Биотический круговорот вещества и энергии в природе



Биотический круговорот: описание и значение процесса

Что представляет собой биотический круговорот? В качестве замкнутой системы он успешно функционирует на протяжении нескольких миллиардов лет.

Попробуем разобраться в том, что представляет собой биотический круговорот.

Особенности

Мертвые растения и останки организмов перерабатывают насекомые, грибы, бактерии, простейшие. Животные и растения постепенно превращаются в элементарные органические и минеральные соединения. Биотический круговорот предполагает поступление этих веществ в почву, последующее потребление их растениями. Для процесса характерна замкнутость, непрерывность, распад, разложение конечных соединений. Это непрерывный круг, регулирующий жизнь на планете.

Значимость

Биотический круговорот углерода в наземных экосистемах рассмотрим на примере фосфора. Достаточное количество данного элемента находится в гумусовых горизонтах ненарушенных почв, а также в лесной подстилке. Благодаря круговороту удается накапливать порядка 106-107 тонн фосфора в биосфере. В фитомассе естественных луговых степей находится порядка 30 кг/га данного элемента, чего вполне достаточно для млекопитающих.

Обмен энергии

Биотический круговорот предполагает энергетический обмен. Суть его сводится к тому, что в цепи пищевых (трофических) превращений не исчезает энергия, а наблюдается ее превращение из одного вида в другую.

Солнечная энергия трансформируется в рамках подобного процесса на каждом его уровне. Непосредственное потребление энергии Солнца характерно только для зеленых растений в рамках фотосинтеза.

Ими создается органическое соединение (глюкоза) из углекислого газа и воды, осуществляется аккумулирование энергии. Листья растений включаются в подобный химический процесс только при наличии солнечного света и хлорофилла.

Особенности процесса

В некоторые периоды существования человечества нарушался биотический круговорот веществ. Осуществлялся вывод только излишков, которые откладывались в качестве газа, каменного угля, нефти, известняков, иных минералов органического вида.

В ходе сжигания нефти или каменного угля в печах (моторах) высвобождается и применяется энергия, которая накапливалась биосферой на протяжении миллионов лет. В прошлом такие излишки не засоряли биосферу, не наблюдалось их негативного влияния на биотический круговорот. Сегодня все иначе.

Специфика

Для успешного осуществления круговорота важно разнообразие животных. Один вид не сможет расщепить в биогеоценозе до конечных продуктов органические вещества растений. Он расщепляет только часть их, а также некоторые органические соединения, находящиеся в них. Подобным образом формируются сети и цепи питания.

В биоценозе атмосфера имеет важное значение. Она способствует поддержанию биологического круговорота энергии и веществ, а также обеспечению водного баланса.

Загрязнитель может разлагаться до форм, которые могут вовлекаться в последующие этапы круговорота и усваиваться живыми организмами.

Базируется цикл на разложении и поглощении загрязнителей микроорганизмами, зависит он от активности и количественного показателя химических элементов, принимающих непосредственное участие в круговороте.

Экосистемой называют сумму неорганических и органических компонентов, внутри которой происходит биотический круговорот веществ.

Схема процесса

Растения, получая постоянный поток энергии Солнца, формируют из неорганической материи первичную продукцию. В остальных звеньях круговорота наблюдается изменение и потеря энергии. Продуценты, консументы, редуценты в экосистеме потребляют живое вещество первоначальной продукции. Животными потребляется для подобного процесса во много раз больше живого вещества низшего уровня, понижая и суммарные энергетические запасы. Обеспечивается круговорот благодаря взаимодействию трех групп.

Первую группу составляют продуценты. К ним относятся зеленые растения, которые принимают активное участие в фотосинтезе. Такими веществами являются и бактерии, которые способны к хемосинтезу. Именно они формируют первичное органическое вещество.

Вторая группа — консументы первого порядка. Они являются потребителями органического вещества. К ним причисляются хищники, а также простейшие. Животные, которых причисляют к хищникам, около 250 разных видов.

Третья группа — деструкторы (редуценты), которые разлагают мертвую органику до минеральных веществ. К ним причисляют грибы, бактерии, а также простейшие. Аккумулирование энергии Солнца осуществляется на восходящей ветви круговорота благодаря фотосинтезу. Растения на данном этапе синтезируют из азота, воды, углекислого газа органические вещества.

Расходование энергии

Что еще рассматривает биология? Дыхание растений в ней занимает важное место, так как при этом процессе происходит окисление почти половины органического вещества до углекислого газа, возврат его в атмосферу.

Второй по масштабности вариант расходования органического соединения и накопленной энергии — употребление консументами первого порядка растений. Энергия, которая запасается фитофагами с пищей, расходуется на жизнедеятельность, дыхание, размножение. Она выделяется с экскрементами.

Растительноядные животные — это пища для плотоядных (консументов высшего трофического уровня). Они, в свою очередь, тратят энергию, накопленную с пищей, аналогично растительноядным животным.

Взаимосвязь элементов

Отдельное звено экосистемы в окружающую среду поставляет органические остатки. Они и служат источником энергии и пищи для животных-сапрофагов (грибов, бактерий). Завершающим этапом превращения углевода является процесс гумификации, последующее окисление гумуса до углекислого газа, минерализация зольных фрагментов. Они потом снова попадают в атмосферу и в почву, являясь пищей для растений.

Биотический круговорот является непрерывным процессом создания и разрушения органических соединений. Реализуется он посредством всех трех групп организмов. Невозможна жизнь без продуцентов, так как именно они являются основой жизни. Только у них есть способность создавать первичное органическое вещество, без которого не будет протекать последующий круговорот.

