С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты. Биосфера, как и любая экосистема, - единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в которой живые и неживые компоненты связаны между собой обменом веществ и энергии. В биосфере протекают процессы окисления органических веществ, а также процессы, направленные к достижению равновесия, которое никогда не достигается, так как новые порции активных соединений благодаря живым организмам все время поступают в систему. Солнечная энергия в виде энергии биохимических связей является энергией геохимиче­ских процессов, преобразующих косные компоненты биосферы.

Любой живой организм биосферы зависит от спектра приземного сол­нечного излучения, температуры, влажности окружающей среды, химического состава воздуха, пищи и других факторов. Жизнедеятельность всех живых организмов, включая челове­ка, представляет собой работу, для осуществления которой требу­ется энергия. Энергия солнечной радиации первична на Земле и имеет преимущественное значение для жизни.

Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь мо­лекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических свя­зей. Химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим, то есть происходит последовательный упо­рядоченный поток вещества и энергии.

На Земле существует два основных механизма удержания, перераспреде­ления и накопления энергии:

Механизм, характеризующий среду обитания: испарение, конденсация, градиенты плотности в атмосфере и в океане, геохи­мические реакции, эрозия и др. (геохимический круговорот ве­ществ);

Механизм, характеризующий жизнедеятельность биообъек­тов: фотосинтез, дыхание и т.п.

Все типы экосистем регулируются теми же основными закона­ми, которые управляют и неживыми системами, например техни­ческими установками, машинами. Различие заключается лишь в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них энер­гии, способны самовосстанавливаться, а машины приходится чи­нить, используя при этом внешнюю энергию.

Когда излучение поглощается каким-либо предметом, послед­ний нагревается, то есть энергия излучения переходит в энергию движения молекул, из которых состоит тело, причем, это касается любых физических полей и сред, взаимодействующих с ними. Таким образом, «потребленная» энер­гия на самом деле не расходуется, она только переводится из со­стояния, в котором ее легко превратить в работу, в состояние с ма­лой возможностью использования.

Если температура какого-либо тела выше температуры окру­жающего воздуха, то тело будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды, после чего наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшее рассеяние энергии в тепловой форме прекращается. Такая система находится в состоянии максимальной энтропии. Энтропия отражает возможности превращения энергии и рассмат­ривается как мера неупорядоченности системы. Энтропия показыва­ет, что тот или иной процесс может происходить в системе с опре­деленной вероятностью. При этом, если система стремится к рав­новесному состоянию, то энтропия увеличивается и стремится к максимуму.

Применяя положения термодинамики к процессу жизнедея­тельности, можно отметить, что живой организм извлекает энер­гию из пищи, и при этом использует упорядоченность ее химических связей. Часть энергии идет на поддержание жизненных процессов, а часть передается организмам последующих пищевых уровней. В начале этого процесса находится фотосинтез, при котором повышается упорядоченность деградировавших органических и минеральных веществ. При этом энтропия уменьшается за счет поступления энергии от Солнца.

Самоорганизация и эволюция биологических систем на всех уровнях, начиная с клетки и кончая биосферой в целом, происходят вследствие оттока энтропии в окружающую среду. Земля получает энергию от Солнца в виде излучения. Такое же количество энергии отдается вновь, но при более низкой температуре.

Согласно второму началу термодинамики, энергия любой сис­темы стремится к уменьшению, то есть к термодинамическому равновесию, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние живой организм перейдет, если лишить его возможно­сти извлекать упорядоченность (энергию) из окружающей среды. Закон энтропии универсален и безграничен и гласит, что утратив­шая чувство гармонии любая структура немедленно поглощается живой природой.

Методы термодинамики применимы только к макроскопиче­ским системам, состоящим из большого числа частиц. Система, которая не может обмениваться со средой ни энергией, ни вещест­вом, является изолированной, например камни, шлаки. Если происходит обмен только энергией, то система называется замкнутой (тепло­обменники), а если и энергией, и веществами - открытой (био­объекты). При применении термодинамики к биологическим системам необходимо учитывать особенности организации живых систем:

Биологические системы открыты для потоков вещества и энергии;

Процессы в живых системах в конечном счете имеют необра­тимый характер;

Живые системы далеки от равновесия;

Биологические системы гетерофазны и структурированы.

Рассматривая биосферу под потоком энергии понимают переход энергии по цепям питания от одного трофического уровня к другому, т.е. трофическая цепь – это энергетическая цепь. Все биосистемы открыты для обмена энергией. Все живые системы поддерживают свою жизнедеятельность благодаря:

1 -х, наличию даровой избыточной энергии (извне поступает даровая энергия солнца);

2 -х, благодаря способности эту энергию улавливать и концентрировать (только живые системы способны улавливать и концентрировать энергию);

3 - х, использовав, рассеивать ее в окружающей среде.

Рассмотрим путь поглощения солнечного света фотосинтезирующими организмами с продуцированием органического вещества.

Практически всё первичное органическое вещество на Земле образуется зёлёными растениями в процессе фотосинтеза. Этот процесс идёт с поглощением энергии, которая запасается в химических связях органического вещества. При этом солнечная кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию молекул глюкозы.

Любое количество органического вещества эквивалентно количеству энергии. Глюкоза (6CO 2 + 6H 2 0 + 2816 Дж, хлорофилл à C 6 H 12 O 6 + 6O 2 ) - это органическая молекула с высокой потенциальной энергией. Около 2 % солнечной энергии превращается в потенциальную энергию молекул глюкозы. Глюкоза в растениях выполняет 2 функции:

1) - служит строительным материалом тела, т.е. из глюкозы образуются сложные органические молекулы (крахмал, целлюлоза, липиды, белки, нуклеиновые кислоты).

2) - источник энергии для всех процессов жизнедеятельности растений, т.е. построение тканей, поглощение питательных элементов из почвы, дыхание.

Процесс расщепления органических молекул с выделением энергии называетсяклеточным дыханием .

На примере глюкозы процесс расщепления выглядит следующим образом: С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 Þ 6СО 2 + 6H 2 О + Q

Т.е. молекула глюкозы в присутствии кислорода разрушается до СО 2 , Н 2 О с выделением энергии. Данный процесс идёт в каждой клетке и в целом противоположен фотосинтезу (травы - тратится 40-50 % запасенной энергии; деревья – тратится 70-80 % энергии, в основном на дыхание). Только часть глюкозы используется растением для своего роста, а другая часть вновь разрушается с выделением энергии, необходимой для протекания физиологических процессов.

Животные получают энергию потребляя пищу, т.е. иточник энергии - потенциальная энергия органических молекул, потребляемых в составе пищи. Животным свойственна активная выработка кинетической энергии (движение, бег, поддержание постоянной температуры тела, дыхание и т.д.). Значительная часть пищи (90 - 99 %) разрушается с высвобождением энергии, которая обеспечивает все функции организма и теряюется, рассеивается, в конце концов, в виде выделяемого телом тепла. Итак, энергия в экосистемах тратится на:

1) метаболизм (большей частью на поддержание метаболических процессов, которые называют тратой на дыхание)

2) образование тканей и органов, запас питательного вещества (т.е. рост биомассы)

3) выделение не усваиваемых веществ (экскрементов)

4) рассеивание в виде тепла при химических реакциях и активной мышечной работе.

Как видим, биосфера, как и все типы экосистем, регулируются теми же основными законами, которые управляют и неживыми системами, а именно:

- законом сохранения энергии : энергия не может исчезать бесследно или возникать из ничего. Но энергия переходит из одной формы в другую;

- первым законом термодинамики : термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии;

Во всех экосистемах и биосфере в целом происходит превращение энергии из одной формы в другую, а именно солнечной энергии в потенциальную энергию, запасаемую растениями, а её - в другие виды по мере прохождения по пищевой цепи;

На каждом трофическом уровне часть потенциальной энергии пищи расходуется на жизненные функции, а часть теряется в виде тепла – рассеивается в окружающую среду. При переходе с одного трофического уровня на другой теряется большая часть энергии (около 90 %).

Поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии (например, света) в потенциальную (например, энергию химических соединений протоплазмы) всегда меньше 100 %.

Энергия может быть использована только один раз , а пищевая цепь - это основной канал переноса энергии в экосистемах. Однако между живыми и неживыми системами имеется существенное различие. Советский ученый Э.С.Бауэр в 1935 г. выделил 3 основные особенности живых систем:

1) способность к самопроизвольному, без воздействия окружающей среды, изменению состояния;

2) противодействие внешним силам, приводящее к изменению первоначального состояния окружающей среды;

3) постоянная работа против уравновешивания с окружающей средой.

Первые 2 особенности встречаются и у других систем, а вот третья является отличительным признаком живых. Поэтому Бауэр назвал ее "всеобщим законом биологии ", который имеет ясный термодинамический смысл: как в неживых системах устойчиво их равновесное состояние, так в живых системах устойчиво их неравновесное состояние.

Если неживую неуравновешенную с окружающей средой систему изолировать, то всякое движение в ней скоро прекратится. В результате трения, теплопроводности, химических реакций и других самопроизвольных процессов потенциалы выровняются, система в целом угаснет и превратится в инертную массу материи, находящуюся в состоянии термодинамического равновесия, то есть максимальной энтропии.

Все, что происходит в природе, ведет к увеличению энтропии в той части мира, где это происходит.

С точки зрения термодинамической статистики энтропия характеризует вероятность возникновения того или иного состояния: маловероятное состояние – это состояние с низкой энтропией, вероятное состояние – состояние с высокой энтропией.

С точки зрения упорядоченности, максимальная энтропия – это максимальный беспорядок, т.е. хаос, а низкая энтропия характеризует упорядоченные системы. Поэтому, с одной стороны, живые системы непрерывно увеличивают свою энтропию, то есть производят положительную энтропию, и приближаются к опасному состоянию максимальной энтропии – энтропии смерти (максимальному беспорядку).С другой стороны, неравновесное состояние живых систем представляет собой чрезвычайно маловероятную структуру ® обладающую очень низкой энтропией. Для того, чтобы поддерживалось неравновесное состояние, биосистемам необходимо освободиться от производимой положительной энтропии и извлечь отрицательную энтропию (негоэнтропию) из окружающей среды (т.е. извлекая из окружающей среды отрицательную энтропию, живые организмы находятся в неравновесном состоянии – состоянии с низкой S, состоянии жизни)

Поскольку чем меньше энтропия, тем больше порядок , тоизвлечение негоэнтропии есть "извлечение порядка", и таким образом повышение собственной упорядоченности системы.

Процесс образования порядка в системе из хаоса называется самоорганизацией . Он ведет к уменьшению энтропии. Для живых организмов способность к самоорганизации – характерная особенность.

Известно, что высшие животные питаются хорошо упорядоченными органическими соединениями. Использовав упорядоченность этих продуктов, животные возвращают в окружающую среду вещества в очень деградировавшей, неупорядоченной форме (т.е. отдают энтропию).

Эти вещества в неупорядоченной форме (с высокой энтропией) усваиваются растениями. Но для растений мощным средством выработки отрицательной энтропии является солнечный свет, с помощью которого в хлорофилле происходит повышение упорядоченности деградировавших веществ - фотосинтез, и цикл повторяется. Это единственный на Земле естественный, самопроизвольный процесс, в котором энтропия уменьшается - за счет затрат даровой солнечной энергии.

Коэффициент перехода кинетической энергии света в потенциальную энергию связи органических соединений много меньше 100 %. Но энергия света достается даром! Поэтому нам все равно, с каким КПД ее будут расходовать растения, пусть он будет даже очень мал. Главное, растения и все "живое" обладают тайнами механизмов концентрирования и диссипирования энергии.

Таким образом, важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом является:

Способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, то есть неуравновешенное состояние с низкой энтропией;

Для поддержания внутренней упорядоченности в системе, находящейся при температуре выше абсолютного нуля, когда существует тепловое движение атомов и молекул, необходима постоянная работа по откачиванию "неупорядоченности";

Эта работа предполагает постоянно действующий источник энергии и наличие хорошо развитых "диссипативных структур" у самой системы. Низкая энтропия достигается постоянным и эффективным рассеянием легко используемой концентрированной энергии (например, энергии света, горючего, пищи) и превращением ее в энергию, используемую с трудом (например, в тепловую).

Дыхание высокоупорядоченной биомассы можно рассматривать как диссипативную структуру экосистемы. Это затрата энергии на поддержание жизнедеятельности.

Итак, биосфера и любые экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне.

В силу второго закона термодинамики этот процесс связан с рассеиванием энергии, с ее потерями, которое все время компенсируется поступлением энергии от Солнца. Таким образом, наша цивилизация - лишь одно из замечательных явлений природы, зависящих от постоянного притока концентрированной энергии светового излучения.

Биосфера - целостная система, выполняющая определенную программу, стабилизирующая себя и окружающую сре­ду и гасящая внешние и внутренние искажающие воздействия. Такая система реагирует на воздействия, вызываемые человеком. До опреде­ленного порога она их гасит, а затем может потерять устойчивость и начать изменяться. Как только человечество на грани ХIХ и ХХ вв. стало использовать большее количество от общей энергетики биосферы - прекратилось действие компенсационного механизма: растительность прекратила давать прирост биомассы, пропорциональный увеличению концентрации СО 2 в атмосфере.

