Рассмотрим два основных круговорота веществ в природе: большой (геологический) и малый (биогеохимический).
Геологический круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли. Он осуществляет перераспределение вещества между поверхностным слоем и более глубокими горизонтами Земли. К большому кругообороту можно отнести круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу.
Биогеохимический круговорот совершается лишь в пределах биосферы. Сущность этого круговорота в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.
Движущей силой этих круговоротов служит энергия Солнца: фотосинтезирующие организмы непосредственно используют энергию солнечного света и затем передают ее другим представителям биотического компонента. В итоге создается поток энергии и питательных веществ через экосистему.
Энергия может существовать в виде различных взаимопре-вращаемых форм, таких как механическая, химическая, тепловая или электрическая энергия. Переход одной формы в другую, называемый преобразованием энергии, подчиняется законам термодинамики.
Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) гласит, что энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена.
Второй закон утверждает, что при совершении работы энергия не может быть использована на все 100 % и часть ее неизбежно превращается в тепло. Тепло есть результат случайного движения молекул, тогда как работа всегда означает неслучайное, упорядоченное использование энергии. Понятие работы применимо к любому процессу, протекающему в живой системе с потреблением энергии, начиная от процессов на клеточном уровне и кончая процессами на уровне целого организма (рост, развитие, размножение и др. ).
Таким образом, живые организмы — это преобразователи энергии, и каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла.
В итоге вся энергия, поступающая в биотический компонент экосистемы, рассеивается в виде тепла. Однако процесс, производящий тепло, требует больше энергии, чем может быть возвращено путем вторичного использования этого тепла. Поэтому в целом происходит потеря энергии в системе.
Фактически живые организмы не используют тепло как источник энергии. Для совершения работы им необходимы свет и химическая энергия.
Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце. Солнце — звезда, излучающая в космос огромное количество энергии. Энергия распространяется в космическом пространстве в виде электромагнитных волн, и небольшая часть ее, составляющая примерно 10, 5 • 106 кДж/м2 в год, захватывается Землей. Около 40 % этого количества сразу отражается от облаков, атмосферной пыли и поверхности Земли без какого бы то ни было теплового эффекта. Еще 15 % поглощается атмосферой (в частности, озоновым слоем в ее верхних частях) и превращается в тепловую энергию или расходуется на испарение воды. Лишь оставшиеся 45 % поглощаются растениями или земной поверхностью. Большая часть энергии повторно излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу. Приблизительно две трети энергии поступает в атмосферу этим путем. И только небольшая часть пришедшей от Солнца энергии усваивается биотическим компонентом экосистемы в процессе фотосинтеза.
Фотосинтез — единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению свободной энергии биосферы за счет внешнего источника (Солнца) и обеспечивающий существование как растений, так и всех гетеротрофных организмов, в том числе и человека.
Процесс фотосинтеза заключается в том, что солнечные лучи поглощаются пигментом растений — хлорофиллом (он и придает листьям зеленый цвет), а затем растения, используя воду из почвы и углекислый газ из атмосферы, образуют углеводороды — сахар (глюкозу), крахмал и целлюлозу, выделяя при этом кислород:
6СО2 + 6Н2О + Энергия света → С6Н12О6 + 6О2
(Углекислый газ + Вода + Солнечная энергия → Глюкоза + Кислород)
Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд т органического вещества и выделяется около 200 млрд т свободного кислорода.
Химическая энергия, накопленная в глюкозе и других углеводах, используется продуцентами, консументами и редуцентами для поддержания жизнедеятельности, что является частью одностороннего движения энергии через организм в экосистеме. Аэробные (кислородопотребляющие) организмы преобразуют часть глюкозы и другие сложные органические соединения, которые они синтезируют (продуценты), используют в качестве пищи (консументы) и разлагают (редуценты) на углекислый газ и воду с выделением энергии. Эти процессы происходят с потреблением кислорода и называются клеточным дыханием:
С6Н, 2О6 + 6О2→6СО2 + 6Н2О + Энергия
(Глюкоза + Кислород → Углекислый газ + Вода)
Наиболее совершенны биогеохимические циклы углерода, азота, кислорода. Кругооборот кислорода, углерода и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез, создал и поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Фотосинтез препятствует увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере, предотвращая перегрев Земли (вследствие так называемого парникового эффекта). Кислород фотосинтеза необходим не только для жизнедеятельности организмов, но и для защиты живого от губительного коротковолнового ультрафиолетового излучения (кислородно-озоновый экран атмосферы).
Круговорот азота представлен на рис. 1. Поглощение азота растениями ограниченно, хотя содержание его в атмосфере велико (около 78 %). Редуценты разлагают органическое вещество умерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Азот возвращается в атмосферу вместе с выделяющимися при гниении органических остатков газами. Биогеохимический круговорот в биосфере помимо кислорода, азота, углерода совершают и другие элементы, входящие в состав органических веществ, — сера, фосфор, железо и др.
Запасенная в продуктах фотосинтеза энергия (в виде различных видов топлива) является основным источником энергии для человечества. Предполагается, что в энергетике будущего фотосинтез может занять одно из первых мест в качестве неиссякаемого и не загрязняющего среду источника энергии (создание «энергетических плантаций» быстрорастущих растений с последующим использованием растительной массы для получения тепловой энергии или переработки в высококачественное топливо — спирт).
Рис. 1. Схема круговорота азота
Не менее важна роль фотосинтеза как основы получения продовольствия, кормов, технического сырья. Несмотря на высокую эффективность начальных фотофизических и фотохимических стадий (около 95 %), в урожай переходит лишь менее 1—2 % солнечной энергии. Потери обусловлены неполным поглощением света.
Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы, составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии однонаправлен и необратим. Каждая порция энергии используется только однократно. В соответствии со вторым законом термодинамики на каждом этапе трансформации энергии значительная ее часть неизбежно теряется, рассеивается в виде теплоты.
Используемая литература: Графкина М. В., Михайлов В. Л., Иванов К. С.
Экология и экологическая безопасность автомобиля : учебник / М. В. Графкина, В. А. Михайлов, К. С. Иванов. — М. :
ФОРУМ, 2009. — 320 с. — (Высшее образование).
Скачать реферат: