Существует 2 подхода в оценке путей эволюции биосферы. 1) утверждает, что эволюции биосферы нет. 2) эволюция биосферы отождествляется с эволюцией одного компонента – органического мира.
Новые данные свидетельствуют о том, что в ходе эволюции органических форм происходили и определенные изменения в биосфере (например, расширялась зона распространения жизни, усложнялся биотический круговорот, изменялись биогеохимические функции). В то же время эти изменения не следовали автоматически за любыми изменениями в органическом мире.
Своеобразие эволюции биосферы заключается в том, что она проходит в пределах уже сложившегося уровня организации живого. К изменениям сложно применить критерии прогрессивного/регрессивного развития.
Эволюция биосферы – это и изменения ее общих параметров(общая биомасса, энергетические функции),и эволюция организмов/экосистем.
Источником развития биосферы выступают отношения между живым и костным веществом в поверхностной оболочке Земли. Разрешение этого противоречия в ходе обменных процессов между организмами и ОС обеспечивает процесс развития биосферы как целостной материальной системы. Органический мир в целом, а не отдельные группы животных/растений детерминируют основные параметры биосферы.
Основные тенденции в эволюции биосферы
Рост биомассы и ее организованности . Наблюдалось устойчивое увеличение биомассы живого вещества. По мере развития биосферы отмечалась тенденция к росту ее организованности. Она проявлялась в частности в увеличении способности биосферы к саморегуляции, увеличении степени независимости от других оболочек. В процессе коренных перестроек биосферы сохранялись прежде всего те группы сообщества, которые были устойчивы к воздействию астрономических/геологических факторов.
Роль живого вещества в становлении и стабилизации поверхностных оболочек Земли . Решающая роль живого вещества в эволюции биосферы и земных оболочек особенно ярко проявилась в: 1) формировании газового состава атмосферы 2) превращении восстановительной обстановки в окислительную 3) преобразовании химической и минеральной структуры биосферы 4) детерминации химической активности природных вод. 5) изменении общего термодинамического баланса биосферы.
«живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, действительная энергия его, по сравнению с энергией костного вещества, огромна. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени».
Накопление энергии в биосфере. «с космической точки зрения жизнь есть постоянное задержание и накопление химической и лучистой энергии, замедляющей превращение полезной энергии в теплоту и препятствующей рассеиванию последней в мировом пространстве».
Находящаяся в биосфере энергия является результатом ее эволюции. Основными способами увеличения энергии являются 1) фотосинтез и выделение кислорода. 2) захват растениями новых областей Земли, превращение их в области аккумуляции солнечной энергии. 3) аккумуляция солнечной энергии в горючих ископаемых и биогенных минералах
Возникновение новой формы миграции химических элементов. По мере эволюции групп животных со сложным поведением развивалась биогенная миграция атомов. Новая форма биогенной миграции не связана с прохождением химических элементов через тело организма.
Биосферная адаптация. Важнейшими являются: 1) возникновение озонового экрана. 2) способность растений улавливать солнечную энергию, преобразовывать в химическую. 3) разнородность трофических уровней, многообразие видов, участвующих в пищевых цепях. 4) сезонная ритмика способствует выработке адаптаций широкого значения, позволяющей организмам выживать в условиях колебания факторов среды. 5) на популяционном и организменном уровне организации живого воздействие факторов проявляется в изменении динамики численности и воспроизводства популяции. 6) существуют закрепленные генетически механизмы обеспечения жизнеспособности организма, функционирования физиологических и биохимических процессов в пределах определенного диапазона геохимических условий. 7) внутри популяции существует гетерогенность по чувствительности организма к определенным условиям, особенно ярко при воздействии на организм веществ в экстремальных дозах, когда в организме возникают различные заболевания и отклонения. 8) чем значительнее колебание геохимических факторов, тем выше темпы эволюционных преобразований. 9) элементы не действуют изолированно, большое значение имеет соотношение между ними. При изменении концентрации какого-либо элемента в организме происходит не только усиление/ослабление отдельных процессов, но и дисфункция всех процессов обмена веществ. Необходимо учитывать, что отдельные организмы не только приспособлены к внешней среде, но и приспосабливают среду к своим биологическим потребностям.
Департамент образования Тверской области
ГОУ СПО «Лихославльское педагогическое училище»
Тема:
Преобразование
энергии в биосфере.
Круговорот веществ
и потоков
энергии.
г.
Лихославль
2008
г.
Содержание.
Введение………………………………………………………… …………..3
1.Большой и
малый круговороты веществ…………… ………………...…4
2. Круговорот
веществ в экосистемах……………………… ……………...5
3. Роль организмов
в круговороте веществ……………………… ………..8
4.Круговорот
углерода в биосфере…………………………… ……………9
5. Круговорот
азота в биосфере…………………………………… ………11
6.Круговорот
фосфора в биосфере……………………………… ………...13
7.Поток энергии
в биосфере…………………………………………...… ...16
Приложение…………………………………………………… ……….……19
Список литературы…………………………………………………… ..…...20
Введение.
Оболочка
Земли, в пределах которой существует
жизнь, называется биосферой.
Биосфера
состоит из живого, или биотического,
и неживого, или абиотического, компонентов.
Биотический компонент – это
вся совокупность живых организмов.
Абиотический компонент – сочетание
энергии, воды, определенных химических
элементов и других неорганических условий,
в которых существуют живые организмы.
Жизнь в биосфере зависит от
потока энергии и круговорота
веществ между биотическим и
абиотическим компонентами. Круговороты
веществ называются биогеохимическими
циклами. Существование этих циклов обеспечивается
энергией Солнца. Земля получает от Солнца
около 1,3
?
10 24
калорий в год. Около 40% этой энергии излучается
обратно в космос; 15% поглощается атмосферой,
почвой и водой; остальная энергия – это
видимый свет, первичный источник энергии
для всей жизни на Земле.
Фотосинтез, хемосинтез, дыхание и брожение
– основные процессы, благодаря которым
поток энергии проходит через организмы.
Первые два процесса обеспечивают синтез
органических веществ за счет энергии
света (фотосинтез) и окисления неорганических
веществ (хемосинтез). В ходе дыхания и
брожения органические вещества расщепляются,
а заключенная в них энергия используется
живыми организмами, но в конечном итоге
переходит в тепло.
Большой и малый круговороты веществ.
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.
Все
вещества на планете Земля находятся
в процессе биохимического круговорота.
Выделяют два основных круговорота: большой
(геологический) и малый (биотический).
Большой
круговорот длится миллионы лет. Горные
породы разрушаются, выветриваются
и потоками вод сносятся в Мировой
океан, где образуют мощные морские
напластования. Часть химических соединений
растворяется в воде или потребляется
биоценозом. Крупные медленные геоктонические
изменения, процессы, связанные с опусканием
материков и поднятием морского дна, перемещение
морей и океанов в течение длительного
времени приводят к тому, что эти напластования
возвращаются на сушу и процесс начинается
вновь.
Малый
круговорот, являясь частью большого,
происходит на уровне биогеоценоза и заключается
в том, что питательные вещества почвы,
воды, воздуха аккумулируются в растениях,
расходуются на создание их массы и жизненные
процессы в них. Продукты распада органического
вещества под воздействием бактерий вновь
разлагаются до минеральных компонентов,
доступных растениям, и вовлекаются ими
в поток вещества.
Возврат
химических веществ из неорганической
среды через среду с использованием солнечной
энергии и химических реакций называется
биохимическим циклом.
Круговорот веществ в экосистемах.
По
Р. Риклефсу (1979) экосистему можно представить
в виде пяти блоков (три активных, два
добавочных), через которые проходят различные
вещества (Приложение 1).
Три
активных блока составляют обменный
фонд элементов:
- живые организмы;
мертвый органический детрит;
доступные неорганические вещества.
- Два
добавочных блока составляют резервный
фонд элементов:
- косвенно
доступные неорганические вещества;
осаждающиеся органические вещества.
Циркуляцию биогенных элементов в экосистеме называют биогеохимическим циклом. Этот термин был введен в обиход В.И. Вернадским.
Все биогеохимические циклы взаимосвязаны в природе и в совокупности формируют устойчивую структуру биосферы в целом. Замкнутость нормальных биогеохимических циклов неполная – и это очень важное свойство. Именно оно обусловило биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере Земли, а также различных химических элементов и их соединений в литосфере. Вместе с тем доля вещества, выходящего из биосферного цикла (длительностью от десятков и сотен до нескольких тысяч лет), в геологический цикл (длительностью в миллионы лет), в год относительно невелика. Лишь громадное время истории развития биосферы (около 4 млрд. лет) позволило осуществить подобные биогенные накопления элементов в атмосфере и литосфере. Так, например, ежегодный сброс углерода из биогеохимического цикла наземных экосистем в геологический цикл (в отложениях) составляет около 130 т., т.е. всего лишь примерно 10 -8 % от современных запасов углерода, находящихся в биосферном обращении. В палеозое за счет неполной обратимости цикла углерода накопились мощные запасы отложений – известняки, уголь, нефть, битумы и пр., т.е. примерно за 600 млн. лет 10 16 – 10 17 т.
В каждом биогеохимическом цикле (т.е. для каждого отдельного элемента) можно выделить два фонда (обменный и резервный).
Резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, содержащих данный элемент, в основном в составе абиотического компонента. Фонд размещен за пределами живых организмов во внешней среде.
Обменный (подвижный) фонд – меньший, но более активный. Для него характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.
Резервный фонд иногда называют недоступным, а обменный циркулирующий фонд – доступным, хотя между ними существует постоянный медленный обмен.
Среди биогеохимических циклов выделяют циклы двух типов: газообразных и осадочных веществ. Такое деление – проявление склонности химических элементов образовывать соединения того или иного типа в условиях Земли. Так, углерод, азот и кислород находятся в циклах преимущественно в виде летучих соединений, тогда как фосфор, железо и кальций сосредоточены в негазообразных веществах. Нарушения в циклах газообразных веществ могут быстро устраняться за счет наличия крупных атмосферных или океанических (либо тех и других) подвижных фондов. Циклы газообразных веществ с их громадными атмосферными фондами можно считать в глобальном масштабе «хорошо забуференными», так как их способность возвращаться к исходному состоянию велика.
Самоконтроль осадочных циклов затруднен – они легче нарушаются в результате местных пертурбаций, так как в этих циклах основная масса вещества сосредоточена в малоактивном резервном фонде. Явление «забуференности» здесь не выражено.
Циклы функционируют под действием биологических и геологических факторов (отсюда и их название). Существование биогеохимических циклов создает возможность для саморегуляции системы, что придает экосистеме устойчивость – постоянство состава (в %) различных элементов в ней (гомеостаз).
Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте, возвращение элементов в круговорот, во многих случаях основаны на биологических процессах. Поэтому человек чаще всего не в силах поправить положение дел, если по его вине нарушено равновесие в цикле.
В связи с хозяйственной деятельностью человечества и вовлечением в биосферный поток техногенных продуктов этой деятельности возникли проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимических циклов. Циклы некоторых элементов (например, азота, серы, фосфора, калия, тяжелых металлов) превратились в настоящее время в природно-антропогенные, характеризующиеся значительной незамкнутостью. Некоторые же соединения и материалы, созданные человеком (например, многие пластмассы), вообще не способны включаться в природные и природно-антропогенные циклы, так как не перерабатываются в экосистемах, загрязняя их и являясь абсолютно чуждыми живому веществами.
Усилия по охране природы должны быть направлены в конечном счете на то, чтобы превратить ациклические (незамкнутые) процессы в циклические. Целью общества в этом направлении должно стать содействие «возвращению веществ в круговорот!» (Ю.Одум).
Роль организмов в круговороте веществ.
Круговорот углерода в биосфере.
Самый
интенсивный биогеохимический цикл
– круговорот углерода. В природе
углерод существует в двух основных
формах – в карбонатах (известняках)
и углекислом газе.
Основная
масса аккумулирована в карбонатах
на дне океана (1016 т), в кристаллических
породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016
т) и участвует в большом цикле круговорота.
Основное звено большого круговорота
углерода – взаимосвязь процессов фотосинтеза
и аэробного дыхания.
Другое
звено большого цикла круговорота
углерода представляет собой анаэробное
дыхание (без доступа кислорода); различные
виды анаэробных бактерий преобразуют
органические соединения в метан и другие
вещества (например, в болотных экосистемах,
на свалках отходов).
В
малом цикле круговорота участвует
углерод, содержащийся в растительных
тканях (около 1011 т) и тканях животных (около
109 т).
Как
известно, органические вещества построены
на основе атомов углерода. Именно специфические
особенности углеродных атомов (способность
образовывать простые и кратные
связи, соединяться друг с другом в длинные
цепи и различные по величине циклы и пр.)
вывели углерод на первое место по значимости
для жизни.
Круговорот
углерода осуществляется благодаря
четко отлаженному в ходе эволюции
механизму функционирования двух фундаментальных
процессов, о которых уже упоминалось
– фотосинтез и клеточного дыхания.
Солнечная
энергия в форме электромагнитного
излучения используется биосферой
при фотосинтезе. Последний представляет
собой весьма сложный с химической
точки зрения процесс, который могут
осуществлять лишь те организмы, в клетках
которых работают уникальные молекулы
хлорофилла.
В
процессе фотосинтеза электромагнитная
энергия Солнца переходит в энергию
химических связей органических соединений,
прежде всего углеводов (СН 2 О) n .
Ежегодный
прирост биомассы в результате фотосинтеза
на планете составляет примерно 200 млрд.
т.
Клеточное
дыхание – противоположный фотосинтезу
процесс, в котором происходит расщепление
синтезированных из СО 2 и Н 2 О
углеводов. Цель его – извлечь энергию
из молекул углеводов (путем окисления),
перевести ее в форму АТФ и далее использовать
на различные энергетические нужды клетки.
Выделяемый при фотосинтезе О 2 все
организмы (и животные-гетеротрофы, и растения-автотрофы)
используют для окисления (СН 2 О) n .
Таким образом, и фотосинтез, и дыхание
взаимосвязаны в едином потоке веществ
в биосфере. Вещества (изначально это СО 2 ,
Н 2 О и О 2) могут совершать круговорот
сколь угодно долго, вовлекаюсь попеременно
то в фотосинтез, то в дыхание. С химической
точки зрения, если вещества в этих круговоротах
постоянно трансформируются, как бы обмениваясь
атомами и перестраиваясь, то сами атомы
элементов (например, углерода) никаких
изменений не претерпевают.
- Круговорот
азота в биосфере.
Азот наиболее распространен на Земле в форме газообразного N 2 атмосферы. Он возникает в результате реакции окисления аммиака, образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов: 4NH3 + 3O2 > 2N2 + 6H2O.
И хотя азот – важнейший компонент белков и нуклеиновых кислот (генетического материала живых организмов), растения не могут непосредственнее брать его из атмосферы. Они способны усваивать лишь связанный с кислородом или водородом азот, т.е. переведенный в другие химические формы – аммиак NH 3 , ионы аммония NH 4 + или нитрат-ионы
NO 3 - .
Вмешательство живых существ в круговорот азота подчинено строгой иерархии: только определённые категории организмов могут оказывать влияние на отдельные фазы этого цикла. Газообразный азот непрерывно поступает в атмосферу в результате работы некоторых бактерий, тогда как другие бактерии – фиксаторы (вместе с сине-зелёными водорослями) постоянно поглощают его, преобразуя в нитраты. Неорганическим путём нитраты образуются в атмосфере и в результате электрических разрядов во время гроз.
Самые активные потребители азота – бактерии на корневой системе растений семейства бобовых. Каждому виду этих растений присущи свои особые бактерии, которые превращают азот в нитраты. В процессе биологического цикла нитрат-ионы (NO 3 - ) и ионы аммония (NH 4 +), поглощаемы растениями из почвенной влаги, преобразуются в белки, нуклеиновые кислоты и т.д.
