12. Экосистемы
12.5. Солнце как источник энергии
Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце. Поток энергии по данным Т.А. Акимовой, В.В. Хаскина (1994), посылаемый солнцем к планете Земля, превышает 20 млн ЭДж в год. Из-за шарообразности земли к границе всей атмосферы подходит только четверть этого потока. Из нее около 70% отражается, поглощается атмосферой, излучается в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Падающая на поверхность Земли солнечная радиация составляет 1,54 млн. ЭДж в год. Это огромное количество энергии в 5000 раз превышает всю энергетику человечества конца XX столетия и в 5,5 раза — энергию всех доступных ресурсов ископаемого топлива органического происхождения, накопленных в течение, как минимум, 100 млн. лет.
Поток солнечной энергии на Земле и ее трансформации показаны на рис. 12.6.
Рис. 12.6. Поток солнечной энергии на Земле и ее трансформации
(по Т. А. Акимовой, В. В. Хаскину, 1994)
Примечание: энергия выражена в ЭДж/год. 1 ЭДж = 10 18 Дж; горизонтальное сечение потока энергии — логарифмическое. На каждом из этапов трансформации большая часть энергии теряется
Большая часть солнечной энергии, достигающей поверхности планеты, превращается непосредственно в тепло, нагревая воду или почву, от которых в свою очередь нагревается воздух. Это тепло служит движущей силой круговорота воды, воздушных потоков и океанических течений, определяющих погоду, постепенно отдается в космическое пространство, где и теряется.
Для определения места экосистем в этом природном потоке энергии важно представлять, что как бы протяженны и сложны они ни были, ими используется лишь небольшая его часть. Отсюда следует один из основных принципов функционирования экосистем: они существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно. Дадим более детально каждую из перечисленных характеристик солнечной энергии.
1. Избыток. Растения используют около 0,5% ее количества, достигающею Земли. Если бы люди существовали только за счет солнечной энергии, то они бы использовали еще меньшую ее часть. Следовательно, ее поступающего на землю количества достаточно для удовлетворения потребностей человечества, а так как солнечная энергия в конце концов превращается в тепло, то увеличение ее использования не должно оказывать влияния на динамику биосферы.
2. Чистота. Солнечная энергия — «чистая», хотя ядерные реакции, идущие в недрах Солнца и служащие источником ею энергии, и сопровождаются радиоактивным загрязнением, все оно остается в 150 млн км от Земли. В этом ее отличие от энергии, получаемой путем сжигания ископаемого топлива или на атомных электростанциях.
3. Постоянство. Солнечная энергия всегда будет доступна в одинаковом, безграничном количестве.
4. Вечность Ученые считают, что Солнце через несколько миллиардов лет погаснет. Однако для нас это не имеет практического значения, так как люди, по современным данным, существуют только около 3 млн лет. Это всего 0,3% миллиарда. Отсюда, если даже через 1 млрд лет жизнь на Земле станет невозможной, у человечества в запасе еще 99,7% этого срока, или каждые 100 лет он будет уменьшаться всего на 0′,00001 %.
Источник
Солнце источник энергии для биосферы
Солнышко дает энергию, так необходимую для земной жизни. Эта энергия Солнца попадает в биосферу излучением, содержащим электромагнитные волны, причем весь
их спектр. И всего лишь их незначительную долю получает земная поверхность… До Земли доходят около 50% солнечного излучения, в основном это ультрафиолетовый спектр. Из них 30% энергии преобразуется в тепловую и потребляется внешним пространством (инфракрасным излучением). Биосфере же достаются только 0,05% поступающей энергии, ее поглощают зеленые растения.
Растения, способны делать запасы поглощенной энергии созданием сахаров, путем фотосинтеза. Эволюция снабдила биосферу уникальным отличием своего функционирования, что ставит человека и животный мир в прямую зависимость от процесса запаса растениями энергии.
Отсутствие фотосинтеза у людей и животных, делает особенным восполнение энергетических запасов, путем потребления растительной пищи, либо других животных, которые в свою очередь потребляют растительную пищу.