Момент выхода природных систем из стационарного состояния имеет особое значение. Считается, что для природных систем при внесении в них возмущения на уровне 1% (правило одного процента) от общего потока энергии, проходящего через систему, находится порог выхода системы из стационарного состояния. Однако, по мнению Н.Ф. Реймерса, для глобальной энергетической системы (биосферы) этот процесс начинается от привнесения возмущений на уровне 0,1 - 0,2 % от величины общепланетарных процессов. При этом происходят заметные природные аномалии. Так, существенный рост опустынивания отмечен еще в прошлом веке, а влияние деятельности человека на глобальные климатические процессы за последние двести лет окончательно доказано лишь к концу второго тысячелетия.

Человеку необходимо помнить, что при всей мощи научно-технического про­гресса он остается частью биосферы, что, разрушив совре­менную материально-энергетическую структуру биосферы, он разру­шит и самого себя.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение биосферы. Какова ее структура?

2. Кто впервые ввел в науку термин «биосфера»?

3. Чем отличается биосфера от других оболочек планеты?

4. В чем отличие живого от неживого?

5. Что такое живое вещество?

6. Назовите функции живого вещества.

7. Каковы важнейшие аспекты учения В. И. Вернадского о биосфере?

8. Что такое ноосфера и почему возникло это понятие?

9. Возможно ли возникновение ноосферы в результате коэволюции человеческого общества и природной среды?

10. Расскажите о гипотезе ноосферы В.И. Вернадского.

11. Что составляет основу биологического круговорота, обеспечивающего жизнь на Земле?

12. Где взаимодействуют большой и малые круговороты веществе?

13. Укажите, при каких процессах происходит поглощение кислорода из атмосферы.

14. За какое время происходит обновление запаса кислорода в атмосфере?

15. За какой период времени претерпевает круговорот весь активный неорганический фонд углерода?

16. Назовите основной источник пополнения запаса кислорода в атмосфере.

17. Перечислите основные этапы круговорота азота. Через какие каналы атмосферный азот попадает в экосистемы?

18. В какой форме могут усваивать азот растения?

19. Где сконцентрированы запасы фосфора?

20. Какие последствия для сельского хозяйства будет иметь исчерпание запасов фосфора?

1. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. - М.: Наука, 2001. 376 с. (Серия "Библиотека трудов академика В.И. Вернадского").

2. Стадницкий Г.В. Экология. Учебник для вузов. - СПб: Химиздат, 2007. – 288 с.: ил.

3. Еремченко О.З. Учение о биосфере. Учебное пособие для вузов - 2 изд. - М: Академия, 2006. – 240 с.

4. Еремченко, О.З. Учение о биосфере. Организованность биосферы и биогеохимические циклы. Учебное пособие - Пермь: Перм. гос. ун-т., - 2010. - 104 с.

5. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экология: Учеб. для вузов - 3-е изд. - М.: Дрофа, 2004. - 624 с: ил.

6. Павлов А.Н. Экология: рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие - М.: Высшая школа, 2005. - 343 с.: ил.

7. Миркин Б. М., Наумова Л. Г. Краткий курс общей экологии. Часть II: Экология экосистем и биосферы: Учебник.- Уфа: Изд-во БГПУ, 2011. - 180 с.

8. Электронный ресурс – URL: http://ru.wikipedia.org/wiki.

ГЛАВА 5. ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ БИОСФЕРЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

Энергетический баланс биосферы – соотношение между поглощаемой и излучаемой энергией. Определяется приходом энергии Солнца и космических лучей, которая усваивается растениями в ходе фотосинтеза, часть преобразуется в другие виды энергии и еще часть рассеивается в космическом пространстве.

Круговорот веществ в биосфере – повторяющиеся процессы превращений и пространственных перемещений веществ, имеющие определенное поступательное движение, выражающееся в качественных и количественных различиях отдельных циклов.

В современном понимании биосфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своим «входом» и «выходом». Ее вход это поток солнечной энергии, поступающей из космоса и химической энергии – из литосферы, вовлекаемое в биогенный круговорот вещество, наличная внутренняя информация и поток внешней информации. На выходе биосферы – рассеиваемая и излучаемая, преимущественно, тепловая энергия, уходящее из круговорота вещество, реорганизованная внутренняя информация и поток исходящей информации.

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот веществ в экосистемах возможны только за счет постоянного притока солнечной энергии. Эта энергия в огромном количестве растрачивается на физические и химические процессы в атмосфере, гидросфере и литосфере: перемешивание воздушных потоков и водных масс, испарение, перераспределение веществ, растворение минералов, поглощение и выделение газов.

Только 1/2000000 часть солнечной энергии достигает поверхности Земли, при этом 1–2 % ее ассимилируется растениями.

На Земле существует единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается на очень длительное время.

Этот процесс – создание органического вещества в ходе фотосинтеза. Сжигая в топках каменный уголь, мы освобождаем и используем солнечную энергию, запасенную растениями сотни миллионов лет назад.

Основная планетарная функция растений (аутотрофов) заключается в связывании и запасании солнечной энергии, которая затем расходуется на поддержание биохимических процессов в биосфере. Гетеротрофы получают энергию с пищей. Все живые существа являются объектами питания других, т.е. связаны между собой энергетическими отношениями. Пищевые связи в биоценозах являются механизмом передачи энергии от одного организма к другому. Организмы любого вида являются потенциальным источником энергии для другого вида. В каждом сообществе трофические связи образуют сложную сеть.

Энергетический баланс консументов складывается следующим образом. Поглощенная пища обычно усваивается не полностью. Процент усвояемости зависит от состава пищи и наличия пищеварительных ферментов организма. У животных ассимилируется в процессе обмена веществ от 12 до 75 % пищи. Неусвоенная часть пищи вновь возвращается во внешнюю среду (в виде экскрементов) и может быть вовлечена в другие цепи питания.

Большая часть энергии, полученной в результате расщепления пищевых веществ, расходуется на физиологические процессы в организме, меньшая часть – трансформируется в ткани самого организма, т.е. расходуется на рост, увеличение массы тела, откладывание запасных питательных веществ.

Передача энергии в химических реакциях в организме происходит, согласно второму закону термодинамики, с потерей части ее в виде тепла. Особенно велики эти потери при работе мышечных клеток животных, коэффициент полезного действия которых очень низок.

Траты на дыхание также во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы организма. Конкретные соотношения зависят от стадии развития и физиологического состояния особей. У молодых особей траты на рост больше, тогда как зрелые особи используют энергию практически исключительно на поддержание обмена веществ и физиологических процессов.

Таким образом, большая часть энергии при переходе от одного звена пищевой цепи к другому теряется, т.к. другим, следующим, звеном может быть использована только энергия, заключенная в биомассе предыдущего звена. Подсчитано, что эти потери составляют около 90 %, т.е. только 10 % потребленной энергии аккумулируется в биомассе.

В соответствии с этим, запас энергии, накопленный в растительной биомассе, в цепях питания стремительно иссякает. Потерянная энергия может быть восполнена только за счет энергии Солнца. В связи с этим, в биосфере не может быть круговорота энергии, подобного круговороту веществ. Биосфера функционирует только за счет однонаправленного потока энергии, постоянного поступления ее извне в виде солнечного излучения.

Таким образом, поток энергии в биосфере разбивается на два основных русла, поступая к консументам через живые ткани растений или запасы мертвого органического вещества, источником которого также является фотосинтез.

Свет как экологический факторЭкологический фактор
– это условие среды обитания, оказывающее
воздействие на организм.
С точки зрения экологии важны:
Качество света – длина волны или цвет
единицы измерения – нм или мкм;
Интенсивность – действующая энергия
единицы измерения – ккал или Дж;
Продолжительность воздействия
единицы измерения – часы, дни … .

Качество света

Спектр электромагнитных излучений и спектр видимого света

ФАР (фотосинтетическая активная радиация)

Интенсивность или сила света

Буготакские сопки – характеризуются резким отличием растительности их северных и южных склонов

Законы термодинамики экосистем

1 закон термодинамики Закон сохранения энергии

Второй закон термодинамики

Фотосинтез

Фотосинтез

КПД фотосинтеза

ЗАКОН ПИРАМИДЫ ЭНЕРГИИ (Р. Линдемана) или правило 10 %

ЗАКОН ОДНОНАПРАВЛЕННОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ

Второй закон термодинамики в применении к экосистемам

Экологические пирамиды

Пирамида энергии

Пирамида биомасс

Пирамида чисел

Пирамида чисел

ПИЩЕВАЯ ЦЕПЬ

ТРОФИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ

Плотность сетей определяет устойчивость экосистемы

Продуктивность экосистем

Чистая первичная продуктивность

Вторичная продуктивность

Турбинная модель продуктивности биосферы

Первичная биологическая продуктивность различных типов экосистем (Реймерс, 1990)

Эстуарий

Продуктивность океана

Рассмотрите рисунки 230-234. Какие химические соединения используют организмы в круговоротах веществ? Какое значение имеют процессы фотосинтеза, испарения воды, дыхания, азотофиксации для обеспечения круговоротов веществ и потока энергии в биосфере?

Все составляющие биосферу компоненты и происходящие в ней процессы тесно взаимосвязаны. Стабильность биосферы поддерживается постоянно происходящими в ней круговоротами веществ и превращением энергии. Круговороты разнообразны по масштабам и качеству явлений, например, круговорот воды, круговорот углерода, круговорот азота. Они осуществляются с участием всех компонентов биосферы и входят в состав единого биогеохимического круговорота.

Биогеохимический круговорот - обмен веществ и превращение энергии между различными компонентами биосферы, связанные с деятельностью ее организмов.

Основной движущей силой биогеохимического круговорота является непрерывно происходящий в биосфере поток энергии, связанный с деятельностью живого вещества.

Организмы нуждаются в энергии для поддержания своей жизнедеятельности. Энергия в биосфере существует в нескольких формах. Известны механическая, химическая, тепловая, электрическая и другие формы энергии. Переход одной формы энергии в другую, называемый преобразованием энергии, подчиняется закону сохранения энергии, который гласит, что энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена.

Основной источник энергии в биосфере - это энергия Солнца (рис. 228). Она нагревает атмосферу и гидросферу, вызывает передвижение воздушных масс, океанических течений, испарение воды, таяние снега. Автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, в результате реакций фотосинтеза преобразуют солнечную энергию в энергию химических связей созданных органических веществ. Значительная часть ее расходуется самими растениями на процессы жизнедеятельности. Меньшая часть химической энергии растений передается дальше по пищевым цепям гетеротрофным организмам. Гетеротрофные организмы, главным образом животные, преобразуют химическую энергию в другие ее формы, например механическую, электрическую, тепловую, световую. Некоторая часть аккумулированной зелеными растениями солнечной энергии может накапливаться в биосфере в виде запасов древесины, торфа, угля и горючих сланцев.

Рис. 228. Поток энергии в биосфере

Следовательно, круговорота энергии в биосфере не происходит. Этот процесс не является замкнутым. В биосфере наблюдается лишь поток энергии, связанный с превращением одной ее формы в другую.

Круговорот воды. Вода играет важнейшую роль в биогеохимическом круговороте, так как живые тела в среднем на 80% состоят из нее, а Мировой океан занимает более 2/3 поверхности земного шара (рис. 229).

Рис. 229. Распределение воды на Земле

В пределах всей планеты круговорот воды осуществляется между морями, океанами и материками (рис. 230). Вода, испаряемая Солнцем с поверхности морей и океанов, переносится ветрами на материки, где выпадает в виде атмосферных осадков. Значительная часть воды при этом оказывается связанной, например в виде снега и льда, т. е. является временно недоступной для организмов. С речными и грунтовыми стоками вода затем постепенно возвращается в океаны.

Рис. 230. Круговорот воды в биосфере

Значительная часть воды, имеющейся на суше, поглощается из почвы растениями и затем в виде водяного пара испаряется листьями для предотвращения перегревания. Часть воды растения расходуют на процесс фотосинтеза. Животные воду получают с питьем и с пищей. Удаляется из животных организмов вода в составе выдыхаемого воздуха, пота и других выделений.

Наземные растения, главным образом из влажных экваториальных лесов, испаряя воду, уменьшают ее поверхностный сток и удерживают влагу в атмосфере. Это препятствует размыванию почвы осадками и разрушению ее верхнего плодородного слоя. Сокращение площади экваториальных лесов в результате их интенсивной вырубки человеком приводит к засухам в прилегающих районах земного шара.

Рис. 231. Круговорот углерода в биосфере

Круговорот углерода. Углерод в биосфере в основном представлен двуокисью углерода (углекислым газом). Основной ее первичный источник - это вулканическая деятельность. Связывание углекислого газа происходит двумя путями (рис. 231). Первый состоит в его поглощении растениями в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующим отложением их в виде торфа, угля, горючих сланцев (рис. 232). Второй путь состоит в том, что углекислый газ растворяется в водоемах, переходя в карбонат-ионы и гидрокарбонат-ионы. Затем с помощью кальция или магния происходит осаждение карбонатов на дно водоемов в виде известняков. Запасы углекислого газа в атмосфере постоянно пополняются благодаря дыханию организмов, процессам разложения органических остатков, а также от сжигания топлива и выбросов промышленности.

Рис. 232. Торфяные отложения - один из вторичных источников углерода в биосфере

Круговорот азота. Основным источником азота в биосфере служит газообразный атмосферный азот. В небольших количествах атмосферный азот связывается с кислородом воздуха в нитраты при грозовых разрядах (рис. 233).

Рис. 233. Газообразный азот в атмосфере при грозе связывается с кислородом воздуха в нитраты

Основное связывание атмосферного азота осуществляется азотфиксирующими бактериями, обитающими в почве (рис. 234). Они синтезируют нитриты и нитраты, которые становятся доступными для использования растениями. В растениях азот переходит в состав органических соединений, например белков, нуклеиновых кислот и АТФ. При разложении трупов погибших организмов или при выделении мочи у животных, азот поступает в почву в виде соединений аммиака. Они затем окисляются до нитритов и нитратов и снова используются растениями. Частично нитраты почвы восстанавливаются денитрифицирующими бактериями до газообразного азота. Так осуществляется восполнение запасов газообразного азота в атмосфере. Запас нитратов в почве пополняется также благодаря внесению в нее человеком неорганических азотных и органических удобрений.

Рис. 234. Круговорот азота в биосфере

Итак, непрерывно происходящие в биосфере круговороты воды, углерода, азота и превращение энергии образуют единый биогеохимический круговорот. Вещества и элементы в нем используются организмами многократно. Энергия, в отличии от них, используется организмами только один раз. Биогеохимический круговорот не имеет полной цикличности. Часть веществ из него исключается и может накапливаться в природе.

Упражнения по пройденному материалу

1. Что такое биогеохимический круговорот? Какими процессами он обеспечивается?
2. Опишите, как происходит круговорот воды в биосфере. Какова роль в нем растений и животных?
3. Как осуществляется круговорот углерода в биосфере? В каком виде углерод может накапливаться в природе?
4. Опишите, как происходит круговорот азота в биосфере. Какова роль в нем азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий?
5. Объясните, почему правильно говорить о происходящем в биосфере круговороте веществ и элементов, но неправильно говорить о круговороте энергии в биосфере?

Биосфера как среда жизни. Учение В.И. Вернадского о биосфере. Фотобиос и хемобиос. Круговорот вещества, потоки энергии и информации как механизмы интеграции и гомеостаза биосферы. Ноосфера и техносфера, их коадаптивное развитие

Биосфера как среда жизни. Соврем. понятие о биосфере как особой оболочке З. разработано В.И.Вернадским.

Под биосферой понимается совокупность земных сфер, населенных жизнью, представляющая особую глоб. сферу, е к/й ведущую роль играют живые системы. Биосфера - крупнейшая экосистема З. Включает приземную часть атмосферы, всю гидросферу, почвы и верхние горизонты литосферы, которые объединяются в целостную систему круговоротом вещества, потоками энергии и информации.

Наиболее широко в биосфере распространены бактерии, споры которых найдены в атмосфере до высоты 80 км, в толще льда Антарктиды на всех исследованных глубинах. В литосфере они обнаруживаются, по разным данным, на глубинах 4,5 км, 6,82 и даже 10 км. В океане живые организмы обитают на любых глубинах, включая дно глубоководных впадин до 11,5 км. Однако большинство организмов живет в приземном слое атмосферы, на небольших глубинах океана (куда проникает солнечный свет), в почве и на ее поверхности.

В биосфере, подобно экосистемам, функционируют потоки энергии и информации, действует круговорот вещества, к/е и объединяют все подсистемы биосферы в сложнейшую целостную, способную к саморегуляции систему.

Фотобиос и хемобиос. Вся совокупность организмов, живущих за счет энергиии Солнца, называется фотобиосом. Организмы, использующие хим. энергию, составляют хемобиос. На долю хемобиоса приходится около 1% энергии биосферы, остальная принадлежит фотобиосу.

Круговорот веществ и потоки энергии в биосфере. Главная функция биосферы заключается в осуществлении круговорота хим. элементов. Глоб. биот. круговорот совершается при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биот.круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных хим. элементов.

В круговороте веществ различают малый круг биотического обмена (биогеоценотический) и большой (биосферный).

Большой круг биотического обмена -- это безостановочный планетарный процесс циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения в-ва, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся эколог. системы биосферы. Большой круг биотического обмена наиболее ярко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы.

Малый биотический круговорот происходит на основе большого и заключается в циркуляции в-в м/ду почвой, растениями, живот. и микроорганизмами.

Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой как бы единый процесс. Втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, биотический круговорот веществ обеспечивает воспроизводство живого в-ва и оказывает активное влияние на облик биосферы. В основе круговорота веществ лежит наличие в биосфере двух основных типов питания: автотрофного и гетеротрофного.

Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферной двуокиси углерода в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся в процессе фотосинтеза углеводов используется самими растениями для получения энергии, другая часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане.

Круговорот азота также охватывает все области биосферы. Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после соединения его с водородом или кислородом. Важнейшую роль при этом играют азотфиксирующие бактерии.

Гомеостатическая функция биосферы осуществляется на глоб. уровне. В биосфере поддерживается отн. постоянство физ.-хим. условий (климат., радиационных, геохим., гидрохимических и тд.), пригодных для существования в ней живых систем. Предполагается, что свыше 3,8 млрд. лет жизнь на нашей планете не прерывается. Уже примерно 3 млрд. лет на большей части поверхности Земли поддерживается температура в пределах 0-60°С.

Гомеостат. функция биосферы осущ-ся всеми ее сферами и их взаимодействием, в к/м особое значение принадлежит живым системам. Озон. экран ограничивает проникновение на поверхность планеты губительного УФ излучения; значительная теплоемкость воды придает гидросфере свойство термостабилизатора, вода обеспечивает распределение хим. веществ и перенос тепла; из глубин литосферы поступают свежие порции вещества, вовлекаемого в круговорот. Населенные живыми системами сферы Земли являются средой их обитания и предоставляют разнообразные условия для жизнедеятельности. Живые системы преобразуют среду обитания, делая ее пригодной для других живых форм.

В соответствии с термодинамическим принципом АЛе-Шателье -К.Брауна биосфера способна восстанавливать равновесие, нарушенное воздействием внешних причин. В геолог. истории биосферы были разномасштабные катастрофы, погубивших значительную часть биосферы. Один из них - мел-палеогеновый, широко известный в связи с вымиранием динозавров, аммонитов и ряда др. групп организмов. Однако со временем биосфера восстанавливала свою целостность, частично обновлялась. Катастрофы и последующее восстановление биосферы представляли часть процесса эволюции живой природы и биосферы.

Энергетич. функция биосферы - утилизация и накопление энергии Солнца, формирование потоков энергии. Из 100% энергии Солнца, поступающей на поверхность Земли, отражается 30%, рассеивается в качестве тепловой ~ 46%; на испарение и осадки тратится 23%, на ветер, волны и течения - 0,2%, на фотосинтез тратится 0,8%.

Закон эколог. пирамид, согласно которому при переходе с одного троф. уровня на следующий большая часть энергии теряется. В таком же соответствии находятся биомассы: биомасса потребителя в десятки раз меньше, чем биомасса потребляемого уровня.

Ноосфера и техносфера, коадаптивное развитие.

Ноосфера (сфера разума), по мысли В. И. Вернадского, должна неизбежно возникнуть из биосферы в результате ее эволюции. В ноосфере человек становится крупнейшей геологической силой, он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни. Хаотичное саморазвитие, базирующееся на ест. саморегуляции, в ноосфере должно смениться разумной стратегией, на основе прогнозов и планов регулирующей ест. процессы развития.

Техносфера - техн. оболочка, исскуст. преобразованное пространство, планеты, под воздействием производительной деятельности чел. и её продуктов.

Учение о ноосфере, в разработке которого наряду с В. И. Вернадским участвовали известные философы Э. Леруа, П. А. Флоренский, с позиций сегодняшнего дня воспринимается как соц. утопия. Человек, опираясь на научно-технический прогресс, действительно стал геолог. по масштабам воздействия силой, но, силой разрушительной. Идеи переустройства мира на основе технического прогресса и социальной инженерии, весьма популярные во второй половине XIX и первой половине XX вв., при их практическом воплощении вылились в чудовищные эксперименты тоталитаризма и полностью дискредитировали себя. Идея ноосферы, возвышенная, но далекая от практической реализации, избежала этой судьбы и продолжает развиваться. По современному представлению в ноосфере люди научатся управлять не природой, а, прежде всего, сами собой. Такое новое прочтение идеи ноосферы содержит в себе концепция коэволюции (совместной эволюции) человека и биосферы Н. Н. Моисеева. Согласно этой концепции, для своего бескризисного состояния человечество должно потреблять не от 10 до 40% (по разным оценкам) первичной биологической продукции, а не более 1%. Это позволит человеку как биолог. виду вписаться в свою эколог. нишу и в ест. биогеохимические циклы. Для достижения этого человек должен перейти от изменения мира к совершенствованию себя, подобно тому, как при переходе от палеолита к неолиту на смену развитию физического типа человека пришло покорение им природы. Коэволюция рассматривается как согласование «стратегии разума» и «стратегии природы».