до нижчих, в результаті дії гравітаційних сил відповідно йде і диференціація речовини земної кори від високих позначок до низьких, від суші до океану. Зворотні потоки (атмосферне перенесення, діяльність людини, тектонічні рухи, вулканізм, міграція організмів) якоюсь мірою ускладнюють цей загальний низхідний рух речовини, створюючи локальні міграційні цикли, але не змінюють його в цілому.

Кругообіг води між сушею та океаном через атмосферу відноситься до великого геологічного кругообігу. Вода випаровується з поверхні Світового океану і переноситься на сушу, де випадає у вигляді опадів, які знову повертаються в океан у вигляді поверхневого і підземного стоку, або випадає у вигляді опадів на поверхню океану. У кругообігу води Землі щорічно бере участь понад 500 тис. км3 води. Кругообіг води загалом відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами та поглинання їх у біогеохімічному циклі весь запас води Землі розпадається і відновлюється за 2 млн років.

За його формулюванням, біологічний кругообіг речовин розвивається на частині траєкторії великого, геологічного круговороту речовин у природі.

Перенесення речовини поверхневими та підземними водами- це головний за обсягом фактор диференціації суші земної кулі в геохімічному відношенні, але не єдиний, а якщо говорити про великий геологічний кругообіг речовин на земній поверхні в цілому, то в ньому дуже істотну рольграють і потоки, зокрема океанічні та атмосферні переноси.

Щодо швидкості й інтенсивності великого геологічного круговороту речовин нині не можна навести хоч би там не було точні дані, існують лише наближені оцінки, і те лише екзогенної складової загального циклу, тобто. без урахування припливу речовини з мантії до земної кори. Екзогенна компонента великого геологічного круговороту речовин - це процес денудації земної поверхні, що постійно йде.

Сторінка 1

Геологічний кругообіг (великий кругообіг речовин у природі) - кругообіг речовин, рушійною силоюякого є екзогенні та ендогенні геологічні процеси.

Геологічний кругообіг - кругообіг речовин, рушійною силою якого є екзогенні та ендогенні геологічні процеси.

Межі геологічного круговороту значно ширші меж біосфери, його амплітуда захоплює верстви земної кори далеко поза біосфери. І, найголовніше, - у процесах зазначеного круговороту живі організми відіграють другорядну роль.

Таким чином, геологічний кругообіг речовин протікає без участі живих організмів і здійснює перерозподіл речовини між біосферою та глибшими шарами Землі.

Найважливішу роль великому циклі геологічного круговороту грають малі цикли речовини, як біосферні, і техносферні, потрапивши у які речовина надовго вимикається з великого геохімічного потоку, трансформуючись у нескінченних циклах синтезу і розкладання.

Найважливішу роль великому циклі геологічного круговороту грають малі цикли речовини, як біосферні, і техносферні, потрапивши у які, речовина надовго вимикається з великого геохімічного потоку, трансформуючись у нескінченних циклах синтезу і розкладання.

Цей вуглець бере участь у повільному геологічному кругообігу.

Саме цей вуглець бере участь у повільному геологічному кругообігу. Життя Землі і газовий баланс атмосфери підтримуються що у малому (біогенному) кругообігу щодо невеликими кількостями вуглецю, що у рослинних (5 10й т) і тварин (5 109 т) тканинах. Однак у час людина інтенсивно замикає він кругообіг речовин, зокрема вуглецю. Так, наприклад, підраховано, що сумарна біомаса всіх свійських тварин уже перевищує біомасу всіх диких наземних тварин. Площі рослин, що культивуються, наближаються до площ природних біогеоценозів, і багато культурних екосистем за своєю продуктивністю, безперервно підвищуваною людиною, значно перевершують природні.

Найбільш масштабним у часі та у просторі є так званий геологічний кругообіг речовин.

Розрізняють 2 типи круговороту речовин у природі: великий або геологічний кругообіг речовин між сушею та океаном; малий чи біологічний - між грунтом та рослинами.

