Обмен веществ и энергии в биосфере кратко
Обновлено: 30.06.2024
Все вещества нашей планеты участвуют в процессе обмена. Под действием энергии Солнца на Земле происходят малый и большой круговорот веществ. Большой круговорот веществ называется биосферным, так как он охватывает всю биосферу. Для большого круговорота характерны две особенности. Во-первых, он проходит во всех геологических эрах земного шара, способствует развитию планеты Земля. Этот обмен веществ иногда называют геологическим. Во-вторых, большой (геологический) круговорот считается современным планетарным процессом, участвующим в развитии будущей биосферы.
В процессе геологического круговорота осуществляется перенос минеральных соединений с одного места на другое в масштабе всей планеты.
Геологический круговорот наиболее четко проявляется в круговороте воды и циркуляции воздушной массы в атмосфере (рис. 80).
Рис. 80. Круговорот воды в природе (цифры даны в тыс. км 3 в год)
Круговорот воды в океане и на суше обеспечивает равномерную жизнь на Земле.
Круговорот воды в природе состоит из трех основных течений: осадков, испарений и переноса влаги. Осадки (в виде дождя или снега) поступают в результате испарения опять в атмосферу. Поверхностные и грунтовые воды стекают в океан, а водяные пары с помощью атмосферных воздушных потоков переносятся с океана на сушу.
Малый круговорот веществ в природе иногда называют биологическим круговоротом. На базе большого круговорота возникает малый, но он охватывает только отдельные экосистемы. Малый круговорот веществ оказывает влияние на процессы большого круговорота. В процессе малого круговорота веществ (биологического) вещества и энергия поступают извне, а вещества и энергия, выделяемые экосистемой, поступают опять в биосферу. В связи с этим биологический круговорот рассматривают как обмен веществ и энергии в экосистемах или в отдельном организме. С появлением на Земле живых организмов химические элементы беспрерывно циркулируют, например круговорот азота, углерода и других химических элементов.
Каждая экосистема природы связана со взаимоотношениями биоценозов и условий среды. Во время биологического круговорота в экосистеме происходят два взаимно противоположных, но тесно связанных между собой процесса. Если на первом этапе этого процесса образуются новые органические вещества, то на втором органические вещества постоянно распадаются. Образование органических веществ осуществляется путем фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза. Основным источником энергии при этом являются солнечные лучи. Из почвы через корни в листья растений поступают растворенные минеральные соли и вода, а из воздуха впитывается углекислый газ, и зеленые растения в своих органах образуют органические вещества.
В результате обмена веществ и энергии каждая экосистема сохраняет свою устойчивость. Этот процесс осуществляется через пищевую цепь. Обмен веществ и отдельно взятой энергии можно рассматривать на примере экосистемы озера. В озеро непрерывно поступает извне энергия в виде солнечных лучей. Водные растения из углекислого газа и воды под действием солнечных лучей образуют органические вещества. Автотрофные организмы, образующие органические вещества из неорганических, называютсяпродуцентами (производителями). Животные используют готовые органические вещества — растения. Организмы, которые используют в пищу готовые органические вещества, называются гетеротрофными, или консументами (потребителями). Бактерии и некоторые грибы, разлагающие органические вещества, называются редуцентами (разлагателями).
Таким образом, органические вещества, заключенные в растениях, переходят в организм животных, которые разлагаются бактериями на неорганические вещества. Затем вновь эти неорганические вещества используются растениями. Так происходит непрерывный процесс обмена веществ и энергии в каждой экосистеме (схема 9).
Схема 9
Биохимический круговорот
Солнечная энергия продуцентов собирается в органическом веществе. Некоторая ее часть поступает в распоряжение самого растения (на транспорт веществ в клетке, на образование новых необходимых органических соединений), вторая часть энергии выделяется в виде тепла при дыхании. Остальную часть энергии используют консументы. Небольшая часть энергии, распространяемая в виде тепла в окружающую среду, не участвует в образовании биомассы организмов, поэтому для равномерной жизни экосистемы необходим постоянный приток энергии.
Продуктивность основных экосистем. Биомасса любой экосистемы и образованная продукция — основной показатель, обеспечивающий нормальную жизнедеятельность данной экосистемы. Общее количество органического вещества всей совокупности особей с заключенной в нем энергией называют биомассой. Биомассу обычно выражают в единицах массы в пересчете на сухое вещество на единицу площади или объема. Общий прирост биомассы за определенный период времени называют продукцией. В любой экосистеме различают первичную и вторичную продукцию.
Органические вещества, образованные продуцентами в процессе фотосинтеза или хемосинтеза, называются первичной продукцией. Биомасса, образованная за определенный промежуток времени редуцентами и консументами экосистемы, называетсявторичной продукцией. Первичная продукция делится на два вида: первичная общая продукция и первичная чистая продукция.
Только небольшая часть поступающей на Землю солнечной энергии используется растениями; 44% коротковолновых излучений, выделяемых солнечной энергией, участвует в процессе фотосинтеза. Их называют активной фотосинтезирующей радиацией (излучение). Но не все активные фотосинтезирующие излучения поглощаются растениями, а только 25% энергии запасается в форме органического вещества. Эта энергия называется начальной (первичной) валовой продукцией. Большая часть начальной валовой продукции используется на дыхание растений. Например, в лесах умеренного пояса 50—60%, а в тропических лесах — 80% начальной общей продукции расходуется на дыхание. Оставшаяся энергия переходит к питающимся растениями консументам. Это так называемая чистая продукция. На чистую начальную продукцию влияют такие факторы, как фотосинтезиру- ющее активное излучение, вода, необходимая для растений, количество минеральных веществ, плодородие почвы и др.
Воспроизведение биомассы всех живых организмов каждой экосистемы называется биологической продуктивностью. Биологическая продуктивность производится за определенный промежуток времени, например определяется за сезон, за год, за несколько лет. Биологическая продуктивность считается главным показателем малого круговорота веществ и энергии. Количество биологической продуктивности, образующейся в каждой последующей пищевой цепи малого круговорота веществ и энергии, меньше начальной цепи в 5—10 раз.
Различна и образующаяся биомасса биологической продуктивности каждой экосистемы. Например, луговые степи дают больший годовой прирост биомассы, чем хвойные леса. Популяция мелких млекопитающих по сравнению с крупными обладает большей скоростью роста и размножения и дает более высокий прирост при равной биомассе. Если воспроизведение биологической продуктивности в тундре и пустыне мало, то в тропических лесах оно очень высокое.
Геологический круговорот. Биологический круговорот. Первичная продукция. Вторичная продукция. Первичная валовая продукция. Первичная чистая продукция. Биологическая продуктивность.
1. В природе беспрерывно протекают биосферный (большой) и биологический (малый) круговорот веществ и энергии.
2. Обмен веществ и энергии каждой экосистемы осуществляется через пищевые цепи.
3. Пищевая цепь в экосистеме проходит в определенной последовательности: использование продуцентов консументами (первого, второго порядка и т. д.), консументов — редуцентами.
4. Прирост биомассы определяется количеством биологической продуктивности.
5. Начальная (первичная) продукция определяется количеством биомассы, образованной продуцентами.
6. Вторичная продукция выражается количеством биомассы, образованной консументами и редуцентами.
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Конспект лекции по экологии
Автор: к.б.н., доцент Любомирова В.Н.
Активная форма движения живого вещества выражается активным передвижением организмов и проявляется в разной степени. В одних случаях передвигаются временные колоссальные скопления организмов, например стая саранчи весом более 40 млн.т. В других случаях активная форма движения живого вещества характеризуется передвижением животных и расселением их в местах, благоприятных для существования и процветания вида. У раздельнополых животных расселение осуществляется самками, приносящими потомство в новых БГЦ. Закрепившиеся здесь самцы обеспечивают встречу полов и воспроизводство потомства.
Способность организмов передвигаться с одного места в другое приводит к перемещению живого вещества, к биогенной миграции химических элементов в экологических системах (транспортная функция живого вещества, по В. И. Вернадскому).
Живое вещество может перемещаться снизу вверх, из рек, озер, морей и океанов на континентальную часть земной поверхности, из долин в горы и т. д. Оно обладает концентрационной функцией. Организмы извлекают из среды и концентрируют в своих телах углерод, кальций, магний, фтор, йод, другие макро- и микроэлементы. Самообразование живого вещества на углеродной основе служит ярким выражением концентрационной способности организмов. Содержание углерода в горных породах составляет сотые доли процента, а в живом веществе - 10%. Наиболее активные концентраторы многих химических элементов - микроорганизмы. В продуктах жизнедеятельности некоторых микроорганизмов по сравнению с окружающей средой содержание серебра увеличивается в 24 000 раз, ванадия - в 420 000, железа - в 650 000, марганца - в 1 200 000 раз.
Химический состав живого вещества разнообразнее, чем неживого. В состав живого вещества входит более 2 млн. соединений, неживого - только 2 тыс. Разнообразие химического состава живого вещества сочетается с резко выраженными признаками единства органического мира Земли. Так, организмы самых разнообразных видов построены в основном из белков, содержащих одни и те же аминокислоты. Все организмы, населяющие нашу планету, передачу наследственной информации осуществляют по одному и тому же пути (ДНК->РНК->-белок) и, более того, используют один и тот же генетический код. Живое вещество существует на Земле в форме непрерывного чередования поколений организмов разных видов растений и животных, и в силу этого непрерывно обновляется. Воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования организмами своих предков, а путем медленных, а иногда быстрых эволюционных морфологических и биохимических изменений видов. В процессе эволюции живое вещество изменяется, но оно генетически тесно связано с организмами прошлых геологических эпох. Живое вещество на планете составляет относительно небольшую величину. Но масса организмов, в течение всей геологической истории населявших биосферу, намного превышает массу Земли (вероятно, в 12 раз). Масса вещества, переработанного живыми организмами в биосфере, намного превышает их собственную биомассу. В период геологической истории Земли живое вещество проделало громадную геохимическую работу, и облик нашей планеты неузнаваемо изменился химически и физически. Извечное движение химических элементов определило геохимическую обстановку, сложившуюся в настоящее время в биосфере и в ее элементарных структурных единицах - биогеоценозах.
Рис. 1. Круговорот веществ и поток энергии в биосфере.
Миграция химических элементов в биосфере осуществляется в форме геологического (большого) и биологического (биотического, малого) круговорота (Рис.2.). Геологический круговорот химических элементов, как полагают, существует не менее 3,5 – 4 млрд. лет. В добиосферный период развития нашей планеты геологический круговорот носил абиотический характер. Миграция химических элементов была связующим звеном, объединяющим в единую систему земную кору, поверхность суши, гидросферу и атмосферу. На формирование геохимической обстановки на планете мощнейшее влияние оказывал круговорот воды, который характеризуется поверхностным и подземным потоком водной массы, ее инфильтрацией, Испарением, переносом водяного пара в тропосфере, выпадением атмосферных осадков на поверхность суши и водоемов. Вода снова испаряется, и геохимический цикл повторяется.
Рис.2. Геологический (большой) и биологический (биотический малый) круговорот в биосфере.
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.
Биосфера (греч. bios - жизнь + sphaira - шар) - наружная оболочка Земли, населенная живыми организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Термин "биосфера" предложен австрийским геологом Э. Зюссом, учение о биосфере было создано и развито российским и советским ученым Вернадским Владимиром Ивановичем.
Биосфера - совокупность всех биогеоценозов, это открытая система, структура и свойства которой определяются деятельностью организмов в прошлом и настоящем. Биосферу можно рассматривать как часть лито-, гидро- и атмосферы, заселенную живыми существами.
Запомните, что наибольшая концентрация живого вещества сосредоточена на границе сред (к примеру, на границе литосферы и атмосферы).
Границы биосферы
Общая толщина биосферы приблизительно 17 км. Живые организмы проникают вглубь литосферы на расстояние до 6-7 км, заселяют всю толщу гидросферы (до самого дна мирового океана). В атмосфере живые организмы встречаются в нижней части - тропосфере, которую сверху ограничивает озоновый слой (часть стратосферы).
Выше "озонового экрана" существование жизни в привычном для нас виде невозможно, так как губительное УФ (ультрафиолетовое) излучение уничтожает все живое. Возникновению жизни в недрах Земли препятствует высокая температура, оказывающая разрушительное воздействие.
Вещество биосферы
Совокупность всех живых организмов на нашей планете. Именно Вернадский показал, что деятельность живых существ - важнейший фактор геологических изменений планеты.
Формируется без участия живых организмов. Базальт, гранит, песок, золотоносные руды. К косному веществу можно отнести горные породы магматического происхождения, образовавшиеся в результате извержения вулканов.
Это вещество образуется живыми организмами в процессе их жизнедеятельности. Примерами биогенного вещества могут послужить залежи известняка, природный газ, кислород, нефть, каменный уголь, торф.
Биокосное вещество создается одновременно деятельностью живых организмов и косными процессами. Таким образом, биокосное вещество объединяет в себе живое и косное вещества.
К биокосному веществу относятся пресная и соленая вода, почва, воздух. Почва является верхним наиболее плодородным слоем литосферы Земли. Почва - уникальный продукт совместной деятельности живых организмов, то есть биологических и геологических процессов, протекающих в живой природе.
Функции живого вещества
Важнейший компонент биосферы - живое вещество, то есть - живые организмы. Их деятельность приводит к наиболее значительным геологическим изменениям в биосфере, они обеспечивают круговорот веществ - главное условие зарождения новой жизни.
Живые организмы постоянно получают и преобразуют энергию. Растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей, а животные передают ее по цепочке. После смерти растений и животных энергия возвращается в круговорот благодаря бактериям и грибам - сапротрофам (греч. sapros – гнилой), разлагающим мертвое органическое вещество.
