Основа существования биосферы: экология для «чайников»

Энергетический круговорот. Трансформация энергии в биосфере

Экосистему можно описать как совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом, информацией. Энергию можно определить как способность производить работу. Свойства энергии, в том числе и движение энергии в экосистемах, описываются законами термодинамики.

Первый закон термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не создаётся заново, она лишь переходит из одной формы в другую.

Второй закон термодинамики утверждает, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать. Применительно к энергии в экосистемах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше её энтропия.

Говоря другими словами, живое вещество получает и трансформирует энергию космоса, солнца в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую). Вовлекает эту энергию и неорганическую материю в непрерывный круговорот веществ в биосфере. Поток энергии в биосфере имеет одно направление – от Солнца через растения (автотрофы) к животным (гетеротрофы). Природные нетронутые экосистемы в устойчивом состоянии с постоянными важнейшими экологическими показателями (гомеостаз), являются наиболее упорядоченными системами, и характеризуются наименьшей энтропией.

2.3 Круговорот веществ в живой природе

Образование живого вещества и его разложение – две стороны единого процесса, который называется биологическим круговоротом химических элементов. Жизнь – круговорот химических элементов между организмами и средой.

Причина круговорота – ограниченность элементов, из которых строятся тела организмов. Каждый организм извлекает из окружающей среды необходимые для жизнедеятельности вещества и возвращает неиспользованные. При этом:

В биосфере очевидна необходимость сосуществования различных организмов, способных использовать продукты жизнедеятельности друг друга. Мы видим практически безотходное биологическое производство.

Круговорот веществ в живых организмах условно можно свести к четырём процессам:

1).Фотосинтез. В результате фотосинтеза растения усваивают и аккумулируют солнечную энергию и синтезируют из неорганических веществ органические вещества — первичную биологическую продукцию — и кислород. Первичная биологическая продукция отличается большим разнообразием – содержит углеводы (глюкозу), крахмал, клетчатку, белки, жиры.

Схема фотосинтеза простейшего углевода (глюкозы) имеет следующую схему:

₂₂свет (энергия Солнца)₆₁₂₆₂

хлорофилл (катализатор) глюкоза

Этот процесс протекает только днём и сопровождается увеличением массы растений.

На Земле ежегодно в результате фотосинтеза образуется около 100 млрд. т. органического вещества, усваивается около 200 млрд. т. углекислого газа, выделяется примерно 145 млрд. т кислорода.

Фотосинтезу принадлежит решающая роль в обеспечении существования жизни на Земле. Его глобальное значение объясняется тем, что фотосинтез является единственным процессом, в ходе которого энергия в термодинамическом процессе согласно с минималистским принципом не рассеивается, а наоборот – накапливается.

Синтезируя необходимые для построения белков аминокислоты, растения могут существовать относительно независимо от других живых организмов. В этом проявляется автотрофность растений (самостоятельность в питании). В то же время зелёная масса растений и кислород, образующийся в процессе фотосинтеза, являются основой для поддержания жизни следующей группы живых организмов – животных, микроорганизмов. В этом проявляется гетеротрофность этой группы организмов.

2).Дыхание.Процесс обратный фотосинтезу. Происходит во всехживых клетках. При дыхании органическое вещество окисляется кислородом, в результате образуется углекислый газ, вода и выделяется энергия.

3). Пищевые(трофические)связи между автотрофными и гетеротрофными организмами.

4). Процесс транспирации. Один из самых важных процессов в биологическом круговороте.

Схематично его можно описать следующим образом. Растения поглощают почвенную влагу корнями. При этом в них поступают растворённые в воде минеральные вещества, которые усваиваются, а влага более или менее интенсивно испаряется в зависимости от условий среды.

Биогенные элементы

Для благоприятного функционирования всей биосферы и непрерывности ее процессов, внутри нее должны постоянно осуществляться обмены биогенных веществ, все элементы которых важны для жизни как таковой. В организмы живых существ входят те же составляющие, что и в воздух, воду, почву и минералы. Отличие только в том, что молекулы неживой природы просты и однотипны, а живые организмы состоят из множества атомов разных типов.
Рис. 1. Классификация биогенных элементовК биогенным относятся все элементы из таблицы Менделеева, но особенно важны следующие:

• водород
• кислород
• сера
• фосфор
• углерод
• азот
• железо

Возникновение круговоротов

Активность живого вещества и энергетические потоки Солнца выступают движущими силами этого процесса. Они перераспределяют, концентрируют и перемещают огромное количество жизненно необходимых веществ между растениями, их корневыми системами и всеми существами на планете.
Возникает циклический оборот энергии потому, что действует закон ее сохранения. Она не исчезает бесследно, а расходуется для жизни биосферы Земли, переходя из одного состояния в другое.
Рис. 2. Круговорот азота в природеВсе химические составляющие окружающей среды проходят многократно приблизительно такой путь:

• Переходят в виде пищи от организма к организму;
• Выделяются в окружающий мир;
• Снова приобщаются автотрофами в процессы жизнедеятельности организмов.

