Круговорот веществ и энергии в биосфере

Вернадский Владимир Иванович Вернадский В. И. осуществил важнейшие исследования в области биологии. Дал в 1926 г. определение биосферы. Вернадский В. И. один из основоположников биогеохимии.

Василий Васильевич Докучаев Живые организмы создают в биосфере круговороты важнейших биогенных элементов, которые попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю. Эти циклы делят на две основные группы: круговороты газов и осадочные круговороты. В первом случае главный поставщик элементов – атмосфера (углерод, кислород, азот), во втором – горные осадочные породы (фосфор, сера и др.).

Круговорот веществ и превращение энергии как основа существования биосферы. Деятельность живых организмов в биосфере сопровождается извлечением из окружающей среды больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный (с участием живых организмов) круговорот веществ в природе, т. е. циркуляция веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Под круговоротом веществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер.

В круговороте веществ принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды одни вещества и выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают кислород, выделенный растениями, а поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ, воду и вещества непереваренной части пищи. При разложении бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву и снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы в живые организмы, а из нихв окружающую среду, пополняя таким образом неживое вещество биосферы. Эти процессы повторяются бесконечное число раз. Так, например, весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2 тыс. лет, весь углекислый газ за лет.

Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основой биогенного круговорота, обеспечивающего существование жизни, является солнечная энергия. Связанная в органических веществах энергия но ступеням пищевой цепи уменьшается, потому что большая ее часть поступает в окружающую среду в виде тепла или же тратится на осуществление процессов, происходящих в организмах, Поэтому в биосфере наблюдается поток энергии и ее преобразование. Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговорота веществ и притока солнечной энергии.

ТИПЫ КРУГОВОРОТОВ ВЕЩЕСТВ большой (геологический) малый (биотический)

большой (геологический) - продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь. малый (биотический) - (часть большого), происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.

продуценты (синтезируют свое орган. в-во из неорганического в-ва с использованием энергии солнца). консументы (синтезируют свое орган. в-во из уже готовых чужих орган. в-тв с использованием энергии ). редуценты ( расщипляют орган. в-ва до неорган. с восвобождением энергии ). солнечная энергия

КРУГОВОРОТ ВОДЫ Вода самое распространенное вещество в биосфере. Основные ее запасы (97,1%) сосредоточены в виде солено-горькой воды морей и океанов. Остальные воды пресные. Воды ледников и вечных снегов (т. е. вода в твердом состоянии) вместе составляют около 2,24% (70% от запасов всей пресной воды), грунтовые воды 0,61%, воды озер и рек соответственно 0,016% и 0,0001%, атмосферная влага 0,001%. Вода в виде водяного пара испаряется с поверхности морей и океанов и переносится воздушными потоками на различные расстояния. Большая часть испарившейся воды возвращается в виде дождя в океан, а меньшая на сушу. С суши вода в виде водяного пара теряется благодаря процессам испарения с ее поверхности и транспирации растениями. Вода переносится в атмосферу и в виде осадков возвращается на сушу или в океан. Одновременно с континентов в моря и океаны поступает речной сток воды.

Как видим, основу глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы, происходящие с участием мирового океана. Роль живого вещества в них, казалось бы, невелика. Однако на континентах масса воды, испаряемая растениями и поверхностью почвы, играет главную роль в круговороте воды. Так, в различных лесных зонах основное количество осадков образуется из водяного пара, поступающего в атмосферу благодаря суммарному испарению, и в результате такие зоны живут как бы на собственном замкнутом водном балансе. Масса воды, транспирируемая растительным покровом, весьма существенна. Так, гектар леса испаряет 2050 т воды в сутки. Роль растительного покрова заключается также в удержании воды путем замедления ее стока, в поддержании постоянства уровня грунтовых вод и др.

КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА Кислород атмосферы имеет биогенное происхождение и его циркуляция в биосфере осуществляется путем пополнения запасов в атмосфере в результате фотосинтеза растений и поглощения при дыхании организмов и сжигании топлива в хозяйстве человека. Кроме того, некоторое количество кислорода образуется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разрушении озона под действием ультрафиолетового излучения; часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и др.

Продуценты в процессе фотосинтеза выделяют кислород в атмосферу. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания. Часть его превращается в углекислый газ, а остатки передаются по цепям питания. После гибели организмов редуценты, используя кислород, разлагают органические вещества до воды и углекислого газа. Часть атмосферного кислорода расходуется на окисление неорганических веществ. Естественный цикл завершен. Кислород так же превращается в озон и обратно под воздействием солнечных лучей. Малая часть кислорода выходит из цикла в виде полезных ископаемых (каменного угля, нефти, газа и т. п.). Человек вносит заметные изменения в круговорот кислорода. Сжигаемое ископаемое топливо (каменный уголь, нефть, газ) уменьшает запасы атмосферного кислорода. Использование хлорфторуглеводородов истончает озоновый слой, который защищает все живое на Земле от губительных ультрафиолетовых лучей.

КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА Углерод обязательный химический элемент органических веществ всех классов. Огромная роль в круговороте углерода принадлежит зеленым растениям. В процессе фотосинтеза углекислый газ атмосферы и гидросферы ассимилируется наземными и водными растениями, а также циа-нобактериями и превращается в углеводы. В процессе же дыхания всех живых организмов происходит обратный процесс: углерод органических соединений превращается в углекислый газ. В результате ежегодно в круговорот вовлекаются многие десятки миллиардов тонн углерода. Таким образом, два фундаментальных биологических процесса фотосинтез и дыхание обусловливают циркуляцию углерода в биосфере. Еще одним мощным потребителем углерода являются морские организмы. Они используют соединения углерода для построения раковин, скелетных образований. В дальнейшем остатки отмерших морских организмов образуют на дне морей и океанов мощные отложения известняков. Цикл круговорота углерода замкнут не полностью. Углерод может выходить из него на довольно длительный срок в виде залежей каменного угля, известняков, торфа, сапропелей, гумуса и др.

Человек нарушает отрегулированный круговорот углерода в ходе интенсивной хозяйственной деятельности. За счет сжигания огромного количества ископаемого топлива содержание углекислого газа в атмосфере за XX в. возросло на 25%. Последствием этого может стать усиление парникового эффекта

КРУГОВОРОТ АЗОТА Азот необходимый компонент важнейших органических соединений: белков, нуклеиновых кислот, АТФ и др. Основные его запасы сосредоточены в атмосфере в форме молекулярного азота, недоступного для растений, так как они способны использовать его только в виде неорганических соединений. Пути поступления азота в почву и водную среду различны. Так, небольшое количество азотистых соединений образуется в атмосфере во время гроз. Вместе с дождевыми водами они поступают в водную или почвенную среду. Небольшая часть азотистых соединений поступает при извержениях вулканов.

К прямой фиксации атмосферного молекулярного азота способны лишь некоторые прокариотические организмы: бактерии и цианобактерии. Наиболее активными азотфиксаторами являются клубеньковые бактерии, поселяющиеся в клетках корней бобовых растений. Они переводят молекулярный азот в соединения, усваиваемые растениями. После отмирания растений и разложения клубеньков почва обогащается органическими и минеральными формами азота. Значительную роль в обогащении водной среды азотистыми соединениями играют цианобактерии. Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемые животными и грибами, расщепляются гнилостными {аммонифицирующими) б актериями до аммиака. Основная масса образующегося аммиака окисляется нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, после чего вновь используется растениями. Некоторая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с углекислым газом и другими газообразными веществами выполняет функцию удержания тепла планеты.

