6 Вопрос: Какова роль атмосферы в круговороте веществ и перераспределении энергии.

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. Выделяются 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 растворяются в воде или потребляются биоценозом. Крупные медленнее 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 большего, 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 растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реакций называется биохимическим циклом.

Масса атмосферы нашей планеты ничтожна – всего лишь одна миллионная массы Земли. Однако роль её в природных процессах биосферы огромна: она определяет общий тепловой режим поверхности нашей планеты, защищает её от вредных воздействий космического и ультрафиолетового излучений. Циркуляция атмосферы оказывает влияние на местные климатические условия, а через них – на режим рек, почвенно-растительный покров, процессы рельефообразования.

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; к 3-го и 4-го порядка – сверхпаразиты. Всего в цепи питания существуют 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.

В результате фотосинтеза на суше ежегодно создаётся растительной биомассы, в которой заключено околоКдж энергии. Весь прирост живого вещества составляет. Общая масса живого вещества на Земле включает около 500 тыс. видов растений и около 2 млн. видов животных.

Скорость образования биологического вещества (биомассы) т.е. образование массы вещества в единицу времени, называют продуктивностью экосистемы.

Круговорот энергии связан с круговоротом веществ. Наиболее характерен для процессов, происходящих в биосфере, круговорот углерода. Соединения углерода образуются, изменяются и разрушаются. Основной путь углерода – от углекислого газа в живое существо и обратно. Часть углерода выходит из круговорота, отлагаясь в осадочных породах океана или в ископаемых горючих веществах органического происхождения (торф, каменный уголь, нефть, горючие газы), где уже аккумулирована его основная масса. Этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте.

Обмен углекислым газом происходит также между атмосферой и океаном.

Всего в гидросфере содержится около т. растворенного углекислого газа, а в атмосфере – в 60 раз меньше.

Важную роль в биосферных процессах играет круговорот азота. В них участвует только азот, входящий в определенные химические соединения (нитраты, нитриты).

Одним из важнейших элементов биосферы является фосфор, входящий в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, костной ткани. Фосфор также участвует в малом и большом круговоротах, усваивается растениями ( рис 3).

Средняя продолжительность общего цикла обмена углерода, азота и воды, вовлеченных в биологический круговорот – 300-400 лет.

Таким образом, экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы – древнейшее свойство жизни.

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. В конечном итоге вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которое переводится фотосинтезирующими организмами в химические связи органических соединений. Все живые существа являются объектами питания других, т.е. связаны между собой энергетическими отношениями. Пищевые связи в сообществах – это механизмы передачи энергии от одного организма к другому. В каждом сообществе трофические связи переплетены в сложную сеть. Трофические сети в биоценозах очень сложные, и создается впечатление, что энергия, поступающая в них, может долго мигрировать от одного организма к другому. На самом деле путь каждой конкретной порции энергии, накопленной зелеными растениями, короток; она может передаваться не более, чем через 4-6 звеньев ряда, состоящего из последовательно питающихся друг другом организмов. Такие ряды, в которых можно проследить пути расходования изначальной дозы энергии, называют цепями питания. Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем.

Передача энергии в химических реакциях в организме происходит согласно второму закону термодинамики, с потерей части её в виде тепла. Особенно велики эти потери при работе клеток животных, КПД которых очень низок. В конечном итоге вся энергия, используемая на метаболизм, переходит в тепловую и рассеивается в окружающем пространстве.

Таким образом, запас энергии, накопленный зелеными растениями, в в цепях питания стремительно иссякает. Поэтому пищевая цепь включает обычно всего 4-5 звеньев. Потерянная в цепях питания энергия может быть восполнена только поступлением новых её порций. Поэтому в экосистемах не может быть круговорота энергии, аналогичного круговороту вещества. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии, постоянного поступления её извне в виде солнечного излучения или готовых запасов органического вещества. Поток энергии, входящий в экосистему, разбивается далее как бы на два основных русла, поступая к консументам через живые ткани растений или запасы мертвого органического вещества, источником которого также фотосинтез. В разных типах экосистем мощность потоков энергии через цепи выедания и разложения различна: в водных сообществах большая часть энергии, фиксированной одноклеточными водорослями, поступает к питающимся фитопланктонам животным и далее – к хищникам, и значительно меньшая включается в цепи разложения.