Fluxul de energie în ecosisteme. Ciclul materiei și energiei în natură Ciclul materiei și fluxul energiei în natură

Ciclul energetic al biosferei ecosistemului

Introducere

Conceptul și structura ecosistemelor

1 Conceptul de ecosisteme

2 Clasificarea ecosistemelor

3 Zonarea macroecosistemelor

4 Structura ecosistemelor

Factori care asigură integritatea ecosistemelor

1 Circulația substanțelor

2 Fluxul de energie în ecosisteme

3 Procese dinamice care asigură integritatea și rezistența ecosistemelor

4 Biosfera ca ecosistem global care asigură integritatea și sustenabilitatea ecosistemelor

Concluzie

Introducere

Un ecosistem este orice set de organisme și componente anorganice în care poate avea loc circulația substanțelor. Potrivit lui N.F. Reimers (1990), un ecosistem este orice comunitate de ființe vii și habitatul său, combinate într-un singur întreg funcțional, care decurge pe baza interdependenței și a relațiilor cauză-efect care există între componentele ecologice individuale. A. Tensley (1935) a propus următorul raport:

Alocați microecosisteme, mezoecosisteme, macroecosisteme și global - biosfera. Ecosistemele terestre mari se numesc biomi. Ecosistemele nu sunt împrăștiate în dezordine, dimpotrivă, sunt grupate în zone destul de regulate, atât pe orizontală (în latitudine), cât și pe verticală (în înălțime).

De la ecuator la poli, o anumită simetrie este vizibilă în distribuția biomilor din diferite emisfere: păduri tropicale, deșerturi, stepe, păduri temperate, păduri de conifere, taiga.

Fiecare ecosistem are două componente principale: organisme și factori ai mediului lor neînsuflețit. Totalitatea organismelor (plante, animale, microbi) se numește biota unui ecosistem. Din punct de vedere al structurii trofice (din greacă trofe - nutriție), ecosistemul poate fi împărțit în două niveluri: superior, inferior.

În ecosistem se disting următoarele componente: compuși anorganici, organici, aer, apă și mediu substrat, producători, organisme autotrofe, consumatori sau fagotrofi, descompozitori și detritofagi.

Energia solară de pe Pământ provoacă două cicluri de materie: mare sau geologic și mic, biologic (biotic).

Într-un ecosistem se disting ciclurile de substanțe. Cele mai studiate sunt: ​​ciclurile carbonului, oxigenului, azotului, fosforului, sulfului etc.

Menținerea activității vitale a organismelor și circulația materiei în ecosisteme, adică existența ecosistemelor, depinde de un aflux constant de energie solară.

Ecosistemele suferă în mod constant schimbări în starea și activitatea vitală a membrilor lor și raportul populațiilor. Diversele schimbări care au loc în orice comunitate sunt clasificate în două tipuri principale: ciclice și progresive.

Ecosistemul global este biosfera, care se caracterizează prin integritatea și stabilitatea ecosistemelor.

1. Conceptul și structura ecosistemelor

1 Conceptul de ecosisteme

Organismele vii și mediul lor neviu (abiotic) sunt indisolubil legate între ele, sunt în interacțiune constantă. Orice unitate (biosistem) a unui ecosistem este un sistem ecologic. Sistemul sau ecosistemul ecologic este principala unitate funcțională în ecologie, deoarece include organisme și mediul neînsuflețit - componente care se influențează reciproc proprietățile și condițiile necesare pentru menținerea vieții în forma ei care există pe Pământ. Termenul „ecosistem” a fost propus pentru prima dată în 1935 de către ecologistul englez A. Tensley. În prezent, următoarea definiție a unui ecosistem este utilizată pe scară largă. Un ecosistem este orice set de organisme și componente anorganice în care poate avea loc circulația substanțelor. Potrivit lui N.F. Reimers (1990), un ecosistem este orice comunitate de ființe vii și habitatul său, combinate într-un singur întreg funcțional, care decurge pe baza interdependenței și a relațiilor cauză-efect care există între componentele ecologice individuale. Trebuie subliniat faptul că combinarea unui mediu fizic și chimic specific (biotop) cu o comunitate de organisme vii (biocenoză) formează un ecosistem. A. Tensley (1935) a propus următorul raport:

Ecosistem = Biotop + Biocenoză

Prin definiție, V.N. Sukacheva, biogeocenoza este „un ansamblu într-o măsură cunoscută suprafața pământului fenomene naturale omogene (atmosfera, roci, sol și condiții hidrologice), care are propriile interacțiuni specifice ale acestor componente constitutive și un anumit tip de schimb de materie și energie între ele și alte fenomene naturale și este o unitate dialectică contradictorie în interior, care este în mișcare constantă, dezvoltare”.

Pe lângă conceptele de ecosistem lui A. Tensley și V.N. Sukaciov a formulat regula lui F. Evans (1956), care a propus să se folosească termenul „ecosistem” absolut „adimensional” pentru a se referi la orice sistem supraorganism viu care interacționează cu mediul. Cu toate acestea, mulți autori au dat termenului „ecosistem” sensul de biogeocenoză, adică. ecosistem elementar, și în același timp superior în ierarhia formațiunilor suprabiogeocenotice până la ecosistemul biosferei.

2 Clasificarea ecosistemelor

Ecosistemele care există pe Pământ sunt diverse. Există microecosisteme (de exemplu, trunchiul unui copac putrezit), mezoecosisteme (pădure, iaz etc.), macroecosisteme (continent, ocean etc.) și cel global - biosfera.

Ecosistemele terestre mari se numesc biomi. Fiecare biom include un număr de ecosisteme mai mici, interconectate. Există mai multe clasificări ale ecosistemelor:

pădure tropicală veșnic verde

Deșert: Chaparral ierbos și arbuști - zone cu ierni ploioase și veri secetoase

Pajiști tropicale și savana

zona temperată de stepă

Pădure temperată de foioase

păduri boreale de conifere

Tundra: arctică și alpină

Tipuri de ecosisteme de apă dulce:

Banda (apa stagnanta): lacuri, iazuri etc.

Lotice (ape curgătoare): râuri, pâraie etc.

Zone umede: mlaștini și păduri mlăștinoase

Tipuri de ecosisteme marine

Ocean deschis (pelagic)

Apele platformei continentale (ape de coastă)

Zone de upwelling (zone fertile cu pescuit productiv)

Estuare (goluri de coastă, strâmtori, gurile de râu, mlaștini sărate etc.). Biomii terestre se disting aici prin caracteristicile naturale sau originale ale vegetației, iar tipurile de ecosisteme acvatice prin caracteristicile geologice și fizice. Principalele tipuri de ecosisteme enumerate reprezintă mediul în care s-a dezvoltat civilizația umană, reprezintă principalele comunități biotice care susțin viața pe Pământ.

3 Zonarea macroecosistemelor

Studiul distribuției geografice a ecosistemelor nu poate fi întreprins decât la nivelul marilor unități ecologice - macroecosisteme, care sunt considerate la scară continentală. Ecosistemele nu sunt împrăștiate în dezordine, dimpotrivă, sunt grupate în zone destul de regulate, atât pe orizontală (în latitudine), cât și pe verticală (în înălțime). Acest lucru este confirmat de A.A. Grigorieva - M.I. Budyko: odată cu schimbarea centurilor fizico-geografice ale Pământului, zone de peisaj similare și unele dintre proprietățile lor generale sunt repetate periodic. Acest lucru a fost discutat și atunci când am luat în considerare mediul sol-aer al vieții. Periodicitatea stabilită de lege se manifestă prin faptul că valorile indicelui de uscăciune variază în zone diferite de la 0 la 4-5, de trei ori între poli și ecuator sunt apropiate de unitate. Aceste valori corespund cu cea mai mare productivitate biologică a peisajelor.

Repetarea periodică a proprietăților în seria sistemelor de un nivel ierarhic este probabil legea generală a universului, formulată ca legea periodicității structurii mulțimilor de sisteme, sau legea sistem-periodică - sisteme naturale specifice unui nivel. (subnivelul) de organizare constituie o serie periodică sau care se repetă de structuri similare din punct de vedere morfologic în interiorul granițelor spațiu-timp superioare și inferioare ale sistemului dincolo de care existența sistemelor de un anumit nivel devine imposibilă. Ele intră într-o stare instabilă sau se transformă într-o structură de sistem diferită, inclusiv la un alt nivel de organizare.

Temperatura și precipitațiile determină distribuția biomilor terești majori pe suprafața pământului. Regimul de temperatură și precipitații într-o anumită zonă pentru o perioadă de timp suficient de lungă este ceea ce numim climă. Clima din diferite părți ale lumii nu este aceeași. Cantitatea anuală de precipitații variază de la 0 la 2500 mm și mai mult. Modurile de temperatură și precipitații sunt combinate între ele într-un mod foarte inegal.

Specificul condițiilor climatice, la rândul său, determină dezvoltarea unui anumit biom.

De la ecuator la poli, o anumită simetrie este vizibilă în distribuția biomilor din diferite emisfere:

Pădurile tropicale (nordul Americii de Sud, America Centrală, părțile de vest și centrale ale Africii ecuatoriale, Asia de Sud-Est, regiunile de coastă din nord-vestul Australiei, insulele Oceanului Indian și Pacific). Clima - fără schimbare de anotimp (apropierea de ecuator), temperatura medie anuală peste 17°С (de obicei 28°С), precipitații - cantitatea medie anuală depășește 2400 mm.

Vegetație: dominată de păduri. Unele specii de arbori cu înălțimea de până la 60 m. Pe trunchiurile și ramurile lor se află plante epifite ale căror rădăcini nu ajung în sol și viță de vie lemnoasă care prind rădăcini în sol și urcă în copaci până la vârfuri. Toate acestea formează un baldachin dens.

Viața animală: compoziția speciei este mai bogată decât în ​​toate celelalte biomi combinate. Mai ales numeroși sunt amfibienii, reptilele și păsările (broaște, șopârle, șerpi, papagali), maimuțele și alte mamifere mici, insectele exotice cu culori strălucitoare și peștii viu colorați în corpurile de apă.

Caracteristici: soluri, adesea subțiri și sărace, majoritatea nutrienților sunt conținute în biomasa suprafeței vegetației înrădăcinate.

2. Savane (Africa subcuatorială, America de Sud, o parte semnificativă din sudul Indiei). Clima este uscată și caldă în cea mai mare parte a anului. Ploaie abundentă în sezonul umed. Temperatura: medie anuală-mare. Precipitații - 750-1650 mm/an, în principal în sezonul ploios. Vegetație - plante bluegrass (cereale) cu copaci de foioase rari. Lumea animalelor: mamifere mari erbivore, cum ar fi antilope, zebre, girafe, rinoceri, prădători - lei, leoparzi, gheparzi.

Deșerturi (unele zone din Africa, cum ar fi Sahara; Orientul Mijlociu și Asia Centrală, Marele Bazin și sud-vestul Statelor Unite și nordul Mexicului etc.). Clima este foarte uscată. Temperatura - zile calde si nopti reci. Precipitații - mai puțin de 250 mm/an. Vegetație: arbust rar, adesea spinos, uneori - cactusi și ierburi joase, acoperind rapid pământul cu un covor înflorit după ploi rare. Sistemele radiculare ale plantelor sunt extinse, superficiale, interceptând umiditatea din precipitațiile rare, precum și rădăcinile pivotante care pătrund în pământ până la nivelul apei subterane (30 m și mai adânc). Fauna: diferite rozătoare (șobolan cangur etc.), broaște râioase, șopârle, șerpi și alte reptile, bufnițe, vulturi, vulturi, păsări mici și insecte în număr mare.

4. Stepe (centru America de Nord, Rusia, părți din Africa și Australia, sud-estul Americii de Sud). Clima este sezonieră. Temperatura - vara de la cald moderat la cald, iarna temperaturi sub 0°C. Precipitații - 750-2000 mm/an. Vegetație: bluegrass (cereale) de până la 2 m înălțime și mai mare domină în unele prerii din America de Nord sau până la 50 cm, de exemplu, în stepele Rusiei, cu arbori și arbuști individuali în zonele umede. Fauna: mamifere erbivore mari - zimbri, antilope pronghorn (America de Nord), cai sălbatici (Eurasia), canguri (Australia), girafe, zebre, rinoceri albi, antilope (Africa); prădătorii includ coioți, lei, leoparzi, gheparzi, hiene, diverse păsări și mamifere mici care se îngroape, cum ar fi iepure, gopher, aardvark.

5. Păduri din zona temperată (Europa de Vest, Asia de Est, estul SUA). Clima este sezonieră cu temperaturi de iarnă sub 0 0C. Precipitaţii-750-2000 mm/an. Vegetație: dominată de păduri de specii de foioase cu frunze late de până la 35-45 m înălțime (stejar, hickory, artar), tufăriș, mușchi, licheni. Fauna: mamifere (cerbul cu coada albă, porcul, raton, oposum, veveriță, iepure, scorpie), păsări (vârlii, ciocănitoare, sturzi, bufnițe, șoimi), șerpi, broaște, salamandre, pești (păstrăv, biban, somn etc. . ), microfaună abundentă a solului (Fig. 12.3).

Biota este adaptată la climatul sezonier: hibernare, migrație, repaus în lunile de iarnă.

6. Păduri de conifere, taiga (regiunile nordice ale Americii de Nord, Europa și Asia). Clima - ierni lungi și reci, uneori precipitațiile cad sub formă de zăpadă. Vegetație: domină pădurile de conifere veșnic verzi, mai ales molid, pin, brad. Fauna: ungulate erbivore mari (cerbul catâr, reni), mamifere erbivore mici (iepure, veveriță, rozătoare), lup, râs, vulpe, urs negru, grizzly, gunoi, nurcă și alți prădători, numeroase insecte suge de sânge în timpul scurt de vară . Clima este foarte rece, cu o zi polară și o noapte polară. Temperatura - medie anuală sub - 5°С. În câteva săptămâni dintr-o vară scurtă, pământul nu se dezgheță la mai mult de un metru adâncime. Precipitațiile sunt mai mici de 250 mm/an. Vegetație: dominată de licheni cu creștere lentă, mușchi, ierburi și rogoz, arbuști pitici. Fauna: ungulate erbivore mari (reni, bou moscat), mici mamifere vizuitoare (pe tot parcursul anului, de exemplu, lemmings), prădători care capătă o culoare albă de mascare iarna (vulpe arctică, râs, hermină, bufniță de zăpadă). În vara scurtă, un număr mare de păsări migratoare cuibăresc în tundra, printre acestea se numără în special multe păsări de apă, care se hrănesc cu insecte și nevertebrate de apă dulce care sunt abundente aici.

Foarte clară este și zonalitatea altitudinală verticală a ecosistemelor terestre, mai ales în locurile cu relief pronunțat.

Umiditatea este principalul factor care determină tipul de biom. Cu o cantitate suficient de mare de precipitații se dezvoltă vegetația forestieră. Temperatura determină tipul de pădure. Același lucru este valabil și pentru biomii de stepă și deșert. Schimbarea tipurilor de vegetație în regiunile reci are loc la cantități anuale mai mici de precipitații, deoarece or temperaturi scăzute se pierde mai puțină apă prin evaporare. Factorul de temperatură devine principal doar în condiții foarte reci cu permafrost.

Astfel, compoziția ecosistemelor depinde în mare măsură de „scopul” lor funcțional și invers.

Potrivit lui N.F. Reimers (1994), acest lucru se reflectă în principiul complementarității ecologice (adiționalității): nicio parte funcțională a unui ecosistem (componentă ecologică, element etc.) nu poate exista fără alte părți complementare funcțional. Principiul congruenței ecologice (corespondența) care o extinde este, de asemenea, apropiat de acesta: completându-se funcțional între ele, componentele vii ale ecosistemului dezvoltă adaptări adecvate pentru aceasta, coordonate cu condițiile mediului abiotic, care sunt în mare măsură transformate de aceleași organisme (bioclimat etc.), adică. există un dublu rând de corespondență - între organisme și habitatul lor - extern și creat de cenoză.

4 Structura ecosistemelor

Din punctul de vedere al structurii trofice (din greacă trofe - nutriție), ecosistemul poate fi împărțit în două niveluri:

Cel de sus este un strat autotrof (de auto-hrănire), sau „centa verde”, care include plantele sau părțile acestora care conțin clorofilă, unde predomină fixarea energiei de numărare și utilizarea compușilor anorganici simpli.

Cel de jos este un strat heterotrof (altele hrănite), sau „brâu brun” de soluri și sedimente, materie în descompunere, rădăcini etc., în care predomină utilizarea, transformarea și descompunerea compușilor complecși.

Din punct de vedere biologic, în ecosistem se disting următoarele componente:

1. anorganic;
2. compusi organici;
3. aer, apă și mediu de substrat;
4. producători, organisme autotrofe;
5. consumatori sau fagotrofi;
6. descompozitori și detritofagi.

Într-un ecosistem, relațiile alimentare și energetice dintre categorii sunt întotdeauna clare și merg în direcția:

autotrofe - heterotrofe sau într-o formă mai completă;

autotrofe -> consumatori -> descompunetori (distructori).

Sursa primară de energie pentru ecosisteme este Soarele. Fluxul de energie (după T.A. Akimova, V.V. Khaskin, 1994), trimis de soare către planeta Pământ, depășește 20 de milioane de EJ pe an. Doar un sfert din acest curent se apropie de limita atmosferei. Aproximativ 70% din ea este reflectată, absorbită de atmosferă, radiată sub formă de lungimi de undă lungi. Radiatii infrarosii. căzând la suprafața pământului radiatie solara este de 1,54 milioane EJ pe an. aceasta o cantitate mare energia este de 5000 de ori mai mare decât întreaga energie a omenirii la sfârșitul secolului al XX-lea și de 5,5 ori energia tuturor resurselor disponibile de combustibili fosili de origine organică, acumulate pe parcursul a cel puțin 100 de milioane de ani.

Cea mai mare parte a energiei solare care ajunge la suprafața planetei este transformată direct în căldură, încălzind apă sau sol, care la rândul său încălzește aerul. Această căldură este forța motrice din spatele ciclului apei, curenții de aer și curenții oceanici care determină vremea, este eliberată treptat în spațiul cosmic, unde se pierde. Pentru a determina locul ecosistemelor în acest flux de energie naturală, este important să ne dăm seama că, oricât de extinse și complexe sunt acestea, folosesc doar o mică parte din ea. De aici rezultă unul dintre principiile de bază ale funcționării ecosistemelor: ele există în detrimentul energiei solare nepoluante și practic eterne, a cărei cantitate este relativ constantă și abundentă. Să dăm mai detaliat fiecare dintre caracteristicile enumerate ale energiei solare:

1. Exces. Plantele folosesc aproximativ 0,5% din cantitatea sa ajungând pe Pământ, energia solară se transformă în cele din urmă în căldură, apoi o creștere a utilizării acesteia nu ar trebui să afecteze dinamica biosferei.
2. Puritate. Energia solară este „curată”, deși reacțiile nucleare care au loc în intestinele Soarelui și servesc drept sursă de energie a acestuia sunt însoțite de contaminare radioactivă, toate rămânând la 150 de milioane de km de Pământ.
3. Constanţă. Energia solară va fi întotdeauna disponibilă în aceeași cantitate, nelimitată.
4. Eternitate. Soarele va iesi peste cateva miliarde de ani. Cu toate acestea, pentru noi acest lucru nu are nicio importanță practică, deoarece, conform datelor moderne, oamenii există doar de aproximativ 3 milioane de ani. Aceasta este doar 0,3% dintr-un miliard. Prin urmare, chiar dacă în 1 miliard de ani viața pe Pământ devine imposibilă, omenirea are încă 99,7% din această perioadă în rezervă, sau la fiecare 100 de ani va scădea cu doar 0,00001%.

2. Factori care asigură integritatea ecosistemelor

1 Circulația substanțelor

Ambele cicluri sunt interconectate și reprezintă, parcă, un singur proces. Se estimează că tot oxigenul conținut în atmosferă este circulat prin organisme (legat în timpul respirației și eliberat în timpul fotosintezei) în 2000 de ani, dioxidul de carbon atmosferic circulă în sens invers în 300 de ani, iar toate apele de pe Pământ sunt descompuse și recreate. prin fotosinteză și respirație în 2000000 de ani.

Interacțiunea factorilor abiotici și a organismelor vii ale ecosistemului este însoțită de o circulație continuă a materiei între biotop și biocenoză sub formă de compuși alternativi fie organici, fie minerali. schimb valutar elemente chimiceîntre organismele vii și mediul anorganic, ale cărui diferite etape apar în cadrul ecosistemului, se numește ciclu biogeochimic sau ciclu biogeochimic.

Ciclul apei. Cel mai semnificativ ciclu de pe Pământ în ceea ce privește masele transportate și costurile energetice este ciclul hidrologic planetar - ciclul apei.

În fiecare secundă, 16,5 milioane m3 de apă sunt implicați în ea și mai mult de 40 de miliarde de MW de energie solară sunt cheltuite pentru ea (conform lui T.A. Akimova V.V. Khaskin, (1994)). Dar acest ciclu nu este doar transferul maselor de apă. Acestea sunt transformări de fază, formarea soluțiilor și suspensiilor, precipitarea, cristalizarea, procesele de fotosinteză, precum și diverse reacții chimice. În acest mediu, viața a apărut și continuă. Apa este elementul de bază necesar vieții. Cantitativ, aceasta este cea mai comună componentă anorganică a materiei vii. La oameni, apa reprezintă 63% din greutatea corporală, ciupercile - 80%, plantele - 80-90%, iar unele meduze - 98%

Apa, așa cum vom vedea puțin mai târziu, participând la ciclul biologic și servind ca sursă de hidrogen și oxigen, este doar o mică parte din volumul său total.

În stare lichidă, solidă și de vapori, apa este prezentă în toate cele trei componente principale ale biosferei: atmosferă, hidrosferă, litosferă. Toate apele sunt unite prin conceptul general de „hidrosferă”. Componentele hidrosferei sunt interconectate prin schimb și interacțiune constantă. Apa, trecând continuu dintr-o stare în alta, face cicluri mici și mari. Evaporarea apei de la suprafața oceanului, condensarea vaporilor de apă în atmosferă și precipitațiile la suprafața oceanului formează un mic ciclu. Când vaporii de apă sunt transportați de curenții de aer către pământ, ciclul devine mult mai complicat. În același timp, o parte din precipitații se evaporă și se întoarce în atmosferă, în timp ce cealaltă parte hrănește râurile și rezervoarele, dar în cele din urmă se întoarce în ocean cu scurgerile fluviale și subterane, completând astfel un ciclu mare.

Circulația biotică (biologică). Ciclul biotic (biologic) este înțeles ca circulația substanțelor între sol, plante, animale și microorganisme. Ciclul biotic (biologic) este intrarea elementelor chimice din sol, apă și atmosferă în organismele vii, transformarea elementelor care intră în ele în noi compuși complecși și revenirea lor înapoi în procesul vieții odată cu căderea anuală a unei părți. a materiei organice sau cu organisme complet moarte incluse în compoziția ecosistemului. Acum vom prezenta ciclul biotic în formă ciclică. Ciclul biotic primar (conform lui T.A. Akimova, V.V., Khaskhin) a constat din producători unicelulari primitivi (P) și descompozitori-distructori (D). Microorganismele sunt capabile să se înmulțească rapid și să se adapteze la diferite condiții, de exemplu, să folosească tot felul de substraturi - surse de carbon în dieta lor. organisme superioare nu au astfel de abilitati. În ecosistemele integrale, ele pot exista ca o configurație pe fundația microorganismelor.

În primul rând, se dezvoltă plante multicelulare (P) - cei mai mari producători. Împreună cu organismele unicelulare, ele creează materie organică în procesul de fotosinteză folosind energia radiației solare. În viitor, consumatorii primari sunt conectați - ierbivorele (T), iar apoi consumatorii carnivori. Am luat în considerare circulația biotică a pământului. Acest lucru se aplică pe deplin ciclului biotic al ecosistemelor acvatice, cum ar fi oceanul.

Toate organismele ocupă un anumit loc în ciclul biotic și își îndeplinesc funcțiile de transformare a ramurilor fluxului energetic pe care îl obțin și de transfer de biomasă. Toți sunt uniți, depersonalizați prin substanțele lor și sistemul de descompunetori unicelulari (distructori) închide cercul general. Ei returnează în mediul abiotic al biosferei toate elementele necesare pentru noi și noi revoluții.

Trebuie subliniate cele mai importante caracteristici ale ciclului biotic.

Fotosinteza este un proces natural puternic care implică anual mase uriașe de materie din biosferă în ciclu și determină potențialul său ridicat de oxigen.

Datorită dioxidului de carbon și apei, materia organică este sintetizată și se eliberează oxigen liber. Produșii directi ai fotosintezei sunt diverși compuși organici și, în general, procesul de fotosinteză este destul de complex.

Pe lângă fotosinteza cu participarea oxigenului, așa-numita fotosinteză cu oxigen, ar trebui să ne oprim asupra fotosintezei fără oxigen sau chimiosintezei.

Organismele chemosintetice includ nitrificatorii, carboxibacteriile, bacteriile cu sulf, bacteriile tionice de fier și bacteriile cu hidrogen. Ele sunt denumite după substraturile de oxidare, care pot fi NH3, NO2, CO, H2S, S, Fe2+, H2. Unele specii sunt chemolitoautotrofe obligatorii, altele sunt facultative. Acestea din urmă includ carboxidobacteriile și bacteriile cu hidrogen. Chemosinteza este caracteristică gurilor hidrotermale de adâncime.

Fotosinteza are loc, cu puține excepții, pe întreaga suprafață a Pământului, creează un efect geochimic uriaș și poate fi exprimată ca cantitatea din întreaga masă de carbon implicată anual în construcția materiei organice - vie a întregii biosfere. În ciclul general al materiei asociat cu construcția materiei organice prin fotosinteză, sunt implicate și elemente chimice precum N, P, S, precum și metale - K, Ca, Mg, Na, Al.

Când organismul moare, are loc procesul invers - descompunerea materiei organice prin oxidare, descompunere etc. cu formarea produselor finite de descompunere.

În biosfera Pământului, acest proces duce la faptul că cantitatea de biomasă a materiei vii tinde spre o anumită constanță. Biomasa ecosferei (2 10|2t) este cu șapte ordine de mărime mai mică decât masa scoarței terestre (2,10|9t). Plantele Pământului produc anual materie organică egală cu 1,6,10 "% sau 8% din biomasa ecosferei. Destructorii, care reprezintă mai puțin de 1% din biomasa totală a organismelor planetei, procesează o masă de materie organică care este de 10 ori mai mare decât propria biomasă.În medie, perioada de reînnoire a biomasei este de 12,5 ani Presupunând că masa materiei vii și productivitatea biosferei au fost aceleași de la Cambrian până în prezent (530 de milioane de ani), atunci cantitatea totală de materie organică care a trecut prin ciclul biotic global și a fost folosită de viața de pe planetă va fi de 2,10 " 2-5,ZL08/12,5=8,5L0|9t, care este de 4 ori masa scoarței terestre. Referitor la aceste calcule, N.S. Pechurkin (1988) a scris: „Putem spune că atomii care alcătuiesc corpurile noastre au fost în bacterii antice, și în dinozauri și în mamuți”.

Legea migrării biogene a atomilor V.I. Vernadsky afirmă: „Migrarea elementelor chimice de pe suprafața pământului și în biosferă în ansamblu se realizează fie cu participarea directă a materiei vii (migrația biogenă), fie are loc într-un mediu ale cărui caracteristici geochimice (O2, CO2, H2 etc.) sunt determinate de materia vie, atât cea care locuiește în prezent în biosferă, cât și cea care a acționat asupra Pământului de-a lungul istoriei geologice.

IN SI. Vernadsky în 1928-1930 în generalizările sale profunde cu privire la procesele din biosferă, a dat o idee despre cele cinci funcții biogeochimice principale ale materiei vii.

Prima funcție este gazul.

A doua funcție este concentrarea.

A treia funcție este redox.

A patra funcție este biochimică.

A cincea funcție este activitatea biogeochimică a omenirii, acoperind o cantitate din ce în ce mai mare din substanța scoarței terestre pentru nevoile industriei, transporturilor și agriculturii.

Ciclul biologic variază în diferite zone naturale și este clasificat în funcție de un set de indicatori: biomasă vegetală, așternut, așternut, cantitatea de elemente fixate în biomasă etc.

Biomasa totală este cea mai mare în zona forestieră, iar ponderea organelor subterane din păduri este cea mai mică. Acest lucru este confirmat de indicele de intensitate al ciclului biologic - valoarea raportului dintre masa așternutului și acea parte a așternutului care o formează.

Ciclul carbonului. Dintre toate ciclurile biogeochimice, ciclul carbonului este, fără îndoială, cel mai intens. DIN de mare viteză carbonul circulă între diverse medii anorganice și prin rețele trofice în cadrul comunităților de organisme vii.

CO și CO2 joacă un anumit rol în ciclul carbonului.În biosfera Pământului, carbonul este adesea reprezentat de cea mai mobilă formă de CO2. Sursa primară de dioxid de carbon din biosferă este activitatea vulcanică asociată cu degazarea seculară a mantalei și orizonturile inferioare ale scoarței terestre.

Migrarea CO2 în biosferă are loc în două moduri.

Prima modalitate este de a o absorbi în procesul de fotosinteză cu formarea glucozei și a altor substanțe organice din care sunt construite toate țesuturile plantelor. În viitor, ele sunt transferate de-a lungul lanțurilor trofice și formează țesuturile tuturor celorlalte creaturi vii ale ecosistemului. Odată cu moartea plantelor și animalelor la suprafață, materia organică este oxidată cu formarea de CO2.

Atomii de carbon sunt, de asemenea, returnați în atmosferă atunci când materia organică este arsă. O caracteristică importantă și interesantă a ciclului carbonului este aceea că în epoci geologice îndepărtate, cu sute de milioane de ani în urmă, o parte semnificativă din materia organică creată în procesele de fotosinteză nu a fost folosită nici de consumatori, nici de descompunetori, ci acumulată în litosferă. sub formă de combustibili fosili: petrol, cărbune, șisturi bituminoase, turbă etc. Acest combustibil fosil este extras în cantități uriașe pentru a satisface nevoile energetice ale societății noastre industriale. Prin arderea acestuia, într-un anumit sens completăm ciclul carbonului.

În al doilea mod, migrarea carbonului se realizează prin crearea unui sistem de carbonat în diferite corpuri de apă, unde CO2 trece în H2CO3, HCO, CO3. Cu ajutorul calciului (sau magneziului) dizolvat în apă, carbonații (CaCO3) sunt precipitați în moduri biogene și abiogene. Se formează straturi groase de calcare. Potrivit lui A.B. Ronov, raportul dintre carbonul îngropat din produsele fotosintezei și carbonul din rocile carbonatice este de 1:4. Odată cu ciclul mare al carbonului, există o serie de cicluri mici pe suprafața pământului și în ocean.

În general, fără interferențe antropice, conținutul de carbon din rezervoarele biogeochimice: biosfera (biomasă + sol și detritus), roci sedimentare, atmosferă și hidrosferă, rămâne cu un grad ridicat de constanță (după T.A. Akimova, V.V. Khaskin (1994) ) . Schimbul constant de carbon, pe de o parte, între biosferă și, pe de altă parte, între atmosferă și hidrosferă, datorită funcției gazoase a materiei vii - procesele de fotosinteză, respirație și distrugere, și este de aproximativ 6 „1010 t/an. Există un aport de carbon în atmosferă și hidrosferă și în timpul activității vulcanice o medie de 4,5 106 t/an. Masa totală de carbon din combustibilii fosili (petrol, gaz, cărbune etc.) este estimată la 3,2*1015 tone, ceea ce corespunde unei rate medii de acumulare de 7 milioane tone/an. Această cantitate este nesemnificativă în comparație cu masa de carbon circulant și, parcă a căzut din ciclu, s-a pierdut în ea. Prin urmare, gradul de deschidere (imperfecțiune) al ciclului este de 10 - 4, sau 0,01% și, în consecință, gradul de închidere este de 99,99%.Aceasta înseamnă, pe de o parte, că fiecare atom de carbon a luat parte la ciclu. de zeci de mii de ori înainte de a cădea, pe de altă parte, fluxurile de sinteză și degradare a substanțelor organice din biosferă sunt ajustate între ele cu o precizie foarte mare.

0,2% din stocul mobil de carbon este în circulație constantă. Carbonul biomasei este actualizat în 12, atmosfera - în 8 ani.

Ciclul oxigenului. Oxigenul (O2) joacă un rol important în viața majorității organismelor vii de pe planeta noastră. În termeni cantitativi, aceasta este componenta principală a materiei vii. De exemplu, dacă luăm în considerare apa care este conținută în țesuturi, atunci corpul uman conține 62,8% oxigen și 19,4% carbon. În general, în biosferă, acest element, în comparație cu carbonul și hidrogenul, este elementul principal printre substanțele simple. În biosfere, există un schimb rapid de oxigen cu organismele vii sau cu rămășițele acestora după moarte. Plantele, de regulă, produc oxigen liber, iar animalele îi sunt consumatorii prin respirație. Fiind cel mai comun și mobil element de pe Pământ, oxigenul nu limitează existența și funcțiile ecosferei, deși disponibilitatea oxigenului pentru organismele acvatice poate fi limitată temporar. Ciclul oxigenului în biosferă este extrem de complex, deoarece un număr mare de substanțe organice și anorganice reacţionează cu acesta. Ca urmare, multe epicicluri apar între litosferă și atmosferă, sau între hidrosferă și aceste două medii. Ciclul oxigenului este oarecum similar cu ciclul invers al dioxidului de carbon. Mișcarea unuia are loc în direcția opusă mișcării celeilalte.

Consumul de oxigen atmosferic și înlocuirea acestuia de către producători primari se produce relativ rapid. Astfel, este nevoie de 2.000 de ani pentru a reînnoi complet tot oxigenul atmosferic. În timpul nostru, acumularea de oxigen în atmosferă nu are loc, iar conținutul acestuia (20,946%) rămâne constant.

În atmosfera superioară, când radiațiile ultraviolete acționează asupra oxigenului, se formează ozon - O3.

Aproximativ 5% din energia solară care vine pe Pământ este cheltuită pentru formarea ozonului - aproximativ 8,6 * 1015 W. Reacțiile sunt ușor reversibile. În timpul descompunerii ozonului, această energie este eliberată, datorită căreia în atmosfera superioară se menține căldură. Concentrația medie de ozon în atmosferă este de aproximativ 106 vol. %; concentrația maximă de O3 - până la 4-10 "* vol.% se atinge la altitudini de 20-25 km (T.A. Akimova, V.V. Khaskin, 1998).

Ozonul servește ca un fel de filtru UV: reține o parte semnificativă din dur raze ultraviolete. Probabil, formarea stratului de ozon a fost una dintre condițiile pentru apariția vieții din ocean și așezarea pământului.

Majoritatea oxigenului produs în epocile geologice nu a rămas în atmosferă, ci a fost fixat de litosferă sub formă de carbonați, sulfați, oxizi de fier etc. Această masă este de 590 * 1014 tone față de 39 * 1014 tone de oxigen, care circulă în biosferă sub formă de gaz sau sulfați dizolvați în apele continentale și oceanice.

Ciclul azotului. Azotul este un element biogen indispensabil, deoarece face parte din proteine ​​și acizi nucleici. Ciclul azotului este unul dintre cele mai complexe, deoarece include atât faza gazoasă, cât și faza minerală și, în același timp, ciclurile cele mai ideale.

Ciclul azotului este strâns legat de ciclul carbonului. De regulă, azotul urmează carbonului, cu care participă la formarea tuturor substanțelor proteice.

Aerul atmosferic, care conține 78% azot, este un rezervor inepuizabil. Cu toate acestea, majoritatea organismelor vii nu pot folosi acest azot direct. Pentru asimilarea azotului de către plante, este necesar ca acesta să facă parte din ionii de amoniu (NH*) sau nitrat (NO3)

Azotul gazos este eliberat continuu în atmosferă ca urmare a muncii bacteriilor denitrificatoare, iar bacteriile de fixare, împreună cu algele albastre-verzi (cianofite), îl absorb în mod constant, transformându-l în nitrați.

Ciclul azotului se observă clar și la nivelul descompozitorilor. Proteinele și alte forme de azot organic conținute în plante și animale după moartea acestora sunt expuse bacteriilor heterotrofe, actinomicete, ciuperci (microorganisme bioreducătoare), care produc energia de care au nevoie prin reducerea acestui azot organic, transformându-l în amoniac.

În sol are loc procesul de nitrificare, constând dintr-un lanț de reacții, în care, cu participarea microorganismelor, ionul de amoniu (NH4+) este oxidat în nitrit (NO~) sau nitrit în nitrat (N0~). Reducerea nitriților și nitraților la compuși gazoși ai azotului molecular (N2) sau protoxidului de azot (N20) este esența procesului de denitrificare.

Formarea nitraților în mod anorganic în cantități mici are loc în mod constant în atmosferă prin legarea azotului atmosferic cu oxigenul în procesul de descărcări electrice în timpul furtunilor, iar apoi căderea la suprafața solului cu ploaie.

Vulcanii sunt o altă sursă de azot atmosferic, compensând pierderea de azot care este oprită din ciclu în timpul sedimentării sau depunerii pe fundul oceanelor.

În general, aportul mediu de azot nitrat de origine abiotică în timpul precipitațiilor din atmosferă în sol nu depășește 10 kg (an/ha), bacteriile libere furnizează 25 kg (an/ha), în timp ce simbioza Rhizobium cu leguminoase produce o medie de 200 kg.(an/ha). Partea predominantă a azotului legat este procesată prin bacterii denitrificatoare în N2 și este returnată din nou în atmosferă. Doar aproximativ 10% din azotul amonificat și nitrificat este absorbit din sol de plantele superioare și se află la dispoziția reprezentanților multicelulari ai biocenozelor.

Ciclul fosforului. Ciclul fosforului din biosferă este asociat cu procesele metabolice la plante și animale. Acest element important și indispensabil al protoplasmei, conținut în plante terestre și alge 0,01-0,1%, animale de la 0,1% la câteva procente, circulă, transformându-se treptat din compuși organici în fosfați, care pot fi din nou utilizați de plante.

Cu toate acestea, fosforul, spre deosebire de alte elemente biofile, nu formează o formă gazoasă în timpul migrării. Rezervorul de fosfor nu este atmosfera, ca azotul, ci partea minerală a litosferei. Principalele surse de fosfor anorganic sunt rocile magmatice (apatite) sau rocile sedimentare (fosforite). Din roci, fosforul anorganic este atras în circulație prin levigare și dizolvare în apele continentale. Intrarea în ecosistemele pământului, solului, fosforul este absorbit de plante dintr-o soluție apoasă sub formă de ion fosfat anorganic și este inclus în diverși compuși organici, unde apare sub formă de fosfat organic. De-a lungul lanțului trofic, fosforul trece de la plante la alte organisme din ecosistem.

Fosforul este transportat către ecosistemele acvatice prin apele curgătoare. Râurile îmbogățesc continuu oceanele cu fosfați. Unde fosforul trece în compoziția fitoplanctonului. O parte din compușii fosforului migrează la adâncimi mici, fiind consumați de organisme, cealaltă parte se pierde la adâncimi mari. Rămășițele moarte ale organismelor duc la acumularea de fosfor la diferite adâncimi.

Ciclul sulfului. Există numeroși compuși gazoși ai sulfului, cum ar fi hidrogenul sulfurat H2S și dioxidul de sulf SO2. Cu toate acestea, partea predominantă a ciclului acestui element este de natură sedimentară și are loc în sol și apă.Accesul sulfului anorganic în ecosistem facilitează buna solubilitate a multor sulfați în apă. Plantele, absorbind sulfații, îi restaurează și produc aminoacizi care conțin sulf (metionină, cisteină, cistina) care joacă un rol important în dezvoltarea structurii terțiare a proteinelor în timpul formării punților disulfurice între diferite zone ale lanțului polipeptidic.

Multe caracteristici principale ale ciclului biogeochimic sunt clar vizibile:

1. Fond de rezervă extins în sol și sedimente, mai mic în atmosferă.
2. Un rol cheie în fondul de schimb rapid îl au microorganismele specializate care realizează anumite reacții de oxidare sau reducere. Prin procesele de oxidare și reducere, sulful este schimbat între sulfații disponibili (SO2") și sulfurile de fier situate adânc în sol și sedimente. Microorganismele specializate efectuează reacții:

S -> S -> SO2 - bacterii incolore, verzi și violete cu sulf; - "H2S (reducerea anaerobă a sulfatului) - Desulfovibno; H2S - "SO2" (oxidarea sulfurilor aerobe) - tiobacili; S organic în SO și H2S .- aerob și microorganismele heterotrofe anaerobe, respectiv.

Producția primară asigură încorporarea sulfatului în materia organică, iar excreția de către animale servește ca o modalitate de a readuce sulfatul în ciclu.

1. Regenerarea microbiană din sedimentele de adâncime care duce la mișcarea ascendentă a fazei gazoase H2S.
2. Interacțiunea proceselor geochimice și meteorologice - eroziune, sedimentare, leșiere, ploaie, absorbție-desorbție etc. cu procesele biologice - producție și descompunere.
3. Interacțiunea aerului, apei și solului în reglarea circulației la scară globală.

Ecosistemul în ansamblu necesită mai puțin sulf decât azotul și fosforul. Prin urmare, sulful este mai rar un factor limitativ pentru plante și animale. În același timp, ciclul sulfului este unul dintre cele cheie în procesul general de producere și descompunere a biomasei. De exemplu, atunci când în sedimente se formează sulfuri de fier, fosforul este transformat dintr-o formă insolubilă într-una solubilă și devine disponibil organismelor. Aceasta este o confirmare a modului în care un ciclu este reglementat de altul.

2 Fluxul de energie în ecosisteme

Spre deosebire de substanțele care circulă continuu prin diferite blocuri ale ecosistemului, care pot fi oricând reutilizate, intră în ciclu, energia poate fi folosită o singură dată, adică. există un flux liniar de energie prin ecosistem.

Afluxul unilateral de energie ca fenomen universal al naturii are loc ca urmare a legilor termodinamicii.

Prima lege spune că energia se poate schimba de la o formă (cum ar fi lumina) la alta (cum ar fi energia potențială a alimentelor), dar nu poate fi creată sau distrusă.

A doua lege spune că nu poate exista niciun proces asociat cu transformarea energiei fără pierderea unei părți a acesteia. O anumită cantitate de energie în astfel de transformări este disipată în energie termică inaccesibilă și, prin urmare, se pierde. Prin urmare: nu pot exista transformări, de exemplu, ale substanțelor alimentare în substanța care alcătuiește corpul unui organism, mergând cu o eficiență de 100%.

Astfel, organismele vii sunt convertoare de energie. Și de fiecare dată când energia este convertită, o parte din ea se pierde sub formă de căldură. În cele din urmă, toată energia care intră în ciclul biotic al ecosistemului este disipată sub formă de căldură. Organismele vii nu folosesc de fapt căldura ca sursă de energie pentru a lucra - ele folosesc lumina și energia chimică.

Lanțuri și rețele trofice, niveluri trofice. În cadrul unui ecosistem, substanțele care conțin energie sunt create de organismele autotrofe și servesc drept hrană pentru heterotrofe. Legăturile alimentare sunt mecanisme de transfer de energie de la un organism la altul.

Un exemplu tipic: un animal mănâncă plante. Acest animal, la rândul său, poate fi mâncat de un alt animal. În acest fel, energia poate fi transferată printr-un număr de organisme - fiecare ulterioară se hrănește cu cea anterioară, care îi aprovizionează cu materii prime și energie.

Această secvență de transfer de energie se numește lanț alimentar (trofic) sau lanț trofic. Locul fiecărei verigi în lanțul trofic este un nivel trofic. Primul nivel trofic, așa cum am menționat mai devreme, este ocupat de autotrofi, sau așa-numiții producători primari. Organismele de al doilea nivel trofic sunt numite consumatori primari, al treilea - consumatori secundari etc.

De obicei se disting trei tipuri de lanțuri trofice.Lanțul trofic al prădătorilor începe cu plante și progresează de la organisme mici la organisme de dimensiuni tot mai mari. Pe uscat, lanțurile trofice constau din trei până la patru verigi.

Unul dintre cele mai simple lanțuri alimentare arată astfel:

plantă -> iepure -> lup

producator - „erbivor -> -> carnivor

Următoarele lanțuri trofice sunt, de asemenea, răspândite:

Material vegetal (de exemplu, nectar) - „muscă -" - „păianjen -> scorpie -> bufniță.

Suc de trandafiri -> afidă -> -> gărgăriță (descompunere) -> -> păianjen - „pasăre insectivoră -> pasăre de pradă.

În ecosistemele acvatice și, în special, marine, lanțurile trofice ale prădătorilor sunt în general mai lungi decât în ​​cele terestre.

Al treilea tip de lanțuri trofice, pornind de la resturi vegetale moarte, cadavre și excremente de animale, sunt denumite lanțuri trofice detritice (saprofite) sau lanțuri de descompunere detritică. Pădurile de foioase joacă un rol important în rețelele trofice detritice ale ecosistemelor terestre, cea mai mare parte din frunzișul cărora nu este mâncat de ierbivore și face parte din așternutul de frunze. Frunzele sunt zdrobite de numeroși detritofagi - ciuperci, bacterii, insecte (de exemplu, coada de șold) etc., apoi sunt înghițite de viermii de pământ (pământ), care distribuie uniform humus în stratul de suprafață al pământului, formând astfel numit mulle. La acest nivel, miceliul este depus în ciuperci. Microorganismele în descompunere care completează lanțul produc mineralizarea finală a reziduurilor organice moarte. În general, lanțurile trofice detritice tipice din pădurile noastre pot fi reprezentate după cum urmează:

Așternut de frunze -> râme -> mierlă -" sparbiu;

Animal mort - „larve de mușcă de căruță -” broasca comună -> șarpe comun.

În schemele considerate ale lanțurilor trofice, fiecare organism este reprezentat ca hrănindu-se cu alte organisme de un singur tip. Relațiile reale cu alimente într-un ecosistem sunt mult mai complicate, deoarece un animal se poate hrăni cu organisme tipuri diferite din același lanț trofic sau din lanțuri trofice diferite, de exemplu, prădători ai nivelurilor trofice superioare. Adesea, animalele mănâncă atât plante, cât și alte animale. Se numesc omnivore.

Rețelele trofice din ecosisteme sunt foarte complexe și se poate concluziona că energia care intră în ele migrează de la un organism la altul pentru o lungă perioadă de timp.

piramide ecologice. În cadrul fiecărui ecosistem, rețelele trofice au o structură bine definită, care se caracterizează prin natura și numărul de organisme prezente la fiecare nivel al diferitelor lanțuri trofice. Pentru a studia relațiile dintre organisme dintr-un ecosistem și pentru a le reprezenta grafic, piramidele ecologice sunt de obicei folosite mai degrabă decât diagramele rețelei trofice. Piramidele ecologice exprimă structura trofică a unui ecosistem sub formă geometrică. Sunt construite drept dreptunghiuri de aceeași lățime, dar lungimea dreptunghiurilor trebuie să fie proporțională cu valoarea obiectului măsurat. De aici puteți obține piramidele de numere, biomasă și energie.

Piramidele ecologice reflectă caracteristicile fundamentale ale oricărei biocenoze atunci când își arată structura trofică.

• înălțimea lor este proporțională cu lungimea lanțului trofic luat în considerare, adică cu numărul de niveluri trofice conținute în acesta;
• forma lor reflectă mai mult sau mai puţin eficienţa transformărilor energetice în timpul trecerii de la un nivel la altul.

Piramidele numerelor. Ele reprezintă cea mai simplă aproximare a studiului structurii trofice a unui ecosistem.

Piramida biomasei. Ea reflectă mai pe deplin relațiile nutriționale din ecosistem, deoarece ia în considerare masa totală a organismelor (biomasă) de la fiecare nivel trofic.

Piramida Energiei. Cea mai fundamentală modalitate de a afișa relațiile dintre organisme la diferite niveluri trofice sunt piramidele energetice. Ele reprezintă eficiența conversiei energiei și productivitatea lanțurilor trofice, sunt construite prin numărarea cantității de energie (kcal) acumulată de o unitate de suprafață pe unitatea de timp și utilizată de organisme la fiecare nivel trofic.

Energia solară primită de plantă este utilizată doar parțial în procesul de fotosinteză. Energia fixată în carbohidrați reprezintă producția brută a ecosistemului.Carbohidrații sunt folosiți pentru construirea protoplasmei și creșterea plantelor. O parte din energia lor este cheltuită pentru respirație.

Consumatorii de ordinul doi (prădătorii) nu extermină întreaga biomasă a victimelor lor. În același timp, din cantitatea pe care o distrug, doar o parte este folosită pentru a crea biomasa propriului nivel trofic. Restul este cheltuit în principal pe energia respirației, excretată cu excremente și excremente.

R. Lindemann în 1942 a formulat pentru prima dată legea piramidei energiilor, care este adesea numită „legea celor 10%” în manuale. Conform acestei legi, nu mai mult de 10% din energie trece de la un nivel trofic al piramidei ecologice la un alt nivel.

Doar 10-20% din energia inițială este transferată heterotrofelor ulterioare. Folosind legea piramidei energetice, este ușor de calculat că cantitatea de energie care ajunge la carnivorele terțiare (nivel V trofic) este de aproximativ 0,0001 din energia absorbită de producători. Rezultă că transferul de energie de la un nivel la altul are loc cu o eficiență foarte scăzută. Aceasta explică numărul limitat de verigi din lanțul trofic, indiferent de una sau alta biocenoză.

E. Odum (1959) într-un lanț trofic extrem de simplificat - lucernă -> vițel - „copilul a estimat conversia energiei, a ilustrat amploarea pierderilor acesteia. mănâncă doar lucernă), iar un băiat de 12 ani mănâncă exclusiv carne de vițel. .Rezultatele calculelor, prezentate sub forma a trei piramide: abundenta, biomasa si energie, arata ca lucerna foloseste doar 0,24% din toata energia solara incidenta pe teren, vitelul asimileaza 8% din aceasta productie si doar 0,7% din biomasa viţelului asigură dezvoltarea copilului pe parcursul anului.

E. Odum, astfel, a arătat că doar o milioneme din energia solară este transformată în biomasa unui carnivor, în acest caz contribuie la creșterea masei unui copil, iar restul se pierde, disipat într-o formă degradată. în mediu. Acest exemplu ilustrează clar eficiența ecologică foarte scăzută a ecosistemelor și eficiența scăzută a transformării în lanțurile trofice. Putem afirma următoarele: dacă 1000 kcal (zi m 2) înregistrate de producători, apoi 10 kcal (zi m 2) trece în biomasa ierbivorelor și doar 1 kcal (zi m 2) - în biomasa carnivorelor. Deoarece o anumită cantitate dintr-o substanță poate fi folosită de fiecare biocenoză în mod repetat, iar o porțiune de energie o dată, este mai potrivit să spunem că un transfer de energie în cascadă are loc într-un ecosistem.

Consumatorii servesc ca o verigă de control și stabilizare în ecosistem.

Consumatorii generează un spectru de diversitate în cenoză, prevenind monopolul dominantelor. Regula pentru valoarea de control a consumatorilor poate fi pe bună dreptate clasificată ca fiind destul de fundamentală. Potrivit opiniilor cibernetice, sistem de control ar trebui să aibă o structură mai complexă decât una controlată, atunci motivul multiplicității de tipuri de yunsuments devine clar. Valoarea de control a consumatorilor are și o subbază energetică. Fluxul de energie care trece printr-unul sau altul nivel trofic nu poate fi determinat în mod absolut de prezența alimentelor în nivelul trofic subiacent. Există întotdeauna, după cum știți, o „rezervă” suficientă, deoarece distrugerea completă a furajului ar duce la moartea consumatorilor. Aceste modele generale sunt observate în cadrul proceselor populației, comunităților, nivelurilor piramidei ecologice și biocenozelor în general.

3 Procese dinamice care asigură integritatea și rezistența ecosistemelor

Schimbările ciclice în comunități reflectă periodicitatea zilnică, sezonieră și pe termen lung a condițiilor externe și manifestărilor ritmurilor endogene ale organismelor. Dinamica zilnică a ecosistemelor este legată în principal de ritmul fenomenelor naturale și este strict periodică. Am considerat deja că în fiecare biocenoză există grupuri de organisme a căror activitate de viață cade timp diferit zile. Unii sunt activi ziua, alții noaptea. Prin urmare, în compoziție și în raport anumite tipuri Biocenoza unui anumit ecosistem suferă modificări periodice, deoarece organismele individuale sunt oprite de la acesta pentru un anumit timp. Dinamica zilnică a biocenozei este asigurată atât de animale, cât și de plante. După cum știți, intensitatea și natura proceselor fiziologice din plante se modifică în timpul zilei - fotosinteza nu are loc noaptea, adesea florile din plante se deschid doar noaptea și sunt polenizate de animale nocturne, altele sunt adaptate la polenizare în timpul zilei. Dinamica zilnică în biocenoze, de regulă, este mai pronunțată, cu atât este mai mare diferența de temperatură, umiditate și alți factori de mediu zi și noapte.

Abateri mai semnificative în biocenoze sunt observate cu dinamica sezonieră. Acest lucru se datorează ciclurilor biologice ale organismelor, care depind de ciclicitatea sezonieră a fenomenelor naturale. Astfel, schimbarea anotimpurilor are un impact semnificativ asupra activității vitale a animalelor și plantelor (hibernare, somn de iarnă, diapauză și migrație la animale; perioade de înflorire, fructificare, creștere activă, căderea frunzelor și repaus de iarnă la plante). Structura etajată a biocenozei este adesea supusă variabilității sezoniere. Straturile de plante separate pot dispărea complet în anotimpurile corespunzătoare ale anului, de exemplu, un strat erbaceu format din anuale. Durata anotimpurilor biologice la diferite latitudini nu este aceeași. În acest sens, dinamica sezonieră a biocenozelor din zonele arctice, temperate și tropicale este diferită. Se exprimă cel mai clar în ecosistemele cu climă temperată și în latitudinile nordice.

Variabilitatea pe termen lung este normală în viața oricărei biocenoze. Astfel, cantitatea de precipitații căzută în silvostepa Baraba fluctuează brusc de la an la an, cu o serie de ani secetoși alternând cu perioade lungi de precipitații abundente. Acest lucru are un efect semnificativ asupra plantelor și animalelor. În acest caz, are loc dezvoltarea nișelor ecologice - o delimitare funcțională în ansamblul emergent sau adăugarea acesteia cu puțină diversitate.

Modificările pe termen lung ale compoziției biocenozelor se repetă și din cauza modificărilor periodice ale circulației generale a atmosferei, la rândul lor, ca urmare a creșterii sau scăderii activității solare.

În procesul de dinamică zilnică și sezonieră, integritatea biocenozelor nu este de obicei încălcată. Biocenoza suferă doar fluctuații periodice ale caracteristicilor calitative și cantitative.

Schimbările progresive ale ecosistemului duc în cele din urmă la înlocuirea unei biocenoze cu alta, cu un set diferit de specii dominante. Motivele unor astfel de modificări pot fi factori externi biocenozei, care acționează pentru o lungă perioadă de timp într-o direcție, de exemplu, creșterea poluării corpurilor de apă, creșterea uscării solurilor de mlaștină ca urmare a reabilitării, creșterea pășunatului etc. Aceste modificări ale unei biocenoze la alta se numesc exogenetice. În cazul în care influența de întărire a factorului duce la o simplificare treptată a structurii biocenozei, epuizarea compoziției lor și o scădere a productivității, astfel de schimbări sunt numite digresive sau digresive.

Modificările endogenetice apar ca urmare a proceselor care au loc în cadrul biocenozei însăși. Schimbarea succesivă a unei biocenoze cu alta se numește succesiune ecologică (din latină - succesiune - succesiune, schimbare). Succesiunea este un proces de auto-dezvoltare a ecosistemelor. Succesiunile se bazează pe incompletitudinea ciclului biologic într-o biocenoză dată. Se știe că organismele vii, ca urmare a activității lor vitale, schimbă mediul din jurul lor, eliminând unele dintre substanțele din acesta și saturându-l cu produse metabolice. Cu o existență relativ lungă a populațiilor, acestea își schimbă mediul într-o direcție nefavorabilă și, ca urmare, se dovedesc a fi înlăturate de populații ale altor specii, pentru care transformările de mediu rezultate se dovedesc a fi benefice ecologic. În biocenoză se produce o schimbare a speciilor dominante în acest fel. Regula (principiul) dublării ecologice este clar urmărită aici. Existența pe termen lung a unei biocenoze este posibilă numai dacă modificările mediului cauzate de activitatea unor organisme vii sunt favorabile altora, cu cerințe contrare.

Pe baza interacțiunilor competitive ale speciilor în cursul succesiunii, se formează treptat combinații mai stabile care corespund condițiilor de mediu abiotice specifice. Un exemplu de succesiune care duce la înlocuirea unei comunități cu alta este creșterea excesivă a unui mic lac cu apariția ulterioară a unei mlaștini în locul său și apoi a unei păduri.

Inițial, de-a lungul marginilor lacului se formează un covor plutitor - un covor plutitor de rogoz, mușchi și alte plante. În mod constant lacul este umplut cu rămășițe moarte de plante - turbă. Se formează o mlaștină, acoperită treptat de pădure. O serie succesivă de comunități care se înlocuiesc treptat și regulat una pe alta în succesiune se numește serie de succesiune.

Succesiunile în natură sunt extrem de diverse ca scară. Ele pot fi observate în malurile cu culturi care sunt comunități planctonice - diverse tipuri de alge plutitoare și consumatorii acestora - rotifere, flagelate în bălți și iazuri, în mlaștini, pajisti, păduri, teren arabil abandonat, roci deteriorate etc. Ierarhia în organizație a ecosistemelor Se manifestă şi prin procese succesorale – transformările mai mari ale biocenozelor sunt alcătuite din altele mai mici. În ecosistemele stabile, cu o circulație reglată a substanțelor, se desfășoară constant și schimbări succesorale locale, susținând structura internă complexă a comunităților.

Tipuri de schimburi succesorale. Există două tipuri principale de modificări succesorale: 1 - cu participarea populațiilor autotrofe și heterotrofe; 2 - cu participarea numai a heterotrofilor. Succesiunile de al doilea tip apar numai în condițiile în care se creează o rezervă prealabilă sau o aprovizionare constantă de compuși organici, datorită căreia există comunitatea: în grămezi sau grămezi de gunoi de grajd, în masă vegetală în descompunere, în rezervoare poluate cu substanțe organice etc. .

Proces de succesiune. Potrivit lui F. Clements (1916), procesul de succesiune constă din următoarele etape:

1. Apariția unei zone neocupate.
2. Migrarea diferitelor organisme sau rudimentele lor pe acesta.
3. Locuirea lor în această zonă.
4. Competiția lor între ele și deplasarea speciilor individuale.
5. Transformarea habitatelor de către organismele vii, stabilizarea treptată a condițiilor și a relațiilor.

Succesiunile cu schimbarea vegetației pot fi primare și secundare.

Succesiunea primară este procesul de dezvoltare și schimbare a ecosistemelor din zonele anterior nelocuite, începând cu colonizarea acestora. Un exemplu clasic este murdărirea constantă a stâncilor goale cu dezvoltarea unei păduri în cele din urmă. Deci, în succesiunile primare care curg pe stânci Munții Urali, există următorii pași:

1. Așezarea lichenilor endolitici și solzi, acoperind complet suprafața stâncoasă. Lichenii solzi poartă o microfloră deosebită și conțin o faună bogată de protozoare, rotifere și nematozi. Căpușe mici - saprofagii și insectele primare fără aripi se găsesc la început doar în crăpături. Activitatea întregii populații este intermitentă, observată mai ales după precipitații sub formă de ploaie sau umezirea rocilor cu umiditatea ceților. Aceste comunități de organisme sunt numite pionier.
2. Predominanța lichenilor cu frunze, care formează treptat un covor continuu. Sub cercurile de licheni, ca urmare a acizilor pe care îi secretă și a contracției mecanice a talilor în timpul uscării, se formează gropi, talii mor și se acumulează detritus. În număr mare sub licheni se găsesc artropode mici: cozi, acarieni, larve de țânțari împingători, mâncători de fân și altele. Se formează un microorizont, constând din excrementele lor.
3. Aşezarea muşchilor litofili Hedwidia u Pleurozium schreberi. Sub ele sunt îngropate licheni și soluri de film sublichen. Rizoizii de mușchi aici sunt atașați nu de piatră, ci de pământ fin, care are o grosime de cel puțin 3 cm.Fluctuațiile de temperatură și umiditate sub mușchi sunt de câteva ori mai mici decât sub licheni. Activitatea microorganismelor se intensifică, diversitatea grupelor de animale este în creștere.
4. Apariția mușchilor hypnum și a plantelor vasculare. În descompunerea reziduurilor de plante și formarea profilului solului, rolul artropodelor mici scade treptat și crește participarea nevertebratelor-saprofage mai mari: enchitraide, râme și larve de insecte.
5. Așezarea cu plante mari, contribuind la acumularea și formarea în continuare a solului. Stratul său este suficient pentru dezvoltarea arbuștilor și copacilor. Căderea frunzelor și ramurilor lor împiedică creșterea mușchilor și a majorității altor specii mici care au început succesiunea. Așadar, treptat pe stâncile inițial goale are loc procesul de înlocuire a lichenilor cu mușchi, mușchilor cu ierburi și în final cu păduri. Astfel de succesiuni în geobotanica sunt numite ecogenetice, deoarece duc la transformarea habitatului în sine.

Succesiunea secundară este refacerea unui ecosistem care a existat cândva într-o zonă dată. Începe în cazul în care deja în biocenoza stabilită relațiile stabilite ale organismelor sunt încălcate ca urmare a unei erupții vulcanice, incendiu, tăiere, arătură etc. Modificările care duc la restaurarea fostei biocenoze sunt numite demutaționale în geobotanica. Un exemplu este dinamica diversității speciilor de pe insula Krakatoa după distrugere totală flora și fauna native a vulcanului. Un alt exemplu este succesiunea secundară a pădurii de conifere întunecate din Siberia (taiga brad-cedru) după un incendiu de pădure devastator. În locurile mai pârjolite, din sporii aruncați de vânt apar mușchi-pionierii: la 3-5 ani de la incendiu, cel mai abundent „mușchi de foc” - Funaria hygrometrica, Geratodon purpureus și altele.), care deja înflorește după 2-3 luni. abundent pe foc, precum și iarba de stuf măcinat (Calamagrostis epigeios) și alte specii.

Se observă o altă origine a fazelor de succesiune: lunca de stuf este înlocuită cu arbuști, apoi cu o pădure de mesteacăn sau de aspin, o pădure mixtă cu frunze de pin, o pădure de pin, o pădure de pin-cedru și, în final, după 250 de ani. , se reface pădurea de cedri-brazi.

Succesiunile secundare, de regulă, au loc mai rapid și mai ușor decât cele primare, deoarece profilul solului, semințele, primordiile și o parte din fosta populație și fostele conexiuni sunt păstrate în habitatul perturbat. Demutarea nu este o repetare a vreunei etape a succesiunii primare.

ecosistem de climax. Succesiunea se termină cu o etapă în care toate speciile ecosistemului, în timp ce se reproduc, păstrează un număr relativ constant și nu mai există nicio modificare în compoziția sa. O astfel de stare de echilibru se numește climax, iar ecosistemul se numește climax. În diferite condiții abiotice, se formează diferite ecosisteme climax. Într-un climat cald și umed va fi o pădure tropicală, într-un climat uscat și cald va fi un deșert. Principalii biomi ai pământului sunt ecosistemele climax ale zonelor geografice respective.

Modificări într-un ecosistem în timpul succesiunii. productivitate și biomasă. După cum sa menționat deja, succesiunea este un proces natural, direcționat, iar schimbările care au loc într-un stadiu sau altul al acesteia sunt caracteristice oricărei comunități și nu depind de compoziția speciei sau de localizarea geografică a acesteia.

Principalele patru tipuri de schimbări succesorale se numesc:

1. În procesul de succesiune, speciile de plante și animale sunt înlocuite continuu.
2. Schimbările succesorale sunt întotdeauna însoțite de o creștere a diversității de specii a organismelor.
3. Biomasa materiei organice crește în cursul succesiunii.
4. O scădere a producției nete a comunității și o creștere a intensității respirației sunt cele mai importante fenomene de succesiune.

De asemenea, trebuie remarcat faptul că fazele succesorale se modifică în conformitate cu anumite reguli. Fiecare fază pregătește mediul pentru următoarea. Aici funcționează legea succesiunii trecerii fazelor de dezvoltare, fazele dezvoltării unui sistem natural pot urma doar într-o ordine fixată evolutiv (determinată istoric, ecologic), de obicei de la relativ simplu la complex, de regulă, fără stadii intermediare căderea, dar, eventual, cu trecerea lor foarte rapidă.sau absență fixată evolutiv. Când un ecosistem se apropie de starea de climax, în el, ca în toate sistemele de echilibru, toate procesele de dezvoltare încetinesc. Această prevedere se reflectă în legea încetinirii succesorale: procesele care au loc în ecosisteme mature de echilibru care se află într-o stare stabilă, de regulă, tind să încetinească. În același timp, succesiunea de tip restaurator se modifică în cursul lor secular, adică. autodezvoltarea se încadrează în punctul culminant sau dezvoltarea nodală. Legea empirică a decelerației succesorale este o consecință a regulii G. Odum și R. Pinkerton, sau regula energiei maxime pentru menținerea unui sistem matur: succesiunea merge în direcția unei schimbări fundamentale a fluxului de energie către o creștere a acestuia. suma, care vizează menținerea sistemului. Regula lui G. Odum și R. Pinkerton, la rândul său, se bazează pe regula energiei maxime în sistemele biologice, formulată de A. Lotka. Această întrebare a fost ulterior bine dezvoltată de R. Margalef, Y. Odum și este cunoscută ca o dovadă a principiului „zero maxim”, sau minimizarea creșterii într-un ecosistem matur: un ecosistem în dezvoltare succesială tinde să formeze cea mai mare biomasă la cea mai scăzută productivitate biologică.

Lindemann (1942) a demonstrat experimental că succesiunile sunt însoțite de o creștere a productivității până la comunitatea climax, în care conversia energiei are loc cel mai eficient. Datele din studiile de succesiune a pădurilor de stejar și stejar-frasin arată că productivitatea acestora crește în etapele ulterioare. Cu toate acestea, atunci când vă mutați într-o comunitate culminant, de obicei apare o scădere a productivității generale. Astfel, productivitatea în pădurile bătrâne este mai mică decât în ​​pădurile tinere, care, la rândul lor, pot avea o productivitate mai mică decât straturile mai bogate în specii de plante erbacee care le-au precedat. O scădere similară a productivității este observată la unii sisteme de apă. Există mai multe motive pentru aceasta. Una dintre ele este că acumularea de nutrienți în biomasa forestieră în creștere de pe viță de vie poate duce la scăderea circulației acestora. Scăderea productivității generale ar putea fi pur și simplu rezultatul unei scăderi a vitalității indivizilor pe măsură ce vârsta medie a acestora în comunitate a crescut.

Pe măsură ce succesiunea continuă, o proporție tot mai mare de nutrienți disponibili se acumulează în biomasa comunității și, în consecință, conținutul acestora în componenta abiotică a ecosistemului (sol sau apă) scade.

Crește și cantitatea de detritus formată. Principalii consumatori primari nu sunt organisme erbivore, ci detritivore. Modificări corespunzătoare apar și în rețelele trofice. Detritusul devine principala sursă de nutrienți.

În cursul succesiunii, apropierea ciclurilor biogeochimice ale substanțelor crește. La aproximativ 10 ani de la începutul refacerii acoperirii vegetale, deschiderea ciclurilor scade de la 100 la 10%, iar apoi scade și mai mult, atingând un minim în faza de climax. Regula creșterii închiderii ciclului biogeochimic al substanțelor în cursul succesiunii, cu toată certitudinea, poate fi susținută a fi încălcată de transformarea antropică a vegetației și a ecosistemelor naturale în general. Fără îndoială, acest lucru duce la o serie lungă de anomalii în biosferă și subdiviziunile sale.

Scăderea diversității speciilor în climax nu înseamnă semnificația sa ecologică scăzută. Varietatea speciilor formează succesiunea, direcția acesteia, asigură că spațiul real este umplut de viață. Un număr insuficient de specii care alcătuiesc complexul nu ar putea forma o serie de succesiune, iar treptat, odată cu distrugerea ecosistemelor de climax, ar avea loc deșertificarea completă a planetei. Valoarea diversității este funcțională atât în ​​statică, cât și în dinamică. Trebuie remarcat faptul că, acolo unde diversitatea speciilor este insuficientă pentru formarea biosferei, care servește drept bază pentru cursul natural normal al procesului de succesiune, iar mediul însuși este brusc perturbat, succesiunea nu atinge faza de climax, dar se termină cu o comunitate nodale - paraclimax, o comunitate derivată pe termen lung sau pe termen scurt. Cu cât perturbarea mediului într-un anumit spațiu este mai profundă, cu atât fazele mai timpurii se termină succesiunea.

Odată cu pierderea uneia sau a unui grup de specii ca urmare a distrugerii lor (extincția antropică a habitatelor, mai rar dispariția), atingerea punctului culminant nu este o refacere completă a mediului natural. De fapt, acesta este un ecosistem nou, deoarece în el au apărut noi conexiuni, multe vechi s-au pierdut și s-a dezvoltat o altă specie „uzată”. Ecosistemul nu poate reveni la starea veche, deoarece speciile pierdute nu pot fi restaurate.

Când orice factor abiotic sau biotic se modifică, de exemplu, cu o răcire constantă, introducerea unei noi specii, o specie care este slab adaptată la noile condiții, așteaptă una din trei moduri.

1. Migrația. O parte din populație poate migra, găsi habitate în condiții adecvate și își poate continua existența acolo.
2. Adaptare. Alelele pot fi prezente în pool-ul de gene care vor permite indivizilor să supraviețuiască în condiții noi și să lase urmași. După câteva generații, sub influența selecției naturale, se naște o populație bine adaptată la condițiile schimbate de existență.
3. Extincţie. Dacă nici un singur individ al populației nu poate migra, temându-se de impactul factorilor adversi, iar aceștia depășesc limitele stabilității tuturor indivizilor, atunci populația se va stinge și fondul ei genetic va dispărea. Dacă unele specii dispar, iar indivizii supraviețuitori ai altora se reproduc, se adaptează și se schimbă sub influența selecției naturale, putem vorbi despre succesiune evolutivă.

Legea ireversibilității evolutiv-ecologice afirmă că un ecosistem care și-a pierdut unele dintre elementele sale sau a fost înlocuit cu altul ca urmare a unui dezechilibru al componentelor ecologice nu poate reveni la starea inițială în timpul succesiunii dacă au avut loc schimbări evolutive (microevoluționare) în elemente ecologice (conservate sau pierdute temporar) în timpul schimbărilor. ). În cazul în care unele specii se pierd în fazele intermediare ale succesiunii, atunci această pierdere poate fi compensată funcțional, dar nu complet. Odată cu scăderea diversității dincolo de un nivel critic, cursul succesiunii este distorsionat și, de fapt, nu se poate atinge un punct culminant identic cu trecutul.

Pentru a evalua natura ecosistemelor restaurate, legea ireversibilității evolutiv-ecologice este de mare importanță. Odată cu pierderea elementelor, acestea sunt, de fapt, formațiuni naturale complet noi din punct de vedere ecologic, cu modele și relații nou formate. Astfel, transferul unei specii care a părăsit ecosistemul în trecut în cursul reaclimatizării sale nu este o întoarcere mecanică. Aceasta este de fapt introducerea unei noi specii într-un ecosistem reînnoit.Legea ireversibilității evolutiv-ecologice subliniază direcția evoluției nu numai la nivelul biosistemelor, ci și la toate celelalte niveluri ierarhice ale biotei.

4 Biosfera ca ecosistem global care asigură integritatea și sustenabilitatea ecosistemelor

Biosfera este un ecosistem global. După cum sa menționat mai devreme, biosfera este împărțită în geobiosferă, hidrobiosferă și aerobiosferă (Fig. 2.4). Geobiosfera are diviziuni în conformitate cu principalii factori de mediu: terrabiosfera și litobiosfera - în cadrul geobiosferei, marinobiosfera (oceanobiosfera) și acvabiosfera - ca parte a hidrobiosferei. Aceste formațiuni sunt numite subsfere. Factorul principal de formare a mediului în formarea lor este faza fizică a mediului de viață: aer-apă în aerobiosferă, apă - apă dulce și salină în hidrobiosferă, aer solid în terrabiosferă și apă solidă în litobiosferă.

La rândul lor, toate se încadrează în straturi: aerobiosfera - în tropobiosferă și altobiosferă; hidrobiosferă - în fotosferă, disfotosferă și afotosferă.

Factorii formatori de structură aici, pe lângă mediul fizic, energie (lumină și căldură), condiții speciale pentru formarea și evoluția vieții - direcțiile de evoluție pentru pătrunderea biotei pe uscat, în adâncurile sale, în spațiile de deasupra pământul, abisul oceanului, sunt fără îndoială diferite. Împreună cu apobiosfera, parabiosfera și alte straturi sub și deasupra biosferice, ele constituie așa-numitul „tort strat al vieții” și geosfera (ecosfera) existenței sale în limitele megabiosferei.

Formațiunile enumerate în relația de sistem sunt părți funcționale mari ale dimensiunii generale terestre sau subplanetare.

