Рис. 14.5 . Сулммарный поток энергии (темные стрелки) и круговорот веществ (светлые стрелки) в экосистеме.
Таким образом, основу экосистемы составляют автотрофные организмы -продуценты (производители, созидатели), которые в процессе фотосинтеза создают богатую энергией пищу - первичное органическое вещество. В наземных экосистемах наиболее важная роль принадлежит высшим растениям, которые, образуя органические вещества, дают начало всем трофическим связям в экосистеме, служат субстратом для многих животных, грибов и микроорганизмов , активно влияют на микроклимат биотопа. В водных экосистемах главными производителями первичного органического вещества являются водоросли .
Готовые органические вещества используют для получения и накопление энергии гетеротрофы , или консументы (потребители). К гетеротрофам относятся растительноядные животные (консументы I Порядка), плотоядные, живущие за счет растительноядных форм (консументы II порядка), потребляющие других плотоядных (консументы Ш порядка) и т. д.
Особую группу консументов составляют редуценты (разрушители, или] деструкторы), разлагающие органические остатки продуцентов и консументов до простых неорганических соединений, которые зат-ем используются продуцентами. К редуцентам относятся главным образом микрорганизмы - бактерии и грибы . В наземных экосистемах особенно важное значение имеют почвенные редуценты, вовлекающие в общий круговорот органические вещества отмерших растений (они потребляют до 90% первичной продукции леса). Таким образом, каждый живой организм в составе экосистемы занимает определенную экологическую нишу (место) в сложной системе экологических взаимоотношений с другими организмами и абиотическими условиями среды.
Пищевые цепи (сети) и трофические уровни. Основой любой экосистемы, ее фундаментом являются пищевые (трофические) и сопутствующие им энергетические связи. В них постоянно происходит перенос Вещества и энергии, которые заключены в пище, созданной преимущественно растениями.
Перенос потенциальной энергии пищи, созданной растениями, через ряд организмов путем поедания одних видов другими называется цепью питания или пищевой цепью, а каждое ее звено -трофическим уровнем (рис. 14.6).
Рис. 14.6 . Цепи питания африканской саванне.
Рис. 14.7. Сети питания в экологической системе.
Существуют два основных типа пищевых цепей - пастбищные (цепи выедания, или цепи потребления) и детритные (цепи разложения). Пастбищные цепи начинаются с продуцентов: клевер ->кролик -> волк ; фитопланктон (водоросли) -> зоопланктон (простейшие) ->плотва -> щука -> скопа .
Детритные цепи начинаются от растительных и животных остатков, экскрементов животных - детрита; идут к микроорганизмам, которые ими питаются, а затем к мелким животным (детритофагам) и к их потребителям - хищникам. Детритные цепи наиболее распространены в лесах, где большая часть (более 90%) ежегодного прироста биомассы растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь разложению (сапротрофными организмами) и минерализации. Типичным примером детритной пищевой связи наших лесов является следующий: листовая подстилка -> дождевой червь -> черный дрозд-> ястреб-перепелятник. Кроме дождевых червей, детритофагами являются мокрицы , клеши, ногохвостки, нематоды и др.
Экологические пирамиды. Пищевые сети внутри каждого биогеоценоза имеют хорошо выраженную структуру. Она характеризуется количеством, размером и общей массой организмов - биомассой - на каждом уровне цепи питания. Для пастбищных пищевых цепей характерно увеличение плотности популяций, скорости размножения и продуктивности их биомасс. Снижение биомассы при переходе с одного пищевого уровня на другой обусловлено тем, что далеко не вся пища ассимилируется консументами. Так, например, у гусеницы, питающейся листьями, в кишечнике всасывается только половина растительного материала, остальное выделяется в виде экскрементов. Кроме того, большая часть питательных веществ, всасываемых кишечником, расходуется на дыхание и лишь 10-15% в конечном счете используется на построение новых клеток и тканей гусеницы. По этой причине продукция организмов каждого последующего трофического уровня всегда меньше (в среднем в 10 раз) продукции предыдущего, т. е. масса каждого последующего звена в цепи питания прогрессивно уменьшается. Эта закономерность получила название правило экологической пирамиды (рис. 14.8).
Рис, 14.8. Упрощенная экологическая пирамида.
Различают три способа составления экологических пирамид:
1. Пирамида численностей отражает численное соотношение особей разных трофических уровней экосистемы. Если организмы в пределах одного или разных трофических уровней сильно различаются между собой по размерам, то пирамида численностей дает искаженные представления об истинныхсоотношениях трофических уровней. Например, в сообществе планктона численность продуцентов в десятки и сотни раз больше численности консументов, а в лесу сотни тысяч консумен-тов могут питаться органами одного дерева - продуцента.
2. Пирамида биомасс показывает количество живого вещества, или биомассы, на каждом трофическом уровне. В большинстве наземных экосистем биомасса продуцентов, т. е. суммарная масса растений наибольшая, а биомасса организмов каждого последующего трофического уровня меньше предыдущего. Однако в некоторых сообществах биомасса консументов I порядка бывает больше биомассы продуцентов. Например, в океанах, где основными продуцентами являются одноклеточные водоросли с высокой скоростью размножения, их годовая продукция в десятки и даже сотни раз может превышать запас биомассы. Вместе с тем, вся образованная водорослями продукция так быстро вовлекается в цепи питания, что накопление биомассы водорослей мало, но вследствие высоких темпов размножения небольшой их запас оказывается достаточным для поддержания скорости воссоздания органического вещества. В связи с этим в океане пирамида биомасс имеет обратное соотношение, т. е. «перевернута». На высших трофических уровнях преобладает тенденция к накоплению биомассы, так как длительность жизни хищников велика, скорость оборота их генераций, наоборот, мала, и в их теле задерживается значительная часть вещества, поступающего по цепям питания.
