Общая характеристика биосферы. Живое вещество биосферы. Баланс энергии и круговорот вещества в биосфере

8.Средообразующая – преобразование физико-химических параметров окружающей среды. В широком смысле результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают ее в определенном стабильном состоянии. Так состав атмосферы и гидросферы - это продукт жизнедеятельности в биосфере. Живые организмы создали особый тип биокостного вещества - почвы. Коралловые заросли создают в океанах целые острова. Примером могут также служить леса, в которых микроклимат существенно отличается от микроклимата поля. Анализ показывает, что при отсутствии жизни на Земле, условия на ней были бы такими, что по нашим понятиям жизнь на ней была бы попросту невозможной. Ее атмосфера на 98 % состояла бы из углекислого газа (сейчас около 0.03 %), на 1,9 % – из азота (сейчас на Земле 79 % азота, являющегося вопреки своему названию (азот - не поддерживающий жизни) основным элементом при построении аминокислот), кислорода практически не было бы (сейчас 21 %), средняя температура поверхности 290 ± 50оС, не оставляющая никаких шансов на наличие воды в жидком состоянии. Словом, условия весьма похожие на условия планеты Венера.

9. Информационная –  накопление информации и закрепление  ее в наследственных структурах. Эта функция пока еще мало изучена. Но, по всей видимости, ее важность превосходит все остальные функции живого вещества.

Энергетический  поток.

Поток энергии  на земном шаре имеет три источника: 
кинетическая энергия оборота Земли и ее спутника Луны как космических тел. Она проявляется в морских приливах, энергия которых недоступна живым организмам, но может использоваться человеком; энергия земных недр, которая поддерживается ядерным распадом урана и тория. Эта энергия выделяется в форме геотермического тепла. В вулканических районах она используется для отопления оранжерей и бассейнов; солнечная энергия, на базе которой осуществляется жизнедеятельность в автотрофных организмов. 
На Солнце энергия возникает в результате ядерных превращений. Главное из них - это превращение водорода в гелий через дейтерий. Лучистая энергия Солнца проявляется в амплитуде длины волн от 0,3 до 2,0 мкм. Доля ультрафиолетового излучения в ней невелика. Оно в основном задерживается озоновым экраном планеты. Приток энергии к наружной поверхности атмосферы планеты от Солнца сравнительно постоянный - это так называемая солнечная постоянная, равная 1,93 кал/см2 за 1 мин. Она отклоняется от среднего значения всего лишь на 0,1-0,2%. Но длительных наблюдений по величине солнечной постоянной пока не велось и ее многовековые тенденции не известны. По неофициальным данным, специалисты считают, что в течение последнего миллиарда лет солнечная постоянная не менялась. Всего к Земле доходит 10,5 x10е кДж/м2 в год лучистой энергии. Но 40% сразу отражается в космическое пространство, а 15% поглощается атмосферой: превращается в тепло, либо расходуется на испарение воды. В атмосфере в основном солнечную радиацию поглощает водяной пар. В океанах эту роль выполняет жидкость (вода), на суше - горные породы и грунт. Большая часть радиации отражается в атмосферу от поверхности льда и снега.

Всю биосферу можно расценивать  как единственное природное образование, поглощает энергию из космического пространства и направляет ее на внутреннюю работу. В биосфере энергия только переходит из одной формы в  другую и рассеивается в виде тепла. 
Основными преобразователями энергии в биосфере ее живые организмы. Они превращают вольную лучистую энергию в химически связанную, которая затем переходит от одних биосферных структур к другим.

При каждом переходе часть  энергии превращается в тепло и теряется в окружающем пространстве. Растения и земная поверхность в среднем в год поглощают 5х106 кДж/м2 энергии. Эта величина различна на разных широтах. Эффективность переноса энергии в живом веществе довольно низкая. При ее переносе от продуцентов до консументов первого порядка она составляет всего 10%, а при переносе от консументов первого порядка до консументов второго порядка - 20%.