Поэтому человек и животные получают электромагнитную энергию солнца, превращают ее в пищу пищеварением с использованием кислорода, растения же к
непосредственному процессу усвоения энергии солнца приспособлены своим строением.
Энергетические преобразования биосферы в энергию, которая питает человека
Человеческий организм и организмы животных наделены пищеварительной системой, обеспечивающей получение из более сложных веществ более простые. Дальше кишечный тракт всасывает их и передает в кровь посредством циркуляции, насосную функцию в которой выполняет сердце. В результате, совместно с кислородом, они (простые питательные вещества) разнесутся по всему организму, а вредные элементы удалятся из него.
Откуда же организм питает энергию? Ее поставщиками выступают пища и вода, свет и воздух. Общепринято считать, что более энергоемка для организма является пища, а на самом деле организм тратит на ее переваривание и усвоение немало энергии, и получается что пища при всей своей ценности не так энергетически богата, а для организма важна энергия, поставленная космическим излучением.
Если не учитывать это, то тяжело настроить правильную работу живого организма. Зато, понимая все происходящее внутри нас и используя это при лечении, достаточно легко можно привести наш организм в норму, восстановить здоровье и поддерживать его на протяжении всей жизни в превосходном состоянии.
Применяя эти знания, мне удается с наибольшим эффектом добиваться исцеления моих заболевших, на это, в зависимости от тяжести, уходит от нескольких дней до нескольких месяцев. Я помогаю раскрывать спортивный потенциал, когда кажется что силы на исходе, спортсмены справляются с нагрузками, о которых даже и не мечтали. В общем, разношу в пух и прах стереотипы и мифы.
Моя любимая фраза, произнесенная известным дядькой (Альбертом Эйнштейном)
“Вся официальная наука знает, что этого не может быть никогда, но приходит невежда, который этого не знает, именно он и совершает открытие”, в этом случае, я считаю самая уместная.
В продолжении материала, чтобы понять, какую роль в поддержании жизни и здоровья человека является антиоксидантная система, предлагаю разобраться с веществом, создающим те самые оксиды – то есть кислородом. Читайте продолжение работы: Роль кислорода в жизни человека.
Источник
Научная электронная библиотека
Хамзина Ш. Ш., Жумабекова Б. К.,
7.2. Потоки энергии в биосфере. Энергетический обмен
Энергетический баланс биосферы – соотношение между поглощаемой и излучаемой энергией. Определяется приходом энергии Солнца и космических лучей, которая усваивается растениями в ходе фотосинтеза, часть преобразуется в другие виды энергии и еще часть рассеивается в космическом пространстве.
Круговорот веществ в биосфере – повторяющиеся процессы превращений и пространственных перемещений веществ, имеющие определенное поступательное движение, выражающееся в качественных и количественных различиях отдельных циклов.
В современном понимании биосфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своим «входом» и «выходом». Ее вход это поток солнечной энергии, поступающей из космоса и химической энергии – из литосферы, вовлекаемое в биогенный круговорот вещество, наличная внутренняя информация и поток внешней информации. На выходе биосферы – рассеиваемая и излучаемая, преимущественно, тепловая энергия, уходящее из круговорота вещество, реорганизованная внутренняя информация и поток исходящей информации.
Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот веществ в экосистемах возможны только за счет постоянного притока солнечной энергии. 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.
Только 1/2000000 часть солнечной энергии достигает поверхности Земли, при этом 1–2 % ее ассимилируется растениями.
На Земле существует 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 биоценозах 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.
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 пищи вновь возвращается во внешнюю среду (в виде экскрементов) и может быть вовлечена в другие цепи питания.
Большая часть энергии, полученной в результате расщепления пищевых веществ, расходуется на физиологические процессы в организме, меньшая часть – трансформируется в ткани самого организма, т.е. расходуется на рост, увеличение массы тела, откладывание запасных питательных веществ.
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.
Траты на дыхание также во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы организма. Конкретные соотношения зависят от стадии развития и физиологического состояния особей. У молодых особей траты на рост больше, тогда как зрелые особи используют энергию практически исключительно на поддержание обмена веществ и физиологических процессов.
Таким образом, большая часть энергии при переходе от одного звена пищевой цепи к другому теряется, т.к. другим, следующим, звеном может быть использована 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, накопленный 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.
Таким образом, поток энергии в биосфере разбивается на два основных русла, поступая к консументам через живые ткани растений или запасы мертвого органического вещества, источником которого также является фотосинтез.
Источник
2.3. Источники и количество энергии в биосфере.
Биосфера — это открытая термодинамическая система, которая получает энергию в виде лучистой энергии Солнца и тепловой энергии процессов радиоактивного распада веществ в земной коре и ядре планеты. Радиоактивная энергия, доля которой в энергетическом балансе планеты была значительной на абиотических фазах, сейчас не играет заметной роли в жизни биосферы, и основной источник энергии сегодня — это солнечное излучение. Каждый год Земля получает от Солнца энергию, которая составляет около 10,5 * 1020 кДж. Большая часть этой энергии отражается от облаков, пыли и земной поверхности (около 34 %), нагревает атмосферу, литосферу и Мировой океан, после чего рассеивается в космическом пространстве в виде инфракрасного излучения (42 %), расходуется на испарение воды и образование облаков (23 %), на перемещение воздушных масс — образование ветра (около 1 %). И лишь 0,023 % солнечной энергии, попадающей на Землю, улавливается продуцентами — высшими растениями, водорослями и фототрофними бактериями — и запасается в процессе фотосинтеза в виде энергии химических связей органических соединений. За год в результате фотосинтеза образуется около 100 млрд. т органических веществ, в которых запасается не менее 1,8 * 1017 кДж энергии.
Эта связанная энергия далее используется консументами и редуцентами в цепях питания, и за ее счет живое вещество выполняет работу — концентрирует, трансформирует, аккумулирует и перераспределяет химические элементы в земной коре, роздрібнює и агрегирует неодушевленное вещество. Работа живого вещества сопровождается рассеянием в виде тепла почти всей запасенной в процессе фотосинтеза солнечной энергии. Лишь доли процента этой «фотосинтетической энергии не попадают в цепи питания и консервируются в осадочных породах в виде органического вещества торфа, угля, нефти и природного газа.
Итак, в процессе работы, которую осуществляет биосфера, вловлена солнечная энергия трансформируется, то есть идет на выполнение так называемой полезной работы, и рассеивается. Эти два процессы подчиняются двум фундаментальным естественным законам — первому и второму законам термодинамики.
Первый закон термодинамики часто называют законом сохранения энергии. Это означает, что энергия не может быть ни рожден, ни уничтожена, она может быть только трансформирована из одной формы в другую. Количество энергии при этом не меняется.
В экологических системах происходит много преобразований энергии: лучистая энергия Солнца благодаря фотосинтеза преобразуется в энергию химических связей органического вещества продуцентов, энергия, запасенная продуцентами, — на энергию, аккумулированную в органическом веществе консументів разных уровней, и т. д. Современное человеческое общество также превращает огромные количества одной энергии на другую.
Второй закон термодинамики определяет направление качественных изменений энергии в процессе ее трансформации из одной формы в другую. Закон описывает соотношение полезной и бесполезной работы во время перехода энергии из одной формы в другую и дает представление о качестве самой энергии.
Второй закон термодинамики, я считаю, царит среди законов Природы. И если ваша гипотеза противоречит этому закону, я ничем не могу вам помочь. (А. Эддингтон, английский астроном).
Вспомним, что под энергией понимают способность системы совершать работу. Но при любой трансформации энергии лишь часть ее расходуется на выполнение полезной работы. Остальные же безвозвратно рассеивается в виде тепла, т.е. осуществляется пустая работа, связанная с увеличением скорости беспорядочного движения частиц. Чем больший процент энергии расходуется на выполнение полезной работы и, соответственно, чем меньше процент при этом рассеивается в виде тепла, тем выше считается качество начальной энергии. Высококачественная энергия может быть без дополнительных энергетических затрат трансформирована в большее количество других видов энергии, чем низкокачественная.
Энергией низкого качества является энергия неупорядоченного броуновского движения, то есть теплова. ее нельзя использовать для выполнения полезной работы. Количество энергии самого низкого качества, непригодного для совершения полезной работы, называют энтропией. Упрощенно энтропия — это мера дезорганизации, беспорядка, случайности систем и процессов.
Следовательно, по второму закону термодинамики, любая работа сопровождается трансформацией высококачественной энергии в энергию низшего и низшего качества — тепло — и приводит к росту энтропии.
Снизить энтропию в термодинамически закрытой системе, которая не получает энергии извне, невозможно — ведь вся качественная энергия такой системы в конце концов превращается в низкокачественную, деградирует до тепла. Однако в открытой термодинамической системе возможно противодействовать росту энтропии, используя для этого высококачественную энергию, поступающую извне, и отводя низкокачественную энергию за пределы системы.
Вселенная является закрытой системой, и в нем энтропия постоянно растет. Зато биосфера является открытой системой, которая поддерживает собственный низкий уровень энтропии, используя для этого внешний источник качественной лучистой энергии — Солнце — и рассеивая в космическое пространство низкокачественную тепловую энергию. Поэтому, кроме энтропии физической (энтропии замкнутой системы), в экологии используют понятие «энтропия экологическая» — количество необратимо рассеянной в пространстве тепловой энергии, которая, однако, компенсируется трансформированной энергией внешнего источника — Солнца.
В Космосе энтропия возрастает с течением времени, но внутри хаоса существуют островки порядка. Один из важнейших среди них — жизнь.
Живые системы за счет высоко упорядоченной энергии Солнца с низко упорядоченных компонентов окружающей среды создают свой, выше, чем в окружающей среде, порядок. За популярным среди физиков выражению, живет питается не энергией, оно питается чужим порядком (например, порядком солнечного света, химических связей органического вещества). В процессе же упорядочивание живое вещество необратимо рассеивает энергию, которая течет сквозь экосистемы, то есть создает энтропию экологическую.
Тепловое рассеяние энергии экосистемами происходит двумя основными путями:
1) обычных потерь тепла через разницу в температурах биоты и окружающей среды;
2) потерь тепла организмами и их группами в процессах метаболизма (в частности дыхания) в связи с высвобождением энергии в ходе экзотермических реакций.
С точки зрения второго закона термодинамики биосфера не является «безотходным производством»: отходы ее деятельности — это не вещество, а это низкокачественная тепловая энергия, излучаемая за пределы планеты, то есть энтропия.
Считают, что эволюция биосферы происходила в направлении уменьшения экологической энтропии. Ведь за постоянного количества энергии, поступающей, чем меньше тепла излучается, тем больше выполняется полезной работы, тем упорядкованішою становится система. Например, в системе продуцент-редуцент полезная работа заключается в противодействии распада тел только двух звеньев — продуцентов и редуцентів, а в системе продуцент-консумент-редуцент — уже в поддержании организации трех компонентов. За одинакового количества внешней энергии в обоих случаях вторая система, которая осуществляет больше полезной работы, будет излучать меньше тепла, то есть будет иметь более низкую экологическую энтропию. Из этого следует, что чем длиннее цепи питания, тем они энергетически более совершенные.
Растения поглощают энергию Солнца. Эта энергия циркулирует в системе, которую мы называем біотою и можем изобразить в виде багатосхідчастої пирамиды. Нижняя ступенька — грунт. Ступенька, на которой располагаются растения, опирается а грунт; ступенька, на которой размещаются насекомые — растения; птицы и грызуны — на насекомых, и так далее, через различные группы животных, к вершине, на которой находятся крупные хищники. Виды, составляющие одну строчку, объединяются не происхождением или внешним сходством, а типом еды. Линии зависимости, которые отражают передачи энергии, содержащейся в пище, от ее первоначального источника (растения) через ряд организмов, каждый из которых поедает предыдущего и съедается следующим, называются цепями питания. Земля, таким образом, — это не просто почва, а источник энергии, циркулирующей в системе, которая состоит из грунта, растений и животных. Цепи питания — это живые каналы, подающие энергию вверх, а смерть и тление возвращают в почву. Система не замкнутая — часть энергии теряется в процессе тления, часть добавляется поглощением из воздуха, часть накапливается в почве, торфе и лесах-долгожителях, но это система, которая действует постоянно, своеобразный фонд жизнь, медленно накапливается и находится в постоянном обізі. (Л. Олдо, выдающийся американский эколог, лесовод, охотовед).