Появляется круговорот, и так вещества движутся многократно. Все биологические процессы напоминают беспрерывное циклическое вращение лопастей ветряной мельницы, где лопасти — это круговорот веществ, а ветер — поток энергии, который проходит через всю экосистему.

Биологический круговорот и превращение энергии в биосфере, роль в нем организмов разных царств

Наша планета окружена тремя оболочками. Круговорот веществ – это многократное участие веществ в процессах, протекающих в различных оболочках Земли.

Этот процесс — явление непрерывное, циклическое. Круговорот веществ сопровождается превращением, потерями, закономерными перераспределениями органических и неорганических веществ.

В процессе круговорота образуется живое вещество из неорганических соединений, впоследствии органика распадается на неорганические компоненты.

Круговорот веществ в биосфере происходит при участии живых организмов, которые преобразуют и передают энергию по пищевой цепочке. Биологический круговорот осуществляется по трофическим цепям (сетям) экосистемы и подчиняется закону Линдемана. В этом круговороте участие принимают все химические элементы, из них выделяют самые необходимые:

• Углерод. Основным его источником является углекислота. Именно она необходима для его переработки в органическое вещество. В процессе фотосинтеза, поглощенная зелеными растениями углекислота перерабатывается в сахар, а благодаря другим процессам биосинтеза преобразуется в липиды, протеиды и тому подобное. Именно эти вещества являются источником питания для растений.
• Азот. В атмосфере содержится около 78% азота, однако он находится в том состоянии, в котором не может использоваться большинством живых организмов. Для того чтобы, организмы смогли им воспользоваться, азот должен быть зафиксирован в виде химических соединений. Фиксация протекает при вулканической активности, грозовых разрядах или же сгорании метеоритов, но основная фиксация происходит за счет микроорганизмов, обитающих на корнях высших растений, реже на листьях.
• Кислород. Главная составляющая живой природы. В тканях живых организмов содержится около 62,8% кислорода и 19%углерода. Круговорот кислорода усложняется тем фактором, что он может образовывать большое количество различных химических соединений. При определенном содержании кислорода, он может быть губителен для клеток аэробных организмов. Луи Пастер доказал, что ни один анаэробный организм не выживет при концентрации кислорода превышающей 1%. Круговорот этого вещества происходит между живыми организмами и атмосферой. Процесс продуцирования и выделения кислорода растениями при фотосинтезе противоположен процессу потребления и выделения углекислого газа при дыхании.

Понятие круговорота веществ

Круговорот веществ – это процесс перемещения и превращения веществ в различных системах природы. Он включает в себя переход вещества из одной формы в другую и его возвращение обратно к начальному состоянию.

Круговорот веществ является фундаментальным процессом в природе и необходим для поддержания биологического, экологического и геологического равновесия. Он осуществляется через циклические и восстановительные процессы, включающие переработку, рециркуляцию и регенерацию веществ.

Примером круговорота веществ может служить кислород. Он выделяется растениями в результате фотосинтеза и попадает в атмосферу. Затем он вдыхается животными и людьми и участвует в дыхании. В конечном итоге кислород возвращается к растениям через декомпозицию и гниение органического материала.

Круговорот веществ играет важную роль в поддержании и устойчивости экосистемы. Он позволяет веществам циркулировать и быть использованными несколько раз, минимизируя потери и обеспечивая эффективное использование ресурсов.

Круговорот — энергия

Схема круговорота энергии в природе при сжигании горючих ископаемых.

Круговорот энергии, запасенной в органическом топливе, и загрязнение окружающей среды продуктами его сгорания схематично показаны на рис. 5.2. Эта схема имеет принципиальное теоретическое значение, так как процессы накопления тсшлива и его потребления протекают с несоизмеримыми скоростями.
 

Влияние технического прогресса на окружающую.

Круговорот энергии, запасенной в органическом топливе, и загрязнение окружающей среды продуктами его сгорания схематично показаны на рис. 2.4. Эта схема имеет принципиальное значение, по она весьма условна, поскольку процессы накопления топлива и его потребления протекают с несоизмеримыми скоростями. Практически, как уже отмечалось ранее, органическое топливо в виде угля и нефти относится к псвозобповляемым источникам энергии.
 

Круговорот энергии связан с круговоротом веществ. Наиболее характерен для процессов, происходящих в биосфере, круговорот углерода. Соединения углерода образуются, изменяются и разрушаются. Основной путь углерода — от углекислого газа в живое вещество и обратно.
 

Да и в изучении круговорота энергии в лесном сообществе, надо думать, лесоводы окажутся небесполезными.
 

Никотинамидадениндинуклеотид-фосфат в восстановленной форме ( NADPH. На красном фоне показано никотинамидное кольцо, несущее богатый энергией водородный атом и электроны. Справа никотинамидная часть молекулы показана в окисленной форме.

В клетках, следовательно, совершается круговорот энергии. АТР в этом круговороте играет роль переносчика энергии и служит звеном, связывающим между собой процессы, идущие с выделением и с потреблением энергии.
 

Эти гигантские по своим масштабам круговороты веществ в биосфере сопровождаются таким же гигантским круговоротом энергии. Фотосинте-зирующие организмы улавливают солнечную энергию и продуцируют богатые энергией углеводы и другие органические соединения, а гетеротрофные организмы используют эти органические соединения в качестве источников энергии.
 

Вы видите, что вместо тепловой смерти, которую предсказывала физика прошлого столетия, предсказывала, как указывал Энгельс, без достаточных оснований, на основе законов одних тепловых явлений, через 80 лет выявились гораздо более мощные процессы, которые указывают нам на какой-то круговорот энергии в природе, на то, что в одних местах идет усложнение, а в других местах распад вещества.
 

Циолковский пришел к выводу, что сжигать минеральное топливо, являющееся прекрасным химическим сырьем, в топках котлов безрассудно, что человечество рано или поздно неминуемо придет к полному истощению природных запасов топлива и, следовательно, должно будет овладеть и второй ветвью всеобщего процесса круговорота энергии в природе — ее концентрацией.
 

Обратный поток, связанный с потреблением веществ и продуцируемым верхним уровнем экологической пирамиды энергии более низкими ее уровнями, например, от животных к растениям, намного слабее — не более 0 5 % ( и даже 0 25 %) от общего ее потока, поэтому говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.
 

Принципиальная схема круговорота веществ ( по Н. Ф. Реймерсу.

Таким образом, каждая экосистема поддерживает свое существование за счет круговорота биогенов и постоянного притока солнечной энергии. Круговорот энергии в экосистемах практически отсутствует, поскольку от редуцентов она ( энергия) возвращается к консументам в мизерных количествах. Единожды пройдя от растений-продуцентов через консументы к редуцентам, энергия выносится в околоземное и космическое пространство. При движении через экосистему поток энергии затрагивает в основном ее биоценоз, поэтому он подробно рассмотрен ранее.
 

Почему не может быть круговорота энергии.
 

Основные отличия круговоротов

Большой круговорот — это круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока.

Большой круговорот обусловлен солнечной энергией, он обеспечивает перераспределение вещества между биосферой и глубокими горизонтами Земли. Горные породы, неорганические вещества, все переносится водой, но процессы длятся миллионы лет. Горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Границы геологического круговорота значительно шире границ биосферы и в его процессах живые организмы играют второстепенную роль. Тепло земли и радиация солнца — основные двигатели геологического круговорота.

Малый круговорот веществ в биосфере, в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы — главный, и он сам является порождением жизни.

Круговорот того или иного химического вещества из неорганической среды через растительные и животные организмы и обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохимическим циклом. Биохимический цикл является частью биологического круговорота.

Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии малого круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез.

Типы цикла серы

Есть два основных вида цикла серы, а именно;

1 . Цикл газообразной серы

• В результате бактериального выброса (H2S), сжигания ископаемого топлива (SO2), переносимых ветром морских солей (SO 2-4) и вулканических выбросов сера попадает в атмосферу (H2S, SO2, SO2-4).
• Большая часть серы, существующей в виде SO2 или H2S, превращается в SO3, который растворяется в каплях воды с образованием серной кислоты.
• Из-за использования ископаемого топлива круговорот серы перегружен.
• В результате SO2, выбрасываемый в атмосферу, составляет значительную часть общего переноса серы в глобальном масштабе. Этот более высокий уровень серы превращается в серную кислоту в дождевой воде, что приводит к негативным экологическим последствиям.

Цикл газообразной серы

2. Цикл осадочной серы

• В осадочной фазе выветривание и деградация неорганических и органических отложений высвобождает серу.
• Ион SO2-4 переносит серу в наземные и водные среды обитания. После поглощения из почвы растениями и микробами ион сульфата восстанавливается и в конечном итоге интегрируется в виде сульфгидрильной группы (-SH) в белки. ТАК
• Бактерии Desulfovibrio на дне океана преобразуют некоторые сульфаты прямо в сульфиды, H2S или элементарную S в анаэробных условиях.
• Этот сероводород улетучивается в атмосферу и восполняет потери серы в результате осадков.
• Бактерии рода Thiobacillus окисляют H2S с помощью O2 с образованием сульфатов. Сера в избытке смешивается с водой, вызывая кислотные дожди.

Углерод

Круговорот углерода в биосфере неразрывно связан с кругооборотом кислорода и азота.

В биосфере схема круговорота углерода базируется на жизнедеятельности зеленых растений и их способности к превращению углекислого газа в кислород, то есть фотосинтезе.

Углерод взаимодействует с другими элементами различными способами и входит в состав практически всех классов органических соединений. Например, он входит в состав углекислого газа, метана. Он растворен в воде, где его содержание значительно больше чем в атмосфере.

Хотя по распространённости углерод не входит в десятку, но в живых организмах он составляет от 18 до 45% сухой массы.

Мировой океан служит регулятором содержания углекислого газа. Как только его доля в воздухе повышается, вода выравнивает положения, поглощая углекислый газ. Еще одним потребителем углерода в океане являются морские организмы, которые используют его для строительства раковин.

Круговорот углерода в биосфере основывается на наличии в атмосфере и гидросфере углекислого газа, который является своеобразным обменным фондом. Пополняется он за счет дыхания живых организмов. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, принимающие участие в процессе разложения органических остатков в почве, также участвуют в пополнении углекислым газом атмосферы.Углерод «консервируется» в минерализованных неперегнивших органических остатках. В каменном и буром угле, торфе, горючих сланцах и тому подобных отложениях. Но основным резервным фондом углерода являются известняки и доломиты. Содержащийся в них углерод «надежно спрятан» в глубине планеты и высвобождается лишь при тектонических сдвигах и выбросах вулканических газов при извержениях.

Благодаря тому, что процесс дыхания с выделение углерода и процесс фотосинтеза с его поглощением проходит через живые организмы очень быстро, в кругообороте участвует лишь незначительная доля всего углерода планеты. Если бы этот процесс был невзаимным, то растения только суши использовали весь углерод всего в течение 4-5 лет.

В настоящее время, благодаря деятельности человека, растительный мир не имеет недостатка с углекислым газом. Он пополняется сразу и одновременно из двух источников. Путем сжигания кислорода при работе промышленности производств и транспорта, а также в связи с использованием для работы этих видов человеческой деятельности тех «консервов» – угля, торфа, сланцев и так далее. Отчего содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25%.

Круговорот энергии

Энергия тоже постоянно перерождается

Чтобы в организме поддерживалась жизнедеятельность, им необходимо энергия, которая может существовать в нескольких формах в природе:

• Механическая,
• Тепловая,
• Химическая,
• Электрическая,
• Световая,
• Атомная и пр.

Преобразование энергии – это ее переход из одной формы в другую (например, из механической в электрическую и т.д.).

Такой переход одной формы энергии в другую действует четко по законам сохранения энергии, согласно которому:

Основным источником энергии является, конечно же, солнце, а точнее – его энергия. Именно она способствует нагреванию атмосферы и гидросферы, что способствует движению воздушных масс, океанических течений, испарению воды, таянию снегов.

Солнечная энергия дает толчок если не всем, то очень многим процессам

Зеленые растения и прочие представители автотрофных организмов преобразуют солнечную энергию в энергию химических связей – так происходит Его Величество Фотосинтез. Вот почему у многих авторов именно фотосинтез выступает как основа существования энергетики биосферы.

Основная часть этой энергии тратится самими растениями для поддержания своей жизнедеятельности. Меньшую часть растение передает по пищевой цепочке животным, которые затем преобразуют эту энергию в другие ее виды (световую, электрическую, тепловую). Какая-то часть солнечной энергии может накапливаться и в виде природных запасов (горючие сланцы, уголь, торф).

Вот как выглядит поток энергии в биосфере

Так что можно утверждать, что как такового круговорота энергии в биосфере не происходит, происходит лишь ее перерождение из одной формы в другую.

Примеры круговорота веществ

Круговорот веществ является фундаментальным процессом в природе и встречается повсеместно. Вот некоторые примеры круговорота веществ:

1. Круговорот воды

   Вода на Земле находится в постоянном движении между атмосферой, океанами, реками, озерами и ледниками. Водоносный цикл включает испарение, конденсацию, осадки, инфильтрацию, сток и поглощение воды. Этот круговорот веществ позволяет поддерживать водный баланс на планете.

2. Круговорот углерода

   Углерод является основным элементом жизни и включен в состав органических материалов. Углерод переходит между атмосферой, растениями, животными и почвой через процессы фотосинтеза, дыхания, разложения органических веществ и горения. Круговорот углерода играет важную роль в поддержании биологического равновесия и климата на Земле.

3. Круговорот азота

   Азот входит в состав многих органических соединений и необходим для роста растений и животных. Процесс круговорота азота включает захват азота из атмосферы растениями, передачу его через пищевую цепочку, разложение органических веществ азотосодержащих организмов и возвращение азота в атмосферу через денитрификацию и поглощение азота почвой. Круговорот азота важен для поддержания плодородия почв и биологического разнообразия.

4. Круговорот кислорода

   Кислород играет важную роль в процессе дыхания живых организмов и окислительных процессах. Круговорот кислорода происходит между атмосферой, растениями и животными. Во время фотосинтеза растения выделяют кислород в атмосферу, который впоследствии используется животными и растениями для дыхания и окисления органических компонентов.

Круговорот углерода

Так выглядит в природе круговорот углерода

Углерод – необходимый химический элемент органических веществ любых классов.

Львиная доля круговорота этого вещества в круговороте принадлежит растениям. Именно они в процессе фотосинтеза  способствуют ассимиляции углекислого газа атмосферы и гидросферы растениями и цианобактериями, образуя углеводы.

Когда же живой организм дышит, происходит обратный процесс – образуется углекислый газ из углерода органических соединений.

Так что циркуляции углерода в биосфере способствуют всего лишь 2 казалось бы естественных и таких незаметных процесса – дыхание и фотосинтез.

Преамбула

Основой жизни на Земле являются круговороты веществ в биосфере и постоянный приток солнечной энергии. Круговорот веществ — цикличный, многократно повторяющийся процесс перемещения и перехода химических элементов из живых тел в соединения неживой природы и обратно. С использованием солнечной энергии на планете протекает два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический.

Геологический (большой) круговорот веществ — процесс миграции веществ и природных вод, происходящий в результате воздействия абиотических факторов (факторов неживой природы). При большом геологическом круговороте, протекающем миллионы лет, горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Биологический (малый) круговорот веществ — процесс циркуляции веществ между растениями, животными, грибами, микроорганизмами, атмосферой и почвой. Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, постоянно перемещаются, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно. Так, в природе из неорганических веществ автотрофами синтезируются органические вещества. Выделенные в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы автотрофами для синтеза органических веществ. Возможность многократного использования веществ делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного притока нужного количества энергии Солнца.

Возникновение круговоротов

Биологическая активность живого вещества и энергия излучения Солнца выступают движущими силами этого процесса. Они перераспределяют, концентрируют и перемещают огромное количество жизненно необходимых веществ между растениями, их корневыми системами и всеми существами на планете.

Движение вещества происходит во внутренних оболочках земли, их подъём в результате восходящих тектонических движений и вулканизма, перенос веществ по горизонтали во внешних оболочках и аккумуляция, погружение в результате нисходящих тектонических движений. На большой глубине происходит метаморфизм, плавление вещества с образованием магмы и метаморфических горных пород.

Материя и энергия в земной системе

Некоторые типы материи были произведены при Большом взрыве, который сформировал Вселенную. Теория утверждает, что порядка 14 млрд лет назад произошедшая ядерная реакция сформировала ядра звезд различных типов. Земля и другие планеты, образованные из накопления тяжелых форм материи, начала дрейфовать в пространстве после Большого взрыва. Земля прошла через свой период накопления материи и энергии со времен начала нашей Солнечной системы, около 4,5 миллиарда лет назад.

Система Земли — включая ее живые и неживые компоненты вообще содержит небесконечное количества материи (за исключением небольшого количества входящей и выходящей из атмосферы Земли).

Как бесчисленные поколения живых организмов выживают на ограниченном количестве материи все эти 4,5 миллиарда лет?

Именно превращение энергии и круговорот из одной формы в другую позволяет жить на Земле живым существам.