Поток энергии в природе. Поток энергии в экосистемах. Биосферные биохимические процессы

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.

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.

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:

1. Регулярно повторяющийся или непрерывный поток энергии, а также образование и синтез новых соединений.
2. Постоянный или периодический перенос и перераспределение энергии, вынос и направленное перемещение синтезированных соединений под влиянием физических, химических и биологических агентов.
3. Разложение и деструкция (разрушение) синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных или абиогенных факторов среды.
4. 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.

Следует четко определиться в терминах «поток вещества» и «поток энергии». Поток вещества - это перемещение в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам (через консументы или без них). Поток энергии - это переход энергии в виде химических связей органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более высокому).

Следует указать, что в отличие от веществ, которые постоянно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входить в круговорот, поступившая энергия может быть использована только один раз.

Как универсальное явление природы, односторонний приток энергии обусловлен действием законов термодинамики. Согласно первому закону энергия может переходить из одной формы (энергия света) в другую (потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает бесследно.

Второй закон термодинамики утверждает, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части. По этой причине не может быть превращений со 100%-й эффективностью, например, пищи в вещество, из которого состоит тело организма.

Таким образом, функционирование всех экосистем определяется постоянным притоком энергии, которая необходима всем организмам для поддержания их существования и самовоспроизведения.

В экосистемах существуют и конкурентные отношения. В этом аспекте большой интерес представляет закон максимизации энергии (Г. Одум - Э. Одум): в соперничестве с другими экосистемами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом. Согласно закону с этой целью система: 1) создает накопители (хранилища) высококачественной энергии (например, запасы жира); 2) затрачивает определенное количество накопленной энергии на обеспечение поступления новой энергии; 3) обеспечивает круговорот различных веществ; 4) создает механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и ее способность к приспособлению к изменяющимся условиям; 5) налаживает с другими системами обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии специальных видов.

Необходимо подчеркнуть важное обстоятельство: закон максимизации энергии справедлив и в отношении информации, следовательно (по Н. Ф. Реймерсу) его возможно рассматривать и как закон максимизации энергии и информации: наилучшими шансами на самосохранение обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации.

Отметим, что максимальное поступление вещества, как такового, еще не гарантирует успеха системе в конкурентной группе других аналогичных систем.

Ранее отмечалось, что между организмами биоценоза возникают и устанавливаются прочные пищевые взаимоотношения, или цепь питания. Последняя состоит из трех основных звеньев: продуцентов, консументов и редуцентов.

Цепи питания, начинающиеся с фотосинтезирующих организмов, называют цепями выедания (или пастбищными), а цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, - детритными цепями.

Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем; он характеризуется различной интенсивностью протекания потока веществ и энергии. Первый трофический уровень - это всегда продуценты; второй - растительноядные консументы; третий - плотоядные, живущие за счет растительноядных форм; четвертый уровень - потребляющие других плотоядных и др.

Различают консументы первого, второго, третьего и четвертого порядков, занимающие разные уровни в цепях питания (рис. 9).

Рис. 9.

Очевидно, что основную роль при этом играет пищевая специализация консументов. Виды с широким спектром питания могут включаться в цепи питания на разных трофических уровнях. В рацион, например человека, входит как растительная пища, так и мясо травоядных и плотоядных животных. Поэтому он выступает в разных пищевых цепях в качестве консумента I, II или III порядков.

Так как при передаче энергии с одного уровня на другой происходит ее потеря, цепь питания не может быть длинной: обычно она состоит из 4...6 звеньев (табл. 1).

1. Типичные схемы пищевых цепей (по В. М. Ивонину, 1996)

Однако такие цепи в чистом виде в природе обычно не встречаются, так как одни и те же виды могут быть одновременно в разных звеньях. Это обусловлено тем, что монофагов в природе мало, намного чаще встречаются олигофаги и полифаги. Например, хищники, питающиеся различными растительноядными и плотоядными животными, являются звеньями многих цепей. Вследствие этого в каждом биоценозе эволюционно формируются комплексы цепей питания, представляющие собой единое целое. Подобным образом создаются сети питания, которые отличаются большой сложностью.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что пищевая цепь - основной канал переноса энергии в сообществе (между растениями - продуцентами, животными - консументам"и и микроорганизмами-редуцентами) (рис. 10). Уже на схеме видно, что представление о пищевых цепях и трофических уровнях - скорее абстракция. Линейную цепь с четко разделенными уровнями можно создать в лаборатории. Но в природе реально существуют трофические сети, в которых многие популяции принадлежат сразу к нескольким трофическим уровням. Один и тот же организм потребляет в пищу и животных, и растения; хищник может питаться консументами I и II порядка; многие животные поедают как живые, так и отмершие растения.

Благодаря сложности трофических связей выпадение какого-то одного вида нередко почти не сказывается на сообществе. Пищу исчезнувшего вида начинают потреблять другие «пользователи»,

Рис. 10.

питавшиеся им виды находят новые источники пищи: в целом, в сообществе сохраняется равновесие.

Усвоенная продуцентами энергия, протекая по пищевым цепям, постепенно расходуется. В конце пищевой цепи количество энергии всегда меньше, чем в ее начале. В ходе фотосинтеза растения связывают в среднем лишь около 1 % попадающей на них солнечной энергии. Животное, которое съело растение, часть пищи не переваривает и выделяет ее в виде экскрементов. Обычно усваивается 20...60 % растительного корма; усвоенная энергия идет на поддержание жизнедеятельности животного. Функционирование клеток и органов сопровождается выделением теплоты, т. е. тем самым существенная доля энергии пищи вскоре рассеивается в окружающей среде. Сравнительно небольшая часть пищи идет на построение новых тканей и создание жировых запасов. Далее хищник, съевший растительноядное животное и представляющий третий трофический уровень, получает только ту энергию из накопленной растением, которая задержалась в теле его жертвы (второй уровень) в виде прироста биомассы.

Известно, что на каждом этапе при передаче вещества и энергии в пищевой цепи теряется примерно 90 % энергии и только около одной десятой доли ее переходит к очередному потребителю, т. е. передача энергии в пищевых связях организмов подчиняется «правилу десяти процентов» (принцип Линдемана). Например, количество энергии, которая доходит до третичных плотоядных (пятый трофический уровень), составляет лишь около 10 -4 энергии, поглощенной продуцентами. Это и объясняет ограниченное количество (5...6) звеньев (уровней) в пищевой цепи независимо от сложности видового состава биоценоза.

Рис. 11.

Рассматривая поток энергии в экосистемах, легко понять также, почему с повышением трофического уровня биомасса снижается. Здесь проявляется третий основной принцип функционирования экосистем: чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень или иначе: на конце длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы.

Три перечисленных выше основных принципа функционирования экосистем - круговорот биогенов, поток солнечной энергии и снижение биомассы при повышении трофического уровня - можно представить в виде обобщенной схемы (рис. 11). Если расположить организмы в соответствии с их пищевыми взаимоотношениями, указав для каждого из них «вход» и «выход» энергии и биогенов, станет очевидным, что биогены непрерывно рециклизуются внутри экосистемы, а поток энергии проходит через нее.

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

Круговорот кислорода

Круговорот углерода

Заказать написание уникальной работы

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
СОДЕРЖАНИЕ
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, F е).

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.
2.1 Круговорот воды
Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе. Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути. Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой 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.
2.2 Круговорот кислорода
Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле. В морской воде содержится 85,82% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15% по весу или 20,93% по объему, а в земной коре 47,2% по весу. Такая концентрация кислорода в атмосфере поддерживается постоянной благодаря процессу фотосинтеза. В этом процессе зеленые растения под действием солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород. Главная масса кислорода находится в связанном состоянии; количество молекулярного кислорода в атмосфере оценивается в 1,5* 10 15 m , что составляет всего лишь 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре. В жизни природы кислород имеет исключительное значение. Кислород и его соединения незаменимы для поддержания жизни. Они играют важнейшую роль в процессах обмена веществ и дыхании. Кислород входит в состав белков, жиров, углеводов, из которых «построены» организмы; в человеческом организме, например, содержится около 65% кислорода. Большинство организмов получают энергию, необходимую для выполнения их жизненных функций, за счет окисления тех или иных веществ с помощью кислорода. Убыль кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, гниения и горения возмещается кислородом, выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв, различные горные выработки на поверхности уменьшают общую массу фотосинтеза и снижают круговорот на значительных территориях. Наряду с этим, мощным источником кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Таким образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода, поддерживающий постоянство состава атмосферного воздуха.