КРУГОВОРОТ СЕРЫ Круговорот серы в природе поддерживается микроорганизмами. При их участии сульфиды окисляются до сульфатов, сульфаты поглощаются живыми организмами, где сера восстанавливается и входит в состав белков. При гниении отмерших организмов сера возвращается в круговорот. Круговорот серы охватывает воду, почву и атмосферу. Основные резервы серы находятся в почве и отложениях как в самородном состоянии, так и в виде залежей сульфидных и сульфатных минералов. Ключевым звеном круговорота являются процессы аэробного окисления сульфида до сульфата и анаэробного восстановления сульфата до сульфида. Выделяющийся из воды сероводород окисляется до сульфат-иона атмосферным кислородом. Сульфат-ион - основная форма серы, которая доступна автотрофам. Круговорот серы находится под сильным влиянием антропогенной деятельности, в первую очередь, в результате сжигания ископаемого топлива. В органических энергоносителях всегда содержится то или иное количество серы, выделяющейся в виде диоксида, который, как и оксиды азота, токсичен для живых организмов. Диоксид серы способен интенсивно поглощаться надземным ассимиляционным аппаратом растений и в сильной степени подавлять процесс фотосинтеза вплоть до некроза и полной гибели листьев. Диоксид серы может реагировать с водяными парами атмосферы, образуя триоксид серы и далее - серную кислоту.

В природе постепенно происходит круговорот серы, подобный круговороту азота или углерода. Растения потребляют серу - ведь ее атомы входят в состав белка. Особенно важное значение в круговороте серы, видимо, имеют тионовые бактерии, широко распространенные в различных водоемах, почве и в разрушающихся горных породах.

КРУГОВОРОТ ФОСФОРА Фосфор – один из важнейших химических элементов, участвующих в развитии живых организмов. Он входит в состав протоплазмы и большинства животных и растительных белков. Человеку фосфор жизненно необходим для полноценного развития органов и тканей, а также для обеспечения нормальной работы мозга. Круговорот фосфора в биосфере состоит из нескольких главных звеньев - это горные породы, почва, растения и животные организмы. Источником большинства фосфорсодержащих соединений в природе является минерал апатит, в состав которого входит от 5 до 36% оксида фосфора. Кристаллики апатита встречаются в магматических породах и в местах их контакта с осадочными. Значительные запасы этого минерала обнаружены в Бразилии и Норвегии, а крупнейшее месторождение находится в Хибинах (Кольский полуостров). В процессе выветривания, происходящего под влиянием атмосферных условий, почвенных кислот, живых организмов, апатиты разрушаются и вовлекаются в биохимический круговорот фосфора, охватывающий био-, гидро- и литосферу.

В любом животном организме постоянно происходят физиологические процессы, связанные с расщеплением, синтезом и прочими химическими превращениями фосфорсодержащих соединений. У млекопитающих этот элемент содержится в белках крови, молока, нервной, костной и мозговой тканей. Также он присутствует в составе нуклеиновых кислот – соединений, участвующих в процессах передачи наследственной информации. После гибели животных организмов круговорот фосфора замыкается - элемент возвращается в литосферу, выпадая из биохимического цикла. При определенных условиях (например, при резкой смене климатических условий, при колебаниях солености, температуры, кислотности воды и пр.) происходит массовая гибель организмов и скопление их остатков на морском дне. В результате формируются новые месторождения фосфорсодержащих горных пород осадочного происхождения (например, фосфоритов). Со временем органогенные породы - биолиты - становятся новым источником этого элемента в биогенном цикле.

ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ Большая часть приходящей к Земле энергии поглощается атмосферой; это главным образом ультрафиолетовая часть спектра - чрезвычайно опасная для живых организмов. Таким образом теряется 30% падающей на Землю энергии. Около 50% падающей энергии превращается в тепло и вновь излучается во внешнее пространство в форме инфракрасного теплового излучения, а 20% расходуется на испарение воды и образование облаков. И наконец, лишь 0,02% падающей энергии поглощается биосферой. Энергия, поглощенная биосферой, идет на совершение биологической работы живыми организмами, направленной на поддержание их жизни.