Благодаря потреблению консументов разных порядков первичной и вторичной продукции, перевода из одного вида в другой, на Земле возможно многообразие форм. Редуценты, которые разлагают органику, возвращают его к первому этапу круговорота.

Масштабные циклы миграции химических компонентов связывают наружные оболочки планеты в одно целое, они объясняют непрерывность эволюции.

В качестве движущей силы биотического круговорота выступает энергия Солнца. Основным процессом, способствующим получению органического вещества, является фотосинтез. Он возможен только при применении зелеными растениями солнечной энергии.

Листья растений (автотрофов), которые синтезируют глюкозу, «консервируют» солнечную энергию в органическое соединение. Попадая в биосферу из космоса, энергия скапливается и в растениях, и в горных породах, и в почве. Солнце обеспечивает круговорот химических элементов, позволяет образовывать поочередно неорганические или органические вещества.

Что важно знать

В биотическом круговороте кроме углерода, кислорода, водорода, также участие принимают и иные биологически важные элементы: кальций, азот, фосфор, кремний, калий, натрий, сера. Невозможен данный процесс и без микроэлементов: йода, цинка, брома, молибдена, серебра, никеля, свинца, магния. В списке элементов, которые поглощаются живым веществом, присутствуют даже яды — мышьяк, селен, ртуть, а также радиоактивные компоненты (радий, уран).

Скорость круговорота

Энергообмен имеет циклический характер. Обновление живого вещества биосферы осуществляется примерно через 8 лет. Гораздо быстрее процесс протекает в океане (через 33 дня). В атмосфере замена кислорода происходит за две тысячи лет, а оксида углерода — за 6 лет. Полная замена воды в гидросфере происходит за 2800 лет.

Химические соединения, которые доступны для компонентов биосферы, ограничены. Из-за их исчерпаемости тормозится развитие некоторых групп организмов в океане и на суше.

Варианты круговорота

Только благодаря круговороту энергии и веществ поддерживается устойчивое состояние биосферы. Выделяют два варианта — геологический (большой) и биогеохимический (малый).

Рассмотрим первый вариант круговорота. Магматические горные породы под действием биологических, химических, физических факторов превращаются в осадочные породы, в частности, в глину и песок. Они могут возникать также при синтезе биогенных минералов (отмерших микроорганизмов) из вод морей и океанов. Водянистые рыхлые осадки постепенно скапливаются на дне водоема, отвердевают, формируют плотные горные породы.

Затем идет их преобразование, наблюдаются процессы метаморфизма. Под действием порций эндогенной энергии слои переплавляются, формируя магму. При поднятии на поверхность Земли под действием выветривания, переноса они снова трансформируются в осадочные породы.

Большой круговорот характеризуется взаимодействием экзогенной (солнечной) энергии с эндогенной (глубинной) энергией Земли. Благодаря такому процессу перераспределяется вещество между глубокими горизонтами и биосферой планеты.

К нему относится и движение воды между литосферой, атмосферой, гидросферой, аккумулируемое солнечной энергией. Сначала вода испаряется с поверхности океана (моря, озера, реки), далее в виде осадков возвращается на землю. Компенсируют такие процессы речные стоки. Растительность играет важную роль в круговороте воды.

Малый круговорот характерен только для биосферы. Создаются круговороты в масштабах планеты из циклических многократных движений атомов, а также тех перемещений, что вызваны вулканизмом, движением морского дна, энергией ветра, подземными стоками.

Подведем итоги

В биосфере вещества циркулируют, формируя биогеохимические круговороты. Для них в больших количествах нужны следующие элементы: кислород, азот, углерод, водород. Циркуляция их возможна благодаря саморегулирующимся процессам, в которых активными участниками становятся другие компоненты экосистем.

На всех этапах развития биосферы действует закон глобального замыкания круговорота. Основой подобного процесса является солнечная энергия, а также хлорофилл зеленых растений.

Для полного разложения органического вещества, которое создается зелеными растениями, необходимо столько же кислорода, сколько и выделяется в ходе фотосинтеза. Благодаря захоронению органики в торфе, угле, осадочных породах в атмосфере поддерживаетсяобменный фонд кислорода.

В результате увеличения количества транспорта, промышленных предприятий нарушается круговорот кислорода в природе. Это негативно отражается на жизнеспособности биосистемы, приводит к мутациям и полному вымиранию некоторых видов живых растений и животных.

Источник

Биотический круговорот веществ и энергия в экологической системе

Взаимодействие человека с природой — одна из наиболее сложных и трудно разрешимых проблем современности. Сегодня стало очевидным, что задачи сохранения окружающей среды и экономического развития взаимосвязаны: разрушая и истощая природную среду невозможно обеспечить устойчивое экономическое развитие.

Формирование комплексной и гармоничной системы природопользования — важная проблема, стоящая перед экономистами. Ее разрешение требует знания основ экологии, экономики и организации природопользования всеми специалистами экономического профиля.

1. Предмети задачи экологии. Фундаментальная и прикладная экология. Промышленная экология

Впервые термин «экология» предложил в 1866 году немецкий ученый Эрнест Геккель. Как самостоятельная наука экология сформировалась к началу XX века.

В современном понимании экология — это наука о взаимоотношениях, взаимосвязях между живыми организмами и средой их обитания.

Известный американский эколог Ю. Одум в 1963 году назвал экологию наукой о строении и функциях природы в целом. Подчеркивая системный подход при изучении закономерностей, происходящих в природе, и значение деятельности человека, Одум определил экологию как междисциплинарную область знания об устройстве и функционировании многоуровневых систем в природе и обществе в их взаимосвязи.