Итак, видно, что травоядные животные менее эффективно используют пищу, чем плотоядные. Это  во многих случаях связано с химическим составом пищи. В растениях преобладают  лигнин и целлюлоза и есть защитные вещества от фитофагов. Завершается  поток энергии на редуценты, где энергия или же окончательно рассеивается в виде тепла, либо аккумулируется в мертвой органическом веществе (детрит). Одной из форм длительного сохранения аккумулированной энергии является нефть, уголь и торф.

Поток солнечной  энергии, который поступает в биосферы, приводит в действие биохимический круговорот. Как отмечено, в отличие от круговоротов воды и других веществ, поток энергии движется в одном направлении. Если падающий поток солнечной энергии имеет радиальный (вертикальный) направление, то дальнейший его путь имеет преимущественно горизонтальный (латеральный) характер.

Большим энергетическим потенциалом отмечаются латеральные  потоки воздушных масс (ветер), которые, проникая в лесные или луговые  фитоценозы, расшатывают стволы и  стебли, розворушують листовые пластинки или цветы, поднимают и переносят семена, охлаждают нагретый растительное среду, способствуя тем самым дальнейшей трансформации возбужденной механической энергии в тепловую или химическую. Латеральные снежные заносы способствуют накоплению влаги в полезащитных полосах и опушках лесных экосистем, что впоследствии повысит энергию биохимических процессов. Латеральные потоки энергии приливов способствуют более быстрому круговороту минеральных элементов питания, перемещению корма и отходов. Человечество научилось использовать дополнительную энергию природы, создав современные технологии возобновляемой энергии. Радиальные и латеральные потоки энергии могут возникать и в результате антропогенной деятельности. Прежде всего это радиальные потоки химических, металлургических, горноперерабатывающая предприятий и тепловых электростанций, которые выносят в атмосферу огромное количество токсичных выбросов. Далее они уже латеральными воздушными потоками (часто трансконтинентальными) переносятся на большие расстояния и опять таки радиальными потоками опускаются на земную поверхность. Эти потоки механической энергии является транспортом для химической энергии, которая проявляет себя в биологических процессах конкретных наземных и водных биогеоценозов.

Крупные города и индустриальные центры являются мощными  источниками латеральных тепловых потоков, которые перемещаются от ядра города к его окраинам. Часто вместе с тепловыми потоками перемещаются латераля поллютантов, в основном автотранспортные выбросы, а также пыль. В крупных городах наблюдается рассеивание тепловой энергии (энтропия), которая ведет к ксерофилизации атмосферного и грунтового воздуха и алкализации (ощелачивание) городских почв. Эти латеральные тепловые и поллютантов-загрязняющие потоки энергии меняют растительный и животный мир природных ландшафтов, создают новую живом веществе городов, которая пока слабо изучена. Антропогенная энергия (механическая, тепловая, химическая) может концентрироваться в отдельных природных экосистемах, повышая их производительность (агроэкосистемы), или же, при неумелом включении этой энергии в естественный поток, приводить к их деградации. Учитывая, что энергия - общий знаменатель и исходная движущая сила всех экосистем - как сконструированных человеком, так и природных, Ю. Одум (1986) предлагает принять энергию за основу для "первичной" классификации экосистем. Итак, по уровню поступления энергии в экосистеме их разделяют на четыре группы: • природные, которыми движет Солнце; 
• природные, которыми движут Солнце и другие природные источники; 
• подвижные Солнцем и субсидируемые человеком; 
• индустриально-городские, содержащихся топливом (добытым из полезных ископаемых, другими органическими или ядерными источниками). 
Приведенные Ю. Одум примеры объясняют особенности функционирования этих систем, которые можно было бы отнести по иерархическому рангу к биогеоценотичних комплексов и даже биомов. В параметры биологической системы не укладывается индустриально-городская экосистема, которая является одной из разновидностей социально-экономических систем. Остановимся лишь на индустриально-городской экосистеме, которую Ю. Одум в одной работе называет "венцом" достижений человечества, в другой - его "опухолью". Города по мере роста цен на топливо, вероятно, станут больше интересоваться использованием солнечной энергии. Возможно, возникнет новый тип экосистемы города, какой будет двигать Солнце с вспомогательной энергией топлива.