Процесс связывания атмосферного азота некоторыми свободноживущими (например, род Azotobakter) и симбиотическими (например, род Rhizobium) бактериями-азотфиксаторами называют биологической фиксацией азота. Каждый год таким путем на Землю переносится примерно 17,5 10 10 кг азота. Один квадратный метр поля, засеянного бобовыми (например, соей), обеспечивает фиксацию 10 – 30 г азота в год. Фермент нитрогеназа, «обслуживающая» у бактерий фиксацию N 2 , зависит в своей активности от присутствия микроэлемента молибдена.
Азот проходит по всей пищевой сети и в виде детрита (мертвого органического вещества) и мочевины (NH 2) 2 CO попадает в конечном итоге к редуцентам. Часть редуцентов способна переводить этот азот в ионы аммония, которые вновь используют растения.
Одним из важнейших процессов в цикле азота является восстановление нитрат-ионов до молекулярного азота, осуществляемое почвенными анаэробными бактериями – денитрификаторами (например, представителями рода Pseudomonas): 5[СН 2 О] + 4NO 3 - + 4H + > 2N 2 + 5CO 2 + 7H 2 O,где [СН 2 О] обозначает органические вещества. Эта реакция денитрификации, замыкающая цикл азота, показывает, как молекулярный азот возвращается в атмосферу. Денитрификация – главная причина потерь азота в земледелии, когда из вносимых человеком удобрений значительная часть (до половины!) связанного азота улетучивается.
- Круговорот
фосфора в биосфере.
Фосфор – один из основных компонентов живого вещества и входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран, аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ), жиров, костей и зубов. Круговорот фосфора, как и других биогенных элементов, совершается по большому и малому циклам.
Главным резервуаром фосфора (в отличие от азота) служит не атмосфера, а горные породы прошлых геологических эпох. Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в литосфере. Основные источники неорганического фосфора – изверженные или осадочные породы. В земной коре содержание фосфора не превышает 1%. Из пород земной коры неорганический фосфор вовлекается в циркуляцию континентальными водами.
К растениям фосфор попадает главным образом в виде фосфатов. Соединения фосфора растворимы лишь в кислых растворах и в бескислородных средах и именно в таком виде пригодны для усвоения растениями. Он поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения и таким образом включаются в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные формы, употребляемые зелёными растениями.
В экосистему океана фосфор приносится текучими водами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов.
В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь. В океане дело обстоит иначе. Это связано с постоянным оседанием (седиментацией) органических веществ. Осевший на небольшой глубине органический фосфор возвращается в круговорот. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах, не участвуют в малом круговороте. Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к поверхности.
Таким образом, фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и обратно.
Незначительные количества фосфора возвращаются из воды на сушу благодаря рыболовству, а также с экскрементами морских птиц. (Раньше последний процесс играл солидную роль в цикле фосфора – залежи гуано на побережьях Южной Америки). Однако в целом поток фосфора идет в одном направлении - из наземных горных пород на дно моря.
Деятельность человека ведет к усиленной потере фосфора на суше, что делает его круговорот еще менее замкнутым. По данным известного американского эколога Дж. Хатчинсона, вылов морской рыбы (60000т ежегодно в пересчете на элементарный фосфор) не компенсирует в настоящее время смыва и выключения из круговорота того фосфора, который добывается человеком на удобрения (1 - 2 млн.т фосфорсодержащих пород в год).
Важность сбалансированного круговорота фосфора сильно возрастет в будущем, так как из всех макроэлементов Р – один из самых дефицитных (в доступных резервуарах на поверхности Земли). Поэтому во многих экосистемах Р выступает как лимитирующий (сдерживающий жизнь) фактор.
Фосфор заслуживает особо пристального внимания в связи с тем, что роль его в истории развития жизни на Земле трудно переоценить. Будучи относительно редким элементом (9 10 -2 % от массы всей земной коры), фосфор тем не менее лежит в основе уникальной системы снабжения живых организмов энергией. Для того чтобы на древней Земле затеплилась жизнь, потребовалась особая форма энергии, поддерживающая эту жизнь, - энергия фосфатных (или, как их называют иначе, фосфоангидридных) Р – О – Р – связей. Простейшим представителем таких «энергонесущих» молекул является пирофосфат.При гидролизе пирофосфата высвобождается энергия (более 29 кДж/моль), что значительно больше, чем если бы гидролизу подверглась любая другая молекула, не содержащая Р – О – Р –связей.
Для организмов роль главного источника энергии играет другое соединение, имеющее фосфоангидридные связи, - аденозинтрифосфорная кислота – АТФ.
Многие ферменты (белки-катализаторы биохимических реакций) используют энергию АТФ. С помощью АТФ клетка движется, вырабатывает теплоту, избавляется от отходов, синтезирует новые вещества и пр.
В молекуле АТФ есть две высокоэнергетические (макроэргические)
Р –О – Р –связей.
Разрыв их (например, при гидролизе) освобождает значительное количество энергии не менее 29 кДж/моль.
Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно сделать вывод, что он полностью не замкнут. Запасы фосфора на земле малы. Поэтому считают, что фосфор – основной фактор, лимитирующий рост первичной продукции биосферы. Полагают даже, что фосфор – главный регулятор всех других биогеохимических циклов, это – наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека.
Поток энергии в биосфере.
В
противоположность веществу энергия
не подчиняется закону цикличности. Для
нормальной жизни и клетки, и отдельного
организма, и экосистемы Солнце должно
непрерывно поставлять на Землю новые
и новые порции энергии.
Поток
энергии в биосфере – процессы
передачи и использования энергии
в различных компонентах биосферы.
Общее число живых организмов в каждом
биоценозе, скорость их развития и воспроизводства
зависят, в конечном счете, от количества
энергии, поступающей в экосистему, от
скорости ее движения через нее и, наконец,
от интенсивности циркуляции веществ
в ней. В отличие от циклического движения
веществ, превращение энергии идет в одном
направлении. Единственный источник энергии
для биосферы – солнечный свет (лишь небольшие
локальные экосистемы используют энергию
химических реакций). Часть солнечной
энергии (0,1 – 1,6 % от общего количества,
достигающего поверхности Земли) преобразуется
сообществами организмов и переходит
на качественно более высокую ступень,
трансформируюсь в органическое вещество,
представляющее более концентрированную
форму энергии, чем солнечный свет. Но
большая часть энергии деградирует, проходит
через систему и покидает ее в виде низкокачественной
тепловой энергии (тепловой сток). Эффективность
преобразования энергии в экосистемах
отражается в пирамиде энергии, которая
строится подсчетом количества энергии
(в килокалориях – ккал), аккумулированной
единицей поверхности за единицу времени
и используемой организмами на каждом
трофическом уровне. Только небольшая
часть всей этой энергии остается в организмах
и сохраняется в биомассе, остальная часть
используется для удовлетворения метаболических
потребностей живых существ.
Принципы
организации пищевых цепей отражают
действие двух законов термодинамики.
Согласно первому закону термодинамики,
приток энергии уравновешивается ее оттоком,
и каждый перенос энергии сопровождается
ее рассеиванием в форме, недоступной
для использования тепловой энергии (при
дыхании), как того требует второй закон.
Общее
количество энергии, поступающее за
единицу времени в экосистему,
либо деградирует, либо экспортируется,
либо накапливается. Сумма энергии, потерянной
при дыхании, накопленной в экосистеме
и ушедшей, равна энергии, зафиксированной
в процессе фотосинтеза. Вместо одноканальной
передачи энергии в пищевой цепи осуществляется
двухканальная, когда поток энергии от
продуцентов разделяется на детритную
и пастбищную цепи. Пастбищная пищевая
цепь представляет собой поток энергии,
идущий от растений через консументы первого
порядка (растительноядных животных).
Не использованный консументами остаток
чистой продукции пополняет собой мертвое
органическое вещество. Оно состоит из
фекалий, содержащих часть неусвоенной
пищи, а также трупов животных, остатков
растительности и называется детритом.
Поток энергии, берущий начало от мертвого
органического вещества и проходящий
через систему разлагателей, называется
детритной пищевой цепью. Так как это соответствует
основной ярусной структуре экосистемы,
прямое потребление живых растений и использование
мертвого органического вещества обычно
разделены в пространстве и времени, макроконсументы
(фаготрофные животные) и микроконсументы
(сапрофитные бактерии и грибы) сильно
различаются отношениями интенсивности
обмена к размерам, для их изучения требуются
разные методы. Величины тех частей энергии
чистой продукции, которые текут по двум
путям, различны в экосистемах разного
типа и часто варьируют по сезонам или
по годам в одной и той же экосистеме. Во
всех экосистемах пастбищная и детритная
пищевые цепи взаимосвязаны, так что в
ответ на энергетические воздействия
извне в системе может быстро происходить
переключение потоков.
и т.д.................
Свет как экологический факторЭкологический фактор
– это условие среды обитания, оказывающее
воздействие на организм.
С точки зрения экологии важны:
Качество света – длина волны или цвет
единицы измерения – нм или мкм;
Интенсивность – действующая энергия
единицы измерения – ккал или Дж;
Продолжительность воздействия
единицы измерения – часы, дни … .
Качество света
ЛучиДлина, нм Значение в жизни организмов
Инфракрасные 780-4000
Видимый свет
390-780
С участием света идут
важнейшие процессы
60-390
Зависит от длины волны
380-390
Ультра
фиолетовые
Косвенная
326
250-300
стимулируют рост и
размножение клеток
у человека образуется
защитный пигмент
способствуют образованию
витамина Д у животных
короткие вызывают мутацию клеток
(их задерживает озоновый слой)
< 250
Спектр электромагнитных излучений и спектр видимого света
ФАР (фотосинтетическая активная радиация)
близкие ультрафиолетовые (380-390 нм)ФАР (фотосинтетическая активная радиация)
Меньше поглощаются
желто-зеленые
500-580 нм
сине-фиолетовые
(400-500 нм)
оранжево-красные
(650-750 нм)
нм
Это
лучи активно
влияющие
на растительные
ускоряя
или
Наиболее
активными
являются
следующиеорганизмы,
лучи видимого
спектра
замедляя фотосинтез
Интенсивность или сила света
Интенсивность или сила света измеряютсяколичеством джоулей или ккал,
приходящихся на единицу горизонтальной поверхности
за единицу времени
Например - Дж/ см2/мин.
Сила
света,
Зависит
от
отполюсов
рельефа
кместности
экватору
увеличивается
На южных склонах интенсивность света всегда больше,
чем на северных
Буготакские сопки – характеризуются резким отличием растительности их северных и южных склонов
Продолжительность воздействия светаили
Фотопериод
длина
дня,
продолжительность светового периода
суток
Вызывает циклические изменения в
экосистемах
Законы термодинамики экосистем
1 закон термодинамики Закон сохранения энергии
«Энергия ни откуда не появляетсяи никуда не исчезает»
т.е. Энергия может переходить из одной
формы в другую,
но она не исчезает и не создается зановоЭнтропия (от греч. entropia поворот, превращение)
функция состояния термодинамической системы,
определяющая меру необратимого рассеивания
энергии.
Продуценты
Консументы
травоядные
хищники
Редуценты
Тепловая энергия
паразиты
Второй закон термодинамики
процессы, связанные с превращением энергии,Закон энтропии –
могут протекать самопроизвольно лишь при
в замкнутой экосистеме энтропия будет
условии,
что
энергия
переходит из концентрированной
только
возрастать
формы в рассеяннуюРаспределение солнечной энергии в биосфере
6% отражается от
атмосферы
20% рассеивается и
отражается от
облаков
19% поглощаются
атмосферой и
облаками
4% отражаются от
поверхности земли
51% поглощаются
землей
Не более 5% фиксируется
продуцентами
Фотосинтез
синтезклетками
высших
растений,
водорослей и некоторыми бактериями
(продуцентами) органических веществ при
участии энергии света
вода + углекислый газ + свет
углеводы + кислород
Фотосинтез
Это единственный процесс вбиосфере,
ведущий к увеличению свободной
энергии
и обеспечивающий существование
как растений, так и всех
гетеротрофных организмов,
в том числе и человека
КПД фотосинтеза
КПД фотосинтеза в 5% считается очень высокимВ целом по земному шару усвоение растениями
солнечной энергии значительно ниже
из-за ограничения фотосинтетической активности растений
множеством неблагоприятных факторов(недостаток тепла и
влаги, неблагоприятные свойства почвы и т. д.)
Средний коэффициент использования энергии
ФАР для территории России равен 0,8%,
на европейской части страны составляет 1,0-
1,2%,
а в восточных районах, где условия увлажнения
менее благоприятны, не превышает 0,4-0,8%Фотосинтез
6СО2 + 6Н2О +е
=С6Н12О6 +6О2
Дыхание
С6Н12О6 +6О6
=6СО2+6Н2О+е (АТФ)
АТФ расходуется при
сокращении мышц и в других
биологических процессах,
выделяя тепло в ОС
ЗАКОН ПИРАМИДЫ ЭНЕРГИИ (Р. Линдемана) или правило 10 %
с одного трофического уровня экологической пирамидыпереходит на другой ее уровень в среднем
не более 10%
энергии
Тепловая
энергия
1000 000 ккал
1000
ккал
100
ккал
Продуценты
10 ккал
1 ккал
Консументы
травоядные
Редуценты
хищники
паразиты
ЗАКОН ОДНОНАПРАВЛЕННОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ
энергия,получаемая
сообществом
(экосистемой)
и
усваиваемая
продуцентами,
рассеивается или вместе с их биомассой
необратимо передается консументам,
а затем редуцентам с падением потока
на каждом из трофических уровней в
результате процессов, сопровождающих
дыхание.Согласно 1-го закона термодинамики
энергия в экосистеме
не может создаваться заново и исчезать,
а только переходит из одной формы в другую
Е света
Е химических связей
органических соединений
тепловая Е
Второй закон термодинамики в применении к экосистемам
Не может быть ни одного процессасвязанного с превращением энергии без
потери некоторой её части
В экосистемах часть энергии
превращается в недоступную тепловую и
следовательно теряется
Поэтому жизнь на Земле не возможна
без притока солнечной энергии
Экологические пирамиды
- графические изображения соотношениямежду продуцентами и консументами всех
уровней (травоядных, хищников, видов,
питающихся другими хищниками) в экосистеме.
Эффект пирамид в виде графических моделей
разработан в 1927 году Ч. Элтоном
Различают:
пирамиды энергии
пирамиды биомасс
пирамиды чисел
КI
П
Пирамида энергии
- это графическая модель величины потока энергиии (или) продуктивности через последовательные
трофические уровни
Пирамида энергии всегда сужается кверху,
согласно второму закону термодинамики
Пирамида биомасс
графическая модельпоследовательного расположения биомасс
популяций естественных экосистем,
уровень, т. е. биомасса продуцентов
При этом биомасса продуцентов, как
правило, выше, чем консументов
Но в некоторых экосистемах
пирамида биомасс может быть
обращенной, т. е. биомасса
продуцентов ниже, чем консументов.
Пирамида чисел
графическая модель распределения численностипопуляций в трофических цепях,
основанием которой всегда служит первый
уровень, т. е. численность продуцентов,
от которого по направлению к уровням
консументов
(1,2,3
и
т.
д.
порядка)
численность популяций уменьшается
Пирамида чисел
Между автотрофами и гетеротрофами в экосистемахсуществуют сложные пищевые взаимодействия.
Одни организмы поедают другие,
и таким образом осуществляют перенос веществ и энергии
- основу функционирования экосистемы.
Неорганические
вещества
автотрофы
Органические
вещества
гетеротрофы
Органические
вещества
Процессы в экосистеме
ПИЩЕВАЯ ЦЕПЬ
Аналоги:цепь питания
трофическая цепь
- ряд организмов, в котором каждое предыдущее
звено служит пищей для последующего.
Организмы связаны друг с другом отношениями:
пища - потребитель
ТРОФИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ
совокупность организмов, объединяемых типомпитания.
4
т.у.
3
т.у.
вторичные хищники
(консументы III порядка)
Хищники, питающиеся растительноядными
животными
2 т.у.
(консументы II порядка)
Растительноядные животные
(консументы I порядка)
1 т.у.
Автотрофные организмы
(ПРОДУЦЕНТЫ)Пищевые цепи, которые начинаются с растений,
идут через растительноядные животные к другим
потребителям,
называют ПАСТБИЩНЫМИ или цепями выедания– ДЕТРИТНЫЕ, или цепи разложения
–пищевая цепь, в которой органическое вещество
мертвых растений, животных, грибов или
бактерий
потребляется детритофагами, могущими стать
добычей хищников.Как правило, пищевые
цепи в экосистеме
тесно переплетаются.
Совокупность
пищевых связей в
экосистеме
образует
ПИЩЕВЫЕ СЕТИ
Плотность сетей определяет устойчивость экосистемы
Продуктивность экосистем
Скоростьфиксации
солнечной
энергии
продуцентами
определяет
продуктивность
сообществ
т.е. продуктивность тесно связана с потоком
энергии, проходящим через ту или иную
экосистемуЧеловек научился получать энергию для своих
производственных и бытовых нужд самыми
различными способами,
но энергию для собственного питания он
может получать только через фотосинтезПродуктивность экосистемы
- способность живых организмов и в целом
экосистем производить органическое вещество
валовая
ПЕРВИЧНАЯ
продуктивность
чистая
ВТОРИЧНАЯ
продуктивностьПервичная продуктивность экосистемы
– это органическое вещество, создаваемое
продуцентами в процессе фотосинтеза или
хемосинтеза.
Единицы измерения
в единицах сырой или
сухой массы растений
(г,кг,т)
в энергетических
единицах
(ккал или Дж)Валовая первичная продуктивность
(валовой фотосинтез)
общее количество
продуктов фотосинтеза,
производимое экосистемой
на единицу площади за
единицу времени,
г/м2/год
Чистая первичная продуктивность
продуктивностьэкосистемы
за вычетом расхода
энергии растениями на
дыхание,
г/м2/год
В тропических лесах и зрелых лесах умеренной полосы часть
производимой
продукции
идет
на
поддержание
жизнедеятельности самих растений (так называемые затраты
на дыхание) составляет 40-70% валовой продукции.
Около 40% составляют затраты на дыхание у большинства
сельскохозяйственных культур.
Вторичная продуктивность
биомасса, а также энергия и биогенныелетучие вещества,
производимые всеми консументами
на единицу площади за единицу времени,
г/м2/год
Турбинная модель продуктивности биосферы
Низкий уровень продук-ти– 0,1 …0,5 г/м2 в сутки
характерна для зоны
пустынь и арктического
пояса
Средний уровень продук-ти
– 0,5 …3,0 г/м2 в сутки
характерен для тундры,
лугов, полей и некоторых
лесов умеренной зоны
Высокий уровень продук-ти
– более 3,0 г/м2 в сутки
характерен для
тропических лесов,
для пашни,
морских мелководий
Первичная биологическая продуктивность различных типов экосистем (Реймерс, 1990)
Чистая первичная продуктивность, г/м кв. за годРифы
Влажные тропические леса
Болота
Эстуарии
Вечнозеленые леса умеренного пояса
Листопадные леса умеренного пояса
Саванна
Тайга
Культивируемые земли
Луговая степь
Континентальный шельф
Озера
Тундра
Открытый океан
Пустыни
Ледники, скалы
0
500
1000
1500
2000
2500
Эстуарий
(от лат. aestuarium - затопляемое устьереки)
- однорукавное, воронкообразное устье
реки, расширяющееся в сторону моря.
Продуктивность океана
В настоящее время, и во все прошлые геологические времена жизнь в океанебыла сосредоточена главным образом у морских побережий.
Об этом со всей определённостью свидетельствуют сохранившиеся на
континентах биогенные барьерные рифы (например вдоль Карпат – остатки
миоценового моря)Основными продуцентами в океане
являются одноклеточные водоросли,
отличающиеся высокой скоростью
оборота генераций.
Поэтому их годовая продукция может
в десятки и даже сотни раз
превышать запас биомассы на
данный момент времени.
Вся чистая первичная продукция так быстро вовлекается в
цепи питания, то есть поедается, что накопление биомассы
водорослей весьма мало вероятно.
Однако из-за высоких темпов размножения небольшой их
запас вполне достаточен для поддержания скорости
воссоздания органического вещества.
Поэтому для океана правило
пирамиды биомасс имеет перевернутый вид.На высших трофических уровнях преобладает тенденция к
накоплению биомассы, поскольку длительность жизни
крупных хищников (например, кита-касатки) велика,
скорость оборота этих генераций (поколений), наоборот,
мала, и в их телах задерживается значительная часть
вещества, поступающего по цепям питания.
Ключевые вопросы
Как происходит передача энергии в биосфере?
Каким образом азот из воздуха попадает в живые организмы и затем опять в воздух?
Почему элементы, существующие в твердом состоянии, например фосфор, выпадают из круговорота веществ?
Каким образом человеческая цивилизация влияет на равновесие этих важных циклов?
Экосистема является основной единицей или естественным сообществом биосферы и состоит из абиотической среды, биотических компонентов - растений, грибов, животных и микроорганизмов, а также включает в себя взаимоотношения, связывающие между собой все части системы. Маленькое или большое соленое болото (марш) представляет собой одну экосистему, прибрежная дюна - другую, а болото, дюны и океан могут рассматриваться как часть более крупной экосистемы.
Экосистемы нашей планеты удивительным образом различаются в разных ее частях. Но хотя тропический влажный лес или коралловый риф имеют как будто мало общего с холодной тундрой или открытым морем, действие всех экосистем основывается на четырех общих принципах: 1) Каждая экосистема должна иметь способ поглощать энергию и направлять ее всем своим обитателям. 2) В каждой экосистеме должен происходить круговорот необходимых питательных веществ. 3) В каждой экосистеме устанавливается и сохраняется динамическое равновесие. 4) Поток энергии и веществ зависит от информативной характеристики организмов; этот поток бесполезен без организмов и уникальной роли каждого из них.
25.1. Экосистема сохраняет свою стабильность благодаря сложной сети взаимосвязей между ее элементами
Экосистемы имеют высокоорганизованную структуру взаимодействия между всеми компонентами. Уже не раз, но, как правило, слишком поздно, мы сознавали важность этого факта. Мы часто слышим, что можно обойтись без того или другого вида. Но откуда мы можем это знать?
Более столетия назад Чарлз Дарвин установил связь между урожаем семян лугового клевера и числом кошек, живущих в сельской местности. Он обнаружил, что луговой клевер образует семена только при перекрестном опылении, которое может осуществляться только шмелями. Число шмелей, установил он, сильно сокращали полевые мыши, а число мышей, конечно же, контролировалось кошками.
Благодаря такой сложной взаимозависимости оказывается вполне возможным, что некоторые, казалось бы, явно посторонние или даже вредные виды или физико-химические компоненты могут играть неожиданно важную роль в процветании другого неродственного вида.
Вот пример того, какие неожиданности могут нас подстерегать, если вмешаться во взаимоотношения природы. На острове Калимантан для борьбы с малярией против москитов использовались пестициды. Тараканы также попадали под эту обработку. Но они не умирали, а просто становились ядовитыми для мелких ящериц. Поскольку ДДТ является отравляющим веществом нерв-нопаралитического действия, ящерицы становились менее подвижными и не в состоянии были убегать от кошек, которые охотно их поедали. А поскольку кошки очень чувствительны к ДДТ, умирали и они. Крысы из близлежащих лесов, несущие бациллу чумы, заполнили дома, где не было кошек. Когда завезли новых кошек, они продолжали поедать ящериц, причем настолько эффективно, что это привело к массовому увеличению числа гусениц, которыми питаются ящерицы; гусеницы, в свою очередь, поедали солому, покрывающую крыши домов. Это, конечно же, не конец истории, и маловероятно, что расширяющийся водоворот неприятных последствий остановится до того, как проявится реальный ущерб. Даже если бы первоначальный план противомалярийной компании удался, мог ли кто-нибудь гарантировать, что спасенные от малярии люди будут обеспечены пищей, волокном, удобрениями, тракторами, автомобилями, дорогами, самолетами и больницами? Поставим вопрос более прямо: для того ли мы используем нашу технику, чтобы сначала спасти людей только от малярии, а позднее дать им умереть от голода?
Если удаление организмов из экосистемы может оказаться рискованным, то рискованным может быть и введение в нее новых видов. Так, например, мангусты, завезенные на острова для борьбы со змеями, вызвали вымирание некоторых местных видов птиц. Ясно, что заблаговременная оценка последствий того или иного вмешательства связана с определенными трудностями. В то же время в экосистемах действуют механизмы, способные нейтрализовать эти последствия. Поскольку небольшие изменения могут породить массу других со скоростью снежного кома меры борьбы с хищниками должны разрабатываться в зависимости от вида хищника, против которого они направлены.
25.2. Источником почти всей энергии, используемой экосистемами, является Солнце
Основная часть энергии, поступающей на Землю, за исключением собственной энергии нашей планеты, образуется в результате ядерных преобразований на Солнце. Почти половина солнечной радиации, проникающей в атмосферу (рис. 25-1), отражается обратно в космическое пространство. Другая половина поглощается землей. За исключением общего потепления, которое образуется в результате, это не принесло бы нам пользы, если бы растения не обладали способностью усваивать поступающую солнечную энергию и, таким образом, делать ее доступной для экосистемы.
В среднем почти каждый квадратный метр земли получает около 4,19кДж солнечной радиации в минуту. Это примерно равно количеству теплоты, получаемой при сгорании половины спички. Но только половина этой энергии потенциально доступна для растений, остальная часть находится вне пределов видимого спектра. Растения поглощают около l-5% энергии, достигшей поверхности земли, и фиксируют ее в процессе фотосинтеза для образования Сахаров и других углеводов. Эти растения, называемые продуцентами (производителями), используют часть фиксированной энергии для дыхания, поскольку они должны восстанавливать и увеличивать свою клеточную массу. Все травоядные и плотоядные животные-потребители зависят от фиксированной энергии, которая идет на удовлетворение их собственных энергетических потребностей и на образование сырьевого материала. Это относится и к организмам-разрушителям (грибам и микроорганизмам), которые разрушают мертвые ткани и освобождают питательные вещества в такой форме, чтобы продуценты опять могли их использовать. Каждая экосистема имеет своих продуцентов, потребителей и разрушителей.
25.3. При переходе энергии от растений к животным теряется около 90% ее количества
Корова, питающаяся травой* является примером первичного перехода энергии от продуцента к травоядному потребителю. Крошечные, похожие на креветок морские копеподы (веслоногие ракообразные), питающиеся микроскопическими водорослями, представляют собой пример такого же превращения энергии в водной среде. Коровы и копеподы получает только определенный процент энергии из используемых ими растительных веществ. Этот процент различается в зависимости от условий, но в среднем около 10% энергии продуцента дает прибавку массы травоядному животному. Эти 10% представляют собой коэффициент передачи энергии. Остальные 90% рассеиваются в вдде тепла, необходимого для функционирования клеточных механизмов и органов тела, или освобождаются непосредственно для редуцентов (организмов-разрушителей) в виде различных побочных продуктов.
Травоядные обычно являются пищей для плотоядных, и превращения энергии при переходе от травоядного к плотоядному происходит с эффективностью от 10 до 30%. Такое увеличение эффективности передачи энергии, очевидно, связано со сходным составом тканей у животных. Когда одно плотоядное животное поедает другое, а тот поедает следующего и т.д., то в результате получается цепь питания из нескольких звеньев. Число звеньев в цепи питания редко превышает пять из-за большой потери энергии в каждом звене. Это означает, что на каждом более высоком трофическом уровне поток энергии сильно уменьшается. Если подсчитать количество энергии на каждом трофическом уровне (растения, травоядные, первичные плотоядные, вторичные плотоядные и т. д.), мы увидим, что получится своеобразная энергетическая пирамида с широким основанием и очень узкой вершиной, которая соответствует высшему уровню в цепи питания (рис. 25-2). За некоторыми исключениями имеется тенденция к постепенному уменьшению потока энергии и количества особей и к увеличению размера этих особей в направлении от основания к вершине пирамиды.
При такой низкой эффективности передачи энергии от одного трофического уровня к другому очевидным, но довольно уязвимым преимуществом оказывается близость к первичным продуцентам. Это относится как к человеку, так и к другим потребителям, и в перенаселенных странах имеет смысл, хотя и не очень привлекательный сам по себе, использование вегетарианской диеты. Ведь гораздо больше людей можно прокормить рисом, чем если бы этот рис скармливать курам и свиньям и затем уже использовать в пищу.
Цепь питания от риса к человеку или от диатомии к копеподу затем к сельди и чайке до удивления проста. Хотя существует много животных, которые питаются только одним видом, обычно любой организм на любой трофической стадии приспособлен к потреблению целого ряда организмов, принадлежащих иногда к тому же уровню, что и он сам, а иногда к совершенно различному трофическому уровню. В результате образуется сложная "паутина" трофических отношений , которая благодаря множеству путей и превращений является более стабильной, чем прямая цепь питания, которая может легко распасться из-за недостаточной численности какого-нибудь одного вида.
25.4. Редуценты разрушают органические остатки и превращают их в сырьевой материал для растений
Количество энергии, используемой первичным потребителем, например когда корова поедает траву, меньше установленных 90%, если учитывать энергию, освобождаемую для редуцентов. В этом случае охапка сена не только обеспечивает потребности в энергии самой коровы (большая часть этой энергии превращается в тепло тела) и множества симбионтов ее пищеварительной системы, а через экскременты и в конечном итоге через труп коровы энергия переходит к насекомым, червям и миллионам микроорганизмов. В процессе обеспечения собственных потребностей в энергии эти организмы превращают вещества в такую форму, в которой они опять могут быть использованы растениями.
25.5. Энергия, используемая на Земле, в конечном итоге превращается в лучистую энергию, которая опять переходит в космическое пространство
Как видно из рисунка 25-3, запас земной энергии является сбалансированным. Биосфера и остальная часть Земли действуют как гигантский преобразователь энергии, получающий насыщенный энергией видимый свет, который возвращается в космическое пространство в виде трансформированного и невидимого излучения. Биосфера эффективно замедляет превращение энергии, задерживая ее в виде химической энергии и используя ее для обеспечения жизни на Земле. Но за исключением энергии угля, нефти и близких к ним соединений энергии не свойственно оставаться на Земле долгое время.
Говоря о потоке энергии в экологическом сообществе, важно помнить, что после фиксации солнечной энергии зелеными растениями ее движение в экосистеме всегда сопровождается потоком веществ.
Наблюдая, как охотится за полевой мышью ястреб, мы видим один из путей, по которому осуществляется движение энергии в экосистеме.
Большое значение имеют и непрямые наблюдения, и одним из лучших методов определения путей передвижения энергии и веществ в экосистеме является включение в растения радиоактивных изотопов фосфора, углерода, калия или других элементов. При дальнейшем исследовании данной местности (с помощью счетчика радиоактивности) может оказаться, что, например, в муравьином гнезде отмечается высокая радиоактивность. Тогда можно было бы предположить, что муравьи собирали растительные вещества или что они использовали тлю, питавшуюся растительным соком. При более позднем исследовании радиоактивность жуков и птиц может оказаться выше средней и в конце концов радиоактивность может обнаружиться у грызунов и птенцов в ближайшем ястребином гнезде. И наконец, мы могли бы обнаружить распространение радиоактивности обратно в почву и первичные продуценты.