3. Пирамида энергии отражает величину потока энергии в цепи питания. На форму этой пирамиды не влияют размеры особей, и она всегда будет иметь треугольную форму с широким основанием внизу, как это диктуется вторым законом термодинамики. Поэтому пирамида энергии дает наиболее полное и точное представление о функциональной организации сообщества, о всех обменных процессах в экосистеме. Если пирамиды чисел и биомасс отражают статику экосистемы (количество и биомассу организмов в данный момент), то пирамида энергии -динамику прохождения массы пищи через цепи питания. Таким образом, основание в пирамидах чисел и биомасс может быть больше или меньше, чем последующие трофические уровни (в зависимости от соотношения продуцентов и консументов в различных экосистемах). Пирамида энергии всегда суживается кверху. Это обусловлено тем, что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы. Поэтому каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего. В наземных экосистемах уменьшение количества доступной энергии обычно сопровождается снижением численности и биомассы особей на каждом трофическом уровне. Вследствие таких больших потерь энергии на построение новых тканей и дыхание организмов цепи питания не могут быть длинными; обычно они состоят из 3-5 звеньев (трофических уровней).
Знание законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии имеют важное практическое значение, поскольку продукция природных и искусственных сообществ (агроиенозов) является основным источником запасов пищи для человечества. Точные расчеты потока энергии и масштабов продуктивности экосистем позволяют регулировать в них круговорот веществ таким образом, чтобы добиваться наибольшего выхода необходимой для человека продукции.
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Круговорот веществ и энергии в природе
Круговорот веществ - это повторяющиеся процессы превращения и перемещения вещества в природе, имеющие более или менее цикличный характер. Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. В природе имеется два основных круговорота Большой (геологический) Малый (биогеохимический)
Большой круговорот веществ Большой круговорот длится миллионы лет, обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли. Связан с геологическими процессами, образованием и разрушением горных пород и последующим перемещением продуктов разрушения.
Малый круговорот веществ Малый круговорот (биогеохимический) совершается в пределах биосферы, на уровне биоценоза. Сущность его – в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Биогеохимические циклы – Вернадский В.И.
Круговорот воды Тр сток инф Испарение воды Конденсация паров Выпадение осадков сток Транспирация инфильтрация
Транспирация - процесс движения воды через растение и её испарение через наружные органы растения, такие как листья, стебли и цветы. Вода необходима для жизнедеятельности растения, но только небольшая часть воды, поступающей через корни используется непосредственно для нужд роста и метаболизма.
Круговорот воды
Круговорот воды Основная часть воды сосредоточена в океанах. Вода, испаряясь с их поверхности, снабжает естественные и искусственные экосистемы суши. Чем ближе район к океану, тем больше там выпадает осадков. Суша постоянно возвращает воду океану: часть влаги испаряется, активнее всего в лесах, часть собирают реки: в них поступают дождевые и талые воды. Обмен влагой между океаном и сушей требует очень больших энергетических затрат: на это расходуется примерно 30% поступающей на Землю солнечной энергии.
Влияние человека на круговорот воды Круговорот воды в биосфере до развития цивилизации был равновесным, т.е. океан получал от рек столько воды, сколько расходовал ее при испарении. С развитием цивилизации этот круговорот стал нарушаться. В частности, леса испаряют все меньше воды, т.к. их площадь сокращается, а поверхность почвы, наоборот все больше, т.к. увеличивается площадь орошаемых сельхоз. угодий. Обмелели реки южных районов. Вода хуже испаряется с поверхности океана, т.к. значительная её часть покрыта пленкой нефти. Все это ухудшает водоснабжение биосферы.
Более частыми становятся засухи, возникают очаги экологических бедствий. Например, более 35 лет длится катастрофическая засуха в Африке, в зоне Сахеля – полупустынной области, отделяющей Сахару от северных стран континента. Пресная вода, которая возвращается в океан и другие водоемы с суши, часто загрязнена. Практически непригодной для питья стала вода многих рек России. Доля пресной воды, доступной живым организмам, довольно мала, поэтому её нужно расходовать экономно и не загрязнять! Каждый четвертый житель планеты испытывает недостаток в чистой питьевой воде. Во многих районах мира не хватает воды для промышленного производства и орошения.
Разные составляющие гидросферы участвуют в круговороте воды по-разному и с разной скоростью. Для полного обновления воды в составе ледников необходимо 8000 лет, подземных вод – 5000 лет, океана – 3000 лет, почвы – 1 год. Пары атмосферы и речные воды полностью обновляются за 10 – 12 суток. Круговорот воды в природе занимает около 1 млн. лет.
Круговорот кислорода Кислород входит в состав самых распространенных элементов в биосфере. Содержание кислорода в атмосфере почти 21%. Кислород входит в состав молекул воды, в состав живых организмов (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты). Кислород производится продуцентами (зелеными растениями). Важное место в круговороте кислорода занимает озон. Озоновый слой находится на высоте 20-30 км над уровнем моря. На содержание кислорода в атмосфере влияют 2 основных процесса: 1) фотосинтез 2) разложение органического вещества, при котором он расходуется.
Круговорот кислорода – замедленный процесс. Для полного обновления всего кислорода в атмосфере требуется около 2000 лет. Для сравнения: полное обновление углекислого газа в атмосфере происходит примерно за 3 года. Кислород расходуется для дыхания большинства живых организмов. Кислород используется при сжигании горючего в ДВС, в топках ТЭС, в двигателях самолетов и ракет и т.д. Дополнительное антропогенное расходование может нарушить равновесие круговорота кислорода. Пока биосфера компенсирует вмешательство человека: потери восполняются зелеными растениями. При дальнейшем уменьшении площади лесов и сжигании всё большего количества топлива содержание кислорода в атмосфере начнет сокращаться.
ЭТО ВАЖНО!!! При снижении содержания кислорода в воздухе до 16% у человека ухудшается самочувствие (в особенности страдает сердце), до 7% - человек теряет сознание, до 3% - наступает смерть.
Круговорот углерода
Круговорот углерода Углерод – основа органических соединений, он входит в состав всех живых организмов в виде белков, жиров, углеводов. В атмосферу углерод поступает в виде углекислого газа. В атмосфере, где сконцентрирована основная масса углекислого газа, постоянно происходит обмен: растения поглощают углекислый газ при фотосинтезе, а все организмы выделяют его при дыхании. До 50% углерода в виде СО 2 возвращают в атмосферу редуценты – микроорганизмы почвы. Углерод выходит из круговорота в виде карбоната кальция.
Влияние человека на круговорот углерода Техногенная деятельность человека нарушает естественный баланс круговорота углерода: 1)при сгорании органического топлива ежегодно в атмосферу выбрасывается около 6 млрд. т СО 2: а) Производство электроэнергии на ТЭЦ б) Выхлопные газы автомобилей 2)уничтожение лесов. В течение последних 100 лет содержание углекислого газа в атмосфере неуклонно и быстро растет. Углекислый газ + метан + пары воды + озон + оксиды азота = парниковый газ. В результате – парниковый эффект – глобальное потепление, которое может привести к масштабным стихийным бедствиям.
Круговорот азота В свободной форме азот является составной частью воздуха – 78 % . Азот- один из самых важных элементов для жизнедеятельности организмов. Азот входит в состав всех белков. Молекула азота очень прочная, по этой причине большинство организмов не способно усваивать атмосферный азот. Живыми организмами азот усваивается только в форме соединений с водородом и кислородом. Фиксация азота в химические соединения происходит в результате вулканической и грозовой деятельности, но большей частью – в результате деятельности микроорганизмов – фиксаторов азота (азотфиксирующие бактерии и сине-зеленые водоросли).
Азот поступает к корням растений в форме нитратов, которые используются для синтеза органики (белков). Животные потребляют азот с растительной или животной пищей. Возврат азота в атмосферу происходит в результате разрушения отмершего органического материала. Бактерии почвы разлагают белки до неорганических веществ – газов - аммиак, оксиды азота, которые поступают в атмосферу. Попавший в водоемы азот также проходит по пищевым цепям «растение – животное – микроорганизмы» и возвращается в атмосферу.
Воздействие человека на круговорот азота Техногенная деятельность человека нарушает естественный баланс круговорота азота. При распашке земель почти в 5 раз снижается активность микроорганизмов – фиксаторов азота, поэтому снижается содержание азота в почве, что приводит к снижению плодородия почвы. Поэтому человек вносит в почву избыток нитратов, входящих в минеральные удобрения. Большое количество оксидов азота поступает в атмосферу при сжигании и переработке газа, нефти, угля и выпадает в виде кислотных дождей. Восстановление естественного круговорота азота возможно за счет уменьшения производства азотных удобрений, сокращения промышленных выбросов оксидов азота в атмосферу и прочее.
Круговорот фосфора
В отличие от круговоротов воды, углерода, азота и кислорода, которые являются закрытыми, круговорот фосфора – открытый, т.к. фосфор не образует летучих соединений, поступающих в атмосферу. Фосфор содержится в горных породах, откуда попадает в экосистемы при естественном разрушении пород или при внесении на поля фосфорных удобрений. Растения поглощают неорганические соединения фосфора, а животные питающиеся этими растениями, накапливают фосфор в своих тканях. После разложения мертвых тел животных и растений не весь фосфор вовлекается в круговорот. Часть его вымывается из почвы в водоемы (реки, озера, моря) и оседает на дно. На сушу фосфор возвращается в небольшом количестве с выловленной человеком рыбой.
Воздействие человека на круговорот фосфора Перенос фосфора с суши в океан заметно усилился под влиянием человека. При уничтожении лесов, распашке почв возрастает объем поверхностного стока воды, а кроме того в реки, озера с полей поступают внесенные фосфорные удобрения. Поскольку запасы фосфора на суше ограничены, а его возврат из океана затруднен, в будущем в земледелии возможен недостаток фосфора, что вызовет снижение урожаев (в первую очередь зерновых культур).
Министерство образования Российской Федерации
ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра экологии
РЕФЕРАТ
по
дисциплине «Экология»
на
тему:
«Поток
энергии и круговорот
веществ в природе»
Выполнил:
студент
гр. ЗЭВМ-107
Бочаров
А.В.
Приняла:
Мищенко Т. В.
ВЛАДИМИР 2011
Введение ……………………………………………………….….…………..