Кроме описанного выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот элемент совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды.

2.3 Круговорот углерода
Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое место среди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы земной коры. В несвязанном состоянии он встречается в виде алмазов (наибольшие месторождения в Южной Африке и Бразилии) и графита (наибольшие месторождения в ФРГ, Шри-Ланка и СССР). Каменный уголь содержит до 90% углерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы, например кальцит и доломит, а также в состав всех биологических веществ. В форме диоксида углерода он входит в состав земной атмосферы, в которой на его долю приходится 0,046% массы.

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 m углерода в виде органической массы. Растения частично поедаются животными (при этом образуются пищевые цепи). В конечном счете, органическая масса в результате дыхания, гниения и горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим другим соединениям – каменным углям, нефти. В процессах распада органических веществ, их минерализации, огромную роль играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы (например, плесневые). В активном круговороте углекислый газ Û живое вещество участвует очень небольшая часть всей массы углерода. Огромное количество углекислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород.

Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное равновесие. Организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков. Атмосфера пополняется углекислым газом благодаря процессам разложения органических веществ, карбонатов и т.д. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из паров воды и углекислого газа.

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.

Содержание СО 2 в воздухе медленно, но неуклонно повышается.
2.4 Круговорот азота
Азот входит в состав земной атмосферы в несвязанном виде в форме двухатомных молекул. Приблизительно 78% всего объема атмосферы приходится на долю азота. Кроме того, азот входит в состав растений и животных организмов в форме белков. Растения синтезируют белки, используя нитраты из почвы. Нитраты образуются там из атмосферного азота и аммонийных соединений, имеющихся в почве. Процесс превращения атмосферного азота в форму, усвояемую растениями и животными, называется связыванием (или фиксацией) азота.

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты:
2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н
Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде.

Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещающие потери азота. К таким процессам относятся, прежде всего, происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий - «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.

Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений. В основном используются нитрат кальция Ca (NO 3 ) 2 , нитрат аммония NH 4 NO 3 , нитрат натрия NANO 3 , и нитрат калия KNO 3 . Например, в Таиланде используются листья лейкаены как органическое удобрение. Лейкаена принадлежит к бобовым растениям и, как и все они, содержит очень много азота. Поэтому ее можно использовать вместо химического удобрения.

В последнее время наблюдается повышения содержания нитратов в питьевой воде, главным образом за счет усилившегося использования искусственных азотных удобрений в сельском хозяйстве. Хотя сами нитраты не так уж опасны для взрослых людей, в организме человека они могут превращаться в нитриты. Кроме того, нитраты и нитриты используются для обработки и консервирования многих пищевых продуктов, в том числе ветчины, бекона, солонины, а также некоторых сортов сыра и рыбы. Отдельные ученые полагают, что в организме человека нитраты могут превращаться в нитрозамины:

Известно, что нитрозамины способны вызывать онкологические заболевания у животных. Большинство из нас уже подвержено воздействию нитрозаминов, которые в небольшом количестве находятся в загрязненном воздухе, сигаретном дыму и некоторых пестицидах. Полагают, что нитрозамины могут быть причиной 70-90% случаев онкологических заболеваний, возникновение которых приписывают действию факторов окружающей среды.
2.5 Круговорот фосфора
Источником фосфора биосферы является главным образом апатит, встречающийся во всех магматических породах. В превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор из почв, водных растворов. Усвоение фосфора растениями во многом зависит от кислотности почвы. Фосфор входит в многочисленные соединения в организмах: белки, нуклеиновые кислоты, костная ткань, лецитины, фитин и другие соединения; особенно много фосфора входит в состав костей. Фосфор жизненно необходим животным в процессах обмена веществ для накопления энергии. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в илы морей. Он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия для создания богатых фосфором пород, которые в свою очередь являются источником фосфора в биогенном цикле.

Содержание фосфора в земной коре составляет 8*10 -20 % (по весу). В свободном состоянии фосфор в природе не встречается вследствие его легкой окисляемости. В земной коре он находится в виде минералов (фторапатит, хлорапатит, вивианит и др.), которые входят в состав природных фосфатов – апатитов и фосфоритов. Фосфор имеет исключительное значение для жизни животных и растений.

Так как растения уносят из почвы значительное количество фосфора, а естественное пополнение фосфорными соединениями почвы крайне незначительно, то внесение в почву фосфорных удобрений является одним из важнейших мероприятий по повышению урожайности. Ежегодно в мире добывают приблизительно 125 млн. т. фосфатной руды. Большая ее часть расходуется на производство фосфатных удобрений.
2.6 Круговорот серы
Круговорот серы тесно связан с живым веществом. Сера в виде SO 2 , SO 3 , H 2 S и элементарной серы выбрасывается вулканами в атмосферу. С другой стороны, в природе в большом количестве известны различные сульфиды металлов: железа, свинца, цинка и др. Сульфидная сера окисляется в биосфере при участи многочисленных микроорганизмов до сульфатной серы SO 4 2 почв и водоемов. Сульфаты поглощаются растениями. В организмах сера входит в состав аминокислот и белков, а у растений, кроме того, - в состав эфирных масел и т.д. Процессы разрушения остатков организмов в почвах и в илах морей сопровождаются очень сложными превращениями серы. При разрушении белков при участии микроорганизмов образуется сероводород. Далее сероводород окисляется либо до элементарной серы, либо до сульфатов. В этом процессе участвуют разнообразные микроорганизмы, создающие многочисленные промежуточные соединения серы. Известны месторождения серы биогенного происхождения. Сероводород может вновь образовать «вторичные» сульфиды, а сульфатная сера создает гипс. В свою очередь сульфиды и гипс вновь подвергаются разрушению, и сера возобновляет свою миграцию.


3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КРУГОВОРОТ

ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ

Значительную роль в эволюции неживой природы играют живые организмы. Их деятельность существенно влияет на формирование состава атмосферы и земной коры. Большой вклад в понимание взаимосвязей между живой и неживой природой внёс выдающийся советский учёный В.И.Вернадский. Он выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты.

Таким образом, живые организмы, испытывая на себе влияние факторов неживой природы, своей деятельностью изменяют условия окружающей среды, т.е. среды своего обитания. Это приводит к изменению структуры всего сообщества - биоценоза.

Установлено, что азот, фосфор и калий могут оказывать наибольшее положительное влияние на урожаи культурных растений, и потому эти три элемента в наибольших количествах вносят в почву с удобрениями, применяемыми в сельском хозяйстве. Поэтому азот и фосфор оказались главной причиной ускоренной эвтрофизации озёр в странах с интенсивным земледелием. Эвтрофизация - это процесс обогащения водоёмов питательными веществами. Она представляет собой естественное явление в озёрах, так как реки приносят питательные вещества с окружающих дренажных площадей. Однако этот процесс обычно идёт очень медленно, в течение тысяч лет. Неестественная эвтрофизация, ведущая к стремительному увеличению продуктивности озёр, происходит в результате стока с сельскохозяйственных угодий, которые могут быть обогащены питательными веществами удобрений.

Существуют также два других важных источника фосфора - сточные воды и моющие средства. Сточные воды, как в своём первоначальном виде, так и обработанные, обогащены фосфатами. Бытовые детергенты содержат от 15% до 60% биологически разрушаемого фосфата. Кратко можно резюмировать, что эвтрофизация, в конце концов, приводит к истощению ресурсов кислорода и к гибели большинства живых организмов в озёрах, а в крайних ситуациях - и в реках.

Организмы в экосистеме связаны общностью энергии и питательных веществ, и необходимо чётко разграничить эти два понятия. Всю экосистему можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательные вещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, в который, в конце концов, и возвращаются либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов. Таким образом, в экосистеме происходит постоянный круговорот питательных веществ, в котором участвуют и живой и неживой компоненты. Такие круговороты называются биогеохимическими циклами.

На глубине в десятки километров горные породы и минералы подвергаются воздействию высоких давлений и температур. В результате происходит метаморфизм (изменение) их структуры, минерального, а иногда и химического состава, что приводит к образованию метаморфических пород.

Опускаясь ещё дальше в глубь Земли, метаморфические породы могут расплавиться и образовать магму. Внутренняя энергия Земли (т.е. эндогенные силы) поднимает магму к поверхности. С расплавленными горными породами, т.е. магмой, химические элементы выносятся на поверхность Земли во время извержений вулканов, застывают в толще земной коры в виде интрузий. Процессы горообразования поднимают глубинные горные породы и минералы на поверхность Земли. Здесь горные породы подвергаются воздействию солнца, воды, животных и растений, т.е. разрушаются, переносятся и отлагаются в виде осадков в новом месте. В результате образуются осадочные горные породы. Они накапливаются в подвижных зонах земной коры и при пригибании снова опускаются на большие глубины (свыше 10 км).

Вновь начинаются процессы метаморфизма, переправления, кристаллизации, и химические элементы возвращаются на поверхность Земли. Такой "маршрут" химических элементов называется большим геологическим круговоротом. Геологический круговорот не замкнут, т.к. часть химических элементов выходит из круговорота: уносится в космос, закрепляется прочными связями на земной поверхности, а часть поступает извне, из космоса, с метеоритами.

Геологический круговорот - это глобальное путешествие химических элементов внутри планеты. Более короткие путешествия они совершают на Земле в пределах отдельных её участков. Главный инициатор - живое вещество. Организмы интенсивно поглощают химические элементы из почвы, воздуха воды. Но одновременно и возвращают их. Химические элементы вымываются из растений дождевыми водами, выделяются в атмосферу при дыхании и отлагаются в почве после смерти организмов. Возвращённые химические элементы снова и снова вовлекаются живым веществом в "путешествия". Всё вместе и составляет биологический, или малый, круговорот химических элементов. Он тоже не замкнут.

Часть элементов-"путешественников" уносится за его пределы с поверхностными и грунтовыми водами, часть - на разное время "выключается" из круговорота и задерживается в деревьях, почве, торфе.

Ещё один маршрут химических элементов проходит сверху вниз от вершин и водоразделов к долинам и руслам рек, впадинам, западинам. На водоразделы химические элементы поступают только с атмосферными осадками, а выносятся вниз и с водою, и под действием силы тяжести. Расход вещества преобладает над поступлением, о чём говорит само название ландшафтов водоразделов - элювиальные.

На склонах жизнь химических элементов изменяется. Скорость их передвижения резко увеличивается, и они "проезжают" склоны, как пассажиры, удобно устроившиеся в купе поезда. Ландшафты склонов так и называются - транзитными.

"Отдохнуть" от дороги химическим элементам удаётся лишь в аккумулятивных (накапливающих) ландшафтах, расположенных в понижениях рельефа. В этих местах они часто и остаются, создавая для растительности хорошие условия питания. В некоторых случаях растительности приходится бороться уже с избытком химических элементов.

Уже много лет назад в распределение химических элементов вмешался человек. С начала ХХ столетия деятельность человека стала главным способом их путешествия. При добыче полезных ископаемых огромное количество веществ изымается из земной коры. Их промышленная переработка сопровождается выбросами химических элементов с отходами производства в атмосферу, воды, почвы. Это загрязняет среду обитания живых организмов. На земле появляются новые участки с высокой концентрацией химических элементов - рукотворные геохимические аномалии. Они распространены вокруг рудников цветных металлов (меди, свинца). Эти участки иногда напоминают лунные пейзажи, потому что практически лишены жизни из-за высоких содержании вредных элементов в почвах и водах. Остановить научно-технический прогресс невозможно, но человек должен помнить, что существует порог в загрязнении природной среды, переходить который нельзя, за которым неизбежны болезни людей и даже вымирание цивилизации.


4. ВЛИЯНИЕ ЧЕЛОВЕКА НА КРУГОВОРОТЫ

ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ
В отличие от энергии, которая однажды использованная организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимическими круговоротами. Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в неё другими бактериями.

Круговороты элементов и веществ осуществляются за счёт саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части экосистем. Эти процессы являются безотходными. В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже от вулканических извержений есть польза, так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы, например, азот.

Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах её развития, как и правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота. Ещё большую роль на биогеохимический круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере на сегодняшний день.

Когда 2 млрд. лет тому назад на Земле появилась жизнь, атмосфера состояла из вулканических газов. В ней было много углекислого газа и мало кислорода (если вообще был), и первые организмы были анаэробными. Так как продукция в среднем превосходила дыхание, за геологическое время в атмосфере накапливался кислород, и уменьшалось содержание углекислого газа. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается в результате сжигания больших количеств горючих ископаемых и уменьшения поглотительной способности «зелёного пояса». Последнее является результатом уменьшения количества самих зелёных растений, а также связано с тем, что пыль и загрязняющие частицы в атмосфере отражают поступающие в атмосферу лучи.

В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она довольно высока (для различных элементов и веществ она не одинакова), но, тем не менее, не абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы. Иначе невозможна была бы эволюция (наивысшая степень замкнутости биогеохимических круговоротов наблюдается в тропических экосистемах – наиболее древних и консервативных).

Таким образом, следует говорить не об изменении человеком того, что не должно меняться, а скорее о влиянии человека на скорость и направление изменений и на расширение их границ, нарушающее правило меры преобразования природы. Последнее формулируется следующим образом: в ходе эксплуатации природных систем нельзя превышать некоторые пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания. Нарушение меры, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к отрицательным результатам. Например, избыток вносимых удобрений столь же вреден, сколь и недостаток. Это чувство меры утеряно современным человеком, считающим, что в биосфере ему всё позволено.

Надежды на преодоление экологических трудностей связывают, в частности, с разработкой и введением в эксплуатацию замкнутых технологических циклов. Создаваемые человеком циклы превращения материалов считается желательным устраивать так, чтобы они были подобны естественным циклам круговорота веществ. Тогда одновременно решались бы проблемы обеспечения человечества невосполнимыми ресурсами и проблема охраны природной среды от загрязнения, поскольку ныне только 1 – 2% веса природных ресурсов утилизируется в конечном продукте.

Теоретически замкнутые циклы превращения вещества возможны. Однако полная и окончательная перестройка индустрии по принципу круговорота вещества в природе не реальна. Хотя бы временное нарушение замкнутости технологического цикла практически неизбежно, например, при создании синтетического материала с новыми, неизвестными природе свойствами. Такое вещество вначале всесторонне апробируется на практике, и только потом могут быть разработаны способы его разложения с целью внедрения составных частей в природные круговороты.


Заключение

По результатам проведённой работы по теме «Поток энергии и круговорот веществ в природе» можно сделать следующие выводы.

В настоящее время окружающей средой для человечества стала практически вся биосфера, для деятельности в которой человеку требуется все больше и больше энергии. Благодаря ископаемым энергетическим запасам (в основном нефть, угль, газ) стали возможными процессы индустриализации. Но их исчерпание в обозримом будущем неизбежно, поэтому необходимо искать другие источники энергии. К тому же человечеству грозит истощение невозобновляемых материальных ресурсов, таких как запасы серебра, цинка, урана и др. Несовершенство современной технологии не позволяет полностью перерабатывать минеральное сырье. Большая часть его возвращается в природу в виде отходов, загрязняющих атмосферу, гидросферу и литосферу.

К возобновляемым материальным ресурсам относятся растительный и животный мир, плодородие почв. Человек активно использует в сельском и лесном хозяйстве почти все наземные и многие водные биогеоценозы. Но в настоящее время его деятельность отражается практически на всех остальных естественных экосистемах. Антропогенные воздействия (загрязнение нефтью океанов, «парниковый эффект» вследствие увеличения СО 2 в атмосфере, «кислотные дожди», разрушение озонового экрана и др.) могут привести к значительным отклонениям в равновесии экосистем, делают прерывным биотический круговорот и отрицательно сказываются на биосфере в целом. Сбалансированность биологического круговорота, т.е. его уравновешенность, а, следовательно, и устойчивость экосистемы определяется максимально возможным числом связей между видами в пищевой сети. Поэтому все настойчивее выдвигаются требования создать промышленность, безвредную для природы.


Список используемых источников литературы

1. Болин Б., Десс Б. Р., Дж. Ягер, Уоррик Р. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1989

2. Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П. «Экология» - М.: Дрофа, 1995.

3. Мустафин А.Г., Лагкуева Ф.К., Быстренина Н.Г. и дрю; Под ред. В.Н. Ярыгина Биология. Для поступающих в вузы – Мю: Высшая школа, 1998.

4. Рудзидис Г., Фельдман Ф. Химия 11 – М.: Просвещение, 2001.

5. Фримантл М. Химия в действии – М.: Просвещение, 1999.