Студопедия

КАТЕГОРИИ:



Мы поможем в написании ваших работ!

Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Мы поможем в написании ваших работ!

Биотическая регуляция окружающей среды


Поток энергии в биосфере. Правило 1%. Солнце дарит Земле ко­лоссальное количество энергии. Достигающее биосферы излучение несет энергию около 2,5-1024 Дж в год. Только около 0,3% ее непосредственно преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей орга­нических веществ и только 0,1% оказывается заключенной в чистой первичной продукции (ЧПП). Дальнейшая судьба этой энергии обусловле­на передачей органического вещества пищи по каскадам трофических уровней гетеротрофов. В соответствии с законом пирамиды энергий, или правилом десяти процентов Р. Линдемана (1942), с каждой ступени на по­следующую переходит приблизительно 10% энергии. Чем больше таких ступеней, тем меньшая доля энергии достается конечному потребителю.

Участие разных групп организмов в деструкции органики имеет похожую градацию: около 90% энергии ЧПП освобождают микроорганизмы и гри­бы, менее 10% — беспозвоночные животные и менее 1% — позвоночные животные — конечные консументы. В соответствии с последней цифрой и сформулировано правило одного процента, согласно которому указан­ное соотношение является важнейшим условием стабильности биосферы. Другими словами, для биосферы в целом доля возможного конечного потребления чистой первичной продукции в энергетическом выра­жении не превышает одного процента. Это приблизительная оценка. Для отдельных экологических систем порог нарушения стационарного со­стояния эмпирически оценивается на уровне не выше 5-10% отклонения от нормального протока энергии (Реймерс, 1994).

Поток солнечной энергии образует глобальные физические круго­вороты воздуха и воды на Земле. Движение воздушных масс помимо механических эффектов (ветры, волны, течения) обусловливает аэроген­ную миграцию веществ, в первую очередь паров воды и пылевых частиц, аэрозолей разного состава. Под действием солнечной радиации в атмо­сфере происходят различные фотохимические реакции — фотолиз воды, образование озона, образование углеводородных смогов и др. соответствует кругообращению 16,5 млн м3 воды за секунду и более 40 млрд МВт солнечной энергии. Речной сток составляет только 7% гло­бального гидрологического цикла. Круговорот воды, особенно поверх­ностный и подземный сток на суше определяет гидрогенную миграцию веществ, которая помимо переноса состоит из множества процессов рас­творения, ионного обмена, окислительно-восстановительных реакций, кри­сталлизации, осаждения и т.д. Таким образом, кроме физических круго­воротов воды и воздуха, вызываемых потоком солнечной энергии, в них вовлечены еще и круговороты многих химических элементов и их соеди­нений. В значительной части этих процессов участвуют живые организмы.



Биотический круговорот. Круговорот биогенных элементов, обуслов­ленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, называют биотическим круговоротом веществ. Кроме биогенных элементов в био­тический круговорот вовлечены важнейшие для биоты минеральные элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленных биотой, особенно когда речь идет о всей биосфере, называют еще биогеохимическим круговоротом.

Для равновесия в биосфере огромное значение имеет глобальная сте­пень замкнутости биотического круговорота. Круговорот полностью замкнут, когда существует точное равенство сумм прямых и обратных расходов:

Если же в каком-то из процессов наблюдает­ся прирост или утечка («дефект замкнутости») Д q, то замкнутость круго­ворота S выражается отношением

 

Тогда величина разомкнутости круговорота

Эти величины можно выразить и иначе, сопоставляя продолжитель­ность поддержания равенства расходов Т со временем исчерпания массы вещества Д Т при полной остановке процесса восстановления.

Круговорот углерода. Главным участником биотического круго­ворота является углерод как основа органических веществ. Схема глобального круговорота углерода показана на рис. 3.5. Масса углерода в биосфере в настоящее время составляет около 4000 Гт. Из них 1000 Гт приходится на биомассу. Ежегодная нетто-биопродукция биосферы по углероду составляет — 90-100 Гт. Такое же количество углерода освобождается в процессах дыхания и деструкции. Следовательно, период обновления биомассы биосферы по углероду составляет 10 лет. Несмотря на то, что фотосинтез и деструкция органики проходят множество проме­жуточных этапов и обусловлены деятельностью колоссального числа различных организмов и экосистем, их равенство в биосфере в целом под­держивается с исключительно высокой точностью.