3
1. Поток энергии
в биосфере …………………………………..…………….
5
2. Биогеохимические
круговороты …………………………….….………...
7
2.1
Круговорот воды ………………………………………….….……
9
2.2
Круговорот кислорода …………………………………….……...
11
2.3
Круговорот углерода ………………………….…………………
12
2.4
Круговорот азота ………………………………………….………
14
2.5
Круговорот фосфора ……………………….…………….………..
17
2.6
Круговорот серы ……………………………………….………….
18
3.Факторы, влияющие
на круговорот веществ в природе ………………...
19
4. Влияние человека
на круговороты веществ в природе …………………
23
Заключение ………………………………………………….………………..
26
Список используемых
источников литературы……………….……………
27
Введение
Главная
функция биосферы заключается в
обеспечении круговорота химических
элементов, который выражается в
циркуляции веществ между атмосферой,
почвой, гидросферой и живыми организмами.
Экосистемы
- это сообщества организмов, связанные
с неорганической средой теснейшими материально-энергетическими
связями. Растения могут существовать
только за счет постоянного поступления
в них углекислого газа, воды, кислорода,
минеральных солей. В любом конкретном
местообитании запасов неорганических
соединений, необходимых для поддержания
жизнедеятельности населяющих его организмов,
хватило бы ненадолго, если бы эти запасы
не возобновлялись. Возврат биогенных
элементов в среду происходит как в течение
жизни организмов (в результате дыхания,
экскреции, дефекации), так и после их смерти,
в результате разложения трупов и растительных
остатков. Таким образом, сообщество обретает
с неорганической средой определенную
систему, в которой поток атомов, вызываемый
жизнедеятельностью организмов, имеет
тенденцию замыкаться в круговорот.
Любую
совокупность организмов и неорганических
компонентов, в которой может
осуществляться круговорот веществ, называют
экосистемой. Такой термин был предложен
в 1935 году английским экологом А.Тенсли,
который подчеркивал, что при таком подходе
неорганические и органические факторы
выступают как равноправные компоненты,
и мы не можем отделить организмы от конкретной
окружающей среды. А.Тенсли рассматривал
экосистемы как основные единицы природы
на поверхности Земли, хотя они и не имеют
определенного объема и могут охватывать
пространство любой протяженности.
Большинство
веществ земной коры проходит через
живые организмы и вовлечено
в биологический круговорот веществ,
создавший биосферу и определяющий
ее устойчивость. В энергетическом отношении
жизнь в биосфере поддерживается постоянным
притоком энергии от Солнца и использованием
ее в процессах фотосинтеза. Деятельность
живых организмов сопровождается извлечением
из окружающей их неживой природы больших
количеств минеральных веществ. После
смерти организмов составляющие их химические
элементы возвращаются в окружающую среду.
Так возникает биогенный круговорот веществ
в природе, то есть циркуляция веществ
между атмосферой, гидросферой, литосферой
и живыми организмами.
Целью
данного реферата является изучение
циркуляции потока энергии и веществ
в природе, и раскрытие выбранной
темы.
Тема
моего реферата очень велика. О
ней можно говорить долго. Но я
затрону только те вопросы, которые
считаю наиболее важными и близкими к
выбранной теме.
1.
ПОТОК энергии в биосфере
Поток
солнечной энергии, воспринимаясь
молекулами живых клеток, преобразуется
в энергию химических связей. В
процессе фотосинтеза растения используют
лучистую энергию солнечного света
для превращения веществ с низким содержанием
энергии (СО 2 и Н 2 О) в более
сложные органические соединения, где
часть солнечной энергии запасена в форме
химических связей.
Образованные
в процессе фотосинтеза органические
вещества могут служить источником
энергии для самого растения или переходят
в процессе поедания и последующего усвоения
от одних организмов к другим: от растения
к растительноядным животным, от них –
к плотоядным и т.д. Высвобождение заключенной
в органических соединениях энергии происходит
в процессе дыхания или брожения. Разрушение
использованных или отмерших остатков
биомассы осуществляют разнообразные
организмы, относящиеся к числу сапрофитов
(гетеротрофные бактерии, грибы, некоторые
животные и растения). Они разлагают остатки
биомассы на неорганические составные
части (минерализация), способствуя вовлечению
в биологический круговорот соединений
и химических элементов, что обеспечивает
очередные циклы и продуцирования органического
вещества. Однако содержащаяся в пище
энергия не совершает круговорота, а постепенно
превращается в тепловую энергию. В конечном
итоге вся поглощенная организмами в виде
химических связей солнечная энергия
снова возвращается в пространство в виде
теплового излучения, поэтому биосфере
необходим приток энергии извне.
В
отличие от веществ, которые непрерывно
циркулируют по разным блокам экосистемы
и всегда могут вновь входить
в круговорот, энергия может быть
использована только один раз.
Односторонний
приток энергии как универсальное
явление природы происходит в
результате действия законов термодинамики,
относящимся к основам физики. Первый
закон утверждает, что энергия может переходить
из одной формы (например, энергия света)
в другую (например, потенциальную энергию
пищи), но она никогда не создается вновь
и не исчезает.
Второй
закон термодинамики гласит, что
не может быть ни одного процесса, связанного
с превращением энергии, без потери
некоторой ее части. В таких превращениях
определенное количество энергии рассеивается
в недоступную тепловую энергию,
и, следовательно, теряется. По этой причине
не может быть превращений, например пищевых
веществ в вещество, из которого состоит
тело организма, идущих со 100-процентной
эффективностью.
Существование
всех экосистем зависит от постоянного
притока энергии, которая необходима
всем организмам для поддержания их жизнедеятельности
и самовоспроизведения.
Солнце
– практически единственный источник
всей энергии на Земле. Однако далеко
не вся энергия солнечного излучения
может усваиваться и использоваться
организмами. Лишь около половины обычного
солнечного потока, падающего на зеленые
растения (то есть на продуценты), поглощается
фотосинтетическими элементами и лишь
малая доля поглощенной энергии (от 1/100
до 1/20 части) запасается в виде биохимической
энергии (энергии пищи).
Таким
образом, большая часть солнечной энергии
теряется в виде тепла на испарение. В
целом поддержание жизни требует постоянного
притока энергии. И где бы ни находились
живые растения и животные, мы всегда найдем
здесь источник их энергии.
2.
Биогеохимические круговороты
Химические
элементы, входящие в состав живого,
обычно циркулируют в биосфере по
характерным путям: из внешней среды
в организмы и опять во внешнюю
среду. Для биогенной миграции свойственно
накопление химических элементов в
организмах (аккумуляция) и их высвобождение
в результате минерализации отмершей
биомассы (детрита). Такие пути циркуляции
химических веществ (в большей или меньшей
степени замкнутые), протекающие с использованием
солнечной энергии через растительные
и животные организмы, называют биогеохимическими
круговоротами (био
относится к живым
организмам, а гео
– к почве, воздуху,
воде на земной поверхности).
Различают
круговороты газового типа с резервуарами
неорганических соединений в атмосфере
или океанах (N 2 , О 2 , СО 2 ,Н 2 О)
и круговороты осадочного типа с менее
обширными резервуарами в земной коре
(Р, Са, Fе).
Необходимые
для жизни элементы и растворенные
соли условно называют биогенными элементами
(дающими жизнь), или питательными
веществами. Среди биогенных элементов
различают две группы: макротрофные
вещества и микротрофные вещества.
Первые
охватывают элементы, которые составляют
химическую основу тканей живых организмов.
Сюда относятся: углерод, водород, кислород,
азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера.
Вторые
включают в себя элементы и их соединения,
также необходимые для существования
живых систем, но в исключительно малых
количествах. Такие вещества часто называют
микроэлементами. Это железо, марганец,
медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор,
ванадий и кобальт. Хотя микротрофные
элементы необходимы для организмов в
очень малых количествах, их недостаток
может сильно ограничить продуктивность,
так же как и нехватка биогенных элементов.
Циркуляция биогенных элементов
сопровождается обычно их химическими
превращениями. Нитратный азот, например,
может превращаться в белковый, затем
переходить в мочевину, превращаться в
аммиак и вновь синтезироваться в нитратную
форму под влиянием микроорганизмов. В
процессах денитрификации и фиксации
азота принимают участие различные механизмы,
как биологические, так и химические.
Углерод,
содержащийся в атмосфере в виде
СО 2 , является одним из исходных
компонентов для фотосинтеза, а затем
вместе с органическим веществом потребляется
консументами. При дыхании растений и
животных, а также за счет редуцентов углерод
в виде СО 2 возвращается в атмосферу.
В
отличие от азота и углерода резервуар
фосфора находится в горных породах,
подвергающихся эрозии и высвобождающих
в экосистемы фосфаты. Большая их
часть попадает в море и частично
вновь может быть возвращена на сушу
через морские пищевые цепи, заканчивающиеся
рыбоядными птицами (образование гуано).
Усвоение фосфора растениями зависит
от кислотности почвенного раствора: по
мере повышения кислотности практически
нерастворимые в воде фосфаты превращаются
в хорошо растворимую фосфорную кислоту.
В
отличие от энергии биогенные
элементы могут использоваться неоднократно:
круговорот их характерная черта. Другое
отличие от энергии состоит в
том, что запасы биогенных элементов
непостоянны. Процесс связывания некоторой
их части в виде живой биомассы снижает
количество, остающееся в среде экосистемы.
Рассмотрим
подробнее биогеохимические круговороты
некоторых веществ.
- Круговорот
воды
В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.
Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных ледников, что отражают медленное движение и скорейшее таяние ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.
- Круговорот
кислорода
Кроме описанного выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот элемент совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды.
- Круговорот
углерода
Углерод имеет исключительное значение для живого вещества (живым веществом в геологии называют совокупность всех организмов, населяющих Землю). Из углерода в биосфере создаются миллионы органических соединений. Углекислота из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелеными растениями, ассимилируется и превращается в разнообразные органические соединения растений. Растительные организмы, особенно низшие микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения, продуцируют в год около 1,5*10 11
и т.д.................
Образование простейших минеральных и органоминеральных компонентов в газообразном жидком или твердом состоянии которые в последствии становятся составными компонентами для новых циклов круговорота веществ. Из оставшихся 66 большая часть идет на нагревание атмосферы и суши испарение и круговорот воды в экосфере преобразуется в энергию ветров. Круговорот воды гидрологический цикл В результате круговорота воды происходит ее накопление очистка и перераспределение планетарного запаса воды.
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
Лекция 5
Круговорот веществ и энергии
Круговорот веществ и энергии в природе складывается из нескольких взаимосвязанных процессов:
- Регулярно повторяющийся или непрерывный поток энергии, а также образование и синтез новых соединений.