Большое количество биомассы и энергии при переходе с одного трофического уровня на другой рассеивается, расходуется на поддержание температуры тела организмов, превращения в СО2; не вся биомасса низшего уровня используется как еда организмами высшего уровня и не вся усваивается организмами. Иначе говоря, за вторым законом термодинамики, энергия превращается в тепло, которое рассеивается в окружающей среде и теряется в пространстве. Как отмечалось выше, по подсчетам экологов, только 10 % биомассы одного трофического уровня превращается в биомассу второго уровня (так называемое » правило десяти процентов).
Поток энергии в цепях питания зависит от длины конкретного цепи, которая определяется количеством трофических уровней. Продуценты, синтезирующие органическое вещество, относится к первого трофического уровня. Консументи, которые поедают органическое вещество продуцентов, например травоядные животные (фітофаги), — до второго уровня; консументи, которые поедают фитофагов (например, хищники, охотятся на травоядных), находятся на третьем уровне и т. д. Редуценти, которые разлагают органические вещества на минеральные компоненты, находятся на последнем уровне трофической и завершают цепь питания. Они окончательно высвобождают энергию, связанную раньше продуцентами.
Поедая или разлагая органическое вещество представителей предыдущего трофического уровня, консументи или редуценти получают вещество и энергию, необходимые для процессов метаболизма, построения и поддержания собственного тела. При этом около 90 % энергии, запасенной в потребленной органике, рассеивается в виде тепла и лишь в среднем 10 % используется на построение и поддержание тела того, кто эту органическое вещество потребил. Например, консументи первого порядка (фітофаги), которые поедают продуцентов, хранят в виде органического вещества своего тела лишь 10 % энергии, связанной растениями в процессе фотосинтеза; в теле консумента второго порядка (зоофага, питающиеся фитофагами) запасается только 1 % поглощенной солнечной энергии, а хищник, который питается этим зоофагом (консумент третьего порядка), в своих клетках содержит только 0,1 % солнечной энергии, связанной растениями.
Продукты жизнедеятельности и отмершие тела как продуцентов, так и консументів становятся источником энергии для редуцентів — бактерий и грибов, разлагающих (минерализуют) эту органическое вещество и получают от 0,01 до 10 % запасенной энергии Солнца в зависимости от того, к какому трофического уровня принадлежал объект питания. Через такие большие потери энергии при переходе ее с одного трофического уровня на следующий цепи питания не могут быть длинными и обычно насчитывают не более чем пять звеньев: звено продуцентов, одну-три звена консументів, звено редуцентів.
Круговорот веществ в биосфере.
Существование жизни на Земле зависит не только от потока энергии, но и от круговорота веществ в биосфере. Любые живые организмы получают из окружающей среды химические элементы, которые затем используют на построение или поддержание своих тел и на обеспечение процессов размножения. Всего известно около 80 элементов, необходимых биоте. С продуктами жизнедеятельности или после смерти эти элементы попадают в окружающую среду — атмосферу, гидросферу или литосферу, и в дальнейшем используются другими организмами. Итак, в биосфере постоянно происходит круговорот веществ. Прямо или косвенно этот круговорот осуществляется за счет солнечной энергии и сил гравитации.
Химические элементы, которые используются живым веществом в больших количествах и обычно составляют не менее 0,1 % общей массы организма, называют макроэлементами. К макроэлементам относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, калий, магний и кальций. Все эти элементы, за исключением кислорода и водорода, называют биогенными элементами, поскольку живое вещество избирательно и в значительном количестве поглощает их из неживого среды и концентрирует в клетках. Элементы, необходимые организмам в меньших количествах (до 0,1 %), относятся к микроэлементам. Это медь, цинк, молибден, бор, йод, кремний и др.