25.6. Углерод, как и другие основные элементы, участвует в сложном биохимическом цикле
Хотя и тесно связанные между собой, потоки энергии и вещее в экосистеме значительно отличаются друг от друга. Энергия эта должна постоянно пополняться, так как вещества используются неоднократно. Возможно, что какой-то из атомов углерода вашего тела являлся составной частью структуры миллионов других организмов на протяжении истории жизни, и то же самое можно сказать о любом атоме живых тканей.
Из более чем 100 элементов, существующих на Земле, около 30 являются жизненно важными для живых организмов. Некоторые нужны в больших количествах, как, например, углербд, водород, кислород и азот, а некоторые в небольших количествах. Однако все они должны циркулировать в биосфере. Существуют два основных типа циклов: один включает в себя газы и твердые вещества, другой - только твердые вещества. Фосфор не циркулирует в биосфере в виде газа, но он может поступать в атмосферу в виде частиц. Углерод представляет собой элемент, который в твердом состоянии попадает в живые организмы и в землю, а в виде углекислого газа - в воздух.
Рассмотрим возможную судьбу одного атома углерода в молекуле СО2. Этот газ может растворяться в морской воде (СО 2 +Н 2 О->Н 2 СО 3), образуя угольную кислоту Н 2 СО 3 или ее отдельные компоненты: ионы Н + , бикарбонат НСО - 3 или карбонаты СО 2- 3 . Эти анионы ассоциируются с катионом кальция Са 2+ и в теплой воде могут осаждаться в виде извести, углекислого кальция СаСО 3 . В такой форме атом углерода может стать составной частью известкового остова кораллового рифа.
Коралл в конце концов разрушается, и известь откладывается на дне моря. Проходят тысячи лет. Слой извести оказывается глубоко под покровом различных наносных отложений. Давление в мантии Земли в конечном итоге приводит к поднятию на поверхность известковой горной цепи. Под действием ветра и дождя происходит медленная эрозия ее верхних слоев и частицы породы растворяются в грунтовой воде. Когда СаСО 3 попадает в кислую почву, освобождается углекислый газ, который поступает в воздух (2Н + +СаСО 3 ->Са 2+ +СО 2 +Н 2 О). Из воздуха углекислый газ усваивается листьями растений, например дубовыми. При фотосинтезе углекислый газ включается в состав углеводов, которые благодаря синтетической активности дубовых листьев опять окисляются в СО 2 . Из воздуха молекула СО 2 может попасть в устьице ближайшего олеандрового листа и опять восстанавливаться в виде углеводов. Затем атом углерода может попасть в организм тли и стать частью аминокислоты. Через несколько часов божья коровка поедает тлю. Через три дня, когда божья коровка становится добычей малиновки, тот же атом углерода входит в состав белка мышечных клеток малиновки. Спустя неделю малиновка попадает в когти ястреба, в организме которого аминокислота, содержащая этот атом углерода, включается в белок пера. Спасаясь от дикой кошки, ястреб теряет перо, и оно попадает в благоприятную почву, где слой за слоем покрывается мхом. Мох, а вместе с ним и это перо превращаются в торф. Однажды этот торф срезали и сожгли, а атом углерода опять освободился в виде углекислого газа. Через несколько дней он растворяется в дождевой капле и снова попадает в море. Рисунок 25-4 иллюстрирует в более обобщенном виде цикл круговорота углерода. Однако этот путь может быть и несколько иным. В действительности в чистом виде углерод не циркулирует. Он входит в состав молекул, которые движутся иногда быстро, иногда медленно в тысячах разных направлений - из суши в море, из моря в море, от континента к континенту, от растения к животному, от животного к растению, из организма в атмосферу и т.д. Цикл каждого атома углерода различен.
25.7. Азот циркулирует в биосфере так же, как углерод
Цикл азота (рис. 25-5) в основном сходен с циклом углерода, за исключением того, что большинство зеленых растений не способны получать азот из атмосферы. Они усваивают его с помощью определенных азотфиксирующих бактерий и сине-зеленых водорослей, способных фиксировать атмосферный азот в организме в виде различных соединений, пригодных для использования зелеными растениями. Некоторые ученые считают странным, что все растения и животные испытывают потребность в азоте, но только некоторые из них, очень маленькие, способны усваивать его из атмосферы. Остальные растения (и животные) зависят от азотфиксирующих бактерий и водорослей при превращении атмосферного азота в пригодные для использования соединения.
Зеленые растения поглощают азот в основном в форме солей азотной кислоты и используют его для синтеза белков и нуклеиновых кислот. Если растения потребляются в качестве пищи, азот в составе их аминокислот и белков поступает в организм потребителя. В конечном итоге азот освобождается из организма в виде азотистых отходов, таких, как моча, мочевая кислота и аммиак, или при разложении тканей. Отходы окисляются несколькими видами нитрифицирующих бактерий и опять становятся доступными в форме нитратов или нитритор. Таким образом, атом азота обычно используется много раз, но иногда, в форме аммиака, нитрата или нитрита. Под действием денитрифицирующих бактерий он выделяется в газообразном состоянии. Газообразный азот может опять связываться в нитраты под действием бактерий или в результате фотоэлектрической активности в атмосфере.
25.8. Деятельность человека привела к нарушению равновесия кругооборота азота
Круговорот азота в природе сбалансирован, но в некоторых частях земного шара условия окружающей среды сильно изменились за последние три четверти века. Например, в США фермеры, старавшиеся получать богатые белком зерновые культуры, очень скоро исчерпали естественный запас нитратов в почве. Некоторые из них начали использовать севооборот культур и употреблять навоз в виде удобрения на полях. Это способствовало сохранению содержания органического азота в почве и не нарушало физическую структуру почвы, так что дренаж и аэрация (с помощью червей и т. д.) осуществлялись по-прежнему хорошо. Применение химических удобрений вместо азотсодержащих органических отходов также позволяло получать хорошие в экономическом отношении растения, но не обеспечивало нужную пропорцию остатков органических веществ в почве. Почва, таким образом, становилась все менее и менее пористой. Растения, выращиваемые на такой почве, имели недостаточный доступ кислорода к корням и не могли использовать все количество нитрата, который добавлялся в почву. Оставшийся нитрат терялся в результате выщелачивания и вымывания или превращался в аммиак, газообразный азот и окислы азота.
Таким образом, в почве с обедненным содержанием гумуса азотные удобрения обеспечивают питательными веществами данное растение, но вызывают дальнейшее обеднение почвы, нарушая равновесие почвенной системы. Большая часть из 10 млн. т азота, внесенных в почву в США, рассеивается в атмосфере в виде газа или вместе с дождем, снегом смывается в озера и реки.
Это имеет одно особенно опасное последствие, которое можно увидеть на примере озера Эри. Переизбыток азотистых остатков сельскохозяйственных удобрений в сочетании с повышенным уровнем фосфора вызвало здесь усиленное "цветение" водорослей. Процесс, вызывающий такое цветение, называют эутрофтацией . Водоросли, поглощая неорганический азот и превращая его в органический дли обеспечения собственного роста, быстро растут, быстро отмирают и загрязняют озеро органическим веществом. Основная проблема заключается в том, что водоросли отмирают вскоре после цветения, и разлагающие бактерии и грибы используют так много кислорода при их разложении, что в воде не остается достаточного количества кислорода для других организмов. Редуценты, живущие на таком органическом веществе и превращающие его в неорганические соли, нуждаются в кислороде, и если они не получают его, органическое вещество и побочные продукты анаэробного разложения скапливаются на дне озера.
Нарушается и круговорот азота в атмосфере. Каждый год в США промышленные установки и двигатели автомобилей образуют из атмосферного азота и кислорода более чем 8 млн. т окислов азота. Некоторые из эти* оксидов на солнечном свету и в соединении с отходами топлива образуют смог, другие окисляются до нитратов, которые вместе с дождем и снегом снова попадают в почву и воду, удобряя растения или усиливая эутрофикацию воды.