Основной предмет экологии — изучение совокупности живых организмов, взаимодействующих друг с другом и образующих с окружающей средой некое единство (экологическую систему), в пределах которой осуществляется процесс трансформации энергии и органического вещества.

*исследование закономерностей организации жизни, в том числе в связи с антропогенными воздействиями на окружающую среду;

*оптимизация взаимоотношений между человеком и окружающей природной средой;

создание научной основы рациональной эксплуатации природных ресурсов;

прогнозирование изменений природы под влиянием деятельности человека;

сохранение среды обитания человека.

В целом можно выделить экологию фундаментальную и прикладную. Фундаментальная экология вскрывает общие закономерности функционирования экологических систем.

Прикладная экология призвана помочь применить законы фундаментальной экологии в хозяйственной практике людей. Она изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов без деградации среды жизни. Это большой комплекс дисциплин, связанных с различными областями человеческой деятельности и взаимоотношениями между человеческим обществом и природой. Выделяют следующие виды прикладных экологии: промышленную, сельскохозяйственную, биоресурсную, транспортную, медицинскую и др.

Промышленная (инженерная) экология — наука о взаимосвязи, взаимодействии промышленных объектов с окружающей средой. Она занимается решением экологических проблем, связанных с загрязнением окружающей среды промышленными отходами и нерациональным использованием природных ресурсов.

Читайте также:  Беседа с детьми о природе урала

Промышленная экология изучает, с одной стороны, воздействие хозяйственной деятельности человека на природу, с другой стороны — влияние условий природной среды на функционирование предприятий и их комплексов, а также разрабатывает инженерные нормы и средства, отвечающие экологическим требованиям.

Главная задача промэкологии — разработка условий рационального взаимодействия производства с природой.

Объектом исследования в промэкологии являются природно-промышленные системы, образовавшиеся и длительное время функционирующие в результате взаимодействия общественного производства с окружающей его средой.

2. Состав и структура экологической системы. Экологическая пирамида

Экологическая система — основная функциональная единица экологии, включающая в себя живые организмы (биоценоз) и среду обитания (экотоп), причем каждая из этих частей влияет на другую и обе необходимы для поддержания жизни.

Экосистемы представляют собой основные природные единицы на поверхности Земли. Это не только комплекс живых организмов, но и все сочетания физических факторов. Всюду, где можно наблюдать отчетливое единство растений и животных, объединенных отдельным участком окружающей среды, говорят об экологической системе.

Понятие экосистемы не ограничивается какими-то признаками ранга, размера, сложности и происхождения. Поэтому оно применимо как к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, пшеничное поле), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, океан).

В состав экосистемы входят неживые и живые компоненты.

Неживые (абиотические) компоненты:

1) неорганические вещества (N2, C02, Н2О и др.), включающиеся в природные круговороты;

органические соединения (углеводы, белки, аминокислоты, гумусовые вещества и др.), связывающие биотическую и абиотическую части экосистем;

климатический режим (освещенность, температура, влажность и другие физические факторы).

Живые (биотические) компоненты экосистем:

1) продуценты — автотрофные (самостоятельно питающиеся) организмы, главным образом, зеленые растения, которые создают органические вещества из простых неорганических веществ. Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме, т.е. являются производителями продукции,

макроконсументы (консументы 1, 2 и т.д. порядка) — гетеротрофные (питающиеся другими) организмы, главным образом, животные, которые поедают растения и другие организмы. В отличие от автотрофов продуцентов, гетеротрофы выступают как потребители и разрушители органических веществ,

микроконсументы (редуценты) — гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, которые разрушают сложные соединения мертвой протоплазмы, поглощают некоторые продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами.

Структура экосистемы. В зависимости от характера питания в экосистеме строится экологическая пирамида (пирамида питания), состоящая из нескольких трофических уровней:

1) (низший) занимают автотрофные организмы;

гетеротрофные организмы 1 порядка, использующие в пищу биомассу растений;

гетеротрофы 2 порядка, питающиеся гетеротрофами 1 порядка, и т.д.

В наземных экосистемах масса продуцентов больше, чем масса консументов, масса консументов 1-ого порядка больше, чем консументов 2-ого порядка и т.д. Это обусловлено тем, что пища используется не только на рост организмов, но и на удовлетворение энергетических затрат: дыхание, движение, размножение, поддержание температуры. Поэтому графически модель экосистемы имеет вид пирамиды.

Рис. 1. Экологическая пирамида

1. Продуценты (растения); 2. Консументы 1 порядка (травоядные)

3. Консументы 2 порядка (плотоядные, хищники); 4. Конечные консументы

Биотический круговорот веществ и энергия в экологической системе

Круговорот веществ в экосистеме называется биотическим. Перенос вещества и энергии в нем осуществляется, в основном, посредством трофических (пищевых) цепей.

Трофической (пищевой) цепью называется перенос энергии пищи от ее источника — растений через ряд организмов путем поедания одних организмов другими. В основе этого процесса лежит следующая химическая формула:

Схема переноса веществ и энергии в природных экосистемах представлена на рисунке 2.

Экологическую систему можно представить в виде диаграммы потока энергии (рис. 3). Отдельные трофические уровни в ней изображены как резервуары, размер которых соответствует количеству энергии заключенной в них биомассы, а поперечник соединяющих их каналов — величине потоков энергии.

Энергия в экологическую систему попадает в виде потока солнечной энергии L. Большая часть ее (Lu) рассеивается в виде теплоты. Часть энергии, эффективно поглощенная растениями (La), преобразуется фотосинтезом в энергию химических связей углеводов и других органических веществ (Pg). Часть образовавшегося вещества окисляется в процессе дыхания растений, освобождая энергию R, а также используется в других биохимических процессах растений и в конечном счете рассеивается в виде тепла (Na). Оставшаяся часть новообразованных органических веществ обусловливает прирост биомассы растений РП|.

Прирост биомассы растений рано или поздно используется: часть потребляется первичными консументами, остальное перерабатывается редуцентами. Консументы питаются, размножаются, растут и также дают продукцию Р «2, которая поступает на следующий трофический уровень вторичным консументам.

Таким образом, при переходе от одного трофического уровня к другому часть доступной энергии не воспринимается (Nu), часть отдается в виде тепла, экскрементов (Na), а часть расходуется на дыхание (R). В среднем при переходе с одного трофического уровня на другой общая энергия уменьшается приблизительно в 10 раз (правило 10% Р. Линдемана). Чем длиннее пищевая цепь, тем меньше остается к ее концу доступной энергии. Поэтому число трофических уровней никогда не бывает слишком большим и чаще всего не превышает 4-5 уровней.

Поскольку в обратный поток поступает ничтожное количество изначально вовлеченной энергии (не более 0,25 — 0,35%). говорить о круговорот энергии нельзя. Существует лишь круговорот веществ, поддерживаемый потоком энергии.

4. Стабильностьи развитие экосистем

В нормальном состоянии любой экологической системе присуще устойчивое состояние, называемое гомеостазом,характеризующееся динамическим (подвижным) равновесием между рождаемостью и смертностью, потреблением и освобождением вещества и энергии.

В тоже время любая экосистема входит в иерархию систем и поэтому подвергается внешним воздействиям, стремящимся вывести ее из равновесия. Если это атияние не слишком грубо, то нарушенные связи заменяются другими и процесс передачи вещества и энергии продолжается. Такое явление называется экологическим дублированием.

Экологическое дублирование — процесс замены исчезнувшего по каким-либо причинам вида другим видом, который занимает его экологическую нишу. Так экосистемы сопротивляются воздействиям, нарушающим их стабильность.

Система тем надежнее и стабильнее, чем большее видовое разнообразие она имеет. Это обеспечивает широкие возможности для экологического дублирования.

В тоже время под влияние внешних и внутренних факторов в экологических системах происходят постоянные изменения. Некоторые виды экосистем, испытывая негативные воздействия, снижают свою численность, а иногда вовсе исчезают. Другие виды могут от этого выиграть, и их численность возрастает. Происходит вытеснение одних видов другими.

Процессы последовательных изменений состояния экосистем в пространстве или во времени, сопровождающиеся сменой состояний и свойств всех ее компонентов, называются сукцессиями. Сукцессии — это постепенные необратимые направленные изменения в экосистемах, протекающие в результате внешних и внутренних причин на одной и той же территории под влиянием природных факторов или воздействий человека.

Различают множество форм сукцессии: пирогенную, катастрофическую, антропогенную и т.д. Причиной пирогенных сукцессий являются пожары; катастрофических — извержения вулканов, ураганы, необычный паводок, массовое размножение вредителей и т.п.; антропогенных — хозяйственная деятельность человека.

Способность экосистемы относительно полно самовосстанавливаться и саморегулироваться в течение сукцессионного или эволюционного отрезка ее существования называется экологической надежностью. Простейшим механизмом поддержания экологической надежности экосистемы является замена выбывшего по каким-либо причинам вида другим, экологически близким. При более глубоком нарушении замена происходит на уровне сообществ различного уровня вплоть до биогеоценозов.

Литература

1. Шимова, О.С. Основы экологии и экономика природопользования: Учебник / О.С. Шимова, Н.К. Соколовский. — Мн.: БГЭУ, 2001 -367 с.

2. Акимова, Т.А. Экология: Учебник для вузов / Т.А. Акимова, ВЛЗ. Хаскин. — М: ЮНИТИ, 1998, — 445 с.

З. Маврищев, В.В. Основы общей экологии: Учеб. пособие / В.В, Маврищев. — Мн.: Выш. шк., 2000, — 317 с.

4. Экология: Учебное пособие / Общая ред. С.А. Боголюбова. — М: Знание, 1997. — 288 с.

5. Экология и безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Л.А. Муравья. — М. ЮНИТИ-ДАНА, 2000. — 447 с.

6. Кормилици.н, В.И. Основы экологии: Учеб, пособие / В.Ц. Кормилидин. — М.: Интерстиль. 1997. — 368 с.

7. Реймерс, Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды: Словарь-справочник / Н.Ф. Реймерс. — М: Просвещение, 1992. — 320 с,

8. Охрана окружающей среды: Учеб, для техн. спец, вузов / Под ред. СЗ. Белова. — М.: Высшая школа, 1991. — 319 с

Источник

Круговорот веществ и энергии в природе

Известно, что все вещества в биосфере планеты Земля нахо­дятся в процессе биохимического круговорота.

Выделяют два основных круговорота: большой (геологиче­ский) и малый (биотический).

Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы непрерывно разрушаются, выветриваются, растворяются и пото­ками вод сносятся в Мировой океан. Здесь образуются мощные морские напластования. При этом часть химических соединений растворяется в воде или потребляется биоценозом.

Процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещением морей и океанов в течение дли­тельного времени, называемые геоктоническими, приводят к возвращению морских напластований на сушу, и это действие начинается вновь.

Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные ве­щества, содержащиеся в почве, воде и атмосфере, аккумулиру­ются в растениях, расходуются на создание их массы и жизнен­ные процессы в них. Малый круговорот длится сотни лет. Здесь органические вещества под воздействием бактерий разлагаются, распадаются и расщепляются до минеральных компонентов, доступных для питания другим растениям. Таким образом, они вновь вовлекаются в круговоротный по­ток веществ в природе (биосфере).

Возврат химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реак­ций называют биохимическим циклом. В этом круговороте ве­ществ участвуют три группы организмов: продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты (производители) — автотрофные организмы и растения, которые, используя солнечную энергию, создают пер­вичную продукцию живого вещества. Они потребляют углекис­лый газ СО2, воду Н2О, соли и выделяют кислород О2. К этой группе также принадлежат некоторые бактерии (хемосептики), способные создавать органическое вещество.

Консументы (потребители) — гетеротрофные организмы, пи­тающиеся за счёт автотрофных организмов и друг друга. В свою очередь они подразделяются на консументы первого (раститель­ноядные), второго (хищники), третьего и четвертого (сверхпара­зиты) порядка.

Редуценты (восстановители) — организмы, питающиеся други­ми (мертвыми) организмами, бактериями и грибами. Здесь особо велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органиче­ские остатки и превращающие их в конечные продукты: мине­ральные соли, углекислый газ, воду, простейшие органические ве­щества, поступающие в почву и вновь потребляемые растениями.

Следует отметить, что в результате фотосинтеза на земной суше ежегодно образуется от 1,5 до 5,5 млрд. т растительной био­массы, в которой заключено около 4,6 • 10 18 кДж солнечной энер­гии. Весь прирост живого вещества на Земле составляет около 88 млрд. т в год. При этом общая масса живого вещества включает в себя около 500 тыс. различных видов растений и около 2 млн. видов животных [18].

Скорость образования биологического вещества (биомассы), или образование массы вещества в единицу времени, называют продуктивностью экосистемы. Биологические продуктивности суши и океана примерно равны, так как биомасса океана состоит в основном из одноклеточных водорослей, которые обновляются ежегодно. Обновление биомассы суши происходит в течение 15 лет.

Читайте также:  Картинки нарисованные природа и люди

Круговорот энергии на Земле связан с круговоротом веществ. На уровне химических элементов и их содержаний наиболее ярко в биосфере проявляется круговорот углерода С как наиболее актив­ного химического элемента, соединения которого непрерывно об­разуются, изменяются и разрушаются. Основной путь углерода — от углекислого газа в живое вещество и обратно в газ.

Часть углерода выходит из круговорота, оседая в осадочных породах океана или в ископаемых горючих веществах органиче­ского происхождения (торф, каменный уголь, нефть, горючие га­зы), где уже аккумулирована его основная масса. И тогда этот угле­род принимает участие в медленном геологическом круговороте. Обмен углекислым газом происходит также между атмосфе­рой и океаном. В верхних слоях океана растворено большое ко­личество углекислого газа, который находится в равновесии с атмосферным. Всего в гидросфере содержится около 13 • 10 13 т растворённого углекислого газа, а в атмосфере — в 60 раз меньше.

Важную роль в биосферных процессах играет круговорот азота N. В них участвует только азот, входящий в определённые химические соединения. Общее время оборота азота в большом круговороте оценивается более чем в 100 лет.

Фиксация азота в химических соединениях происходит при вулканической деятельности, при грозовых разрядах в атмосфе­ре, в процессе её ионизации, при сгорании материалов. Опреде­ляющее значение в его фиксации имеют микроорганизмы.

Соединения азота (нитраты, нитриты) в растворах поступают в растения, участвуя в образовании органического вещества (аминокислоты, сложные белки). Часть соединений азота выно­сится в реки и моря, проникает в подземные воды. Из соедине­ний, растворённых в морской воде, азот поглощается водными организмами, а после их отмирания вновь возвращается в воды океана. Поэтому концентрация азота в верхних слоях океана за­метно возрастает.

Одним из важнейших элементов биосферы является фосфор F, входящий в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, костной ткани. Фосфор также участвует в малом и большом кру­говоротах, усваивается растениями. В воде фосфаты натрия и кальция растворяются плохо, а в щелочной среде они практиче­ски не растворимы.

Ключевым элементом биосферы является вода Н2О. Круго­ворот воды происходит путём испарения её с поверхности водо­ёмов и суши в атмосферу, а затем переносится воздушным мас­сами, конденсируется и выпадает в виде осадков (рис. 1).

Средняя продолжительность общего цикла обмена углерода, азота и воды, вовлечённых в биологический круговорот, состав­ляет 300—400 лет. В соответствии с этой скоростью освобождают­ся минеральные соединения, связанные с биомассой.

Известно, что различные вещества имеют разную скорость обмена в биосфере. К подвижным веществам относят хлор, серу, бром, фтор. К пассивным — кремний, калий, фосфор, медь, ни­кель, алюминий и железо. Круговорот всех биогенных элементов происходит на уровне биогеоценоза. От того, насколько регуляр­но и полно осуществляется круговорот химических элементов, зависит продуктивность биогеоценоза.

Скорость биоценных элементов в малом круговороте доста­точно велика. Так, например, время оборота атмосферного угле­рода в малом круговороте составляет около 8 лет, а в большом -400 лет.

Источник

Биотический (биологический) круговорот

Под биотическим (биологическим) круговоротом понимается циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. Таким образом, биотический (биологический) круговорот — это поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их обратно в процессе жизнедеятельности с ежегодным спадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы.

Все организмы занимают определенное место в биотическом круговороте и выполняют свои функции по трансформации достающихся им ветвей потока энергии и по передаче биомассы. Всех объединяет, обезличивает их вещества и замыкает общий круг система одноклеточных редуцентов (деструкторов). В абиотическую среду биосферы они возвращают все элементы, необходимые для новых и новых оборотов.

Следует подчеркнуть наиболее важные особенности биотического круговорота.

Фотосинтез относится к мощному естественному процессу, вовлекающему ежегодно в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющему ее высокий кислородный потенциал. Он выступает регулятором основных геохимических процессов в биосфере и фактором, определяющим наличие свободной энергии верхних оболочек земного шара. Фотосинтез представляет собой химическую реакцию, которая протекает, как известно, за счет солнечной энергии при участии хлорофилла зеленых растений.

За счет углекислоты и воды синтезируется органическое вещество и выделяется свободный кислород. Прямыми продуктами фотосинтеза являются различные органические соединения, а в целом процесс фотосинтеза носит довольно сложный характер.

Помимо фотосинтеза с участием кислорода, следует остановиться и на хемосинтезе. К хемосинтезирующим организмам относятся нитрификаторы, карбоксидобактерии, серобактерии, тионовые железобактерии, водородные бактерии. Они называются так по субстратам окисления. Хемосинтез характерен для глубоководных гидротермальных источников.

Фотосинтез происходит за немногим исключением на всей поверхности Земли, создает огромный геохимический эффект и может быть выражен как количество всей массы углерода, вовлекаемой ежегодно в построение органического — живого вещества всей биосферы. В общий круговорот материи, связанной с построением путем фотосинтеза органического вещества, вовлекаются и такие химические элементы, как N, P, S, а также металлы — К, Са, Mg, Na, Al.

При гибели организма происходит обратный процесс — разложение органического вещества путем окисления, гниения и т. д. с образованием конечных продуктов разложения.

В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству.Биомасса экосферы (2∙10 12 т) на семь порядков меньше массы земной коры (2 ∙ 10 10 т). Растения Земли ежегодно продуцируют органическое вещество, равное 1,6 ∙ 10 11 т или 8% биомассы экосферы. Деструкторы, составляющие менее 1% от суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают массу органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную биомассу. В среднем период обновления биомассы равен 12,5 годам.

Мы можем утверждать, что атомы, составляющие наши тела, побывали в древних бактериях, и в динозаврах, и в мамонтах

Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадскогогласит: «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2 и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».

Биогенный круговорот

Совместная деятельность различных живых организмов определяет закономерный круговорот отдельных элементов и химических соединений, включающий введение их в состав живых клеток, преобразования химических веществ в процессах метаболизма, выведение в окружающую среду и деструкцию органических веществ, в результате которой высвобождаются минеральные вещества, вновь включающиеся в биологические циклы. Процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде биогеохимические циклы реализуются лишь на уровне биосферы в целом. Ниже рассматриваются наиболее значимые элементы круговорота веществ.

Круговорот углерода

Углерод существует в природе во многих формах, в том числе в составе органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе биогенного круговорота этого элемента,— диоксид углерода (или углекислый газ, CO2). В природе СО2 входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном состоянии в гидросфере. Включение углерода в состав органических веществ происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе СО2 и H2O образуются сахара. В дальнейшем другие процессы биосинтеза преобразуют эти углеводы в более сложные (крахмал, гликоген), а также в протеиды, липиды и др. Все эти соединения не только формируют ткани фотосинтезирующих организмов, но и служат источником органических веществ для животных и незеленых растений.

В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества; конечный продукт этого процесса, СO2, выводится во внешнюю среду, где вновь может вовлекаться в процесс фотосинтеза.

Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разложению организмами-редуцентами, в результате чего углерод в форме углекислоты вновь поступает в круговорот. Этот процесс составляет сущность так называемого почвенного дыхания.

При определенных условиях в почве разложение накапливающихся мертвых остатков идет замедленным темпом — через образование сапрофагами (животными и микроорганизмами) гумуса, минерализация которого воздействием грибов и бактерий может идти с различной, в том числе и с низкой, скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность сапрофагов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Аналогичные ситуации возникали и в прошлые геологические эпохи, о чем свидетельствуют отложения каменного угля и нефти.

В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО2 в состав СаСО3 в виде известняков, мела, кораллов. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи. Лишь поднятие органогенных пород над уровнем моря приводит к возобновлению круговорота через выщелачивание известняков атмосферными осадками, а также биогенным путем —действием лишайников, корней растений.

Круговорот азота. Главный источник азота органических соединений — молекулярный азот в составе атмосферы. Переход его в доступные живым организмам соединения может осуществляться разными путями. Так, электрические разряды при грозах синтезируют из азота и кислорода воздуха оксиды азота, которые с дождевыми водами попадают в почву в форме селитры или азотной кислоты. Имеет место и фотохимическая фиксация азота.

Более важной формой усвоения азота является деятельность азот-фиксирующих микроорганизмов, синтезирующих сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом, который быстро минерализуется. Таким путем в почву ежегодно поступает около 25 кг азота на 1 га (для сравнения — путем фиксации азота разрядами молний — 4-10 кг/га).

Наиболее эффективная фиксация азота осуществляется бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. Образуемый ими органический азот диффундирует в ризосферу, а также включается в наземные органы растения-хозяина. Таким путем в наземных и подземных органах растений (например, клевера или люцерны) на 1 га накапливается за год 150-400 кг азота.

Существуют азотфиксирующие микроорганизмы, образующие симбиоз и с другими растениями. В водной среде и на очень влажной почве непосредственную фиксацию атмосферного азота осуществляют цианобактерии (способные также к фотосинтезу). Во всех этих случаях азот попадает в растения в форме нитратов. Эти соединения через корни и проводящие пути доставляются в листья, где используются для синтеза протеинов; последние служат основой азотного питания животных.