Макро — и микроэлементы используются живыми существами в составе определенных молекул. Элемент, входящий в состав молекулы, с которой он может быть усвоен организмом, называют доступным, или элементом в доступной форме. Часто для разных групп организмов доступные формы одного и того же элемента разные.
Круговороты кислорода и водорода.
Кислород и водород входят в состав всех органических соединений. Они поглощаются продуцентами в составе воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза, всеми другими организмами — с органическим веществом, созданным продуцентами, во время дыхания (из атмосферы или из водного раствора) и употребления питьевой воды. Как конечные продукты биологического круговорота, водород и часть кислорода возвращаются в безжизненное среду также в виде воды, а кислород, кроме того, выделяется в молекулярной форме в атмосферу растениями-продуцентами как один из конечных продуктов фотосинтеза.
Углерод — это основа органических веществ. Он входит в состав белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и других веществ, необходимых для существования живого вещества. К первичным источникам углерода в биосфере относятся атмосферный углекислый газ, что составляет 0,036 % общего объема тропосферы, и углекислый газ, растворенный в воде Мирового океана, где его количество в 50 раз выше, чем в атмосфере.
Неорганический углерод доступен только для продуцентов — растений и небольшой группы хемотрофних бактерий. Вследствие процессов фото — и хемосинтеза углерод связывается в молекулы сахаров, которые потом используются для создания других органических соединений. В таком виде углерод становится доступным для консументів и редуцентів. В результате процессов дыхания и брожения органические вещества в клетках окисляющиеся с выделением энергии и углекислого газа, который снова или попадает в атмосферу, или растворяется в воде, а также образует ионы карбонатов. Органическое вещество погибших особей также распадается с образованием углекислого газа. Этот процесс осуществляется редуцентами. Если по каким-то причинам отмершие остатки не были использованы редуцентами, они накапливаются в литосфере и со временем трансформируются в углеродсодержащие ископаемые — торф, уголь, нефть.
Круговорот азота (рис. 2. 2.). Атмосферный азот, что находится в молекулярной форме, доступен только для немногочисленной группы азотфіксувальних бактерий и синезеленых водорослей. Азотфиксаторы, усваивая молекулярный азот, привлекают его в состав органического вещества своего тела, то есть переводят в органическую форму. После отмирания органический азот трансформируется в минеральную форму (аммоний, нитраты или нитриты) амоніфікуючими и нітрифікуючими бактериями. Минеральный азот доступен только для растений, которые усваивают его и переводят в органическую форму (в частности, белки и нуклеиновые кислоты), и в таком виде азот становится доступным для консументів — животных и грибов. После их отмирания азот снова используется бактериями амоніфікаторами и нітрифікаторами. Минеральный азот используют также бактерии денітрифікатори, которые, в конце концов, переводят его в молекулярную форму и возвращают в атмосферу. Цикл замыкается.
В отличие от азота, источником фосфора является не атмосфера, а земная кора. В процессе выветривания горных пород фосфор переходит в почвенный раствор и становится доступным для растений. Он входит прежде всего в состав нуклеиновых кислот, аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), фосфолипидов. С этими органическими веществами фосфор передается цепями питания от продуцентов к консументів и возвращается в почву в виде органических остатков и продуктов жизнедеятельности. В результате процессов минерализации, которые осуществляются бактериями-редуцентами, фосфор снова переходит в неорганические формы и становится доступным для растений.
