Круговорот энергии в биосфере
Круговороты вещества и энергии в биосфере
В биосфере, как и в каждой подчиненной ей экосистеме, между собой и с окружающей средой взаимодействуют продуценты, консументы, детритофаги и редуценты В процессе этого взаимодействия живые организмы ство орюють определенный поток веществ и энергии от одних компонентов системы к другим, чем и обеспечивается целостность и устойчивое поддержание жизни биосферы как глобальной экосистемы есть из различных химических е криков и их соединений, поддерживающих жизнь отдельных видов, в биосфере формируется общий (глобальный) круговорот веществ и энергииії.
Как уже было отмечено выше, масса живого вещества называется биомассой Она выражается в единицах массы сухого или сырого вещества отношении единиц площади или объема любого места проживания организмов в Общая масса живого вещества биосферы в сухом виде составляет примерно 4 * 1018 г, в миллиард раз меньше массы Земли, равной 5,98 * 1027г Суммарное количество биомассы, образовавшейся сквозняков м конкретного периода, характеризует биопродуктивность Установлено, что наибольшую производительность имеют пойменные сгущения живого вещества: при площади менее 1%, они производят около 10% живой ве вине суши, Фотосинтезирующие живые организмы составляют 99% всей массы живого вещества Масса живого вещества океана составляет менее 0,2%, от биомассы суши Но производительность океана, т.е. производство биомассы в единицу времени и на единицу площади, примерно равна производительности биомассы рослирослин.
Живое вещество, в отличие от косного, имеет такое свойство: все химические реакции в ней происходят упорядоченно и в менее жестких условиях, чем при производстве веществ чисто химическими методами Так, жиры и и углеводы окисляются в организме при температуре около 37 ° С, а вне его - в 400-500 ° С В промышленных условиях для получения аммиака из молекул азота и водорода необходима температура 500 ° С и висок й давление, а в теле микроорганизмов эта реакция происходит при обычных температур и атмосферного давления Непрерывно размножаясь, живые организмы образуют поток поколений: на смену погибшим появляются новые существа Тем самым современная живое вещество по происхождению связана с живым веществом прошлых геологических эпох ней большая химическая разнообразиеість.
Большой и малый круговороты веществ и энергии
Круговорот веществ проявляется в многократном участия веществ в процессах, происходящих в атмосфере, гидросфере, литосфере и в том числе в тех их слоях, входящих в состав биосферы Различают дв ва основных круговороты веществ: большой (геологический) и малый (биологический, или биотический), которые охватывают всю планету.
Геологический (большой) круговорот - это обмен веществами между сушей и Мировым океаном Прежде происходит глобальная циркуляция воды, т.е. сначала выпадения атмосферных осадков, затем - поверхностный и подземный сток, инфильтрация, испарение и наконец - конденсация, затем снова выпадают осадки На круговорот воды расходуется почти треть всей солнечной энергии, поступающей к Земле Разо м с водой движутся огромные массы растворенных в ней химических веществ, которые в океане осидаються на дно в виде делювиальных отложений или осадка Вода - основной элемент, необходимый для жизни Количественно это наиболее распространенная неорганическая составляющая живой материи Например, у человека вода занимает 70% массы тела, у грибов - 80%, у некоторых видов медуз - 98% Гидросфера охватывает около 75% поверхности земного ша и (363 млн км2) Предполагают, что суммарное испарение уравновешивается выпадением осадков Из океана испаряется больше воды, чем попадает в него с осадками, на суше наоборот, меньше Так называемые лишние опад и суши попадают в ледники, пополняют грунтовые воды и в конце концов оказываются в озерах и реках, возвращаясь постепенно со стоком в океан Итак, круговорот воды между океаном и сушей является обязательным ум овою обмена веществ между органической и неорганической природыою природою.
Таким образом, особое внимание следует уделить двум главным аспектам круговорота воды Во-первых, море теряет из-за испарения больше воды, чем получает с осадками, на суше ситуация противоположная есть значительная на часть осадков, которая поддерживает экосистемы суши, состоит из воды, которая испаряется с моря Во-вторых, разница между количеством осадков в год и годовым стоком составляет 0,8 геограма (1011 т), это и есть вел ичина годового поступления воды в подпочвенные водоносные горизонты В настоящее время в результате деятельности человека сток увеличивается, поэтому пополнение очень важного фонда грунтовых вод сокращаетсяться.
Воздухообмен между всеми широтами и обоими полушариями Земли происходит в среднем за два года Активно перемещается течениями океаническая вода, в океане нет таких зон, где бы она длительное время находилась а в застойном состоянии Вся пресная вода суши стекает в океан за 14 суток, в ледниках вода обновляется за 15 тыс Рокиків.
Большой круговорот веществ не является замкнутым: определенное количество веществ изымается из круговорота и сохраняется в осадочных породах в виде известняков, торфа, нефти и других пород и минералов Этим забезпечует ться поступательное развитие земной коры и биосферы Согласно концепции великого круговорота веществ и энергии в биосфере, изверженные глубинные породы мантийного происхождения (например, базальты) тектонические ими процессами выводятся из недр Земли в биосферу Под влиянием солнечной энергии и живого вещества они выветриваются, переносятся, вновь откладываются, превращаясь при этом в разнообразные осадочные пор оды В осадочных породах концентрируется и запасается солнечная энергия (например, из изверженных минералов образуются глины, а вулканические газы переходят в уголь, нефтьфту).
Далее за счет тектонических движений осадочные породы попадают в зоны высоких давлений и температур Земли, где из них высвобождается солнечная энергия, происходят процессы метаморфозу и переплавки, что приз сводит к образованию гранитных пору.
кристаллизованный изверженные породы опять за счет восходящих тектонических движений попадают в биосферу Таким образом цикл завершается, но уже на новом уровне, ведь из исходных базальтов образовались виверже карманы породы гранитного состава Итак, великий круговорот веществ и энергии в биосфере можно определить как эволюцию земной коры от океанического типа (базальтовой) до материкового типа (гранитнойї).
Для биосферы в целом, как и для земной коры, характерные ритмичность и цикличность развития, что проявляется во всем: в процессах магматизма, осадкообразования, изменениях климата и др. Наиболее ритмичный, пос ступальний развитие присущий живым организмам Установлены ритмы и циклы разной продолжительности: от 11-летнего, обусловленного солнечной активностью, в мегацикла в 180-240 млн лет, что совпадает с галактическим м годом, то есть временем оборота Земли вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики При этом имеет место не просто повторение процессов, а их поступательное развитоток.
Малым, или биологическим, круговоротом веществ называют обмен химическими элементами между живыми организмами и неживыми (косного) компонентами биосферы - атмосферой, гидросферой и литосферой Иными словам мы, это две стороны единого процесса - образования живого вещества и его расписание Этот круговорот характеризуется тем, что сначала живое вещество заряжается энергией, а затем в процессе разложения органических концов ок энергия возвращается в окружающую среду Биологический круговорот - это циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами (рис 42) Эта циркуляция происходит в такой помет вности: сначала минеральные вещества и энергия поглощаются из окружающей среды и включаются в состав растительных организмов, затем от растений через трофические цепи они переходят в организм и животных и других консументов и далее через звено редуцентов возвращаются обратно в почву или атмосферосферу.
Биологический круговорот веществ и энергии характерен для экосистем любого уровня организации - от отдельного комплекса живых организмов до биосферы в целом Организмы привлекают атомы биогенных вещественные вин из косного части биосферы и включают их к своему организму, где поглощены вещества поступают в различные биохимические реакции, а затем выделяются во внешнюю среду в виде продуктов життед ияльности или мертвых тел Организованное таким образом жизнь на Земле существует уже миллиарды лет (рис 424.2)
Геологический и биологический круговороты тесно взаимосвязаны, взаимодействуют между собой, иногда сливаясь воедино Но все же структурно и функционально они существенно отличаются биологическом круговороте в присущи следующие характерные особенности по сравнению с геологическимм:
его действие происходит, как правило, в пределах биогеоценоза, тогда как геологический происходит на больших территориях - материках и прилегающих к ним частях океана;
- главной причиной и движущей силой биологического круговорота является различный характер питания продуцентов, консументов и редуцентов, а геологического - круговорот воды между океаном и сушей; в малом круговороте участвуют только биогенные элементы, тогда как в большом - все химические элементы, которые есть в земной коре
- продолжительность циклов химических элементов в биологическом круговороте является кратковременной (год, несколько лет, десятки и сотни лет), а длительность цикла в геологическом составляет десятки и даже сотни тысяч Роки.
Оба круговороты веществ - биологический и геологический - двигаются благодаря энергии Солнца и силе гравитации Биологический круговорот быстрый и разомкнут: начальная и конечная звена замыкаются через доступа топнет неорганические вещества Геологический круговорот медленный и замкнутый Часть веществ из биологического круговорота поступает в геологический в виде отмерших ре шток, образуя осадочные породы, с ч асом под воздействием давления, температуры и других факторов трансформируются в граниты Тектонические поднятия вызывают вынесения части гранитных пород на поверхность Граниты выветриваются, и, как следствие, обра ся фонд доступных веществ, которые в дальнейшем снова вовлекаются в биологический круговоротобігу.