Интенсивное использование искусственных удобрений временно способствовало поддержанию высокого уровня продуктивности сельскохозяйственных растений. Однако оно поставило перед серьезной угрозой будущие посевы, вызвав исчезновение азотфиксирующих бактерий и нарушив равновесие круговорота азота. Кроме того, оно в значительной степени явилось причиной усиленного цветения водорослей, портящих водоемы.
25.9. Сера совершает кругооборот в биосфере и, образуя сульфаты, связывает большое количество кислорода
Всем живым организмам для образования некоторых аминокислот требуется сера. Рисунок 25-6 иллюстрирует основные пути кругооборота этого элемента. Растения извлекают ионы серы из почвы и передают их животным. Часть серы из почвы смывается в море, где она используется водными организмами или тысячелетиями сохраняется в виде осадков.
Осадки в конечном итоге уплотняются, образуя угольную или нефтеносную породу, сланцы и т. д. Затем рера продолжает участвовать в круговороте или в результате выветривания пород, или в виде продуктов сгорания при использовании человеком нефти и угля в качестве топлива.
Подобно нитратам, все больше и больше сульфатов скапливается в море. Источником пополнения запаса серы, участвующей в круговороте, могут быть различные сульфаты, но те из них (SO 2- 4), которые выщелачиваются из почвы, представляют собой часть земного запаса кислорода и тысячелетиями не участвуют в круговороте. Существует только один процесс, который работает в обратном направлении и освобождает кислород из сульфатов. Этот процесс осуществляется сулmфатвосстанавливающими бактериями , живущими в иле озер, болот и эстуариев. Эти бактерии погибают при наличии свободного кислорода и поэтому живут в бескислородной среде. Они используют серу так же, как другие организмы используют кислород, и превращают SO 2- 4 в сероводород (H 2 S) и кислород. Однако, скорее всего, потому, что значение этих бактерий неизвестно большинству людей, производится осушение маршей и засыпка болот. Некоторые ученые полагают, что продолжение осушительных мероприятий даже в таком же масштабе, как они ведутся сейчас, может повлиять на снабжение окружающей среды кислородом.
25.10. Фосфор и несколько десятков других минеральных веществ совершают кругооборот в экосистемах не в газообразном состоянии
Фосфор необходим растениям и животным для образования ДНК и АТФ, богатого энергией, а животным, кроме того, для образования костной ткани. Круговорот фосфора несколько отличается от круговорота углерода, азота и серы, поскольку он никогда не существует в газообразном состоянии.
Фосфор перемещается в основном в воде или в составе органических веществ (рис. 25-7) и участвует в так называемом осадочном круговороте . Меньшая его часть движется в виде частиц в атмосфере. Фосфор особенно чувствителен к действию силы тяжести и быстро скапливается в озерах и морях. Там он имеет тенденцию оставаться в осадках и возвращаться на поверхность Земли только в результате чрезвычайно медленных процессов горообразования. В связи с этим, а также потому, что фосфор относительно больше концентрируется в организмах, чем в окружающей среде, он часто становится фактором, ограничивающим рост организмов. (Если организм имеет в достаточном количестве все необходимые питательные вещества за исключением фосфора, недостаток этого вещества ограничивает его рост.) Поскольку источником фосфора являются горные породы и почва, его содержание в них не сразу восстанавливается после удаления фосфора с данной площади. Продуктивность экосистемы, будь это лер, озеро, бухта или луг, может оказаться значительно пониженной в связи с недостатком фосфора.
Медь, железо, магний, кобальт, цинк, бор и несколько десятков других элементов также необходимы в экосистемах. Их круговорот сходен с круговоротом фосфора, поскольку они, как правило, не существуют в газообразном состоянии и не могут перемещаться в атмосфере. Некоторые из перечисленных элементов добавляются во все более увеличивающихся количествах на поля, хотя это может привести к нарушению естественной структуры и равновесия в почве, к загрязнению водных путей и т. д. Чем больше будет таких и подобных им нарушений, тем больше химической энергии - в виде удобрении, пестицидов, горючего для сельскохозяйственных машин и т. д. - должно быть вложено, чтобы получить такой же урожай. Развитие сельского хозяйства в действительности зависит от наличия ископаемого топлива (используемого в качестве горючего и при производстве удобрений, электричества и т. д.), а не от количества рабочей силы или естественного круговорота веществ. По мере расхода ископаемых видов топлива и увеличения их стоимости возрастают цены на продукты питания, а потребность в них не уменьшается.
Что такое Поток энергии в биосфере?? и получил лучший ответ
Ответ от Ђаня Сарбаш(Остривная)[гуру]
ПОТОК ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ – процессы передачи и использования энергии в различных компонентах биосферы (см.) . Общее число живых организмов в каждом биоценозе, скорость их развития и воспроизводства зависят в конечном счете от количества энергии, поступающей в экосистему, от скорости ее движения через нее и, наконец, от интенсивности циркуляции веществ в ней. В отличие от циклического движения веществ, превращения энергии идут в одном направлении. Единственный источник энергии для биосферы - солнечный свет (лишь небольшие локальные экосистемы используют энергию химических реакций) . Часть солнечной энергии (0,1-1,6% от общего количества, достигающего поверхности Земли) преобразуется сообществами организмов и переходит на качественно более высокую ступень, трансформируясь в органическое вещество, представляющее более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет. Но большая часть энергии деградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низкокачественной тепловой энергии (тепловой сток) . Эффективность преобразования энергии в экосистемах отражается в пирамиде энергии, которая строится подсчетом количества энергии (в килокалориях - ккал) , аккумулированной единицей поверхности за единицу времени и используемой организмами на каждом трофическом уровне. Только небольшая часть всей этой энергии остается в организмах и сохраняется в биомассе, остальная часть используется для удовлетворения метаболических потребностей живых существ (см. экологическая эффективность сообществ) .
Поток энергии в экосистемах часто изображается в виде блоковой функциональной модели экосистемы либо упрощенной диаграммы передачи энергии в пищевой цепи (см.) . В первом случае (рис. 1) каждому блоку модели придана определенная форма, которая указывает на его общую функцию: кругом обозначен источник энергии, фигурами U-образной формы с крышечкой - хранилища энергии, U-образной фигурой - автотрофы (зеленые растения, способные переводить солнечную энергию в органические вещества) , а шестиугольниками - гетеротрофы (организмы, нуждающиеся в готовой пище) . Вторая диаграмма (рис. 2) представляет собой совокупность прямоугольников, площадь которых пропорциональна количеству энергии, сосредоточенной в биомассе каждого трофического уровня (см.) . Фигуры соединены линиями, ширина которых пропорциональна величине передаваемой вдоль цепи энергии. Принципы организации пищевых цепей отражают действие двух законов термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, приток энергии уравновешивается ее оттоком, и каждый перенос энергии сопровождается ее рассеиванием в форме, недоступной для использования тепловой энергии (при дыхании) , как того требует второй закон. Подобные диаграммы показывают, что общее количество энергии, поступающее за единицу времени в экосистему, либо деградирует, либо экспортируется, либо накапливается. Сумма энергии, потерянной при дыхании, накопленной в экосистеме и ушедшей, равна энергии, зафиксированной в процессе фотосинтеза. Вместо одноканальной схемы передачи энергии в пищевой цепи чаще используется Y-образная, или двухканальная диаграмма (рис. 3), когда поток энергии от продуцентов разделяется на детритную и пастбищную цепи. Она более реалистична, так как: 1) она соответствует основной ярусной структуре экосистемы, 2) прямое потребление живых растений и использование мертвого органического вещества обычно разделены в пространстве и времени, 3) макроконсументы (фаготрофные животные) и микроконсументы (сапрофитные бактерии и грибы) сильно различаются отношениями интенсивности обмена к размерам, и для их изучения требуются разные методы. Величины тех частей энергии чистой продукции, которые текут по двум путям, различны в экосистемах разного типа и часто варьируют по сезонам или по годам в одной и той же экосистеме. Во всех экосистемах пастбищная и детритная пищевые цепи взаимосвязаны, так что в ответ на энергетические воз