Однако в природе чаще всего именно недостаток фосфора сдерживает развитие биоты. С одной стороны, фосфорные соединения быстро вымываются в Мировой океан. Этому способствуют процессы эрозии почвы. Много фосфора выносится в океан и с неочищенными сточными водами. В океане этот фосфор частично используется микро — и макроскопическими водорослями, а затем потребляется морскими консументами и редуцентами. Некоторая часть фосфора может перевідкладатися на суше. Например, помет морских рибоїдних птиц, который содержит много фосфора, накапливается в птичьих колониях и на птичьих базарах, образуя так называемое гуано — полезное ископаемое интенсивно добывается в некоторых странах и используется для производства фосфатных минеральных удобрений (например, в Чили). Но большая часть фосфора накапливается на дне с отмершими остатками морской биоты. Этот фосфор может снова стать доступным для биоты только со временем в геологическом измерении, например после поднятия определенных участков морского дна (правда, сегодня человек уже начала разрабатывать и морские месторождения фосфоритов). С другой стороны, на суше значительная часть минерального фосфора образует нерастворимые комплексы с грунтовыми частицами и становится недоступной для продуцентов, следовательно, и для других звеньев трофических цепей. Лишь некоторые почвенные грибы способны изымать фосфорные соединения из этих комплексов.
Сера — необходимый компонент многих органических веществ, среди которых прежде всего следует отметить аминокислоту цистеин.
Главным источником серы являются растворенные в воде продукты выветривания горных пород (чаще всего сульфиды железа — основной компонент колчеданів) или сероводород и сернистый газ, которые выделяются в атмосферу вулканами, гейзерами, горячими источниками. Сероводород, окиснений атмосферным кислородом до сернистого газа, растворяется в водяном паре атмосферы и выпадает с дождем на поверхность планеты. В состав живого вещества сера попадает путем поглощения растворенных в воде ионов сульфатов растениями-продуцентами. Затем сера в составе растительных белков цепями питания попадает в консументів и редуцентів. В анаэробных условиях (например, в болотах) редуценти разлагают белки с выделением серы в виде сероводорода, который может быть окиснений до молекулярной серы или до растворимых сульфатов и сульфидов. В такой форме сера снова становится доступной для продуцентов.
Сегодня круговорот серы под воздействием человека претерпевает существенных изменений: почти треть серы, что циркулирует в биосфере, попадает в атмосферу с димогазовими выбросами заводов, фабрик и тепловых электростанций. Эта «лишняя» сера, растворяясь в атмосфере с образованием серной и сернистой кислот, выпадает в виде кислотных дождей, которые приводят к быстрой деградации многих экосистем.
Круговороты калия, магния и кальция.
Эти элементы в виде ионов попадают в живое вещество в процессе поглощения воды растениями, а также во время употребления питьевой воды. Они выполняют разнообразные функции. Например, калий необходим для работы калий-натриевого насоса клеток, магний — обязательная составляющая хлорофилла, кальций нужен для поддержания постоянного рН цитоплазмы, является главным компонентом панцирей, домиков, скелетов многих животных. Подобно азота, фосфора и серы, эти элементы мигрируют трофическими цепями от продуцентов через консументи к редуцентів. После гибели организма они быстро переходят в водные растворы и снова становятся пригодными для дальнейшего использования.
В морях кальций и магний частично изымаются из биологического круговорота и консервируются в осадочных породах. Например, микроскопические морские водоросли кокколітофориди перевідкладають кальций в виде карбонатов на поверхности клеток, образуя так называемые кокколіти. После отмирания клеток кокколіти не успевают полностью раствориться в воде и оседают на дно, формируя меловые осадочные породы. Лишь в геологическом масштабе времени, после поднятия определенных участков дна, кальций, накопленный в мелу, высвобождается в процессе выветривания и вновь становится доступным для биоты.
Ш Большой круговорот веществ и влияние на него антропогенного фактора. Энергия Солнца и силы гравитации движут два круговороты веществ: биологический и геологический (рис. 2. 3.). Биологический круговорот быстрый и разомкнут: начальная и конечная звенья замыкаются через доступные неорганические вещества. Геологический круговорот медленный и заперт. Часть веществ из биологического круговорота поступает в геологический в виде отмерших остатков, образуя осадочные породы, которые со временем под воздействием давления, температуры и других факторов трансформируются в граниты. Тектонические поднятия вызывают вынесения части гранитных пород на поверхность. Граниты выветриваются, и, как следствие, образуется фонд доступных веществ, что в дальнейшем снова привлекаются к биологического круговорота.