Запас углерода СО2 в атмосфере равен 700 Гт. Поток синтеза и раз­ложения органического углерода 90-100 Гт/год. Если представить, что биотический возврат углерода в атмосферу прекратился («глобаль­ная остановка дыхания»), а фотосинтез продолжается в прежнем объеме, то атмосфера полностью очистилась бы от СО2 за 7-8 лет. Но, по различным данным, газовый состав атмосферы (в том числе со­держание СО2) в пределах колебаний современных величин оставался постоянным на протяжении по меньшей мере 104 лет. Отсюда мини­мальная замкнутость биотического круговорота углерода для атмосферы Детальный количественный анализ круговорота углерода в эко­сфере провел В.Г.Горшков (1990). Он отмечает, что согласно геологическим данным концентрации биогенных элементов могут изме­няться на 100% за время порядка 100 тыс. лет. За десятки и сотни миллионов лет при отсутствии регуляции эти концентрации вышли бы за пределы, совместимые с жизнью. В действительности, по палеохимическим и палеоботаническим данным, концентрация углерода в атмосфере за время 105 лет сохраняет порядок величины. Следова­тельно, потоки синтеза и распада органических веществ в биосфере совпадают с точностью 10"4, замкнуты с точностью 10 ~3 и, значит, скоррелированы с точностью 10~7. В.Г.Горшков пишет: «Скоррелированность синтеза и распада с такой точностью доказывает наличие биологической регуляции окружающей среды, ибо случайная связь ве­личин с такой точностью в течение миллионов лет невероятна». На схеме (рис. 3.5) показано также вмешательство антропогенных воз­действий в биосфеный круговорот углерерода.



Круговорот азота . Азот входит в структуру всех белков и вместе с тем является наиболее лимитирующим из биогенных элементов. Ко­лоссальный резерв свободного молекулярного азота в атмосфере лишь в ничтожной мере затрагивается биотическим круговоротом. Общее отноше­ние связанного азота к N2 в природе равно 1:100000. Энергия химической связи в молекуле N2 очень велика. Поэтому соединение азота с другими элементами — кислородом или водородом (процесс азотофиксации) — тре­бует больших затрат энергии. Промышленная фиксация азота идет в при­сутствии катализаторов при температуре - 500° и давлении ~ 300 атм.

В биосфере фиксация азота осуществляется несколькими группами анаэробных бактерий и цианобактерий при нормальных температуре и давлении благодаря высокой эффективности биокатализа. Считается, что бактерии переводят в связанную форму приблизительно 1 млрд т азота в год (мировой объем промышленной фиксации — около 90 млн т). В клубеньковых бактериях бобовых растений фиксация азота осуществляется с помощью сложного ферментного комплекса, защи­щенного от избытка кислорода специальным растительным гемоглобином. Непосредственный продукт биофиксации — аминогруп­па NH2 — включается в круговорот, в котором участвуют уже все организмы, но главную роль играют еще три группы почвенных и вод­ных бактерий: нитрифицирующие, нитратообразующие и денитрифи­цирующие бактерии (рис. 3.6). Продукты жизнедеятельности первых двух видов бактерий — нитриты и нитраты, а также соли аммония — составляют основу азотного питания растений, которые образуют ами­нокислоты, пептиды и белки. Проходя через обмен веществ на всех трофических уровнях, эти соединения разлагаются с освобождением NH4, и цикл повторяется. Денитрифицирующие бактерии переводят избыток нитратов в молекулярный азот.

Круговорот азота в биосфере сопряжен с круговоротом углерода, так как соотношение между этими элементами в составе глобальной биомассы постоянно: С : N = 55 : 1. Соответсственно и круговорот азота составляет около 1,5 Гт/год. Он замкнут натолько, насколько постоянны общая био­масса и состав экосферы, так как доступные для биоты резервуары связанного азота в почве и в воде достаточно велики по сравнению с кру­говоротом: приблизительно 40 : 1.

Круговорот кислорода(рис. 3.7). В отличие от углерода и азота резервуары доступного для биоты кислорода по сравнению с его пото­ками огромны. Поэтому отпадает проблема глобального дефицита О2 и замкнутости его круговорота. Биотический круговорот кислорода со­ставляет 250 Гт/год, а общее его количество в пределах биосферы — порядка 1014 т. Кислород на Земле — первый по распространенности элемент: его содержание (в весовых процентах) в атмосфере — 23,1; в биосфере (в составе сухой органики) — 44,8; в литосфере — 47,2; в гидросфере (в составе Н2О) — 86,9. Однако для водных организмов необходим кислород, растворенный в воде. Его среднее содержание в фотическом слое гидросферы составляет 4,5 мг/л и претерпевает значительные колебания.

Содержание кислорода в атмосфере в 64 раза больше — 288 мг/л — и на протяжении длительной геологической эпохи благодаря биотической регуляции (продукции О2 растениями) постоянно. Отклонения от этого уровня могли бы сильно сказаться на состоянии биоты биосферы: при снижении концентрации — заметно уменьшить фауну океана, при по­вышении — привести к опасному увеличению окислительных свойств среды. Наземные животные также довольно чувствительны к отклонениям от этого уровня. Некоторый дефицит кислорода для животных и человека возникает только в высокогорье, в зонах интенсивного потребления и в ис­кусственных устройствах.

С круговоротом кислорода тесно связано образование озона. В вы­соких слоях атмосферы под влиянием жесткого ультрафиолетового излучения происходит ионизация и диссоциация части молекул кис­лорода, образуется атомарный кислород, который немедленно при­соединяется к возбужденным молекулам кислорода, образуя озон — трехатомный кислород:

Здесь h — квант света с длиной волны не более 225 нм. На обра­зование озона тратится около 5% поступающей к Земле солнечной энергии — около 8,6 • 1015 Вт. Реакции легко обратимы. При распаде озона эта энергия выделяется, за счет чего в верхних слоях атмосферы поддерживается высокая температура. Средняя концентрация озона атмосфере составляет около 10~6 объемных процентов; максимальная концентрация О3 — до 4 • 10~6 об.% достигается на высотах 20-25 км.

Поглощая при своем образовании значительную часть жестких ультра­фиолетовых лучей, озон играет роль защитного экрана для всей биосферы, так как многие молекулярные структуры живых организмов разрушаются под действием жесткого ультрафиолета.

Круговорот фосфора. Фосфор, как и азот, относится к лимитирующим биогенам. Но в отличие от циклов углерода, кислоро­да и азота цикл фосфора в биосфере существенно разомкнут, так как значительная часть континентального стока фосфатов остается в океанических осадках. Эта разомкнутость существенно усилена антропогенным вмешательством, поскольку человек нарушил мно­гие естественные пути возврата фосфора в почву, а их замена применением фосфорных удобрений качественно недостаточна. Примерно такие же отношения наблюдаются в глобальном круго­вороте серы и других минеральных элементов, природные резервы которых велики, но относительно мало доступны для биоты.

Неполная замкнутость круговоротов второстепенных биогенов не оз­начает, что биотический круговорот в целом имеет заметный дефект замкнутости. В действительности его замкнутость всецело определяется круговоротом углерода. Высокоточная биологическая регуляция обмена ве­ществ и энергии в биосфере определяет и регуляцию основных параметров окружающей среды. С экологической точки зрения, это — важнейшие свойства биосферы как динамической системы.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Годовое потребление и выделение кислорода 255 | Эволюция биосферы

Дата добавления: 2014-01-03; Просмотров: 557; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Рекомендуемые страницы:

Читайте также:
studopedia.su - Студопедия (2013 - 2021) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление
Генерация страницы за: 0.004 сек.