- Постоянный или периодический перенос и перераспределение энергии, вынос и направленное перемещение синтезированных соединений под влиянием физических, химических и биологических агентов.
- Разложение и деструкция (разрушение) синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных или абиогенных факторов среды.
- Образование простейших минеральных и органоминеральных компонентов в газообразном, жидком или твердом состоянии, которые в последствии становятся составными компонентами для новых циклов круговорота веществ.
Энергия Солнца
Родоначальником всех известных видов энергии, включая и ядерную, является Солнце. За трое суток Земля получает от Солнца такое количество энергии, какое могло бы освободиться при сжигании всех имеющихся природных запасов угля, газа, нефти и древесины.
Энергия Солнца излучается в космос в виде спектра ультрафиолетового, видимого (светового) и инфракрасного излучения и других форм лучистой и электромагнитной энергии.
Рис. Поток энергии к земной поверхности и от нее
Около 34% энергии Солнца сразу же отражается назад в космос облаками, пылью и другими веществами находящимися в атмосфере, а также собственно поверхностью Земли. Из оставшихся 66% большая часть идет на нагревание атмосферы и суши, испарение и круговорот воды в экосфере, преобразуется в энергию ветров. И лишь незначительная часть этой энергии (0,023%)улавливается зелеными растениями и используется в процессе фотосинтез для образование органических соединений.
Круговорот воды (гидрологический цикл)
В результате круговорота воды происходит ее накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды.
Рис. Упрощенная диаграмма круговорота воды
Солнечная энергия и земное притяжение непрерывно перемещают воду между океанами, атмосферой, сущей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота являются испарение (превращение воды в водяной пар), конденсация (превращение водяного пара в капли жидкости), осадки (дождь, изморось, град, снег) и сток воды назад в море для возобновления цикла.
Под воздействие поступающей солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов, рек, озер, почв и растений и поступает в атмосферу. Ветры и воздушные массы переносят водяной пар в различные районы Земли. Понижение температуры в отдельных частях атмосферы приводит к образованию массы мельчайших капелек воды в виде облаков или тумана. В конце концов капли воды сливаются вместе и становятся на столько тяжелыми, что выпадают на поверхность суши или водоема в виде атмосферных осадков.
В среднем молекула воды находится в воздухе около 10 дней, прежде чем попадает с осадками на землю. Примерно половина всех осадков на планете выпадает в зоне тропических лесов.
Часть пресной воды, выпадающей на землю, замерзает в ледниках. Однако в основном вода стекает в ближайшие озера, руки и ручьи, которые несут ее обратно в океан, тем самым замыкая кольцо круговорота.
Значительная часть воды просачивается глубоко в грунт. Там происходит накопление грунтовых вод в водоносных горизонтах. Однако циркуляция подземных вод происходит несравнимо медленнее, чем циркуляция поверхностных и атмосферных вод. Подземные источники и водотоки в итоге возвращаются на поверхность суши и в реки и озера, откуда снова испаряется или стекает в океан.
Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:
- забор больших количеств пресной воды из рек, озер и водоносных горизонтов. В густозаселенных или интенсивно орошаемых районах водозабор привел к истощению запасов грунтовых вод или вторжению океанической соленой воды в подземные водоносные горизонты.
- сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог и жилья. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивается риск наводнений и повышает интенсивность стока, тем самым усиливая эрозию почв.
Биогеохимические круговороты
Любые элементы или их соединения необходимы для жизнедеятельности организмов, их роста и размножения называются питательными веществами . Они включают как органические вещества (сахар и протеины) так и неорганические (вода, углекислый газ, кислород, нитраты, фосфаты, железо, мель).
Около 40 элементов и их соединений являются наиболее важными для живых организмов. Эти элементы необходимые в больших количествах называются питательными макроэлементами . К ним относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, калий. Они составляют 97: массы человеческого тела.
Около 30 других элементов, необходимых для жизни в небольших или незначительных количествах, называют питательными микроэлементами . Это железо, медь, цинк, хлор, йод.
Большинство элементов на Земле находятся в таком состоянии, что не могут быть напрямую использованы живыми организмами. К счастью, элементы и их соединения, необходимые в качестве питательных веществ, находятся в постоянном круговороте и способны преобразовываться в необходимые для поглощения формы.
Круговорот веществ в биосфере обусловлен совместным действие биологических, геохимических и геофизических факторов.
Биологические циклы обусловлены жизнедеятельностью организмов: питание, пищевые сети, размножение, рост, передвижение, смерть, разложение, минерализация.
Абиогенные циклы сложились намного раньше биологических; они включают в себя весь комплекс геологических, геохимических, гидрологических и атмосферных процессов.
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.
К главным циклам можно отнести круговороты углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и биогенных катионов.
Круговорот углерода
Рис. Круговорот углерода в биосфере
Углерод является основным «строительным материалом» молекул органических соединений. Большинство наземных растений получают необходимый углерод, поглощая углекислый газ из атмосферы., концентрация которого там составляет 0,04%. Фитопланктон (микроскопические растения, плавающие в водных экосистемах) получают углерод их углекислого газ, растворенного в воде.
В процессе фотосинтеза растения продуценты превращают углерод углекислого газа в углерод сложных органических соединений, например глюкозы:
углекислый газ + вода + солнечная энергия = глюкоза + кислород
Затем в процессе клеточного дыхания глюкоза и другие сложные органические соединения расщепляются и преобразуют углерод обратно в углекислый газ, для повторного использования продуцентами:
глюкоза + кислород = углекислый газ + вода + энергия
В круговороте углерода, а точнее наиболее подвижное его формы углекислого газа, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, консументы, редуценты.
Углерод быстро циркулирует между атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Некоторая часть планетарного углерода на длительные периоды «связывается» в форме ископаемых видов топлива каменного и бурого угля, нефти, природного газа, торфа, сланцев процесс образования которых в литосфере длился миллионы лет. В таком виде углерод остается «связанным» до тех пор пока не будет снова введен в атмосферу в форме углекислого газа, что происходит при добыче и сжигании минерального топлива.
Вмешательство человека в круговорот углерода резко возрастает, особенно начиная с 1950-х годов, в результате быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя способами:
- Сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи с чем уменьшается общее количество растительности, способной поглощать углекислый газ.
- Сжигание углеродсодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу, постепенное возрастание содержания которого, вызывает так называемый «парниковый эффект».
Круговорот азота
Рис. Круговорот азота в биосфере
Круговорот азота охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом (N 0 3- и NH 4 ). И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а точнее почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.
Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Правда, часть его окисляется в воздухе во время грозовых разрядов и поступает в почву с дождевой водой, но таким способом его фиксируется в 10 раз меньше, чем с помощью бактерий.
Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:
- при сжигании ископаемого топлива в атмосферу выбрасываются большие количества оксида азота (NO ). Оксид азота затем соединяется в атмосфере с кислородом и образуется диоксид азота (NO 2 ),который при взаимодействии с водяным паром может образовывать азотную кислоту (HNO 3 ). Эта кислота становится компонентом кислотных осадков.
- использование удобрений приводит к выделению в атмосферу «парникового газа» закиси азота (N 2 O )
- увеличение количества нитратов и ионов аммония в водных экосистемах при смыве с удобрений с полей. Избыток питательных веществ приводит к быстрому росту водорослей, при разложении которых расходуется растворенный кислород, что приводит к массовым морам рыб.
Круговорот фосфора
Рис. Круговорот фосфора в биосфере
Фосфор, главным образом в виде фосфат-ионов (РО 3- и НРО 4 2- ), является важным питательным элементом как для растений, так и для животных. Он входит в состав молекул ДНК, несущих генетическую информацию; молекул АТФ и АДФ, в которых запасается необходимая для организмов химическая энергия, используемая при клеточном дыхании; молекул жиров, образующих клеточные мембраны в растительных и животных клетках; а также веществ, входящих в состав костей и зубов. Общий круговорот фосфора можно разделить на две части водную и наземную
Фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и затем обратно. Фосфор, высвобождаемый при медленном разрушении (или выветривании) фосфатных руд, растворяется почвенной влагой и поглощается корнями растений.
Животные получают необходимый им фосфор, поедая растения или других растительноядных животных. Значительная часть этого фосфора в виде экскрементов животных и продуктов разложения мертвых животных и растений возвращается в почву, в реки и в конце концов на дно океана в виде нерастворимых фосфатных осадочных пород.
Часть фосфора возвращается на поверхность суши в виде гуано обогащенной фосфором органической массы экскрементов питающихся рыбой птиц (пеликанов, олушей, бакланов и т. п.). Однако несравнимо большее количество фосфатов ежегодно смывается с поверхности суши в океан в результате природных процессов и антропогенной деятельности. Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:
- добыча больших количеств фосфатных руд для производства минеральных удобрений и моющих средств;
- увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков. Избыток этих элементов способствует «взрывному» росту сине-зеленых водорослей и других водных растений, что нарушает жизненное равновесие в водных экосистемах.
Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм> |
|||
| 384. | 206.82 KB | ||
| Тема: Биоэнергетика Вопросы: Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Источники энергии и законы термодинамики. Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Источники энергии и законы термодинамики. | |||
| 6645. | Обмен веществ и энергии (метаболизм) | 39.88 KB | |
| Поступление веществ в клетку. Благодаря содержанию растворов солей сахаров и других осмотически активных веществ клетки характеризуются наличием в них определенного осмотического давления. Разность концентрации веществ внутри и снаружи клетки называют градиентом концентрации. | |||
| 6289. | ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. РАЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ | 14.42 KB | |
| Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии. Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. | |||
| 3469. | КРУГОВОРОТ ВОДЫ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД | 10.91 MB | |
| Без воды жизнь существовать не может. На земле её очень много, около 70% поверхности покрыто морями и океанами, но это вода – солёная. Все основные наземные экосистемы, включая и человеческую, зависят от наличия пресной воды, содержащей менее 0,01% солей | |||
| 7649. | АНАЛИЗ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ | 37.99 KB | |
| В этом примере электропотребление измеряется стационарным либо временно установленным счётчиком в то время как количество отводимого тепла в градирне водяного охлаждения вычисляется путём измерения температур охлаждающей воды в подающем и обратном трубопроводах и пересчётом разницы температур в коэффициент энергопотока. Данное вычисление осуществляется умножением теплоёмкости воды на скорость потока который определяется либо путём измерения разницы давления в насосе либо путём использования накладного расходомера. Если температура... | |||
| 15750. | Преобразование энергии в клетке. | 4.68 MB | |
| Животные используют химическую энергию выделяющуюся при окислении органических веществ синтезированных растениями Рис. В биологических процессах проходящих при постоянных температурах и давлениях с незначительным изменением объема если не выделяются газы: где F - свободная энергии Гельмгольца: F =U TS . Молекула отдавшая электрон оказывается в окисленном состоянии а принявшая электрон в восстановленном. Соответственно процесс отдачи электрона называют окислением а принятия - восстановлением данного вещества. | |||
| 18049. | Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии | 883.75 KB | |
| Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики основанное на непосредственном использовании излучения Солнца с целью получения электрической энергии. Получение электрической энергии при помощи энергии Солнца позволяет доставить электричество в самые удаленные и труднодоступные участки планеты. Из-за поглощения при прохождении атмосферной массы Земли максимальный поток солнечного излучения... | |||
| 3875. | Исследование передачи электрической энергии на постоянном токе | 13.69 KB | |
| Краткое содержание работы Лабораторная работа нацелена на изучение закономерностей передачи электрической энергии на постоянном токе от источника в нагрузку например через некоторою промежуточную цепь линию. Эти закономерности являются первой ступенью изучения передачи энергии от источника в нагрузку в самом общем случае например на переменном токе при передаче энергии в нагрузку через распределенную цепь. При подготовке к работе необходимо ознакомиться с методическими указаниями рабочим заданием изучить учебную литературу и ответить... | |||
| 12318. | 50.83 KB | ||
| Принципиальные схемы солнечного горячего водоснабжения. Солнечных водонагревательных коллекторов систем солнечного горячего водоснабжения. Теплопроизводительность плоских солнечных водонагревательных коллекторов в одно и двухконтурной стемах солнечного горячего водоснабжения... | |||
| 17563. | Совершенствование ценовой стратегии Веллнесс-центра “Формула Энергии” | 455.63 KB | |
| Описание деятельности веллнесс-центра “Формула Энергии”, её места на рынке, рассмотрена специфика ценообразования, применяемого на рынке фитнес-услуг, будет проанализирована ценовая стратегия компании. На основании вышеизложенного будут выдвинуты гипотезы, требующие проверки | |||
Определение 1
Энергия представляет собой комплексную меру движения и взаимодействия всех видов материй.
В отличие от веществ, которые могут циркулировать на разных блоках биосферы , использоваться повторно и формировать круговороты, энергия представляет собой постоянный однонаправленный поток. В таких потоках энергия может превращаться из одной формы в другую до тех пор, пока не рассеется в космическом пространстве в виде тепла.
Всю биосферу можно расценивать в качестве единого пространственного образования способного к поглощению энергии из космического пространства и направлению её на внутреннюю работу.
Живые организмы являются основными потребителями и преобразователями энергии в биосфере. Так, например, продуценты преобразуют свободную лучистую энергию в химически связанную, которая в дальнейшем переходит от одних биосферных структур к другим. Каждый переход энергии сопровождается её превращением в тепло и рассеиванием в окружающей среде. При передаче энергии от продуцентов к консументам первого порядка эффективность переноса составляет всего 10%.
Более эффективным является перенос энергии от консументов первого к консументам второго порядка - 20%. Завершается поток энергии на редуцентах за счёт которых энергия либо окончательно рассеивается в виде тепла, либо аккумулируется в мертвой органике.
Круговороты веществ в биосфере
- большой биологический (характерной особенностью большого круговорота веществ является его преимущественно горизонтальное направление. Осуществляется он исключительно между сушей и морем, как например, круговорот воды);
- малый биологический (преимущественно вертикальным направлением миграции обладает биологический круговорот, осуществляемый между растениями и почвой);
- химический (миграция веществ в химическом круговороте определяется двумя тесно связанными и взаимообусловленными процессами, противостоящими друг другу. Он представляет собой синтез зелеными растениями живого вещества из элементов неживой природы за счёт солнечной энергии и минерализации детрита, вследствие чего и выделяется энергия).
Замечание 1
Образование живого вещества и его разложение представляют собой две стороны единого процессы, называемого биологическим круговоротом химических элементов. Основной состав живой материи зависит от тех химических элементов, которые пребывают в биосфере в газообразном состоянии, вследствие чего органический мир живых организмов связан с круговоротом газов на Земле.
Биосферные геохимические процессы
Как известно, Земная кора насчитывает более $100$ химических элементов, однако только $6$ из них взаимодействуют в атмосфере : водород $(H)$, кислород $(O)$, азот $(N)$, углерод $(C)$, фосфор $(P)$ и сера $(S)$. Таким образом, в биосферных геохимических процессах принимают участие наиболее реакционноспособные элементы. Первые 4 из них образуют практически всю массу наземных растений, включающих около $99\%$ всего живого вещества на Земле.
Биосферные биохимические процессы
Биохимические циклы ежегодно приводят в движение около $500$ млрд. т вещества, исключительно движимой силой которых являются процессы фотосинтеза. Кроме $C$, $H$, $O$ и $N$ организмы используют зольные элементы - $Ca$, $K$ и т.д., а также макроэлементы - $Zn$, $Mo$ и т.д., круговорот которых на планете происходит за счёт циклического превращения веществ и изменения потоков энергии благодаря совместному действию биотической и абиотической трансформации живого вещества.
Вывод
Таким образом, круговорот веществ в биосфере осуществляют не определенные вещества, а лишь определенные элементы, принимающие участие в процессах, осуществляемых а различных слоях атмо-, гидро- и литосферы.