Деятельность живых организмов обеспечивает постоянный газовый состав атмосферы. В ходе дыхания животные поглощают кислород и выделяют углекислый газ, а растения в ходе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Бактерии хемотрофы также выделяют в атмосферу некоторые газы, полученные окислением сероводорода, азота.
Я никогда не перестану восхищаться этой функцией живого вещества. Вы только вдумайтесь: на одной и той же почве, рядом друг с другом, растут совершенно разные растения по форме, размеру и окраске плодов, цветков! Каждый раз задумываешься: как это возможно?
Это связано с тем, что каждое живое существо избирательно накапливает определенные химические элементы. К примеру, многие моллюски накапливают кальций, образуют известковый скелет - раковину. После их смерти раковины опускаются на дно, в результате чего создаются залежи полезных ископаемых - известняка (мела).
В результате жизнедеятельности мха сфагнума образуется полезное ископаемое - торф, а папоротниковидные образуют каменный уголь. Это концентрат углеродистых и кальциевых соединений в погибших растениях, которые тысячелетиями отмирали и образовали залежи ископаемых.
Живые организмы способны окислять и восстанавливать различные химические вещества. На реакциях окисления и восстановления основан метаболизм (обмен веществ) любого живого существа, подобные реакции протекают постоянно в ходе фотосинтеза, энергетического обмена.
Без разрушения "старой" жизни, невозможно возникновение "новой". После смерти живых существ их останки подвергаются разрушению, из них высвобождается энергия, накопленная в связях химических веществ. Непрерывный круговорот должен продолжаться всегда - это главное условие жизни.
Теория биогенной миграции атомов Вернадского В.И.
При непосредственном участии живого вещества в биосфере непрерывно осуществляется биогенная миграция атомов. Даже сейчас, с каждым вашим вдохом, атомы кислорода соединяются с гемоглобином эритроцитов, доставляются по крови к клеткам тканей организма и становятся частью ваших клеток.
Откуда взялся кислород, которым мы дышим? Его в процессе фотосинтеза выделили растения. Для процесса фотосинтеза необходим углекислый газ, который в процессе дыхания выделяют животные, углекислый газ, который образуется при разложении останков растений и животных. Получается круговорот атомов.
Все атомы, которыми мы обладаем, которые стали частью наших рук, глаз, носа, языка - все эти атомы кому-то принадлежали до нас! За миллиарды лет существования Земли они успели побывать в мириадах растений, грибов и животных. То, что наши атомы сейчас с нами - великое чудо и немыслимая случайность.
Я искренне восхищаюсь этой теорией, она показывает непрерывность жизни, бесконечность нашего существования и единство всего живого.
Ноосфера
Ноосфера (греч. noos - разум и sphaira - шар) - термин введенный русским ученым В.И. Вернадским. Ноосфера подразумевает взаимодействие природы и общества, при котором человек является главным определяющим фактором эволюции. Человек становится крупнейшей геологической силой.
Споры о том, можно ли считать современный этап развития цивилизации ноосферой остаются открытыми. Основная идея ноосферы - разумное, рациональное поведение человека, при котором он сосуществует в гармонии со всеми другими формами жизни.
К сожалению, нынешняя ситуация напоминает старую поговорку: "Пока не потеряешь, не осознаешь ценность". Неужели растения должны исчезнуть с лица Земли, чтобы мы вспомнили о том, что благодаря фотосинтезу в их листьях мы дышим кислородом? В этом случае чувство нашего ложного величия может сильно пострадать.
Круговорот веществ
Углерод находится в природе в основном в составе углекислого газа, угольной кислоты и ее нерастворимых солей - карбоната кальция (из которого состоят раковины моллюсков). Отмирая, живые организмы образуют залежи полезных ископаемых: торф, древесину, каменный уголь, нефть. Известняк может надолго исключить углерод из круговорота веществ.
Подобно этому, долгое время нефть и уголь были почти полностью исключены из круговорота веществ, однако в настоящее время человек "вернул их в строй" вместе с выхлопными газами.
Азот находится в воздухе, которым мы дышим, и составляет 78% от его объема. Большая часть азота поступает в почву и воду благодаря деятельности микроорганизмов, бактерий и водорослей.
Широко известны клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, находящиеся с ними в симбиозе. Клубеньковые бактерии переводят атмосферный азот в нитраты, которые необходимы для роста и развития растения и могут быть усвоены им, в отличие от атмосферного азота (газа).
В листьях в процессе биосинтеза азот преобразуется в белки. Травоядные животные поедают растения, таким образом, белок включается в их состав. После смерти животных белки разлагаются сапротрофами, которые выделяют аммиак, нитраты. Часть нитратов усваивается растениями, а часть восстанавливается бактериями до атмосферного азота - цикл замыкается.
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Читайте также: