Круговорот энергии в биосфере кратко
Обновлено: 02.07.2024
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ. Все живые организмы находятся во взаимосвязи с неживой природой и включаются в непрерывный круговорот веществ и энергии. В результате происходит биогенная миграция атомов. Необходимы для жизни химические элементы переходят из внешней среды в организм. При расписании органических веществ эти элементы опять возвращаются в окружающую среду.
В атмосфере всегда присутствуют газы: азот — 78%, кислород — 20,9%, углекислый газ — 0,033% и другие газы-примеси, в том числе пара воды. Эти газы превращаются живой биомассой планеты. В процессе фотосинтеза зеленые растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Углекислый газ используется на построение органических веществ и через растительные организмы, в виде питательных веществ, переходит в организм животных. Кислород используется всеми живыми организмами в процессе дыхания, для окисает органических веществ, при разложении отмерших остатков организмов. В результате этих процессов образуется углекислый газ, который опять выделяется в атмосферу. Свободный азот атмосферы поглощается в почве бактериями, которые фиксируют азот, и превращается в доступный для усвоения растениями состояние. Из почвы соединения азота поглощаются растениями для синтеза органических веществ. После отмирания другая группа микроорганизмов превращает азот и освобождает его в атмосферу.
Следовательно, благодаря сбалансированному круговороту газов состав атмосферы всегда находится на постоянном уровне. Атмосфера имеет биогенное происхождение. В воздушный круговорот включается 98,3% всех веществ.
Большие запасы Фосфора находятся в горных породах. При разрушении горных пород Фосфор поступает в почву, а следовательно усваивается живыми организмами. Но часть фосфатов растворяется в воде и вымывается в Мировой океан, где оседает на дне в виде отложений.
Вода также принимает участие в круговороте. В процессе фотосинтеза она используется для синтеза органических веществ, а при дыхании и разложении органических остатков выделяется в окружающую среду. Кроме этого, вода нужна всем живым организмам. В ней растворяются минеральные соли и органические вещества, необходимые для усвоения живыми организмами. В водной среде происходит круговорот Натрия, Магния, Кальция, Феруму, Сульфуру и других элементов, которые в целом составляют 1,7% от общего количества веществ, которые принимают участие в круговороте.
В результате круговорота веществ происходит непрерывное перемещение химических элементов из живых организмов в неживую природу и наоборот. Круговорот веществ состоит из двух противоположных процессов, связанных с аккумуляцией элементов в живых организмах и минерализацией в результате их расписания. Образование живого вещества преобладает на поверхности Земли, а минерализация — в почве и морских глубинах.
Одновременно с миграцией атомов происходит и превращение энергии. Единственным источником энергии на Земле является солнце. Часть теплая тратится на обогрев земли и испарение воды. И только 0,2% солнечной энергии накапливается в процессе фотосинтеза. Эта энергия превращается в энергию химических связей органических веществ, при расщеплении и окисает которых в процессе питания выделяется и опять тратится на процессы жизнедеятельности организмов: рост, движение, размножение, развитие. Этот процесс незамкнут, потому есть необходимость в постоянном поступлении солнечной энергии.
Следовательно, биосфера являет собой большую систему, которая состоит из разнородных компонентов, связанных между собой процессами превращения энергии и вещества. Миграция веществ замкнута в циклы, компонентами которых являются тела живой и неживой природы. Цикличность процессов обеспечивает непрерывное существование биосферы.
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.
Эволюция биосферы
Биосфера - это весьма сложный комплекс, состоящий из массы элементов, взаимодействующих друг с другом на протяжении миллиардов лет. В планетарной биосфере различают материковую и океаническую биосферы, отличающиеся биологическими, физическими и другими условиями. Целостный характер биосферы определяется совокупностью живого вещества планеты.
В состав биологической оболочки входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь в них не может протекать без связи с литосферой и гидросферой. Распространение жизни в атмосфере ограничивается тропосферой.
Основные изменения биосфера претерпела с момента появления человека. Протяженности биосферы составляет порядка 3000 км, теоретически ее размеры могут быть более протяженными.
Возникновение жизни, согласно одной из теорий, происходило в условиях первобытной Земли, под воздействием специфических физико-химических процессов. Проблема происхождения жизни является одним из актуальных вопросов. Снижение температуры способствовало формированию водной оболочки планеты.
Эволюция Земли включает 4 этапа.
- В ходе первого этапа происходило формирование земной коры, атмосферы и гидросферы. Возник первичный круговорот веществ. Первичная атмосфера состояла из метана, аммиака, пара, углекислого газа, сероводорода, практически не содержала кислорода и озона.
- Второй этап - химическая эволюция, в ходе которой происходили процессы синтеза и накопления простых органических соединений.
- Третий этап – возникновение жизни. Ему предшествовало появление первоначальных белковых молекул, из которых, впоследствии строились микроскопические живые организмы. Завоевание суши организмами привело к резкому росту биомассы живой материи.
