Биогеохимические циклы веществ в биосфере

Согласно современным представлениям (синергетике), для самоорганизации столь сложной системы, как биосфера, она должнаподпитываться энергией и веществом. Энергию биосфера получает от Солнца. В процессе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется зелеными растениями в химическую энергию органических веществ, которая затем передается всем прочим организмам. Вещество – углерод для построения органики и прочие химические соединения, необходимые для синтеза белков и ферментов, – биосфера получает из окружающей среды, где их запасы возобновляются в результате круговоротов.

Солнце – источник энергии для жизни на Земле. Оно не только освещает и обогревает Землю, поставляет энергию, необходимую для фотосинтеза, но и поддерживает круговорот важнейших химических веществ, является движущей силой климатических и метеорологических систем, перераспределяющих тепло и влагу на земной поверхности.

Солнце представляет собой гигантский шар, состоящий в основном из газообразных водорода (72 %) и гелия (28%). Температура и давление в центральной части Солнца так высоки, что там происходят ядерные превращения водорода в гелий. В результате этой реакции ядерного синтеза непрерывно освобождается огромное количество энергии.

Энергия Солнца излучается в виде спектра ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и других видов электромагнитной энергии. Самыми опасными являются коротковолновые излучения, например, коротковолновое ультрафиолетовое излучение, γ-излучение. Распространяясь в космическом пространстве во всех направлениях, эти лучи за 8 мин преодолевают расстояние в 150 млн. км и достигают нашей планеты. Около 34% лучистой энергии Солнца, достигшей земной поверхности, отражается назад в космическое пространство облаками, пылью и др. Около 66% идет на нагревание атмосферы, воды, суши, преобразуется в энергию ветра. Лишь незначительная часть (порядка 1 %) улавливается зелеными растениями и используется в процессе фотосинтеза. Большая часть солнечной энергии, достигающей поверхности земли, поступает в виде видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения. Основная доля вредного ионизирующего излучения, особенно ультрафиолетовой радиации, поглощается озоном в стратосфере и водяным паром в тропосфере. Без этого экранирующего эффекта большинство современных форм жизни на земле не могло бы существовать. Количество энергии, возвращающейся в космос в виде низкокачественного тепла, зависит от наличия в атмосфере молекул воды, диоксида углерода, метана, оксидов азота, озона и некоторых форм твердых частиц. Эти вещества, действуя наподобие избирательного фильтра, позволяют некоторым высококачественным формам лучистой энергии Солнца пройти сквозь атмосферу к земной поверхности и в то же время задерживают часть возникающего потока низкокачественного теплового излучения Земли, в результате чего изменяются глобальные климатические характеристики.

Благодаря солнечной энергии, образуются органические вещества, которые поддерживают в каждом из нас жизнь. Любые элементы или их соединения, необходимые для жизнедеятельности организмов, называются питательными веществами. Они включают как органические вещества, например, сахар, так и неорганические, такие, как вода, углекислый газ, кислород, железо, медь и др.

Около 40 элементов и их соединений являются наиболее важными для живых организмов. Элементы, необходимые в больших количествах, называются питательными макроэлементами. К ним относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, кальций, калий, магний, калий. Они составляют более 95% массы всех живых организмов. Около 30 других элементов, необходимых для жизни в небольших или в незначительных количествах, называют микроэлементами. К ним относят: железо, медь, цинк, хлор, йод и др. Большинство элементов на Земле находятся в таком состоянии, что не могут быть напрямую использованы живыми организмами. Однако они способны переходить в другие формы, доступные живым организмам. Переход питательных элементов от неживой природы (из атмосферы, гидросферы, литосферы) к живым организмам и обратно в неживую среду происходит в биогеохимических круговоротах. Эти круговороты обусловлены прямым или косвенным воздействием солнечной энергии и включают круговороты углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и воды. Таким образом, химический элемент может в какой-то момент быть частью живого организма, а в какой-то момент – частью неживой природы. Существуют два основных типа биогеохимических круговоротов:

1) газообразных веществ (углерода, кислорода, водорода, азота);

2) осадочные циклы (основные циклы – фосфора и серы).

Таким образом, жизнь на Земле зависит в основном от двух фундаментальных процессов:

1) от однонаправленного потока высококачественной энергии, исходящей от Солнца, проходящей через вещества и живые организмы, затем передаваемой в атмосферу и в конечном итоге излучаемой обратно в космос в виде низкокачественного тепла;

2) от круговорота в биосфере химических веществ, необходимых для живых организмов.

Антропогенная деятельность человека изменяет естественную скорость круговорота веществ. Как уже отмечено ранее, в настоящее время происходит накопление в атмосфере углекислого газа вследствие сжигания огромных объемов органического топлива.

Выводы

Сложные системы, состоящие из совокупности живых организмов и условий их обитания, связанных круговоротом веществ, называются экологическими системами. Для поддержания круговорота веществ необходимы: поток солнечной энергии, ряд неорганических веществ (например, вода, углекислый газ) и живые организмы, которые в экосистемах, в зависимости от выполняемой функции, делятся на продуцентов, консументов, редуцентов. Продуценты синтезируют органическое вещество в процессе фотосинтеза и хемосинтеза. Продуцентами экосистем являются растения, водоросли, ряд микроорганизмов. Консументы выполняют функцию потребления органического вещества, к консументам относятся все животные, в том числе и человек. Редуценты в экосистемах выполняют функцию разложения сложных органических веществ до простых неорганических, которые снова могут быть использованы продуцентами для синтеза органических веществ. Последовательность организмов, связанных пищевыми отношениями, называется пищевой цепью. Каждый организм тратит энергию, полученную с пищей, на дыхание, механическую работу, на рост (теряется порядка 90% полезной энергии). Конечному звену пищевой цепи достается меньше всего полезной энергии. Природные экологические системы являются открытыми системами: для поддержания их равновесия необходим постоянный приток солнечной энергии. Для поддержания равновесия в искусственных экологических системах (созданных человеком), человек использует дополнительные источники энергии (например, энергию, заключенную в органическом топливе). Экологические системы являются упругими системами. Однако под влиянием внешних и внутренних факторов в экосистемах могут наблюдаться изменения. Процесс развития или восстановления нарушенной экосистемы называется сукцессией.

Дата добавления: 2014-01-07