Растения поглощают солнечную энергию при помощи хлоропластов включающих в себя пигмент - хлорофилл, который содержится в листьях и определяет зеленый цвет растений. Листья имеют большую поверхность для поглощения солнечного света и отверстия (устьица) для обмена с окружающей средой кислородом и двуокисью углерода. Поглотив электромагнитную энергию солнца растения в процессе фотосинтеза запасают ее в форме сахаров - основного химического источника энергии. Необходимая для фотосинтеза вода с содержащимися в ней солями подается от корней по "водопроводной" системе, называемой ксилемой, а образовавшийся сахар (питательные вещества) распределяется по всем частям растения с помощью другой проводящей системы, называемой флоэмой. Ксилема и флоэма образуют циркуляторную систему растения, которая распределяет в растениях питательные вещества и энергию.

Поглощение, превращение и использование энергии животными Животные не могут непосредственно использовать энергию солнечного излучения для осуществления своей жизнедеятельности. Так как у них нет системы фотосинтеза, они получают энергию поедая или растения (травоядные), или других животных, питающихся растениями (плотоядные). В организме животных в процессе переваривания сложных компонентов пищи, происходит ее разложение на более простые, которые всасываются в кишечнике, поступают в кровь и разносятся по всему организму. При этом происходит высвобождение энергии, запасенной в пище. Часть этой высвободившейся энергии выделяется в виде тепла, а другая часть запасается организмом в форме химической энергии, которая затем используется при выполнении работы, например, сердцем - при перекачке крови, кишечником - по поглощению питательных веществ, мышцами, - приводящим в движение крылья, лапы и хвосты, ноги и руки. и пр. Для создания систем с высоким уровнем генетической и нервной организации (упорядоченных систем) также необходимо затратить энергию. Для эффективного функционирования организм должен иметь программу, содержащую инструкции по работе всех его элементов, и для этой программы нужна информация о внутреннем состоянии и внешнем окружении организма. Совершаемая при этом работа состоит в выработке сигналов, с помощью которых регулируются энергетические процессы, организуются биоструктуры, контролируется расход энергии, необходимой для быстрой реакции организма на внешние раздражители, или стимулируется возникновение других сигналов.

Таким образом, животные находятся в зависимости от накопления чистой продукции зелеными растениями. Однако та часть этой продукции, которая доступна для растительноядных животных, усваивается ими не полностью: некоторые мыши ассимилируют почти 90% своей пищи, а кузнечик - всего лишь 30%. Во всех случаях большая часть полученной энергии идет на поддержание жизни и в конце концов теряется в процессах дыхания и теплоотдачи; она уже не может быть использована экосистемой. Остаток энергии накапливается в виде новых тканей и новых особей. Именно эту накопленную травоядными животными энергию могут использовать хищники, которая после их смерти также рассеивается в виде тепла.

Обмен энергией в экосистеме осуществляется иначе, чем обмен веществом. Хотя исходная потенциальная энергия, как и масса, передается от продуцентов (растений) последовательно к травоядным, плотоядным и редуцентам, живущим за счет этих животных, она не возвращается целиком по замкнутому циклу, а частично рассеивается (главным образом в процессах дыхания) в виде тепла во внешнее пространство. В результате этой непрерывной потери энергии поток ее последовательно уменьшается. Поэтому для поддержания жизни на Земле необходим постоянный приток энергии Солнца.

ВЫВОДЫ Таким образом, биотические и геологические циклы позволяют поддерживать существование жизни на земле. При этом интенсивность жизнедеятельности всех трех основных слагаемых органического мира – продуцентов (производителей), консументов (потребителей) и редуцентов (разрушителей) – обязательно находится во взаимном равновесии и испытывая на себе влияние факторов неживой природы, своей деятельностью изменяют условия окружающей среды, т.е. среды своего обитания. Это приводит к изменению структуры всего сообщества - биоценоза.