Известно, что  из более 90 химических элементов, встречающихся  в природе, 30 – 40 необходимы живым организмам. Некоторые элементы, такие как углерод, водород и азот, требуются в больших количествах, другие – в малых.

Химические  элементы циркулируют в биосфере по определённым путям, обеспечивая  свою неисчерпаемость. В связи с  этим реализуется закон сохранения вещества: атомы в химических реакциях никогда не исчезают, не образуются и не превращаются друг в друга; они только перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений(одновременно происходит поглощение или выделение энергии). В силу этого атомы могут использоваться в самых различных соединениях и запас их никогда не истощается. Именно это происходит в биосфере в виде круговоротов элементов. При этом выделяют два круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот измеряется масштабами геологического времени и длится сотни тысяч или миллионы лет. Он заключается в том, что происходит постоянное превращение материковой коры в океаническую и наоборот. Продукты разрушения и выветривания горных пород выносятся сточными водами в Мировой океан, где они образуют отложения. Медленные геотектонические процессы движения и опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти отложения возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

На фоне этого  глобального круговорота веществ  в биосфере непрерывно происходят малые (биотические) круговороты. Малый круговорот является частью большого круговорота и происходит на уровне экосистем. Он заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод и другие элементы аккумулируются в веществе растений и расходуются на поддержание собственных жизненных процессов и жизненных процессов организмов-консументов. Продукты распада органического вещества (опавшие листья, умершие растения и животные) с помощью бактерий, грибов, червей, моллюсков и т. д. вновь разлагаются до минеральных компонентов, которые снова становятся доступными растениям и тем самым вновь вовлекаются ими в поток вещества.

Круговорот  химических веществ из неорганической среды в органическую среду и обратно, осуществляемый через растительные и животные организмы с использованием солнечной или химической энергии, называютбиогеохимическим циклом. На рисунке двойными стрелками показаны направления переноса органических веществ, одинарными стрелками – направления переноса наиболее важных неорганических веществ.

Наиболее  значимыми для функционирования биосферы являются круговороты основных элементов, входящих в состав живого вещества: углерода, кислорода, азота, фосфора и серы, поскольку они являются компонентами для построения основных молекул живого вещества – углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Эти круговороты создаются живым веществом и одновременно поддерживают жизнедеятельность самих живых организмов. В процессе фотосинтеза за год зелёными растениями потребляется 480 млрд. т вещества, выделяется в атмосферу 250 млрд. т свободного кислорода. При этом создаётся 240 млрд. т живого вещества, а в круговорот вовлекается 1 млрд. т азота, 260 млн. т фосфора, 200 млн. т серы и т.п.

За время  существования биосферы свободный  кислород атмосферы обновлялся не менее  миллиона раз, а воды Мирового океана прошли через биогенный цикл не менее 300 раз.

Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой – углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность. Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа и угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далёкие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления превращается в нефть, природный газ и уголь, во что именно – зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода.

По второму  пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы  в различных водоёмах, где СО₂ переходит в Н₂СО₃, НСО₃^1-, СО₃^2-. Затем с помощью растворённого в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов СаСО₃ биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует ещё ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием СО₂. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

Кислород – наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О₂. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров.

Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза  зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определённого уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.

Азот. Основная часть атомов азота находится в воздухе, который на 78 % состоит из одноимённого газа (N₂). Однако растения не могут усваивать его непосредственно; для этого азот должен входить в состав ионов аммония (NH⁴⁺) или нитрата (NH^3-). К счастью, некоторые бактерии и ряд сине-зелёных водорослей способны превращать газообразный азот в аммонийную форму в ходе так называемой азотфиксации. Важнейшую роль среди азотфиксирующих организмов играют бактерии, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений. По пищевым цепям органический азот передаётся от бобовых другим организмам экосистемы.

Когда в процессе клеточного дыхания белки и другие содержащие азот органические соединения расщепляются, азот выделяется в среду главным образом в аммонийной форме. Некоторые бактерии могут переводить ее в нитратную форму. Важно то, что обе эти формы могут усваиваться любыми растениями. В результате азот совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, поскольку другие почвенные бактерии постепенно превращают нитраты снова в газообразный азот. 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.