- Появление человека и преобразование его в биосоциальное существо, изменяющее биосферу.
Возникновению жизни предшествовало накопление в Мировом океане органических веществ, образованных без участия живых организмов. Продуценты синтезировали органические вещества из неорганических молекул.
Появление фотосинтезирующих растений привело к формированию кислородной атмосферы. Органическое вещество стало служить пищей гетеротрофным организмам.
В силурийском периоде палеозойской эры живые организмы начали осваивать сушу. Каждый возникающий вид, занимал определенную нишу в биосфере. Ограничивали область распространения жизни слишком высокие или низкие температуры.
Увеличение численности населения может в ближайшее время привести к обострению продовольственной проблемы. Человек вышел за пределы возможностей биосферы и активно преобразовывает ее.
В настоящее время, ученые сделали возможной количественную оценку степени воздействия эволюции на строение биосферы, ее массу и продуктивность.
С появлением человека, как биосоциального существа, возникла ноосфера, которая не может быть охвачена ни одной естественной наукой, здесь имеет место взаимодействие естественных и общественных наук.
Разумная деятельность человека стала главным фактором, обусловливающим развитие современной биосферы.
Чтобы проследить взаимосвязь живой и неживой природы, необходимо понимать, как происходит круговорот веществ в биосфере.
Смысл
Круговорот веществ – это повторяющееся участие одних и тех же веществ в процессах, происходящих в литосфере, гидросфере и атмосфере.
Выделяют два типа круговорота веществ:
- геологический (большой круговорот);
- биологический (малый круговорот).
Движущей силой геологического круговорота веществ являются внешние (солнечная радиация, гравитация) и внутренние (энергия недр Земли, температура, давление) геологические процессы, биологического – деятельность живых существ.
Большой круговорот происходит без участия живых организмов. Под действием внешних и внутренних факторов формируется и сглаживается рельеф. В результате землетрясений, выветривания, извержения вулканов, движения земной коры образуются долины, горы, реки, холмы, формируются геологические слои.
Рис. 1. Геологический круговорот.
Биологический круговорот веществ в биосфере происходит при участии живых организмов, которые преобразуют и передают энергию по пищевой цепочке. Устойчивая система взаимодействия живого (биотического) и неживого (абиотического) веществ на определенной территории называется биогеоценозом.
И все повторяется вновь. Например, весь кислород, существующий в биосфере, делает свой оборот за 2000 лет, а углекислый газ за 300. Такой кругооборот принято называть биогеохимическим циклом.
Пищевая цепь, резервный и обменный фонд
Таким образом, в биосфере круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов, можно разделить на две составляющие. Одна – резервный фонд – это часть вещества, которая не связана с деятельностью живых организмов и до времени в обороте не участвует. И вторая – это оборотный фонд. Он представляет собой лишь небольшую часть вещества, которая активно используется живыми организмами.
Атомы каких основных химических элементов столь необходимы для жизни на Земле? Это: кислород, углерод, азот, фосфор и некоторые другие. Из соединений, основным в кругообороте, можно назвать воду.
Кислород
Круговорот кислорода в биосфере следует начать с процесса фотосинтеза, в результате которого миллиарды лет назад он и появился. Он выделяется растениями из молекул воды под воздействием солнечной энергии. Кислород образуется также в верхних слоях атмосферы в ходе химических реакций в парах воды, где химические соединения разлагаются под воздействие электромагнитного излучения. Но это незначительный источник кислорода. Основным является фотосинтез. Кислород содержится и в воде. Хотя его там, в 21 раз меньше, чем в атмосфере.
Образовавшийся кислород используется живыми организмами для дыхания. Он также является окислителем для различных минеральных солей.
И человек является потребителем кислорода. Но с началом научно-технической революции, это потребление многократно возросло, так как кислород сжигается или связывается при работе многочисленных промышленных производств, транспорта, для удовлетворения бытовых и иных нужд в ходе жизнедеятельности людей. Существовавший до этого так называемый обменный фонд кислорода в атмосфере в размере 5% общего его объема, то есть вырабатывалось в процессе фотосинтеза столько кислорода, сколько его потреблялось. То теперь этого объема становиться катастрофически мало. Происходит потребление кислорода, так сказать, из неприкосновенного запаса. Оттуда, куда его уже некому добавить.
Незначительно смягчает эту проблему, что некоторая часть органических отходов не перерабатывается и не попадает под воздействие гнилостных бактерий, а остается в осадочных породах, образуя торф, уголь и тому подобные ископаемые.
Если результатом фотосинтеза является кислород, то его сырьем – углерод.