Экскреты и мертвые организмы составляют базу цепей питания организмов-сапрофагов, разлагающих органические соединения с постепенным превращением органических азотсодержащих веществ в неорганические. Конечным звеном этой редукционной цепи оказываются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак NH3, который затем может войти в цикл нитрификации: Nitrosomonas окисляют его в нитриты, a Nitrobacter окисляют нитриты в нитраты. Таким образом, цикл азота может быть продолжен.

В то же время происходит постоянное возвращение азота в атмосферу действием бактерий-денитрификаторов, которые разлагают нитраты до N2. Эти бактерии активны в почвах, богатых азотом и углеродом. Благодаря их деятельности ежегодно с 1 га почвы улетучивается до 50-60 кг азота.

Азот может выключаться из круговорота путем аккумуляции в глубоководных осадках океана. В известной мере это компенсируется выделением молекулярного N2 в составе вулканических газов.

Круговорот воды

Вода — необходимое вещество в составе любых живых организмов. Основная масса воды на планете сосредоточена в гидросфере. Испарение с поверхности водоемов представляет источник атмосферной влаги; конденсация ее вызывает осадки, с которыми в конце концов вода возвращается в океан. Этот процесс составляет большой круговорот воды на поверхности Земного шара.

Читайте также:  Ессе на тему мы и природа

В пределах отдельных экосистем осуществляются процессы, усложняющие большой круговорот и обеспечивающие его биологически важную часть. В процессе перехвата растительность способствует испарению в атмосферу части осадков раньше, чем они достигнут поверхности земли. Вода осадков, достигшая почвы, просачивается в нее и либо образует одну из форм почвенной влаги, либо присоединяется к поверхностному стоку; частично почвенная влага может по капиллярам подняться на поверхность и испариться. Из более глубоких слоев почвы влага всасывается корнями растений; часть ее достигает листьев и транспирируется в атмосферу.

Эвапотранспирация— это суммарная отдача воды из экосистемы в атмосферу. Она включает как физически испаряемую воду, так и влагу, транспирируемую растениями. Уровень транспирации различен для разных видов и в разных ландшафтно-климатических зонах.

Если количество воды, просочившейся в почву, превышает ее влагоемкость, она достигает уровня грунтовых вод и входит в их состав. Подземный сток связывает почвенную влагу с гидросферой.

Таким образом, для круговорота воды в пределах экосистем наиболее важны процессы перехвата, эвапотранспирации, инфильтрации и стока.

В целом круговорот воды характеризуется тем, что в отличие от углерода, азота и других элементов вода не накапливается и не связывается в живых организмах, а проходит через экосистемы почти без потерь; на формирование биомассы экосистемы используется лишь около 1% воды, выпадающей с осадками.

Круговорот фосфора

В природефосфорв больших количествах содержится в ряде горных пород. В процессе разрушения этих пород он попадает в наземные экосистемы или выщелачивается осадками и в конце концов оказывается в гидросфере. В обоих случаях этот элемент вступает в пищевые цепи. В большинстве случаев организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и таким образом снова вовлекаются в круговорот.

В океане часть фосфатов с отмершими органическими остатками попадает в глубинные осадки и накапливается там, выключаясь из круговорота. Процесс естественного круговорота фосфора в современных условиях интенсифицируется применением в сельском хозяйстве фосфорных удобрений, источником которых служат залежи минеральных фосфатов. Это может быть поводом для тревоги, поскольку соли фосфора при таком использовании быстро выщелачиваются, а масштабы эксплуатации минеральных ресурсов все время растут, составляя в настоящее время около 2 млн. т/год.

Кислород — наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров. Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.

Вторым по содержанию в атмосфере после азота является кислород, составляющий 20,95% ее по объему. Гораздо большее его количество находится в связанном состоянии в молекулах воды, в солях, а также в оксидах и других твердых породах земной коры, однако к этому огромному фонду кислорода экосистема не имеет непосредственного доступа. Время переноса кислорода в атмосфере составляет около 2500 лет, если пренебречь обменом кислорода между атмосферой и поверхностными водами.
Механизм круговорота кислорода достаточно прост. Полагают, что молекула кислорода (О2) , образующаяся при фотосинтезе, получает один свой атом от диоксида углерода, а другой — от воды; молекула кислорода, потребляемая при дыхании, отдает один свой атом диоксиду углерода, а другой — воде. Таким образом, круговорот кислорода завязан на процессы фотосинтеза и дыхания.

Фотосинтез. 6СО2 + 6Н20 (свет, хлорофилл)= С6Н1206 + 602.

Дыхание. С6Н1206 + 602 = 6СО2 + 6Н20 + энергия.

Круговорот серы

Серапопадает в почву в результате естественного разложения некоторых горных пород (серный колчедан FeS2, медный колчедан CuFeS2), а также как продукт разложения органических веществ (главным образом растительного происхождения). Через корневые системы сера поступает в растения, в организме которых синтезируются содержащие этот элемент аминокислоты цистин, цистеин, метионин. В организме животных сера содержится в очень малых количествах и попадает в них с кормом.

Сера из органических соединений попадает в почву благодаря разложению мертвых органических остатков микроорганизмами. В этом процессе органическая сера может быть восстановлена в H2S и минеральную серу или же окислена в сульфаты, которые поглощаются корнями растений, т. е. вновь вступают в круговорот. В наше время в круговорот вовлекается и сера промышленного происхождения (дымы), переносимая с дождевой водой.

С появлением человека возник антропогенный круговорот или обмен веществ. Антропогенный круговорот (обмен) — круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологическую связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот (обмен)).

Практическая работа №2

Расчёт уровня шума

1. Общие сведения

В процессе разработки проектов генеральных планов городов и детальной планировки их районов предусматривают градостроительные меры по снижению транспортного шума в жилой застройке. При этом учитывают расположение транспортных магистралей, жилых и нежилых зданий, возможное наличие зелёных насаждений. Учёт этих факторов помогает в одних случаях обойтись без специальных строительно-акустических мероприятий по защите от шума, а в других – снизить затраты на их осуществление.

2.Методика расчета

Задача данного практического занятия – определить уровень звука в расчётной точке (площадка для отдыха в жилой застройке, см. рис. 1) от источника шума – автотранспорта, движущегося по уличной магистрали.

Источник

Биотический круговорот веществ и энергии в природных экосистемах

Организация жизни на Земле в виде экосистем является одним из необходимых условий ее существования.

Запасы биогенных элементов, из которых строят тела живые организмы, на Земле в целом и на каждом конкретном участке на ее поверхности небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни. Поддерживать и осуществлять круговорот могут только функционально различные группы организмов

Таким образом, функционально-экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы — древнейшее свойство жизни. Главный участник биотического круговорота – углерод, как основа органических веществ (рис. 3).

Круговорот углерода

Наибольшее количество углерода содержится в литосфере в виде двух больших резервуаров, имеющих разное химическое происхождение:

— в составе осадочных карбонатов, всех форм МСО3;

— в составе ископаемых топлив, большая часть которых представляет собой биогенное и биокосное вещество – фоссилизированную, т.е. погребенную и преобразованную органику (от англ, fossil – окаменелый, ископаемый) – уголь, нефть, газ, нефтеносные сланцы, битуминозные пески, асфальт.

Небольшое количество углерода содержится в литосфере в виде графита и алмазов.

В гидросфере углерод находится в основном в виде гидрокарбоната НСО3, растворенного диоксида СО2 и некоторого количества растворимой органики.

В атмосфере – в виде СО2 и относительно небольшой доли примесных газов, пыли и аэрозолей, содержащих углерод.

Рис. 3. Глобальный круговорот углерода. Резервуары – в Гт, потоки – в Гт/год

Вся мертвая органика, задействованная в биотическом круговороте, все формы детрита, органика почв и илов отнесены к биосфере.

Биомасса живых организмов содержит меньше 0,001% углерода Земли, но практически полностью определяет его планетарный круговорот.

Основная часть круговорота углерода происходит между биотой суши и океана и атмосферой. По сравнению с этими потоками остальные потоки малы. Но так как их действие охватывало огромные по длительности геологические эпохи, связанные с этими потоками, утечки привели к образованию гигантских масс ископаемых топлив и осадочных карбонатов.

Фоссилизация биогенного углерода, пик которой относится к каменноугольному периоду палеозойской эры (карбон – 350 – 290 млн. лет назад), в настоящее время не происходит. Идет противоположный процесс, в тысячи раз более мощный – техногенное сжигание ископаемых топлив.

Круговорот кислорода

В отличие от углерода, резервуары доступного для биоты кислорода по сравнению с его потоками огромны. Поэтому отпадает проблема глобального дефицита О2 и замкнутости его круговорота (рис. 3). Биотический круговорот кислорода составляет 270 Гт/год.

Рис. 4.Круговорот кислорода (по П. Агесс)

Кислород на Земле — первый по распространенности элемент (вес. %):

— в атмосфере – 23,1;

— в биосфере (в составе сухой органики) – 44,8;

— в литосфере – 47,2;

— в гидросфере (в составе воды) – 86,9.

Для водных организмов нужен растворенный в воде кислород. Его среднее содержание в фотическом слое гидросферы составляет 4,5 мг/л и значительно колеблется.

Содержание кислорода в атмосфере во много раз больше – 288 мг/л – и на протяжении длительной геологической эпохи постоянно. Наземные животные довольно чувствительны к отклонениям от этого уровня. Некоторый дефицит кислорода для животных и человека возникает только в высокогорье, в зонах интенсивного потребления и в искусственных устройствах. Биота биосферы, сыгравшая решающую роль в оксигенизации атмосферы, подвела его концентрацию в воздухе до черты, за которой уровень окислительной способности среды становится уже опасным для биоты.

С круговоротом кислорода тесно связано образование озона. В высоких слоях атмосферы под влиянием жесткой ультрафиолетовой части солнечного спектра происходит ионизация и диссоциация части молекул кислорода, образуется атомарный кислород, который немедленно присоединяется к возбужденным молекулам кислорода, образуя озон – трехатомный кислород:

На образование озона тратится около 5 % поступающей к Земле солнечной энергии – около 8,6∙10 15 Вт. Реакции легко обратимы. При распаде озона эта энергия выделяется, за счет чего в верхних слоях атмосферы поддерживается высокая температура. Средняя концентрация озона в атмосфере составляет около 10 -6 объемных процентов; максимальная концентрация О3 – до 4∙10 -6 объемных процентов достигается на высотах 20 – 25 км.

Поглощая при своем образовании значительную часть жестких ультрафиолетовых лучей, озон играет большую защитную роль для всей экосферы.

Говоря о круговоротах веществ в экосистемах, необходимо еще раз подчеркнуть, что вынос вещества (для некоторых экосистем) за их пределы настолько велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковы проточные водоемы, реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы имеют значительно более полный круговорот веществ и относительно автономны (леса, луга, озера и т. п.). Но ни одна, даже самая крупная экосистема Земли не имеет полностью замкнутого круговорота веществ. Материки обмениваются веществом с океанами, литосферой (при большом участии в этих процессах атмосферы), а вся наша планета часть материи и энергии получает из космоса, а часть отдает в космос.

Источник