Круговорот веществ и энергии в биосфере

Академик В. Р. Вильямс писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т. е. вовлечь его в круговорот.

В.Р. Вильямс

Все вещества на планете Земля находятся в процессе круговорота.
Круговоротом веществ на Земле называются повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер. Различают два типа круговорота веществ – большой (геологический, абиотический) и малый (биологический, биотический).
Большой круговорот носит глобальный, планетарный характер, охватывает всю биосферу и выходит за ее пределы. Он обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и представляет собой перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.
Суть геологического круговорота состоит в следующем: выветривание магматических горных пород приводит к их разрушению и трансформации в осадочные. Осадочные горные породы в результате ряда процессов попадают в зоны действия высоких температур и давлений (в частности, сносятся потоками воды в Мировой океан). Там они преобразуются (метаморфизм), переплавляются и превращаются в магму – источник новых магматических пород, которые вновь поднимаются на поверхность планеты в результате медленных геологических процессов. Каждый последующий цикл круговорота не является точным повторением предыдущего, а вносит что-то новое, и это со временем приводит к очень значительным изменениям.
Малый круговорот является частью большого, осуществляется внутри экосистем и не выходит за пределы биосферы.
Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов: создании органического вещества (биомассы) из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и разрушении органического вещества до неорганических соединений в процессе разложения. Источником биологического круговорота является солнечная энергия, которая связывается, запасается на поверхности Земли в результате процесса фотосинтеза.
Фотосинтез – единственный процесс на Земле, при котором солнечная энергия не только тратится и перераспределяется, но и связывается (в количестве, не превышающем 5% от всей энергии Солнца, достигающей земной поверхности). Связанная энергия вступает в круговорот по трофическим (пищевым) цепям, претерпевая превращения из одной формы в другую:

• солнечная энергия (свет),
• химическая энергия (энергия химических связей),
• механическая энергия (работа),
• тепловая энергия (тепло).

Таким образом, на каждом этапе развития живого организма часть потенциальной (запасенной растениями в процессе фотосинтеза) химической энергии, получаемой им в результате питания, позволяет организму осуществлять свои жизненные функции и высвобождается в космическое пространство в виде тепла.
Осуществление биологического круговорота происходит посредством жизнедеятельности трех групп организмов:

1. Автотрофы (продуценты): живые организмы, создающие сложные органические вещества (биомассу) из простых неорганических соединений, используя внешние источники энергии (зеленые растения и часть бактерий):

а) Фотоавтотрофы (зеленые растения, цианобактерии и некоторые другие виды бактерий) создают органическое вещество в процессе фотосинтеза, используя энергию Солнца:

6CO₂ + 6H₂O + 282 кДж -> C₆H₁₂O₆+ 6 O₂

б)Хемоавтотрофы (нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии и другие виды бактерий) создают органическое вещество в процессе хемосинтеза, используя энергию химических связей: окисляют NH₃, H₂S, CH₄, CO и другие простые соединения до более сложных.
Количество создаваемой автотрофами биомассы называется первичной продукцией. Скорость образования первичной продукции (т.е. количество биомассы, образующейся в единицу времени на единице площади или в единице объема) называют биологической продуктивностью экосистемы.

1. Гетеротрофы (консументы): живые организмы, неспособные синтезировать органические вещества из неорганических и требующие поступления органического вещества извне в виде пищи, которой служат автотрофы и другие живые организмы. К консументам относится огромное количество живых организмов. Различают несколько групп гетеротрофов.

Консументы I порядка (фитофаги и детритофаги) – растительноядные животные и животные, питающиеся детритом (например, грифы, раки, земляные черви). Детрит – мертвые растительные и животные остатки (опавшие листья, фекалии, трупы и т.д.).
Консументы II порядка (зоофаги)– плотоядные животные, питающиеся фитофагами и детритофагами (хищники); насекомоядные растения и растения-паразиты.
Консументы III порядка – плотоядные животные, питающиеся зоофагами (вторичные хищники); животные-паразиты.
Консументы IV и V порядка – гиперпаразиты.
Существуют консументы со смешанным типом питания – полифаги (например, человек).
Таким образом, гетеротрофы строят свое тело за счет автотрофов. Количество биомассы, создаваемой консументами, называется вторичной продукцией.

1. Сапротрофы: живые организмы, питающиеся мертвым органическим веществом и разлагающие его до простых неорганических соединений. К ним относятся редуценты (различные виды бактерий, простейшие, грибы), а также детритофаги. Частично минерализация органических веществ осуществляется всеми живыми организмами в процессе метаболизма.

В зависимости от того, какие организмы разлагают органическое вещество и в каких условиях, выделяют два процесса: дыхание (аэробное и анаэробное) и брожение.
Аэробное дыхание протекает в присутствии атмосферного кислорода, который служит акцептором электронов (окислителем). Аэробное дыхание – это процесс обратный фотосинтезу, направленный на разложение синтезированного органического вещества до углекислого газа и воды с высвобождением энергии, необходимой для поддержания жизнедеятельности клеток.
Анаэробное (бескислородное) дыхание происходит при отсутствии в окружающей среде свободного кислорода. Оно протекает значительно медленнее, чем аэробное, и при этом выделяется значительно меньше энергии с единицы субстрата. К анаэробному дыханию приспособлены денитрифицирующие бактерии, некоторые кишечные паразиты, большинство гетеротрофных почвенных микроорганизмов. Окислителем служит не кислород, а другие органические и неорганические соединения. Анаэробное дыхание служит основой жизнедеятельности главным образом сапрофитов (бактерии, дрожжи, плесневые грибы, простейшие), хотя этот процесс может встречаться и в некоторых тканях высших растений. Например, метановые бактерии разлагают органические соединения, образуя метан (СН₄) путем восстановления органического углерода.
Брожение – процесс анаэробного ферментативного расщепления органического вещества различными микроорганизмами, при котором высвободившаяся энергия используется для биосинтеза различных жизненно важных аминокислот, белков. При брожении окисляемое органическое соединение само служит окислителем (например, брожение дрожжей).
Таким образом, преобразованная энергия солнца передается от организма к организму, образуя трофическую цепь. Трофические цепи экосистем сложно переплетаются в трофические сети. Место каждого звена в пищевой цепи называется трофическим уровнем. Трофическая цепь не всегда может быть полной: например, опавшая листва сразу подвергается минерализации редуцентами – в этой трофической цепи отсутствует звено консументов.

Таким образом, перенос вещества и энергии в биосфере можно представить схемой материального и энергетического баланса (пунктирной линией показан перенос энергии, сплошной линией – перенос вещества):

Темы для самостоятельного изучения:

Дата добавления: 2014-01-04