Вода, що видобувається рослиною з ґрунту, в пароподібному стані потрапляє в атмосферу, потім, охолоджуючись, конденсується і знову у вигляді опадів повертається в ґрунт або океан. Геологічний кругообіг води забезпечує механічний перерозподіл, осадження, накопичення твердих опадів на суші та на дні водойм, а також у процесі механічного руйнування грунтів та гірських порід. Однак хімічна функція води здійснюється за участю живих організмів або продуктів їхньої життєдіяльності. Природні води, як і ґрунти, - складна біокісна речовина.

Геохімічна діяльність людини стає порівнянною за масштабами з біологічними та геологічними процесами. У геологічному кругообігу різко зростає ланка денудації.

Чинником, який накладає основний відбиток на загальний характер та біологічний. Разом з тим геологічний кругообіг води безперервно прагне вимити всі ці елементи з товщ рушника суші в басейн океану. Тому збереження елементів їжі рослин у межах суші вимагає звернення їх у абсолютно нерозчинну у воді форму. Цій вимогі відповідає живе органіч.

Малий (біологічний) кругообіг

Маса живої речовини біосфери порівняно мала. Якщо її розподілити по земній поверхні, то вийти шар лише 1,5 див. У таблиці 4.1 зіставлені деякі кількісні властивості біосфери та інших геосфер Землі. Біосфера, складаючи менше 10-6 маси інших оболонок планети, має незрівнянно велику різноманітність і оновлює свій склад у мільйон разів швидше.

Таблиця 4.1

Порівняння біосфери з іншими геосферами Землі

*Жива речовинау розрахунку на живу вагу

4.4.1. Функції біосфери

Завдяки біоті біосфери здійснюється переважна частина хімічних перетворень планети. Звідси судження В.І. Вернадського про величезну перетворюючу геологічної роліживої речовини. Впродовж органічної еволюціїживі організми тисячоразово (для різних кругообігів від 103 до 105 разів) пропустили через себе, через свої органи, тканини, клітини, кров усю атмосферу, весь обсяг Світового океану, більшу частину маси ґрунтів, величезну масу мінеральних речовин. І не тільки пропустили, а й відповідно до своїх потреб видозмінили земне середовище.

Завдяки здатності трансформувати сонячну енергію в енергію хімічних зв'язків рослини та інші організми виконують низку фундаментальних біогеохімічних функцій планетарного масштабу.

Газова функція. Живі істоти постійно обмінюються киснем та вуглекислим газом із навколишнім середовищем у процесах фотосинтезу та дихання. Рослини відіграли вирішальну роль у зміні відновного середовища на окислювальну в геохімічній еволюції планети та у формуванні газового складу сучасної атмосфери. Рослини суворо контролюють концентрації О2 та СО2, оптимальні для сукупності всіх сучасних живих організмів.

Концентраційна функція. Пропускаючи через своє тіло великі обсяги повітря та природних розчинів, живі організми здійснюють біогенну міграцію (рух хімічних речовин) та концентрування хімічних елементів та їх сполук. Це відноситься до біосинтезу органіки, утворення коралових островів, будівництво раковин і скелетів, поява товщ осадових вапняків, родовищ деяких металевих руд, скупчення залізно-марганцевих конкрецій, на дні океану і т. д. Ранні етапи біологічної еволюції проходили в водному середовищі. Організми навчилися вилучати з розбавленого водного розчину необхідні їм речовини, багаторазово збільшуючи їх концентрацію у своєму тілі.

Окисно – відновна функція живої речовини тісно пов'язана з біогенною міграцією елементів та концентруванням речовин. Багато речовин у природі стійкі і піддаються окисленню за звичайних умов, наприклад, молекулярний азот – одне із найважливіших біогенних елементів. Але живі клітини мають настільки потужні каталізатори – ферменти, що здатні здійснювати багато окислювально-відновних реакцій у мільйони разів швидше, ніж це може відбуватися в абіотичному середовищі.

Інформаційна функція живої речовини біосфери. Саме з появою перших примітивних живих істот на планеті з'явилася і активна (жива) інформація, що відрізняється від тієї мертвої інформації, яка є простим відображенням структури. Організми виявилися здатними для отримання інформації шляхом з'єднання потоку енергії з активною молекулярною структурою, що грає роль програми. Здатність сприймати, зберігати та переробляти молекулярну інформацію здійснила випереджальну еволюцію в природі і стала найважливішим екологічним системоутворюючим фактором. Сумарний запас генетичної інформації біоти оцінюється у 1015 біт. Загальна потужність потоку молекулярної інформації, пов'язаної з обміном речовин та енергії у всіх клітинах глобальної біоти досягає 1036 біт/с (Горшков та ін, 1996).

4.4.2. Складові біологічного круговороту.

Біологічний кругообіг здійснюється між усіма складовими біосфери (тобто між ґрунтом, повітрям, водою, тваринами, мікроорганізмами тощо). Він відбувається за обов'язкової участі живих організмів.

Сонячне випромінювання, що досягає біосфери, несе в собі енергію близько 2,5*1024 Дж на рік. Тільки 0,3% її безпосередньо перетворюється на процесі фотосинтезу в енергію хімічних зв'язків органічних речовин, тобто. залучається до біологічного кругообігу. А 0,1 - 0,2% сонячної енергії, що падає на Землю, виявляється укладеною в чистій первинної продукції. Подальша доляЦя енергія пов'язана з передачею органічної речовини їжі по каскадах трофічних ланцюгів.

Біологічний кругообіг умовно можна розділити на взаємопов'язані складові: кругообіг речовин і енергетичний кругообіг.

4.4.3. Енергетичний кругообіг. Трансформація енергії у біосфері

Екосистему можна описати як сукупність живих організмів, які безперервно обмінюються енергією, речовиною, інформацією. Енергію можна визначити як здатність виконувати роботу. Властивості енергії, у тому числі рух енергії в екосистемах, описуються законами термодинаміки.

Перший закон термодинаміки або закон збереження енергії стверджує, що енергія не зникає і не створюється заново, вона лише переходить із однієї форми до іншої.

Другий закон термодинаміки стверджує, що у замкнутій системі ентропія може лише зростати. Стосовно енергії в екосистемах зручне наступне формулювання: процеси, пов'язані з перетворенням енергії, можуть відбуватися мимовільно лише за умови, що енергія переходить із концентрованої форми на розсіяну, тобто деградує. Міра кількості енергії, яка стає недоступною для використання, або інакше міра зміни упорядкованості, що відбувається при деградації енергії, є ентропією. Чим вища упорядкованість системи, тим менша її ентропія.

Іншими словами, жива речовина отримує і трансформує енергію космосу, сонця в енергію земних процесів (хімічну, механічну, теплову, електричну). Залучає цю енергію та неорганічну матерію в безперервний кругообіг речовин у біосфері. Потік енергії у біосфері має один напрямок – від Сонця через рослини (автотрофи) до тварин (гетеротрофи). Природні незаймані екосистеми у стійкому стані з постійними найважливішими екологічними показниками (гомеостаз) є найбільш упорядкованими системами і характеризуються найменшою ентропією.

4.4.4. Кругообіг речовин у живій природі

Утворення живої речовини та її розкладання – дві сторони єдиного процесу, що називається біологічним кругообігом хімічних елементів. Життя – кругообіг хімічних елементів між організмами та середовищем.

Причина круговороту – обмеженість елементів, у тому числі будуються тіла організмів. Кожен організм витягує з довкіллянеобхідні для життєдіяльності речовини та повертає невикористані. При цьому:

одні організми споживають мінеральні речовини безпосередньо з довкілля;

інші використовують продукти, перероблені та виділені першими;

треті – другими тощо, доки речовини не повернуться у довкілля у початковому стані.

У біосфері очевидна необхідність співіснування різних організмів, здатних використовувати продукти життєдіяльності одне одного. Ми бачимо практично безвідходне біологічне виробництво.

Кругообіг речовин у живих організмах умовно можна звести до чотирьох процесів:

1.Фотосинтез. В результаті фотосинтезу рослини засвоюють та акумулюють сонячну енергію та синтезують з неорганічних речовин органічні речовини – первинну біологічну продукцію – та кисень. Первинна біологічна продукція відрізняється великою різноманітністю – містить вуглеводи (глюкозу), крохмаль, клітковину, білки, жири.

Схема фотосинтезу найпростішого вуглеводу (глюкози) має таку схему:

Цей процес протікає лише вдень та супроводжується збільшенням маси рослин.

На Землі щорічно в результаті фотосинтезу утворюється близько 100 млрд т органічної речовини, засвоюється близько 200 млрд т вуглекислого газу, виділяється приблизно 145 млрд т кисню.

Фотосинтезу належить вирішальна роль забезпеченні існування життя Землі. Його глобальне значення пояснюється тим, що фотосинтез є єдиним процесом, під час якого енергія в термодинамічному процесі згідно з мінімалістським принципом не розсіюється, а навпаки – накопичується.

Синтезуючи необхідні для побудови амінокислотних білків, рослини можуть існувати відносно незалежно від інших живих організмів. У цьому виявляється автотрофність рослин (самостійність у харчуванні). У той самий час зелена маса рослин і кисень, що утворюється у процесі фотосинтезу, є основою підтримки життя наступної групи живих організмів – тварин, мікроорганізмів. У цьому вся проявляється гетеротрофність цієї групи організмів.

2. Дихання. Процес зворотного фотосинтезу. Відбувається у всіх живих клітинах. При диханні органічна речовина окислюється киснем, у результаті утворюється вуглекислий газ, вода та виділяється енергія.

3. Харчові (трофічні) зв'язки між автотрофними та гетеротрофними організмами. У даному випадкувідбувається перенесення енергії та речовини за ланками харчового ланцюга, які докладніше були нами розглянуті раніше.

4. Процес транспірації. Один із найважливіших процесів у біологічному кругообігу.

Схематично його можна описати в такий спосіб. Рослини поглинають ґрунтову вологу корінням. При цьому в них надходять розчинені у воді мінеральні речовини, які засвоюються, а волога більш менш інтенсивно випаровується в залежності від умов середовища.

4.4.5. Біогеохімічні цикли

Геологічний та біологічний кругообіг пов'язані – вони існують як єдиний процес, народжуючи циркуляцію речовин, так звані біогеохімічні цикли (БГХЦ). Цей кругообіг елементів обумовлений синтезом і розпадом органічних речовин в екосистемі (рис.4.1) У БГХЦ задіяні не всі елементи біосфери, а лише біогенні. З них складаються живі організми, ці елементи вступають у численні реакції та беруть участь у процесах, що протікають у живих організмах. У відсотковому співвідношенні сукупна маса живої речовини біосфери складається з таких основних біогенних елементів: кисню – 70%, вуглецю – 18%, водню – 10,5%, кальцію – 0,5%, калію – 0,3%, азот – 0, 3% (кисень, водень, азот, вуглець присутні у всіх ландшафтах і є основою живих організмів – 98%).

Сутність біогенної міграції хімічних елементів.

Таким чином, у біосфері мають місце біогенний кругообіг речовин (тобто кругообіг, викликаний життєдіяльністю організмів) і односпрямований потік енергії. Біогенна міграція хімічних елементів визначається переважно двома протилежними процесами:

1. Утворення живої речовини з елементів довкілля з допомогою сонячної енергії.

2. Руйнування органічних речовин, що супроводжується виділенням енергії. При цьому елементи мінеральних речовин багаторазово потрапляють у живі організми, входячи тим самим до складу складних органічних сполук, форм, а потім при руйнуванні останніх знову набувають мінеральної форми.

Існують елементи, що входять до складу живих організмів, але не належать до біогенних. Такі елементи класифікуються за їхньою ваговою часткою в організмах:

Макроелементи – складові щонайменше 10-2% маси;

Мікроелементи - складові від 9 * 10-3 до 1 * 10-3% маси;

Ультрамікроелементи - менше 9 * 10-6% маси;

Щоб визначити місце біогенних елементів серед інших хімічних елементів біосфери, розглянемо класифікацію, прийняту в екології. За активністю в процесах, що протікають в біосфері, всі хімічні елементи ділять на 6 груп:

Шляхетні гази – гелій, неон, аргон, криптон, ксенон. Інертні гази до складу живих організмів не входять.

Шляхетні метали – рутеній, радій, паладій, осмій, іридій, платина, золото. Ці метали майже не створюють сполук у земній корі.

Циклічні чи біогенні елементи (їх ще називають міграційними). Цю групу біогенних елементів у земної корі припадає 99,7% всієї маси, але в інші 5 груп – 0,3%. Таким чином, основна маса елементів – це мігранти, які здійснюють кругообіг у географічній оболонціа частина інертних елементів дуже мала.

Розсіяні елементи, що характеризуються переважанням вільних атомів. Вступають у хімічні реакції, та їх сполуки рідко зустрічаються у земної корі. Поділяються на дві підгрупи. Перша – рубідій, цезій, ніобій, тантал – створюють сполуки у глибинах земної кори, але в поверхні їх мінерали руйнуються. Друга – йод, бром – вступають у реакції лише з поверхні.

Радіоактивні елементи – полоній, радон, радій, уран, нептуній, плутоній.

Рідкоземельні елементи – ітрій, самарій, європій, тулій тощо.

Цілорічно біохімічні цикли надають руху близько 480 млрд. т. речовини.

В.І. Вернадський сформулював три біогеохімічні принципи, які пояснюють сутність біогенної міграції хімічних елементів:

Біогенна міграція хімічних елементів у біосфері завжди прагне максимального прояву.

Еволюція видів у ході геологічного часу, що веде до створення стійких форм життя, йде у напрямку, що посилює біогенну міграцію атомів.

Жива речовина знаходиться в безперервному хімічному обміні з навколишнім середовищем, що є фактором, що відтворює та підтримує біосферу.

Розглянемо, як рухаються у біосфері деякі з цих елементів.

Кругообіг вуглецю. Головним учасником біотичного кругообігу є вуглець як основа органічних речовин. Переважно кругообіг вуглецю відбувається між живою речовиною та вуглекислим газом атмосфери в процесі фотосинтезу. З їжею його одержують травоїдні, від травоїдних – хижаки. При диханні, гниття вуглекислий газ частково повертається в атмосферу, повернення відбувається при спалюванні корисних копалин органічних.

За відсутності повернення вуглецю в атмосферу він був би витрачений зеленими рослинами за 7-8 років. Швидкість біологічного обігу вуглецю через фотосинтез – 300 років. Світовий океан відіграє велику роль у регулюванні вмісту СО2 в атмосфері. Якщо в атмосфері підвищується вміст СО2, частина розчиняється у воді, вступаючи в реакцію з карбонатом кальцію.

Кругообіг кисню.

Кисень має високу хімічну активність, вступає в сполуки практично з усіма елементами земної кори. Зустрічається переважно як сполук. Кожен четвертий атом живої речовини – атом кисню. Майже весь молекулярний кисень в атмосфері виник і підтримується постійно завдяки діяльності зелених рослин. Кисень атмосфери, зв'язуючись при диханні та звільняючись при фотосинтезі, проходить через усі живі організми за 200 років.

Кругообіг азоту. Азот є складовоювсіх білків. Загальне відношення зв'язаного азоту як елемента, що становить органічну речовину, до азоту в природі дорівнює 1:100000. Енергія хімічного зв'язку у молекулі азоту дуже велика. Тому з'єднання азоту коїться з іншими елементами – киснем, воднем (процес азотофиксации) – вимагає великих витрат енергії. Промислова фіксація азоту йде в присутності каталізаторів при температурі -500оС та тиску -300 атм.

Як відомо, атмосфера містить понад 78% молекулярного азоту, але в такому стані він не доступний зеленим рослинам. Для свого харчування рослини можуть використовувати лише солі азотної та азотистої кислот. Які шляхи утворення цих солей? Ось деякі з них:

У біосфері фіксація азоту здійснюється декількома групами анаеробних бактерій та ціанобактерій при нормальній температурі та тиску завдяки високій ефективності біокаталізу. Вважається, що бактерії переводять у пов'язану форму приблизно 1 млрд. т азоту на рік (світовий обсяг промислової фіксації – близько 90 млн. т).

Ґрунтові азотофіксуючі бактерії здатні засвоювати молекулярний азот із повітря. Вони збагачують ґрунт азотистими сполуками, тому їхнє значення надзвичайно велике.

В результаті розкладання азотовмісних сполук органічних речовин рослинного та тваринного походження.

Під дією бактерій азот перетворюється на нітрати, нітрити, амонійні сполуки. У рослинах сполуки азоту беруть участь у синтезі білкових сполук, які у ланцюгах живлення передаються від організму до організму.

Кругообіг фосфору. Ще одним важливим елементом без якого неможливий синтез білків є фосфор. Основні джерела – вивержені породи (апатити) та осадові породи (фосфорити).

Неорганічний фосфор залучається до кругообігу внаслідок природних процесів вилуговування. Фосфор засвоюється живими організмами, які з його участі синтезують ряд органічних сполук і передають різні трофічні рівні.

Закінчивши свій шлях по трофічним ланцюгам, органічні фосфати розкладаються мікробами і перетворюються на мінеральні фосфати, доступні для зелених рослин.

У процесі біологічного круговороту, що забезпечує рух речовини та енергії, немає місця накопиченню відходів. Продукти життєдіяльності (тобто відходи) кожної форми життя є живильним середовищем для інших організмів.

Теоретично в біосфері завжди повинен підтримуватись баланс між продукуванням біомаси та її розкладанням. Однак у окремі геологічні періоди збалансованість біологічного круговороту порушувалася, коли через певні природні умови, катаклізмів не вся біологічна продукція засвоювалася, трансформувалася. У цих випадках утворювалися надлишки біологічної продукції, які консервувалися та відкладалися у земній корі, під товщею води, наносів, опинялися у зоні вічної мерзлоти. Так сформувалися поклади кам'яного вугілля, нафти, газу, вапняку. Слід зазначити, що вони не засмічують біосферу. В органічних з корисними копалинами сконцентрувалася енергія Сонця, накопичена у процесі фотосинтезу. Зараз, спалюючи органічні горючі корисні копалини, людина вивільняє цю енергію.

Щоб біосфера продовжувала існувати, щоб рух (розвиток) її не припинялося, Землі постійно має відбуватися кругообіг біологічно важливих речовин. Цей перехід біологічно важливих речовин із ланки в ланку може здійснюватися лише за певних витрат енергії, джерелом якої є Сонце.

Сонячна енергія забезпечує на Землі два круговороти речовин:

- геологічний (абіотичний), або великий, кругообіг;

- біологічний (біотичний), або малий, кругообіг.

Геологічний кругообіг найбільш чітко виявляться у кругообігу води та циркуляції атмосфери.

На Землю від Сонця щорічно надходить приблизно 21 10 20 кДж променистої енергії. Близько половини її витрачається на випаровування води. Це і обумовлює великий кругообіг.

Кругообіг води в біосфері заснований на тому, що сумарне її випаровування з поверхні Землі компенсується випаданням опадів. При цьому з океану випаровується більше води, ніж повертається з опадами. На суші, навпаки, більше випадає опадів, ніж випаровується вода. Надлишки її стікають у річки та озера, а звідти – знову в океан.

В процесі геологічного кругообігу води з одного місця в інше в масштабі всієї планети переносяться мінеральні сполуки, а також змінюється агрегатний стан води (рідка, тверда – сніг, лід; газоподібна – пари). Найбільш інтенсивно вода циркулює у пароподібному стані.

З появою живої речовини з урахуванням круговороту атмосфери, води, розчинених у ній мінеральних сполук, тобто. на базі абіотичного, геологічного круговороту виник кругообіг органічної речовини, або малий, біологічний кругообіг.

З розвитком живої матерії з геологічного круговороту постійно витягується дедалі більше елементів, які входять у новий, біологічний кругообіг.

На відміну від простого перенесення-переміщення мінеральних елементів у великому (геологічному) кругообігу, у малому (біологічному) кругообігу найважливішими моментами є синтез та руйнування органічних сполук. Ці два процеси знаходяться у певному співвідношенні, що лежить в основі життя і становить одну з головних її особливостей.

На противагу геологічному, біологічний кругообіг має нижчу енергію. На створення органічної речовини, як відомо, витрачається всього 0,1-0,2%, що падає на Землю сонячної енергії (на геологічний кругообіг – до 50%). Незважаючи на це енергія, залучена в біологічний кругообіг, витрачається на велику роботу зі створення на Землі первинної продукції.

З появою на Землі живої матерії хімічні елементи безперервно циркулюють у біосфері, переходячи з зовнішнього середовищав організми і назад у зовнішнє середовище.

Така циркуляція хімічних елементів більш-менш замкнутими шляхами, що протікає з використанням сонячної енергії через живі організми, називається біогеохімічним кругообігом (циклом).

Основними біогеохімічними циклами є кругообіги кисню, вуглецю, азоту, фосфору, сірки, води та біогенних елементів.

Кругообіг вуглецю.

На суші кругообіг вуглецю починається з фіксації вуглекислого газу рослинами в процесі фотосинтезу. Далі з вуглекислого газу та води утворюються вуглеводи та вивільняється кисень. При цьому вуглець частково виділяється під час дихання рослин у складі вуглекислого газу. Фіксований у рослинах вуглець певною мірою споживається тваринами. Тварини під час дихання також виділяють вуглекислий газ. Ті, що віджили тварини і рослини розкладаються мікроорганізмами, внаслідок чого вуглець мертвої органічної речовини окислюється до вуглекислого газу і знову потрапляє в атмосферу.

Подібний кругообіг вуглецю відбувається і в океані.

Кругообіг азоту.

Кругообіг азоту, як і інші біогеохімічні цикли, охоплює всі галузі біосфери. Кругообіг азоту пов'язаний з його перетворенням на нітрати за рахунок діяльності азотфіксуючих та нітрифікуючих бактерій. Нітрати засвоюються рослинами із ґрунту або води. Рослини поїдаються тваринами. Зрештою, редуценти знову переводять азот у газоподібну форму і повертають його в атмосферу.

У сучасних умовах у кругообіг азоту втрутилася людина, яка вирощуючи на великих площах азотфіксуючі бобові рослини, штучно пов'язує природний азот. Вважається, що сільське господарство та промисловість дають майже на 60% більше фіксованого азоту, ніж природні наземні екосистеми.

Подібний кругообіг азоту спостерігається і у водному середовищі.

Кругообіг фосфору.

На відміну від вуглецю та азоту сполуки фосфору знаходяться у гірських породах, які піддаються ерозії та вивільняють фосфати. Більшість їх потрапляє в моря і океани і частково знову може бути повернена на сушу через морські харчові ланцюги, що закінчуються рибоїдними птахами. Деяка частина фосфатів потрапляє у ґрунт і поглинається корінням рослин. Засвоєння фосфору рослинами залежить від кислотності ґрунтового розчину: у міру підвищення кислотності практично нерозчинні у воді фосфати перетворюються на добре розчинну фосфорну кислоту. Далі рослини поїдаються тваринами.

Основними ланками біогеохімічних циклів виступають різні організми, різноманіття форм яких зумовлює інтенсивність протікання кругообігів і залучення до них практично всіх елементів земної кори.

У цілому нині кожен кругообіг будь-якого хімічного елемента є частиною загального грандіозного круговороту речовин Землі, тобто. вони тісно пов'язані між собою.