Круговорот азота в биосфере связан с образованием таких важнейших органических соединений, как: белки, нуклеиновые кислоты, липопротеиды, АТФ, хлорофилл и другие. Азот, в молекулярной форме, содержится в атмосфере. Вместе с живыми организмами — это всего около 2% всего, имеющего на Земле азота. В таком виде он может употребляться только бактериями и сине-зелёными водорослями. Для остального растительного мира в молекулярной форме азот не может служить питанием, а может перерабатываться лишь в виде неорганических соединений. Некоторые виды таких соединений образуются во время гроз и с дождевыми осадками попадают в воду и почву.
Гнилостные бактерии расщепляют азотосодержащие органические соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, а другая иными видами бактерий окисляется до нитритов и нитратов. Те, в свою очередь, поступают в качестве питания для растений и нитрифицирующими бактериями восстанавливаются до оксидов и молекулярного азота. Которые вновь попадают в атмосферу.
Таким образом, видно, что основную роль в кругообороте азота, играют различные виды бактерий. И если уничтожить хотя бы 20 таких видов, то жизнь на планете прекратится.
И опять установленный кругооборот был разорван человеком. Он для целей увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, стал активно применять азотосодержащие удобрения.
Содержание азота в различных веществах сопоставляют с содержанием там углерода. Оборотные циклы этих двух элементов крепко связаны.
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.
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.
Фосфор
Круговорот фосфора в биосфере неразрывно связан с синтезом таких органических веществ, как: АТФ, ДНК, РНК и другие.
В почве и воде содержание фосфора очень мало. Основные его запасы в горных породах, образовавшихся в далеком прошлом. С выветриванием этих пород начинается кругооборот фосфора.
Растениями фосфор усваивается лишь в виде ионов ортофосфорной кислоты. В основном это продукт переработки могильщиками органических остатков. Но если почвы имеют повышенный щелочной или кислотный фактор, то фосфаты практически в них не растворяются.
Фосфор является прекрасным питательным веществом для различного вида бактерий. Особенно сине-зеленой водоросли, которая при увеличенном содержании фосфора бурно развивается.
Тем не менее большая часть фосфора уносится с речными и другими водами в океан. Там он активно поедается фитопланктоном, а с ним морским птицам и другим видам животных. Впоследствии фосфор попадает на океаническое дно и формирует осадочные породы. То есть возвращается в землю, лишь под слоем морской воды.
Как видно кругооборот фосфора специфичен. Его трудно и назвать кругооборотом, так как он не замкнут.
В биосфере круговорот серы необходим для образования аминокислот. Он создает трехмерную структуру белков. В нем участвуют бактерии и организмы, потребляющие кислород для синтеза энергии. Они окисляют серу до сульфатов, а одноклеточные доядерные живые организмы, восстанавливают сульфаты до сероводорода. Кроме них, целые группы серобактерий, окисляют сероводород до серы и далее до сульфатов. Растения могут потреблять из почвы лишь ион серы — SO 2- 4. Таким образом, одни микроорганизмы являются окислителями, а другие восстановителями.
Местами накопления серы и ее производных в биосфере является океан и атмосфера. В атмосферу сера поступает с выделением сероводорода из воды. Кроме того, сера попадает в атмосферу в виде диоксида при сжигании на производствах и в бытовых нуждах горючего ископаемого топлива. В первую очередь угля. Там она окисляется и, превращаясь в серную кислоту в дождевой воде, с ней же выпадает на землю. Кислотные дожди сами по себе наносят существенный вред всему растительному и животному миру, а кроме этого, с ливневыми и талыми водами, попадают в реки. Реки несут ионы сульфатов серы в океан.
В биосфере нет более распространенного вещества. Его запасы в основном в солено-горьком виде вод морей и океанов – это около 97%. Остальное пресные воды, ледники и подземные и грунтовые воды.
Круговорот воды в биосфере условно начинается с ее испарения с поверхности водоемов и листьев растений и составляет примерно 500 000 куб. км. Обратно она возвращается в виде осадков, которые попадают либо непосредственно обратно в водоемы, либо, пройдя через почву и подземные воды.
Роль воды в биосфере и истории ее эволюции такова, что вся жизнь с момента своего появления, была полностью зависима от воды. В биосфере вода многократно через живые организмы прошла циклы разложения и рождения.
Кругооборот воды имеет под собой в большей степени физический процесс. Однако, животный и, особенно, растительный мир принимает в этом немаловажное участие. Испарения воды с поверхностных участков листьев деревьев таков, что, например, гектар леса испаряет в сутки до 50 тонн воды.
Если испарение воды с поверхностей водоемов естественно для ее кругооборота, то для континентов с их лесными зонами, такой процесс – единственный и главный способ его сохранения. Здесь кругооборот идет как бы в замкнутом цикле. Осадки образуются из испарений с поверхностей почвы и растений.
В процессе фотосинтеза растения используют водород, содержащийся в молекуле воды, для создания нового органического соединения и выделения кислорода. И, наоборот, в процессе дыхания, живые организмы, происходит процесс окисления и вода образуется снова.
Читайте также: