Биологический и геологический круговороты как рисовать. Геологический и биологический круговороты
Геологический кругооборот веществ имеет наибольшую скорость в горизонтальном направлении между сушей и морем. Смысл большого кругооборота в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан с образованием морских напластований и возвращаются на сушу лишь частично, например, с осадками или с извлеченными человеком из воды организмами. Далее в течение длительного временного отрезка протекают медленные геотектонические изменения - движение материков, поднятие и опускание морского дна, вулканические извержения и т.д., в результате которых образовавшиеся напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
Большой геологический круговорот вещества. Под действием денудационных процессов происходит разрушение горных пород и осадконакопление. Образуются осадочные породы. В областях устойчивого погружения (обычно это океаническое дно) вещество географической оболочки входит в глубокие слои Земли. Далее под действием температуры и давления идут метаморфические процессы, в результате которых образуются горные породы, вещество продвигается ближе к центру Земли. В недрах Земли в условиях очень высоких температур происходит магматизм: породы плавятся, поднимаются в виде магмы по разломам к земной поверхности и выливаются на поверхность при извержениях. Таким образом, осуществляется круговорот вещества. Геологический круговорот осложняется, если учитывать обмен веществом с космическим пространством. Большой геологический круговорот не является замкнутым в том смысле, что какая-то частица вещества, попавшая в недра Земли, совсем не обязательно выйдет на поверхность, и наоборот, частица, поднимающаяся при извержении, могла никогда раньше не находиться на земной поверхности
Основные источники энергии природных процессов на Земле
Излучение Солнца - основной источник энергии на Земле. Его мощность характеризуется солнечной постоянной - количеством энергии, проходящей через площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам. На расстоянии в одну астрономическую единицу (то есть на орбите Земли) эта постоянная равна приблизительно 1370 Вт/м².
Живые организмы используют энергию Солнца (фотосинтез) и энергию химических связей (хемосинтез). Эта энергия может использоваться в различных естественных и искусственных процессах. Треть всей энергии отражается атмосферой, 0,02 % используется растениями для фотосинтеза, а остальное на поддержание многих природных процессов – обогрев земли, океана, атмосферы движение возд. масс. Прямое нагревание солнечными лучами или преобразование энергии с помощью фотоэлементов может быть использовано для производства электроэнергии (солнечными электростанциями) или выполнения другой полезной работы. Путём фотосинтеза была в далёком прошлом получена и энергия, запасённая в нефти и других видах ископаемого топлива.
Это огромная энергия ведет к всеобщему потеплению,потому что после того,как прошла через природные процессы излучается обратно и атмосфера не дает ей уйти обратно.
2. Внутренняя энергия Земли; проявление – вулканы, горячие источники
18. Преобразования энергии биотического и абиотического происхождения
В функционирующей природной экосистеме не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, потенциально являются пищей для других организмов: гусеница ест листву, дрозд питается гусеницами, ястреб способен съесть дрозда. Когда растения, гусеница, дрозд и ястреб погибают, они в свою очередь перерабатываются редуцентами.
Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню.
Организмы природных экосистем вовлечены в сложную сеть многих связанных между собой пищевых цепей. Такая сеть называется пищевой сетью.
Пирамиды энергетических потоков: С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается.
Правило 10%: при переходе с одного трофического уровня на другой 90% энергии теряется, и 10% передается на следующий уровень.
Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной энергии. Поэтому длина пищевой цепи обычно не превышает 4 - 5 звеньев.
Энергетика ландшафтной сферы Земли:
1) солнечная энергия: тепловая, лучистая
2) поток тепловой энергии из недр Земли
3) энергия приливных течений
4) тектоническая энергия
5) ассимиляция энергии при фотосинтезе
Круговорот воды в природе
Круговорот воды в природе – процесс циклического перемещения воды в земной биосфере. Состоит из испарения, конденсации и осадков (атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично - просачиваются в землю и образуют подземные воды), а также процессы дегазации мантии: из мантии непрервыно поступает вода. вода обнаружена даже на огромной глубине.
Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше - положение обратное. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом её общее количество остаётся неизменным.
75% поверхности Земли покрыты водой. Водная оболочка Земли – гидросфера. Большую ее часть составляет соленая вода морей и океанов, а меньшую - пресная вода озер, рек, ледников, грунтовые воды и водяной пар.
На земле вода существует в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Без воды невозможно существование живых организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции, без которых не могут жить живые организмы. Вода является самым ценным и самым необходимым веществом для жизнедеятельности живых организмов.
Различают несколько видов круговоротов воды в природе:
Большой, или мировой, круговорот - водяной пар, образовавшийся над поверхностью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: при испарении соленая морская вода превращается в пресную, а загрязненная - очищается.
Малый, или океанический, круговорот - водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, сконденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан.
Внутриконтинентальный круговорот - вода, которая испарилась над поверхностью суши, опять выпадают на сушу в виде атмосферных осадков.
В конце концов, осадки в процессе движения опять достигают Мирового океана.
Скорость переноса различных видов воды изменяется в широких пределах, так и периоды расходов, и периоды обновления воды также разные. Они изменяются от нескольких часов до нескольких десятков тысячелетий. Атмосферная влага, которая образуется при испарении воды из океанов, морей и суши и существует в виде облаков, обновляется в среднем через восемь дней.
Воды, входящих в состав живых организмов, восстанавливаются в течение нескольких часов. Это наиболее активная форма водообмена. Период обновления запасов воды в горных ледниках составляет около 1 600 лет, в ледниках полярных стран значительно больше - около 9 700 лет.
Полное обновление вод Мирового океана происходит примерно через 2 700 лет.
Эффекты взаимодействия солнечного излучения, движущейся и вращающейся земли.
В данном вопросе следует рассмотреть сезонную переменчивость: зима/лето. Расписать, что из-за вращения и движения Земли, солнечное излучение поступает неравномерно, а значит, климатические условия меняются с широтой.
Земля наклонена к плоскости эклиптики 23,5 градуса.
Лучи проходят под разными углами. Радиационный баланс. Важно не только, сколько получает,но и сколько теряет, и сколько остается с учетом альбедо.
Центры действия атмосферы
Крупные области устойчивого высокого или низкого давления, связанные с общей циркуляцией атмосферы – центры действия атмосферы . Они определяют господствующее направление ветров и служат очагами формирования географических типов воздушных масс. На синоптических картах они выражаются замкнутыми линиями – изобарами.
Причины : 1) неоднородность Земли;
2) различие физ. свойств суши и воды (теплоемкость)
3) различие в альбедо поверхностей (R/Q): вода – 6%, экв. леса – 10-12%, шир.леса – 18%, луг – 22-23%, снег – 92%;
4) F Кориолиса
Это вызывает ОЦА.
Центры действия атмосферы :
● перманентные – в них высокое или низкое давление существует круглый год:
1. экваториальная полоса пониж. давления, ось которой несколько мигрирует от экватора вслед за Солнцем в сторону летнего полушария - Экваториальная депрессия (причины: большое количество Q и океаны);
2. по одной субтропической полосе повыш. давления в Сев. и Юж. полушарии; несколько мигрируют летом в более высокие субтропич. широты, зимой - в более низкие; распадаются на ряд океанич. антициклонов: в Сев. полушарии - Азорский антициклон (особенно летом) н Гавайский; в Юж.- Южно-Индийский, Южно-Тихоокеанский и Южно-Атлантический;
3. области пониж. давления над океанами в высоких широтах умеренных поясов: в Сев. полушарии - Исландский (особенно зимой) и Алеутский минимумы, в Юж.- сплошное кольцо пониженного давления, окружающее Антарктиду (50 0 ю.ш.);
4. области повыш. давления над Арктикой (особенно зимой) и Антарктидой – антициклоны;
● сезонные – прослеживаются как области высокого или низкого давления на протяжении одного сезона, сменяясь в другой сезон на центр действий атмосферы противоположного знака. Их существование связано с резким изменением в течение года темп-ры поверхности суши по отношению к темп-ре поверхности океанов; летний перегрев суши создаёт благоприятные условия для формирования здесь областей пониж. давления, зимнее переохлаждение - для областей повыш. давления. В Сев. полушарии к зимним областям повыш. давления относятся Азиатский (Сибирский) с центром в Монголии и Канадский максимумы, в Юж.- Австралийский, Южно-Американский и Южно-Африканский максимумы. Летние области пониж. давления: в Сев. полушарии - Южно-Азиатский (или Переднеазиатский) и Северо-Американский минимумы, в Юж. - Австралийский, Южно-Американский и Южно-Африканский минимумы).
Центрам действия атмосферы присущ определенный тип погоды. Поэтому воздух здесь сравнительно быстро приобретает свойства подстилающей поверхности – жаркий и влажный в Экваториальной депрессии, холодный и сухой в Монгольском антициклоне, прохладный и влажный в Исландском минимуме и т.д.
Планетарный теплообмен и его причины
Основные черты планетарного теплообмена . Солнечная энергия, поглощаемая поверхностью земного шара, расходуется затем на испарение и перенос тепла турбулентными потоками. На испарение уходит в среднем по всей планете около 80%, а на турбулентный теплообмен - остальные 20% от общего тепла.
Процессы теплообмена и изменения с географической широтой его составляющих в океане и на суше отличаются большим своеобразием. Все тепло, поглощаемое сушей весной и летом, полностью теряется осенью и зимой; при сбалансированном годовом бюджете тепла он, следовательно, повсеместно оказывается равным нулю.
В Мировом океане благодаря большой теплоемкости воды и ее подвижности в низких широтах происходит накопление тепла, откуда оно переносится течениями в высокие широты, где расходование его превышает поступление. Таким образом покрывается дефицит, создающийся в теплообмене воды с воздухом.
В экваториальной зоне Мирового океана при большой величине поглощаемой солнечной радиации и пониженном расходовании энергии годовой бюджет тепла имеет максимальные положительные значения. С удалением от экватора положительный годовой бюджет тепла уменьшается из-за увеличения расходных составляющих теплообмена, главным образом испарения. С переходом от тропиков к умеренным широтам бюджет тепла становится отрицательным.
В пределах суши все тепло, получаемое в весенне-летнее время, расходуется в осенне-зимний период. В водах же Мирового океана за долгую историю Земли накопилось огромное количество тепла равное 7,6 * 10^21 ккал. Аккумуляция столь большой массы объясняется высокой теплоемкостью воды и ее интенсивным перемешиванием, в процессе которого происходит довольно сложное перераспределение тепла в толще океаносферы. Теплоемкость всей атмосферы в 4 раза меньше, чем у десятиметрового слоя вод Мирового океана.
Несмотря на то что удельный вес солнечной энергии, идущей на турбулентный теплообмен между поверхностью Земли и воздухом, сравнительно невелик, он является основным источником нагревания приповерхностной части атмосферы. Интенсивность этого теплообмена зависит от разности температур между воздухом и подстилающей поверхностью (водой или сушей). В низких широтах планеты (от экватора примерно до сороковых широт обоих полушарий) воздух нагревается главным образом от суши, неспособной аккумулировать солнечную энергию и отдающей все получаемое тепло атмосфере. За счет турбулентного теплообмена воздушная оболочка получает от 20 до 40 ккал/см^2 в год, а в областях с малым увлажнением (Сахара, Аравия и др.) - даже более 60 ккал/см^2. Воды же в этих широтах накапливают тепло, отдавая воздуху в процессе турбулентного теплообмена лишь 5-10 ккал/см^2 в год и менее. Только в отдельных районах (ограниченной площади) вода в среднем за год оказывается холоднее и потому получает тепло от воздуха (в экваториальной зоне, на северо-западе Индийского океана, а также у западного побережья Африки и Южной Америки).
В биосфере происходит глобальный (большой, или геологический) круговорот веществ, который существовал и до появления первых живых организмов. В него вовлечены самые разнообразные химические элементы. Геологический круговорот осуществляется благодаря солнечной, гравитационной, тектонической и космической видам энергии.
С появлением живого вещества на основе геологического круговорота возник круговорот органического вещества – малый (биотический, или биологический) круговорот.
Биотический круговорот веществ– непрерывный, циклический, неравномерный во времени и пространстве процесс перемещения и превращения веществ, происходящий при непосредственном участии живых организмов. Он представляет собой непрерывный процесс создания и разрушения органического вещества и реализуется при участии всех трех групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов. В биотические круговороты вовлечено около 40 биогенных элементов. Наибольшее значение для живых организмов имеют круговороты углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора, серы, железа, калия, кальция и магния.
По мере развития живой материи из геологического круговорота постоянно извлекается все больше элементов, которые вступают в новый, биологический круговорот. Общая масса зольных веществ, вовлекаемая ежегодно в биотический круговорот веществ только на суше, составляет около 8 млрд. тонн. Это в несколько раз превышает массу продуктов извержения всех вулканов мира на протяжении года. Скорость круговорота вещества в биосфере различна. Живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет, масса фитопланктона в океане обновляется ежедневно. Весь кислород биосферы проходит через живое вещество за 2000 лет, а углекислый газ – за 300 лет.
В экосистемах осуществляются локальные биотические круговороты, а в биосфере – биогеохимические циклы миграции атомов, которые не только связывают все три наружные оболочки планеты в единое целое, но и обуславливают непрерывную эволюцию её состава.
АТМОСФЕРА ГИДРОСФЕРА
¯ ¯
ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО
ПОЧВА
Эволюция биосферы
Биосфера появилась с зарождением первых живых организмов примерно 3,5 млрд. лет назад. В ходе развития жизни она изменялась. Этапы эволюции биосферы можно выделить с учетом характеристики типа экосистем.
1. Возникновение и развитие жизни в воде. Этап связан с существованием водных экосистем. Кислород в атмосфере отсутствовал.
2. Выход живых организмов на сушу, освоение наземно-воздушной среды и почвы и появление наземных экосистем. Это стало возможно благодаря появлению кислорода в атмосфере и озонового экрана. Произошло 2,5 млрд. лет назад.
3. Появление человека, превращение его в биосоциальное существо и возникновение антропоэкосистем произошло 1 млн. лет назад.
4. Переход биосферы под влиянием разумной деятельности человека в новое качественное состояние – в ноосферу.
Ноосфера
Высшим этапом развития биосферы является ноосфера – этап разумного регулирования взаимоотношений между человеком и природой. Этот термин ввел в 1927 году французский философ Э. Леруа. Он считал, что ноосфера включает человеческое общество с его индустрией, языком и прочими атрибутами разумной деятельности. В 30-40-х гг. ХХ века В.И. Вернадский развил материалистические представления о ноосфере. Он считал, что ноосфера возникает в результате взаимодействия биосферы и общества, управляется за счет тесной взаимосвязи законов природы, мышления и социально-экономических законов общества, и подчеркивал, что
ноосфера (сфера разума) – стадия развития биосферы, когда разумная деятельность людей станет главным, определяющим фактором ее устойчивого развития.
Ноосфера – новая, высшая стадия биосферы, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, которое, познавая законы природы и совершенствуя технику, становится крупнейшей силой, сопоставимой по масштабам с геологическими, и начинает оказывать определяющее влияние на ход процессов на Земле, глубоко изменяя ее своим трудом. Становление и развитие человечества выразилось в возникновении новых форм обмена веществом и энергией между обществом и природой, во все возрастающем воздействии человека на биосферу. Ноосфера наступит тогда, когда человечество с помощью науки сможет осмысленно управлять природными и социальными процессами. Поэтому нельзя ноосферу считать особой оболочкой Земли.
Науку управления взаимоотношениями между человеческим обществом и природой называют ноогеникой.
Основная цель ноогеники – планирование настоящего во имя будущего, а её главные задачи – исправление нарушений в отношениях человека и природы, вызванных прогрессом техники, сознательное управление эволюцией биосферы. Должно сформироваться плановое, научно обоснованное использование природных ресурсов, предусматривающее восстановление в круговороте веществ того, что нарушил человек, в противоположность стихийному, хищническому отношению к природе, приводящему к ухудшению окружающей среды. Для этого необходимо устойчивое развитие общества, которое удовлетворяет потребности настоящего времени и не ставит под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои потребности.
В настоящее время на планете сформировалась биотехносфера – часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в инженерно-технические сооружения: города, заводы и фабрики, карьеры и шахты, дороги, плотины и водохранилища и т.п.
БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК
Биосфера для человека является и средой обитания, и источником природных ресурсов.
Природные ресурсы – природные объекты и явления, которые человек использует в процессе труда. Они обеспечивают человеку пищу, одежду, жилище. По степени истощения они делятся на исчерпаемые и неисчерпаемые . Исчерпаемые ресурсы подразделяются на возобновимые и невозобновимые . К невозобновимым относят те ресурсы, которые не возрождаются (или возобновляются в сотни раз медленнее, чем расходуются): нефть, каменный уголь, металлические руды и большинство полезных ископаемых. Возобновимые природные ресурсы – почва, растительный и животный мир, минеральное сырьё (поваренная соль). Эти ресурсы постоянно восстанавливаются с разной скоростью: животные – несколько лет, леса – 60-80 лет, почвы, потерявшие плодородие, – в течение нескольких тысячелетий. Превышение темпов расходования над скоростью воспроизводства ведет к полному исчезновению ресурса.
Неисчерпаемые ресурсы включают водные, климатические (атмосферный воздух и энергия ветра) и космические: солнечная радиация, энергия морских приливов и отливов. Однако растущее загрязнение окружающей среды требует осуществления природоохранных мероприятий для сохранения этих ресурсов.
Удовлетворение человеческих потребностей немыслимо без эксплуатации природных ресурсов.
Все виды деятельности человека в биосфере можно объединить в четыре формы.
1. Изменение структуры земной поверхности (распашка земель, осушение водоемов, вырубка лесов, строительство каналов). Человечество становится мощной геологической силой. Человек использует 75% суши, 15% речных вод, каждую минуту вырубается 20 га лесов.
· Геолого-геоморфологические изменения – интенсификация процессов образования оврагов, появление и учащение селей и оползней.
· Комплексные (ландшафтные) изменения – нарушение целостности и естественной структуры ландшафтов, уникальности памятников природы, потеря продуктивных земель, опустынивание.
Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:
1) Большой (геологический или абиотический);
2) Малый (биотический, биогенный или биологический).
Круговороты веществ и потоки космической энергии создают устойчивость биосферы. Круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (неживой природы), называют большим геологическим круговоротом. При большом геологическом круговороте (протекает миллионы лет) горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан; протекают геотектонические изменения, опускание материков, поднятие морского дна. Время круговорота воды в ледниках 8 000 лет, в реках - 11 дней. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.
Большой, геологический круговорот в биосфере характеризуется двумя важными моментами:
а) осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли;
б) представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.
На современном этапе развития человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся также загрязняющие вещества - оксиды серы и азота, пыль, радиоактивные примеси. Наибольшему загрязнению подверглись территории умеренных широт Северного полушария.
Малый, биогенный или биологический круговорот веществ происходит в твердой, жидкой и газообразных фазах при участии живых организмов. Биологический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии. Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценозов (внутри экосистем) и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела. Продукты распада органического вещества разлагаются до минеральных компонентов. Малый круговорот незамкнут , что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.
В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды - главнейшие загрязнители атмосферы ), а также фосфора (фосфаты -главный загрязнитель материковых вод) . Практически все загрязняющие вещества выступают как вредные, и их относят к группе ксенобиотиков.
В настоящее время большое значение имеют круговороты ксенобиотиков - токсичных элементов - ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина) . Кроме того, из большого круговорота в малый поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.), которые причиняют вред биоте и здоровью человека.
Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - созидания органического вещества и его разрушения живым веществом.
В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты .
Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительность и животных обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом .
Настоящее и будущее нашей планеты зависит от участия живых организмов в функционировании биосферы. В круговороте веществ живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.
Биологический круговорот происходит при участии живых организмов и заключается в воспроизводстве органического вещества из неорганического и разложении этого органического до неорганического посредством пищевой трофической цепи. Интенсивность продукционных и деструкционных процессов в биологическом круговороте зависит от количества тепла и влаги. Например, низкая скорость разложения органического вещества полярных районов зависит от дефицита тепла.
Важным показателем интенсивности биологического круговорота является скорость обращения химических элементов. Интенсивность характеризуется индексом , равным отношению массы лесной подстилки к опаду. Чем больше индекс, тем меньше интенсивность круговорота.
Индекс в хвойных лесах - 10 - 17; широколиственных 3 - 4; саванне не более 0,2; влажных тропических лесах не более 0,1 , т.е. здесь биологический круговорот наиболее интенсивный.
Поток элементов (азота, фосфора, серы) через микроорганизмы на порядок выше, чем через растения и животных. Биологический круговорот не является полностью обратимым, он тесно связан с биогеохимическим круговоротом. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота:
поглощаются живым веществом и заряжаются энергией;
покидают живое вещество, выделяя энергию во внешнюю среду.
Эти циклы бывают двух типов: круговорот газообразных веществ; осадочный цикл (резерв в земной коре).
Сами круговороты состоят из двух частей:
- резервного фонда (это часть вещества, не связанная с живыми организмами);
- подвижного (обменного) фонда (меньшая часть вещества, связанная с прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением).
Круговороты делят на:
Круговороты газового типа с резервным фондом в земной коре (круговороты углерода, кислорода, азота) - способны к быстрой саморегуляции;
Круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.) - более инертны, основная масса вещества находится в «недоступном» живым организмам виде.
Круговороты также можно разделить на:
- замкнутые (круговорот газообразных веществ, например, кислорода, углерода и азота - резерв в атмосфере и гидросфере океана, поэтому нехватка быстро компенсируется);
- незамкнутые (создающие резервный фонд в земной коре, например, фосфор - поэтому потери плохо компенсируются, т.е. создается дефицит).
Энергетической основой существования биологических круговоротов на Земле и их начальным звеном является процесс фотосинтеза. Каждый новый цикл круговорота не является точным повторением предыдущего. Например, в ходе эволюции биосферы часть процессов имела необратимый характер, в результате чего происходило образование и накопление биогенных осадков, увеличение количества кислорода в атмосфере, изменение количественных соотношений изотопов ряда элементов и т.д.
Циркуляцию веществ принято называть биогеохимическими циклами . Основные биогеохимические (биосферные) циклы веществ: цикл воды, цикл кислорода, цикл азота (участие бактерий-азотфиксаторов), цикл углерода (участие аэробных бактерий; ежегодно около 130 т углерода сбрасывается в геологический цикл), цикл фосфора (участие почвенных бактерий; ежегодно в океаны вымывается 14 млн.т фосфора), цикл серы, цикл катионов металлов.
Большой геологический круговорот минеральных веществ и воды протекает под действием огромного количества абиотических факторов.
4.3.1. Круговорот веществ в большом геологическом круговороте.
Согласно теории литосферных плит, внешняя оболочка Земли состоит из нескольких очень больших блоков (плит). Эта теория предполагает существование горизонтальных перемещений мощных литосферных плит, толщиной 100 – 150 км.
При этом в пределах срединно-океанических хребтов, так называемой зоны рифтов. Происходят разрыв и раздвигание литосферных плит с образованием молодой океанической коры
Это явление называется спредингом океанического дна. Т.о., из глубин мантии поднимается поток минеральных веществ, образующий молодые кристаллические породы.
В противовес этому процессу в зоне глубоководных океанических желобов постоянно происходит надвигание одной части континентальной коры на другую, что сопровождается погружением периферийной части плиты в мантию, т.е., часть твёрдого вещества земной коры переходит в состав мантии Земли. Процесс, происходящий в океанических глубоководных желобах, назван субдукцией океанической коры.
Круговорот воды на планете действует непрерывно и повсеместно. Движущие силы круговорота воды – тепловая энергия и сила тяжести. Под влиянием тепла происходят испарение, конденсация водяных паров и другие процессы, на что расходуется около 50% энергии, поступающей от солнца. Под влиянием силы тяжести – падение капель дождя, течение рек, движение почвенных и подземных вод. Часто эти причины действуют совместно, например, на атмосферную циркуляцию воды действуют как тепловые процессы, так и сила тяжести.
4.3.2. Круговорот элементов в неживой природе
Осуществляется двумя путями: водной и воздушной миграцией. К воздушным мигрантам относят: кислород, водород, азот, йод.
К водным мигрантам относят те вещества, которые мигрируют преимущественно в почвах, поверхностных и подземных водах в основном в виде молекул и ионов: натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, калий, марганец, железо, кобальт, никель, стронций, свинец и др. Воздушные мигранты входят также в состав солей, которые мигрируют в воде. Однако воздушная миграция для них более типична.
4.4 Малый (биологический) круговорот
Масса живого вещества биосферы сравнительно мала. Если её распределить по земной поверхности, то получиться слой всего в 1,5 см. В таблице 4.1 сопоставлены некоторые количественные характеристики биосферы и других геосфер Земли. Биосфера, составляя менее 10-6 массы других оболочек планеты, обладает несравненно большим разнообразием и обновляет свой состав в миллион раз быстрее.
Таблица 4.1
Сравнение биосферы с другими геосферами Земли
*Живое вещество в расчёте на живой вес
4.4.1. Функции биосферы
Благодаря биоте биосферы осуществляется преобладающая часть химических превращений на планете. Отсюда суждение В.И. Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно (для разных круговоротов от 103 до 105 раз) пропустили через себя, через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём Мирового океана, большую часть массы почв, огромную массу минеральных веществ. И не только пропустили, но и в соответствии со своими потребностями видоизменили земную среду.
Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба.
Газовая функция. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты и в формировании газового состава современной атмосферы. Растения строго контролируют концентрации О2 и СО2, оптимальные для совокупности всех современных живых организмов.
Концентрационная функция. Пропуская через своё тело большие объёмы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию (движение химических веществ) и концентрирование химических элементов и их соединений. Это относится к биосинтезу органики, образование коралловых островов, строительство раковин и скелетов, появление толщ осадочных известняков, месторождений некоторых металлических руд, скопление железно–марганцевых конкреций, на дне океана т. д. Ранние этапы биологической эволюции проходили в водной среде. Организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своём теле.
Окислительно – восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях, например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько мощными катализаторами – ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может проходить в абиотической среде.
Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мёртвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путём соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором. Суммарный запас генетической информации биоты оценивается в 1015 бит. Общая мощность потока молекулярной информации, связанной с обменом веществ и энергии во всех клетках глобальной биоты достигает 1036 бит/с (Горшков и др., 1996).
4.4.2. Составляющие биологического круговорота.
Биологический круговорот осуществляется между всеми составляющими биосферы (т. е. между почвой, воздухом, водой, животными, микроорганизмами и т.д.). Он происходит при обязательном участии живых организмов.
Достигающее биосферы солнечное излучение несёт в себе энергию около 2,5*1024 Дж в год. Только 0,3% её непосредственно преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ, т.е. вовлекается в биологический круговорот. А 0,1 – 0,2 % солнечной энергии, падающей на Землю, оказывается заключённой в чистой первичной продукции. Дальнейшая судьба этой энергии связана с передачей органического вещества пищи по каскадам трофических цепей.
Биологический круговорот условно можно разделить на взаимосвязанные составляющие: круговорот веществ и энергетический круговорот.
4.4.3. Энергетический круговорот. Трансформация энергии в биосфере
Экосистему можно описать как совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом, информацией. Энергию можно определить как способность производить работу. Свойства энергии, в том числе и движение энергии в экосистемах, описываются законами термодинамики.
Первый закон термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не создаётся заново, она лишь переходит из одной формы в другую.
Второй закон термодинамики утверждает, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать. Применительно к энергии в экосистемах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше её энтропия.
Говоря другими словами, живое вещество получает и трансформирует энергию космоса, солнца в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую). Вовлекает эту энергию и неорганическую материю в непрерывный круговорот веществ в биосфере. Поток энергии в биосфере имеет одно направление – от Солнца через растения (автотрофы) к животным (гетеротрофы). Природные нетронутые экосистемы в устойчивом состоянии с постоянными важнейшими экологическими показателями (гомеостаз), являются наиболее упорядоченными системами, и характеризуются наименьшей энтропией.
4.4.4. Круговорот веществ в живой природе
Образование живого вещества и его разложение – две стороны единого процесса, который называется биологическим круговоротом химических элементов. Жизнь – круговорот химических элементов между организмами и средой.
Причина круговорота – ограниченность элементов, из которых строятся тела организмов. Каждый организм извлекает из окружающей среды необходимые для жизнедеятельности вещества и возвращает неиспользованные. При этом:
одни организмы потребляют минеральные вещества непосредственно из окружающей среды;
другие используют продукты, переработанные и выделенные первыми;
третьи – вторыми и т.д., пока вещества не возвратятся в окружающую среду в первоначальном состоянии.
В биосфере очевидна необходимость сосуществования различных организмов, способных использовать продукты жизнедеятельности друг друга. Мы видим практически безотходное биологическое производство.
Круговорот веществ в живых организмах условно можно свести к четырём процессам:
1.Фотосинтез. В результате фотосинтеза растения усваивают и аккумулируют солнечную энергию и синтезируют из неорганических веществ органические вещества - первичную биологическую продукцию - и кислород. Первичная биологическая продукция отличается большим разнообразием – содержит углеводы (глюкозу), крахмал, клетчатку, белки, жиры.
Схема фотосинтеза простейшего углевода (глюкозы) имеет следующую схему:
Этот процесс протекает только днём и сопровождается увеличением массы растений.
На Земле ежегодно в результате фотосинтеза образуется около 100 млрд. т. органического вещества, усваивается около 200 млрд. т. углекислого газа, выделяется примерно 145 млрд. т кислорода.
Фотосинтезу принадлежит решающая роль в обеспечении существования жизни на Земле. Его глобальное значение объясняется тем, что фотосинтез является единственным процессом, в ходе которого энергия в термодинамическом процессе согласно с минималистским принципом не рассеивается, а наоборот – накапливается.
Синтезируя необходимые для построения белков аминокислоты, растения могут существовать относительно независимо от других живых организмов. В этом проявляется автотрофность растений (самостоятельность в питании). В то же время зелёная масса растений и кислород, образующийся в процессе фотосинтеза, являются основой для поддержания жизни следующей группы живых организмов – животных, микроорганизмов. В этом проявляется гетеротрофность этой группы организмов.
2. Дыхание. Процесс обратный фотосинтезу. Происходит во всех живых клетках. При дыхании органическое вещество окисляется кислородом, в результате образуется углекислый газ, вода и выделяется энергия.
3. Пищевые (трофические) связи между автотрофными и гетеротрофными организмами. В данном случае происходит перенос энергии и вещества по звеньям пищевой цепи, которые более подробно были нами рассмотрены ранее.
4. Процесс транспирации. Один из самых важных процессов в биологическом круговороте.
Схематично его можно описать следующим образом. Растения поглощают почвенную влагу корнями. При этом в них поступают растворённые в воде минеральные вещества, которые усваиваются, а влага более или менее интенсивно испаряется в зависимости от условий среды.
4.4.5. Биогеохимические циклы
Геологический и биологический круговороты связаны – они существуют как единый процесс, рождая циркуляцию веществ, так называемые биогеохимические циклы (БГХЦ). Этот круговорот элементов обусловлен синтезом и распадом органических веществ в экосистеме (рис.4.1) В БГХЦ задействованы не все элементы биосферы, а только биогенные. Из них состоят живые организмы, эти элементы вступают в многочисленные реакции и участвуют в процессах, протекающих в живых организмах. В процентном соотношении совокупная масса живого вещества биосферы состоит из следующих основных биогенных элементов: кислорода – 70%, углерода – 18%, водорода – 10,5%, кальция – 0,5%, калия – 0,3%, азот – 0,3%, (кислород, водород, азот, углерод присутствуют во всех ландшафтах и являются основой живых организмов – 98%).
Сущность биогенной миграции химических элементов.
Таким образом, в биосфере имеют место биогенный круговорот веществ (т.е. круговорот, вызванный жизнедеятельностью организмов) и однонаправленный поток энергии. Биогенная миграция химических элементов определяется в основном двумя противоположными процессами:
1. Образование живого вещества из элементов окружающей среды за счет солнечной энергии.
2. Разрушение органических веществ, сопровождающееся выделением энергии. При этом элементы минеральных веществ многократно попадают в живые организмы, входя тем самым в состав сложных органических соединений, форм, а затем при разрушении последних снова приобретают минеральную форму.
Существуют элементы, входящие в состав живых организмов, но не относящиеся к биогенным. Такие элементы классифицируются по их весовой доле в организмах:
Макроэлементы – составляющие не менее 10-2% массы;
Микроэлементы – составляющие от 9*10-3 до 1*10-3% массы;
Ультрамикроэлементы – менее 9*10-6% массы;
Чтобы определить место биогенных элементов среди других химических элементов биосферы, рассмотрим принятую в экологии классификацию. По проявляемой активности в процессах, протекающих в биосфере, все химические элементы делят на 6 групп:
Благородные газы – гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. Инертные газы в состав живых организмов не входят.
Благородные металлы – рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото. Эти металлы почти не создают соединений в земной коре.
Циклические или биогенные элементы (их ещё называют миграционными). На эту группу биогенных элементов в земной коре приходится 99,7% всей массы, а на остальные 5 групп – 0,3%. Таким образом, основная масса элементов – это мигранты, которые осуществляют кругооборот в географической оболочке, а часть инертных элементов очень мала.
Рассеянные элементы, характеризующиеся преобладанием свободных атомов. Вступают в химические реакции, но их соединения редко встречаются в земной коре. Разделяются на две подгруппы. Первая – рубидий, цезий, ниобий, тантал – создают соединения в глубинах земной коры, а на поверхности их минералы разрушаются. Вторая – йод, бром – вступают в реакции лишь на поверхности.
Радиоактивные элементы – полоний, радон, радий, уран, нептуний, плутоний.
Редкоземельные элементы – иттрий, самарий, европий, тулий т.д.
Круглогодично биохимические циклы приводят в движение около 480 млрд. т. вещества.
В.И. Вернадский сформулировал три биогеохимических принципа, которые объясняют сущность биогенной миграции химических элементов:
Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.
Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых форм жизни, идёт в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.
Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, что является фактором, воссоздающим и поддерживающим биосферу.
Рассмотрим, как движутся в биосфере некоторые из этих элементов.
Круговорот углерода. Главным участником биотического круговорота является углерод как основа органических веществ. Преимущественно круговорот углерода происходит между живым веществом и углекислым газом атмосферы в процессе фотосинтеза. С пищей его получают травоядные, от травоядных – хищники. При дыхании, гниении углекислый газ частично возвращается в атмосферу, возврат происходит при сжигании органических полезных ископаемых.
При отсутствии возврата углерода в атмосферу, он был бы израсходован зелёными растениями за 7-8 лет. Скорость биологического оборота углерода через фотосинтез – 300 лет. Мировой океан играет большую роль в регулировании содержания СО2 в атмосфере. Если в атмосфере повышается содержание СО2, часть его растворяется в воде, вступая в реакцию с карбонатом кальция.
Круговорот кислорода.
Кислород обладает высокой химической активностью, вступает в соединения практически со всеми элементами земной коры. Встречается в основном в виде соединений. Каждый четвёртый атом живого вещества – атом кислорода. Почти весь молекулярный кислород в атмосфере возник и поддерживается на постоянном уровне благодаря деятельности зелёных растений. Кислород атмосферы, связываясь при дыхании и освобождаясь при фотосинтезе, проходит через все живые организмы за 200 лет.
Круговорот азота. Азот является составной частью всех белков. Общее отношение связанного азота, как элемента, составляющего органическое вещество, к азоту в природе равно 1:100000. Энергия химической связи в молекуле азота очень велика. Поэтому соединение азота с другими элементами – кислородом, водородом (процесс азотофиксации) – требует больших затрат энергии. Промышленная фиксация азота идёт в присутствии катализаторов при температуре -500оС и давлении –300 атм.
Как известно, атмосфера содержит более 78% молекулярного азота, но в таком состоянии он не доступен зелёным растениям. Для своего питания растения могут использовать лишь соли азотной и азотистой кислот. Каковы пути образования этих солей? Вот некоторые из них:
В биосфере фиксация азота осуществляется несколькими группами анаэробных бактерий и цианобактерий при нормальной температуре и давлении благодаря высокой эффективности биокатализа. Считается, что бактерии переводят в связанную форму приблизительно 1 млрд. т азота в год (мировой объём промышленной фиксации – около 90 млн.т).
Почвенные азотофиксирующие бактерии способны усваивать молекулярный азот из воздуха. Они обогащают почву азотистыми соединениями, поэтому их значение чрезвычайно велико.
В результате разложения азотосодержащих соединений органических веществ растительного и животного происхождения.
Под действием бактерий азот переходит в нитраты, нитриты, аммонийные соединения. В растениях соединения азота принимают участие в синтезе белковых соединений, которые в цепях питания передаются от организма к организму.
Круговорот фосфора. Ещё одним важным элементом, без которого невозможен синтез белков, является фосфор. Основные источники – изверженные породы (апатиты) и осадочные породы (фосфориты).
Неорганический фосфор вовлекается в круговорот в результате естественных процессов выщелачивания. Фосфор усваивается живыми организмами, которые при его участии синтезируют ряд органических соединений и передают на различные трофические уровни.
Закончив свой путь по трофическим цепям, органические фосфаты разлагаются микробами и превращаются в минеральные фосфаты, доступные для зелёных растений.
В процессе биологического круговорота, который обеспечивает движение вещества и энергии, нет места накоплению отходов. Продукты жизнедеятельности (т.е. отходы) каждой формы жизни являются питательной средой для других организмов.
Теоретически в биосфере всегда должен поддерживаться баланс между продуцированием биомассы и её разложением. Однако в отдельные геологические периоды сбалансированность биологического круговорота нарушалась, когда из-за определённых природных условий, катаклизмов не вся биологическая продукция усваивалась, трансформировалась. В этих случаях образовывались излишки биологической продукции, которые консервировались и откладывались в земной коре, под толщей воды, наносов, оказывались в зоне вечной мерзлоты. Так сформировались залежи каменного угля, нефти, газа, известняка. Надо отметить, что они не засоряют биосферу. В органических полезных ископаемых сконцентрировалась энергия Солнца, накопленная в процессе фотосинтеза. Сейчас, сжигая органические горючие полезные ископаемые, человек высвобождает эту энергию.
В природе существует два основных круговорота веществ: большой (геологический) и малый (биогеохимический).
Геологический - большой круговорот веществ (Приложение А), обусловлен, взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму - источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность, и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы. Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.
Большой круговорот - это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана, переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока.
Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана -- конденсация водяного пара -- выпадение осадков на эту же водную поверхность океана.
Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями, и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 миллиона лет.
Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический) (Приложение Б). В отличие от большого круговорота, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы -- главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе количество тепла, приходящееся на единицу площади, в три раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80°с.ш). Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, расходуется на транспирацию воды. Как мы уже отмечали, на фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще всего 2--3 %.
В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей.
Такой круговорот обычно называют биологическим . Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Он имеется в водных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ "от растения к растению", корни которых на поверхности почвы.
Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы.
Круговорот отдельных веществ - В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Главное в том, что химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм. Такие элементы называют биофилъными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В. И. Вернадский выделяет пять таких функций:
- первая функция - газовая - основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы - продукт разложения отмершей органики;
- вторая функция - концентрационная - организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов - первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода - водоросли (ламинария), фосфора - скелеты позвоночных животных;
- третья функция - окислительно-восстановительная - организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;
- четвертая функция - биохимическая -размножение, рост и перемещение в пространстве ("расползание") живого вещества;
- пятая функция - биогеохимическая деятельность человека - охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры.
Следовательно, следует отметить лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее -- это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция круговорота веществ на Земле.