Преобразование энергии в биосфере. Круговорот веществ и потоков энергии

Департамент образования Тверской области

ГОУ СПО «Лихославльское  педагогическое училище» 
 
 
 
 
 
 
 

Тема: Преобразование энергии в биосфере.

  Круговорот веществ и потоков

  энергии. 
 
 

           

                                                 

                            

                                  Подготовила: Поспелова И.Е.

                                                           

                  

                             
 
 

г. Лихославль

2008 г.

Содержание. 
 

Введение……………………………………………………………………..3

1.Большой и  малый круговороты веществ……………………………...…4

2. Круговорот  веществ в экосистемах……………………………………...5

3. Роль организмов  в круговороте веществ………………………………..8

4.Круговорот  углерода в биосфере…………………………………………9

5. Круговорот  азота в биосфере……………………………………………11

6.Круговорот  фосфора в биосфере………………………………………...13

7.Поток энергии  в биосфере…………………………………………...…...16

Приложение…………………………………………………………….……19 Список литературы……………………………………………………..…...20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение. 

     Оболочка  Земли, в пределах которой существует жизнь, называется биосферой.

     Биосфера  состоит из живого, или биотического, и неживого, или абиотического, компонентов. Биотический компонент – это  вся совокупность живых организмов. Абиотический компонент – сочетание  энергии, воды, определенных химических элементов и других неорганических условий, в которых существуют живые организмы.

       Жизнь в биосфере зависит от  потока энергии и круговорота  веществ между биотическим и  абиотическим компонентами. Круговороты  веществ называются биогеохимическими циклами. Существование этих циклов обеспечивается энергией Солнца. Земля получает от Солнца около 1,3´10²⁴ калорий в год. Около 40% этой энергии излучается обратно в космос; 15% поглощается атмосферой, почвой и водой; остальная энергия – это видимый свет, первичный источник энергии для всей жизни на Земле.

       Фотосинтез, хемосинтез, дыхание и брожение – основные процессы, благодаря которым поток энергии проходит через организмы. Первые два процесса обеспечивают синтез органических веществ за счет энергии света (фотосинтез) и окисления неорганических веществ (хемосинтез). В ходе дыхания и брожения органические вещества расщепляются, а заключенная в них энергия используется живыми организмами, но в конечном итоге переходит в тепло.  
 
 
 
 
 
 

Большой и малый круговороты веществ. 

       Академик В.Р. Вильямс писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т. е. вовлечь его в круговорот.

     Все вещества на планете Земля находятся  в процессе биохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

     Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются  и потоками вод сносятся в Мировой  океан, где образуют мощные морские напластования. Часть химических соединений растворяется в воде или потребляется биоценозом. Крупные медленные геоктонические изменения, процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

     Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них. Продукты распада органического вещества под воздействием бактерий вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям, и вовлекаются ими в поток вещества.

     Возврат химических веществ из неорганической среды через среду с использованием солнечной энергии и химических реакций называется биохимическим циклом. 
 
 
 
 

Круговорот  веществ в экосистемах. 

      По  Р. Риклефсу (1979) экосистему можно представить  в виде пяти блоков (три активных, два добавочных), через которые проходят различные вещества (Приложение 1).

      Три активных блока составляют обменный фонд элементов:

• живые организмы;
• мертвый органический детрит;
• доступные неорганические вещества.

Два добавочных блока составляют резервный фонд элементов:

• косвенно доступные неорганические вещества;
• осаждающиеся органические вещества.

     Между активными блоками идет быстрый  обмен элементами. Обмен между  добавочными блоками и остальной частью экосистемы замедлен. Например, углерод из косвенно доступных осадочных органических форм может превращаться при сгорании этой органической массы или при выветривании в доступный для растений углекислый газ.

     Циркуляцию  биогенных элементов в экосистеме называют биогеохимическим циклом. Этот термин был введен в обиход В.И. Вернадским.

     Все биогеохимические циклы взаимосвязаны в природе и в совокупности формируют устойчивую структуру биосферы в целом. Замкнутость нормальных биогеохимических циклов неполная – и это очень важное свойство. Именно оно обусловило биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере Земли, а также различных химических элементов и их соединений в литосфере. Вместе с тем доля вещества, выходящего из биосферного цикла (длительностью от десятков и сотен до нескольких тысяч лет), в геологический цикл (длительностью в миллионы лет), в год относительно невелика. Лишь громадное время истории развития биосферы (около 4 млрд. лет) позволило осуществить подобные биогенные накопления элементов в атмосфере и литосфере. Так, например, ежегодный сброс углерода из биогеохимического цикла наземных экосистем в геологический цикл (в отложениях) составляет около 130 т., т.е. всего лишь примерно 10^-8 % от современных запасов углерода, находящихся в биосферном обращении. В палеозое за счет неполной обратимости цикла углерода накопились мощные запасы отложений – известняки, уголь, нефть, битумы и пр., т.е. примерно за 600 млн. лет 10¹⁶ – 10¹⁷ т.

     В каждом биогеохимическом цикле (т.е. для  каждого отдельного элемента) можно  выделить два фонда (обменный и резервный).

     Резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, содержащих данный элемент, в основном в составе  абиотического компонента. Фонд размещен за пределами живых организмов во внешней среде.

     Обменный (подвижный) фонд – меньший , но более активный. Для него характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

     Резервный фонд иногда называют недоступным, а обменный циркулирующий фонд – доступным, хотя между ними существует постоянный медленный обмен.

     Среди биогеохимических циклов выделяют циклы двух типов: газообразных и осадочных веществ. Такое деление – проявление склонности химических элементов образовывать соединения того или иного типа в условиях Земли. Так, углерод, азот и кислород находятся в циклах преимущественно в виде летучих соединений, тогда как фосфор, железо и кальций сосредоточены в негазообразных веществах. Нарушения в циклах газообразных веществ могут быстро устраняться за счет наличия крупных атмосферных или океанических (либо тех и других) подвижных фондов. Циклы газообразных веществ с их громадными атмосферными фондами можно считать в глобальном масштабе «хорошо забуференными», так как их способность возвращаться к исходному состоянию велика.

     Самоконтроль  осадочных циклов затруднен –  они легче нарушаются в результате местных пертурбаций, так как в этих циклах основная масса вещества сосредоточена в малоактивном резервном фонде. Явление «забуференности» здесь не выражено.

     Циклы функционируют под действием  биологических и геологических  факторов (отсюда и их название). Существование биогеохимических циклов создает возможность для саморегуляции системы, что придает экосистеме устойчивость – постоянство состава (в %) различных элементов в ней (гомеостаз).

     Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте, возвращение элементов в круговорот, во многих случаях основаны на биологических процессах. Поэтому человек чаще всего не в силах поправить положение дел, если по его вине нарушено равновесие в цикле.

     В связи с хозяйственной деятельностью человечества и вовлечением в биосферный поток техногенных продуктов этой деятельности возникли проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимических циклов. Циклы некоторых элементов (например, азота, серы, фосфора, калия, тяжелых металлов) превратились в настоящее время в природно-антропогенные, характеризующиеся значительной незамкнутостью. Некоторые же соединения и материалы, созданные человеком (например, многие пластмассы), вообще не способны включаться в природные и природно-антропогенные циклы, так как не перерабатываются в экосистемах, загрязняя их и являясь абсолютно чуждыми живому веществами.

     Усилия  по охране природы должны быть направлены в конечном счете на то, чтобы  превратить ациклические (незамкнутые) процессы в циклические. Целью общества в этом направлении должно стать содействие «возвращению веществ в круговорот!» (Ю.Одум). 
 

Роль  организмов в круговороте  веществ. 

     В круговороте веществ участвуют  три группы организмов.

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

     Консументы (потребители) – гетеротрофные организмы, питающиеся за счет автотрофных и друг друга. Они подразделяются на: консументы 1-го порядка – животные, питающиеся растениями, потребляющие кислород и выделяющие углекислый газ; консументы 2-го порядка – хищники и паразиты растительных организмов; консументы 3-го и 4-го порядка – свехпаразиты. Всего в цепи питания существует не более 5 звеньев.

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

Круговорот  углерода в биосфере. 

     Самый интенсивный биогеохимический цикл – круговорот углерода. В природе  углерод существует в двух основных формах – в карбонатах (известняках) и углекислом газе.

     Основная  масса аккумулирована в карбонатах на дне океана (1016 т), в кристаллических породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016 т) и участвует в большом цикле круговорота. Основное звено большого круговорота углерода – взаимосвязь процессов фотосинтеза и аэробного дыхания.

     Другое  звено большого цикла круговорота  углерода представляет собой анаэробное дыхание (без доступа кислорода); различные виды анаэробных бактерий преобразуют органические соединения в метан и другие вещества (например, в болотных экосистемах, на свалках отходов).