Процессы круговорота веществ в биосфере осуществляются сбалансировано. Подавляющее большинство веществ, вовлеченных в биологический круговорот, возвращается в минеральный состояние и становится доступной для повторного использования живым веществом. Лишь небольшая часть откладывается в осадочных породах, но эти потери компенсируются веществами, которые высвобождаются из горных пород в результате процессов выветривания.
Баланс и согласованность биологического и геологического циклов достигаются благодаря живом веществе: за счет длительных процессов видообразования в случае появления новых ресурсов или новых условий среды и за счет формирования многочисленных прямых, обратных и косвенных связей между различными организмами и факторами среды.
Обычно ускорения выветривания горных пород вызывает рост количества биогенных веществ, что, в свою очередь, стимулирует увеличение количества живого вещества и в конце концов повышает интенсивность процессов выноса веществ в Мировой океан. Это приводит к более интенсивному накоплению донных осадков. Количество доступных веществ в биосфере начинает быстро уменьшаться. Биосфера переходит на «голодный» режим, что сопровождается массовыми вымираниями видов, усилением конкурентной борьбы за ресурсы и ускорением процессов образования новых, более конкурентоспособных и «экономных» видов. Однако вымирание происходит гораздо быстрее, чем видообразование. Примером могут служить каменноугольный и меловой периоды, когда чрезвычайно быстро накапливались осадочные породы в результате катастрофического вымирания многих видов палеозойской и ранньомезозойської флоры и фауны. Вымирание завершалось появлением на планете новых классов и типов (отделов) животных и растений. Еще продолжаются дискуссии о причинах нарушения баланса между биологическим и геологическим крутообігами, однако катастрофические последствия этого и медленные темпы их устранения очевидны.
Сегодня ситуация аналогичная, но, в отличие от предыдущих эпох, причина ее известна: это деятельность человека — так называемый антропогенный фактор (рис. 2. 4.).
Рассмотрим главные причины нарушения круговорота веществ в биосфере.
Во-первых, это достаточно сильное искусственное ускорение процессов выветривания осадочных и гранитных пород, связанное с добычей и переработкой полезных ископаемых, сжиганием угля, нефти, торфа, природного газа. В результате в атмосфере увеличивается содержание углекислого газа, оксидов серы, через кислотные дожди уменьшается рН почвы, что приводит к переходу многих элементов в растворенное состояние. Некоторые из них в больших концентрациях токсичны и опасны для живого (например, тяжелые металлы — медь, цинк, свинец). Процессы круговорота веществ в биологическом цикле замедляются — ведь гибнут носители живого вещества. И чем больше элементов переходит в раствор, тем больше их уходит в Мировой океан. Ускоренные темпы гибели биоты, замедленные темпы повторного использования доступных минеральных веществ, рост скорости их вымывания вызывают переобогащение Мирового океана биогенными элементами. Вследствие этого учащаются вспышки «цветения» океана микроскопическими водорослями, которые нередко бывают токсичными и подавляют развитие консументів, которые их потребляют. Так, по сравнению с прошлыми веками частота вспышек «цветения» в Мировом океане выросла в 50-130 раз! Все это ускоряет процессы изъятие из биосферы доступных биогенных веществ их консервации в донных отложениях.
Во-вторых, человек в процессе своей хозяйственной деятельности создает многочисленные вещества (например, пластмассы), которые в дальнейшем не могут быть ни использованы продуцентами, ни разложены в доступных минеральных веществ редуцентами. Они образуют особую группу антропогенных «осадочных» пород — отходы нашей цивилизации, которые археологи почему-то назвали «культурным слоем». Эти отходы в конечном итоге будут трансформированы в литосфере в граниты и потом в процессе выветривания снова станут доступными для живого вещества, но произойдет это в геологических измерениях времени — через миллионы лет. Поэтому есть реальная угроза того, что доступные ресурсы биосферы могут быть переработаны на отходы быстрее, чем завершится цикл геологического круговорота. Что в этом случае произойдет с биосферой (в том числе и с человеком), предсказать несложно.
Источник