Процессы круговорота веществ в биосфере осуществляются сбалансировано Подавляющее большинство веществ, вовлеченных в биологического круговорота, возвращается в минеральный состояние и становится доступной для повторного исп вания живым веществом Лишь небольшая их часть откладывается в осадочных породах, но эти потери компенсируются веществами, которые высвобождаются из горных пород в результате процессов выветриванияня.
Баланс и согласованность биологического и геологического биосферных циклов достигаются благодаря живому веществу, то есть за счет образования новых видов в случае появления новых ресурсов или новых условий среды, а также за счет формирования многочисленных прямых и обратных связей между различными организмами и факторами среды Обычно ускорения выветривания горных пород приводит к росту количества биогенных их веществ, что, в свою очередь, стимулирует увеличение количества живого вещества и повышает интенсивность процессов вынесения веществ в Мировой океан Там интенсивнее накапливаются донные осадки, а в биосф ре начинает быстро уменьшаться количество доступных веществ Биосфера переходит на так называемый \"голодный\" режим, что сопровождается массовым вымиранием видов и усилением конкурентной борьбы за ресурсы время ускоряются процессы образования новых, более конкурентоспособных и \"экономных\" видов Однако вымирание происходит гораздо быстрее, чем видообразования Например, вследствие катастрофического вы мирання многих видов флоры и фауны в палеозое и раннем мезозое происходило чрезвычайно быстрое накопление осадочных пород в течение каменноугольного и мелового периоденого і крейдового періодів.
Вымирание всегда завершалось появлением на планете новых классов и типов (отделов) животных и растений До сих пор продолжаются дискуссии ученых о причинах нарушения баланса между биологическим и геологическим кругооби игамы, однако катастрофические последствия этого очевидны Сегодня ситуация аналогичная, но, в отличие от предыдущих эпох, главной причиной нарушения круговорота веществ в биосфере является деятельность человека - и к называемый антропогенный фактоор.
Во-первых, речь идет о достаточно сильное искусственное ускорение процессов выветривания осадочных и гранитных пород, связано с добычей и переработкой полезных ископаемых, сжиганием угля, нефти, торфа, прир родного газа В результате в атмосфере увеличивается содержание углекислого газа, оксидов серы результате выпадения кислотных дождей уменьшается рН почвы, что приводит к переходу многих элементов в раство Иненю состояние Некоторые из них в больших концентрациях токсичные и опасные для всего живого (например, тяжелые металлы - медь, цинк, свинец) Это приводит к замедлению процессов вращения веществ в биологических огичному цикле, поскольку погибают носители живого вещества Но чем больше элементов переходит в раствор, тем больше их вымывается в Мировой океан, активно обогащается биогенными элементами результате этого учащаются вспышки \"цветение\" океана микроскопическими водорослями, которые нередко подавляют развитие консументов, которые их потребляют (по сравнению с прошлыми веками частота вспышек \"цветения\" в Мировом океане возросла в 50-130 раз) Все это ускоряет процессы извлечения из биосферы доступных биогенных веществ и их \"консервации\" в донных отложениях;консервації" у донних відкладах.
Во-вторых, человек в процессе своей хозяйственной деятельности создает многочисленные вещества (например, пластмассы), которые в дальнейшем не могут быть ни использованы продуцентами, ни разложены доступные Минеральных их веществ редуцентами Эти вещества образуют особую группу антропогенных \"осадочных» пород - отходов цивилизации, археологи назвали \"культурным слоем\" Эти отходы итоге будут трансформированы в л итосфери в граниты и затем в процессе выветривания вновь станут доступными для живого вещества, но произойдет это только через миллионы лет Поэтому сейчас реальная угроза того, что доступные ресурсы биосфер и могут быть переработаны на отходы быстрее, чем завершится цикл геологического круговорота Что в этом случае произойдет с биосферой (в том числе и с человеком), предугадать несложно), передбачити нескладно.
Чтобы биосфера могла существовать а процессы, которые в ней происходят, не прекращались, должны постоянно функционировать круговороты биологически важных, т.е. биогенных, веществами биогенного называют элем менты, которые обязательно входят в состав живых организмов: С, Н, О, N, Р, S, К, Са, Mg, Fe, Cu, Mn, Zn, Мо, Сl, Вr, I; главными из ка Непрерывный круговорот биогенов является основным условием существования жизни и всей биосферы Круговорот Миоген - это взаимный обмен химическими элементами компонентов экосистемы составляют благодаря этому стр уктурне целое Главная причина возникновения круговоротов заключается в постоянной несоответствия между потребностями организмов и наличием доступных питательных веществ, что обусловливает необходимость повторного использования я биогенов по типу круговорота (цикла) Ежегодно такие циклы вызывают движение примерно 480 млрд т различных вечовин.