Энергетика биосферы. Круговорот вещества в биосфере

Энергетический обмен — неотъемлемая и составная часть обмена веществ и энергии в живом организме, включающая процессы поглощения, запасания, передачи, трансформации, использования и выделения энергии. Любая живая клетка представляет собой активную, динамичную систему.

Энергия необходима для осуществления любых проявлений жизнедеятельности. Она требуется для процессов химического синтеза, для всех видов движения (в том числе и мышечного), для передачи нервных импульсов. Энергия тратится и на процесс активного переноса веществ через плазматическую мембрану (в клетку и из клетки), причем на это расходуется весьма значительная часть энергетических ресурсов клетки. Энергия требуется также для образования тепла и поддержания постоянной температуры тела у птиц и млекопитающих и т. д. В организм энергия поступает из окружающей среды. Первичным источником ее для всего живого служит та часть солнечной радиации, которая называется видимым светом улавливается зелеными растениями и в процессе фотосинтеза превращается сначала в электрохимическую, а затем в химическую энергию, запасаемую в органических продуктах фотосинтеза. Животные организмы, грибы, большинство бактерий и простейших не способны к фотосинтезу и поэтому целиком зависят (в смысле снабжения энергией) от веществ, синтезируемых растениями. Эта зависимость может быть прямой, как у травоядных, или непрямой, как у плотоядных, которые питаются другими животными, в том числе травоядными. Далее запасенная энергия переводится в форму, в которой она может использоваться растительными и животными клетками, клетками других организмов для выполнения какой-либо работы, например для синтеза необходимых клетке веществ, для обеспечения механических, электрических, осмотических н иных процессов. В конечном счете сущность энергетического обмена в клетке (и организме в целом) сводится к покрытию ее энергетических потребностей за счет осуществления в ней широкого спектра химических, физических и физико-химических реакций и преобразований веществ.

Большой круговорот веществ в природе (геологический). Геологический круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму - источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы. 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.

Большой круговорот - это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана - конденсация водяного пара - выпадение осадков на эту же водную поверхность океана.

Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за два миллиона лет.

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический). В отличие от большого круговорота, малый совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его - в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.

Этот круговорот для жизни биосферы - главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

с. ш.). Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, на транспирацию воды и т. д. а, как мы уже отмечали, на фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще всего 2-3%.°Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе количество тепла, приходящееся на единицу площади, в три раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80

В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей.

Такой круговорот обычно называют биологическим. Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Безусловно, он может иметь место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ «от растения к растению», корни которых на поверхности почвы.

Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (CO2, H2O) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т. д. Такие элементы называют биофильными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В. И. Вернадский выделяет пять таких функций:

• первая функция - газовая - основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы - продукт разложения отмершей органики;

• вторая функция - концентрационная - организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода - водоросли (ламинария), фосфора - скелеты позвоночных животных;

• третья функция - окислительно-восстановительная - организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;

• четвертая функция - биохимическая - размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества;

• пятая функция - биогеохимическая деятельность человека - охватывает все разрастающееся количество вещества земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и др., для хозяйственных и бытовых нужд человека.

Дата добавления: 2015-08-13