Круговорот веществ и потоки энергии в биосфере

Главная функция биосферы заключается в осуще­ствлении круговорота химических элементов. Глобаль­ный биотический круговорот совершается при учас­тии всех населяющих планету организмов. Он заклю­чается в циркуляции веществ между почвой, атмос­ферой, гидросферой и живыми организмами. Благо­даря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов.

В круговороте веществ, как в многократном учас­тии веществ в процессах, протекающих в атмосфере, литосфере, гидросфере, различают малый круг био­тического обмена (биогеоценотический) и большой (биосферный).

Большой круг биотического обмена — это безоста­новочный планетарный процесс циклического, нерав­номерного во времени и пространстве перераспреде­ления вещества, энергии и информации, многократ­но входящих в непрерывно обновляющиеся экологи­ческие системы биосферы. Большой круг биотическо­го обмена наиболее ярко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы.

Малый биотический круговорот происходит на ос­нове большого и заключается в циркуляции веществ между почвой, растениями, животными и микроор­ганизмами.

Оба круговорота взаимосвязаны и представляют со­бой как бы единый процесс. В основе круговорота веществ лежит наличие в биосфере двух основных типов питания: аутотрофного и гетеротрофного.

Аутотрофы извлекают необходимые для жизни хи­мические вещества из окружающей среды и при по­мощи солнечной энергии включают их в органичес­кое вещество.

Гетеротрофы разлагают органическое вещество до углекислого газа, воды и минеральных солей и воз­вращают, их в окружающую среду. Этим обеспечива­ется круговорот веществ, который возник в процессе эволюции как необходимое условие существования жизни. При этом световая энергия солнца трансфор­мируется живыми организмами в другие формы энер­гии — химическую, механическую, тепловую. Опре­деленная часть солнечной энергии рассеивается в виде тепла. Деятельность и взаимоотношения всех живых существ в природе основываются на односторонне на­правленном потоке энергии и круговороте веществ.

Используя неорганические вещества, зеленые рас­тения за счет энергии Солнца создают органические вещества, которое другими живыми существами (гетеротрофами-потребителями и деструкторами) разру­шается с тем, чтобы продукты этого разрушения мог­ли быть использованы растениями для новых органи­ческих синтезов.

Важная роль в глобальном круговороте веществ при­надлежит воде, ее циркуляции между океаном, ат­мосферой и верхними слоями литосферы. Вода испа­ряется и воздушными течениями переносится на ог­ромные расстояния. Подсчитано, что с поверхности земли за 1 минуту испаряется около 1 млрд тонн воды. Циркуляция воды между океаном и сушей пред­ставляет собой важнейшее звено в поддержании био­тического круговорота и жизни на Земле и важней­шее условие взаимодействия растений и животных с неживой природой.

Примерами биотического круговорота могут слу­жить круговороты углерода и азота в биосфере.

Круговорот углерода начинается с фиксации атмос­ферной двуокиси углерода в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся в процессе фотосинтеза угле­водов используется самими растениями для получе­ния энергии, другая часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания рас­тений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвра­щается в атмосферу. Аналогичный процесс происхо­дит и в океане.

Круговорот азота также охватывает все области биосферы. Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после соединения его с водородом или кис­лородом. Важнейшую роль при этом играют азотфиксирующие бактерии. Азот вовлекается в биогенный круговорот двумя путями:

1) путем растворения разных оксидов азота (NO₂ и др.) в дождевой воде и поступления его таким обра­зом в почву, воду и океан;

2) путем биологической фиксации N₂ клубеньковы­ми бактериями, свободными азотфиксирующими мик­роорганизмами. Азот в живых организмах занимает очень важное место, он входит в состав белков и нук­леиновых кислот. Молекулярный азот атмосферы мо­гут усваивать лишь некоторые микроорганизмы и сине-зеленые водоросли, переводя его в азотистые со­единения. Азотфиксация (процесс нитрификации) является важнейшим био­логическим процессом, играющим важную роль в круговороте азота в природе и обогащающим почву и водоемы связанным азотом.

Остатки организмов на поверхности Земли и погре­бенные в толще пород подвергаются разрушению при участии многочисленных микроорганизмов. В этих процессах органический азот подвергается многочис­ленным превращениям. В результате процесса денитрификации при участии бактерий вновь образуется элементарный азот, возвращающийся непосредствен­но в атмосферу. При разложении белков образуются также амми­ак и его производные, попадающие затем в воздух и воду океана. В атмосфере в результате окисления аммиака и других азотсодер­жащих органических соединений при участии бак­терий образуются различные оксиды азота, которые являются основой образования азотной кислоты. Азотная кислота, соединяясь с металлами, дает соли. В результате деятельности денитрифицирующих бактерий соли азотной кислоты восстанавливаются до азотной кислоты и далее до свободного азота.

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот веществ в экосистемах возможны толь­ко за счет постоянного притока энергии. Более 99% энергии, поступающей на поверхность земли, состав­ляет излучение Солнца. Эта энергия в огромном ко­личестве растрачивается на физические и химичес­кие процессы в атмосфере, гидросфере и литосфере: перемешивание воздушных потоков и водных масс, испарение, перераспределение веществ, растворение минералов, поглощение и выделение газов.

На Земле существует один-единственный процесс, при котором энергия солнеч­ного излучения не только тратится и перераспреде­ляется, но и связывается, запасается на очень дли­тельное время. Этот процесс — создание органичес­кого вещества в ходе фотосинтеза. Сжигая в топках каменный уголь, мы освобождаем и используем сол­нечную энергию, запасенную растениями сотни мил­лионов лет назад.

Основная планетарная функция растений (аутотрофов) заключается в связывании и запасании сол­нечной энергии, которая затем расходуется на под­держание биохимических процессов в биосфере. Гетеротрофы получают энергию с пищей. Все жи­вые существа являются объектами питания других, т. е. связаны между собой энергетическими отно­шениями. Пищевые связи в биогенезах являются механизмом передачи энергии от одного организма к другому. Организмы любого вида являются по­тенциальным источником энергии для другого вида. В каждом сообществе - трофические связи образуют сложную сеть. Однако энергия, поступившая в тро­фическую сеть, не может долго мигрировать в ней. Она может передаваться не более чем через 4-5 зве­ньев, т. к. в цепях питания существуют потери энер­гии. Место каждого звена в пищевой цепи называ­ют трофическим уровнем.

Первый трофический уровень—это продуценты, создатели растительной биомассы; растительнояд­ные животные (консументы I порядка) относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные живот­ные, живущие за счет растительноядных форм - это консументы II порядка; плотоядные, поедающие дру­гих плотоядных - консументы III порядка и т. д.

Энергетический баланс консументов складывается следующим образом. Поглощенная пища обычно ус­ваивается не полностью. Процент усвояемости зави­сит от состава пищи и наличия пищеварительных фер­ментов организма. У животных ассимилируется в про­цессе обмена веществ от 12 до 75% пищи. Неусвоен­ная часть вновь возвращается во внешнюю среду (в виде экскрементов) и может быть вовлечена в другие цепи питания.

Передача энергии в химических реакциях в орга­низме происходит согласно второму закону термоди­намики, с потерей части ее в виде тепла. Особенно велики эти потери при работе мышечных клеток жи­вотных, коэффициент полезного действия которых очень низок.

.

Таким образом, большая часть энергии при перехо­де от одного звена пищевой цепи к другому теряется, т. к. использоваться следующим звеном может толь­ко энергия, заключенная в биомассе предыдущего зве­на. Подсчитано, что эти потери составляют около 90%, т. е. только 10% потребленной энергии аккумулиру­ется в биомассе.

В соответствии с этим, запас энергии, накопленной в растительной биомассе, в цепях питания стреми­тельно иссякает. Потерянная энергия может быть вос­полнена только за счет энергии Солнца. В связи с этим, в биосфере не может быть круговорота энергии, по­добного круговороту веществ. Биосфера функциони­рует только за счет однонаправленного потока энер­гии, постоянного поступления ее извне в виде солнеч­ного излучения.

Контрольные вопросы:

1. Атмосфера, ее состав и функции как составной части биосферы.

2. Состав и строение гидросферы, ее функции как составной части биосферы.

3. Литосфера, ее состав и функции как составной части биосферы.

4. Состав, границы и функции биосферы.

Дата добавления: 2014-01-07