Oamenii de știință cred că în biosferă există cel puțin 8-9 niveluri de cicluri relativ independente de substanțe în relația dintre 7 componente ecologice principale material-energie și al 8-lea - informațional.

Ciclurile globale, regionale și locale ale substanțelor nu sunt închise și parțial „se intersectează” în cadrul ierarhiei ecosistemelor. Această „coeziune” material-energetică și parțial informațională asigură integritatea supersistemelor ecologice până la biosfera în ansamblu.

Integritatea și sustenabilitatea ecosistemelor. Biosfera este formată într-o măsură mai mare nu de factori externi, ci de modele interne. Cea mai importantă proprietate a biosferei este interacțiunea dintre lucrurile vii și nevii, care se reflectă în legea migrării biogenice a atomilor de către V. I. Vernadsky.

Legea migrației biogene a atomilor face posibil ca omenirea să controleze în mod conștient procesele biogeochimice atât pe Pământ în ansamblu, cât și în regiunile sale.

Cantitatea de materie vie din biosferă, după cum se știe, nu este supusă unor modificări vizibile. Acest tipar a fost formulat sub forma legii constanței cantității de materie vie de către V.I. Vernadsky: cantitatea de materie vie din biosferă pentru o anumită perioadă geologică este o constantă. Practic această lege este o consecință cantitativă a legii echilibrului dinamic intern pentru ecosistemul global - biosfera. Întrucât materia vie, în conformitate cu legea migrației biogene a atomilor, este un mediator energetic între Soare și Pământ, cantitatea ei trebuie fie să fie constantă, fie caracteristicile sale energetice trebuie să se modifice. Legea unității fizico-chimice a materiei vii (toată materia vie a Pământului este una din punct de vedere fizic și chimic și exclude modificări semnificative ale acestei din urmă proprietăți. Prin urmare, stabilitatea cantitativă este inevitabilă pentru materia vie a planetei. De asemenea, este pe deplin caracteristică a numărului de specii.

Materia vie, ca acumulator de energie solară, trebuie să răspundă simultan atât la influențele externe (cosmice), cât și la schimbările interne. O scădere sau creștere a cantității de materie vie într-un loc al biosferei ar trebui să conducă la un proces exact invers în alt loc, deoarece biogenii eliberați pot fi asimilați de restul materiei vii sau se va observa deficiența acestora. Aici ar trebui să se țină cont de viteza procesului, în cazul schimbării antropice, mult mai mică decât încălcarea directă a naturii de către om.

Pe lângă constanța și constanța cantității de materie vie, care se reflectă în legea unității fizico-chimice a materiei vii, în natura vie există o păstrare constantă a structurii informaționale și somatice, în ciuda faptului că aceasta se modifică oarecum. cu cursul evoluţiei. Această proprietate a fost remarcată de Yu. Goldsmith (1981) și a fost numită legea conservării structurii biosferei - informațional și somatic, sau prima lege a ecodinamicii.

Pentru a păstra structura biosferei, viețuitoarele se străduiesc să atingă o stare de maturitate sau echilibru ecologic. Legea eforturilor pentru punctul culminant - a doua lege a ecodinamicii de J. Goldsmith, se referă la biosferă și la alte niveluri ale sistemelor ecologice, deși există o specificitate - biosfera este mai mult sistem închis decât subdiviziunile sale. Unitatea materiei vii a biosferei și omologia structurii subsistemelor sale conduc la faptul că elementele vii de diferite vârste geologice și origine geografică inițială care au apărut evolutiv sunt împletite într-un mod complicat. Împătrunderea elementelor de diferite geneze spațio-temporale în toate nivelurile ecologice ale biosferei reflectă regula sau principiul eterogenezei materiei vii. Această adăugare nu este haotică, ci este supusă principiilor complementarității ecologice (complementarității), conformității ecologice (congruenței) și altor legi. În cadrul ecodinamicii lui Y. Goldsmith, aceasta este a treia lege a acesteia - principiul ordinii ecologice sau mutualismul ecologic, indicând o proprietate globală datorită influenței întregului asupra părților sale, feedback-ului părților diferențiate asupra dezvoltării întreg etc., ceea ce în total duce la păstrarea stabilităţii biosferei în ansamblu.

Asistența reciprocă în cadrul ordinii ecologice, sau mutualismul sistemic, este afirmată de legea ordinii de umplere a spațiului și certitudinea spațiu-timp: umplerea spațiului în cadrul unui sistem natural, datorită interacțiunii dintre subsistemele sale, este ordonată în astfel încât să permită ca proprietățile homeostatice ale sistemului să fie realizate cu contradicții minime între părțile din interiorul acestuia. Din această lege rezultă imposibilitatea existenței pe termen lung a accidentelor „inutile” naturii, inclusiv a creațiilor umane străine acesteia. Regulile ordinii sistemului mutualistic din biosferă includ și principiul complementarității sistemelor, care afirmă că subsistemele unui sistem natural în dezvoltarea lor oferă o condiție prealabilă pentru dezvoltarea și autoreglementarea cu succes a altor subsisteme incluse în același sistem.

A patra lege a ecodinamicii de Yu. Goldsmith include legea autocontrolului și autoreglementării viețuitoarelor: sistemele vii și sistemele aflate sub controlul ființelor vii sunt capabile de autocontrol și autoreglare în procesul de adaptare. la schimbările din mediu. În biosferă, autocontrolul și autoreglementarea apar în cursul proceselor în cascadă și în lanț de interacțiune generală - în cursul luptei pentru existența selecției naturale (în sensul cel mai larg al acestui concept), adaptarea sistemelor și subsisteme, co-evoluție largă etc. În același timp, toate aceste procese conduc la rezultate pozitive „din punct de vedere” al naturii - conservarea și dezvoltarea ecosistemelor biosferei și a acesteia în ansamblu.

Legătura de legătură dintre generalizările de natură structurală și evolutivă este regula menținerii automate a habitatului global: materia vie, în cursul autoreglării și al interacțiunii cu factorii abiotici, menține autodinamic un mediu de viață propice dezvoltării sale. Acest proces este limitat de schimbările la scara cosmică și globală ecosferică și are loc în toate ecosistemele și biosistemele planetei, ca o cascadă de autoreglare care atinge o scară globală. Regula întreținerii automate a habitatului global decurge din principiile biogeochimice ale V.I. Vernadsky, regulile de conservare a habitatului speciei, consistența internă relativă și servește ca o constantă pentru prezența mecanismelor conservatoare în biosferă și, în același timp, confirmă regula complementarității sistem-dinamice.

Legea refracției influențelor cosmice mărturisește impactul cosmic asupra biosferei: factorii cosmici, care influențează biosfera și mai ales subdiviziunile acesteia, sunt supuși modificării de către ecosfera planetei și de aceea, din punct de vedere al forței și al timpului, manifestările pot fi slăbite și mutate sau chiar își pierd complet efectul. Generalizarea aici este importantă datorită faptului că există adesea un flux de efecte sincrone ale activității solare și ale altor factori cosmici asupra ecosistemelor Pământului și a organismelor care îl locuiesc.

Trebuie remarcat faptul că multe procese de pe Pământ și din biosfera acestuia, deși sunt influențate de spațiu, și sunt presupuse cicluri de activitate solară cu un interval de 1850, 600, 400, 178, 169, 88, 83, 33, 22. , 16, 11, 5 (11 ,1), 6,5 și 4,3 ani, biosfera în sine și subdiviziunile sale nu trebuie neapărat să reacționeze cu aceeași ciclicitate în toate cazurile. Impacturile cosmice ale sistemului biosferei se pot bloca complet sau parțial.

Concluzie

Ecosistemele sunt principala unitate funcțională în ecologie, deoarece includ organisme și mediul neînsuflețit - componente care influențează reciproc proprietățile celuilalt și condițiile necesare pentru menținerea vieții în forma ei care există pe Pământ. Combinația unui mediu fizic și chimic specific (biotop) cu o comunitate de organisme vii (biocenoză) formează un ecosistem.

Alocați microecosisteme, mezoecosisteme și ecosistemul global - biosfera.

Ecosistemele nu sunt împrăștiate în dezordine, dimpotrivă, sunt grupate în zone destul de regulate, atât pe orizontală (în latitudine), cât și pe verticală (în înălțime).

Sursa primară de energie pentru ecosisteme este Soarele. Radiația solară care cade pe suprafața Pământului este de 1,54 milioane EJ pe an. Cea mai mare parte a energiei solare care ajunge la suprafața planetei este transformată direct în căldură, încălzind apă sau sol, care la rândul său încălzește aerul. Ecosistemele există datorită energiei solare nepoluante și practic eterne, a cărei cantitate este relativ constantă și abundentă. Energia solară de pe Pământ provoacă două cicluri de materie: mare sau geologic și mic, biologic (biotic). Ambele cicluri sunt interconectate și reprezintă, parcă, un singur proces.

Existența ciclurilor biogeochimice, sau a ciclurilor biogeochimice, creează o oportunitate de autoreglare (homeostazie) a sistemului, ceea ce conferă stabilitate ecosistemului: o constanță uimitoare a procentului de diferite elemente.

Există multe cicluri ale materiei. Ciclul hidrologic planetar, sau ciclul apei, este cel mai semnificativ ciclu în ceea ce privește transportul în masă și consumul de energie pe Pământ. Ciclul biotic (biologic) este înțeles ca circulația substanțelor între sol, plante, animale și microorganisme. Dintre toate ciclurile biogeochimice, ciclul carbonului este, fără îndoială, cel mai intens. Majoritatea oxigenului produs în epocile geologice nu a rămas în atmosferă, ci a fost fixat de litosferă sub formă de carbonați, sulfați, oxizi de fier etc. Această masă este de 590x1014 tone față de 39x1014 tone de oxigen care circulă în biosferă în sub formă de gaz sau sulfați dizolvați în apele continentale și oceanice. Azotul este un element biogen indispensabil, deoarece face parte din proteine ​​și acizi nucleici. Ciclul azotului este unul dintre cele mai complexe, deoarece include atât faza gazoasă, cât și faza minerală și, în același timp, ciclurile cele mai ideale. Ciclul fosforului din biosferă este asociat cu procesele metabolice la plante și animale. Acest element important și necesar de protoplasmă, conținut în plante terestre și alge 0,01-0,1%, animale de la 0,1% la câteva procente, circulă, transformându-se treptat din compuși organici în fosfați, care pot fi din nou utilizați de plante. Există numeroși compuși gazoși ai sulfului, cum ar fi hidrogenul sulfurat H2S și dioxidul de sulf SO2.

Menținerea activității vitale a organismelor și circulația materiei în ecosisteme, adică existența ecosistemelor, depinde de afluxul constant de energie necesar tuturor organismelor pentru activitatea lor vitală și auto-reproducere.

Spre deosebire de substanțele care circulă continuu prin diferite blocuri ale ecosistemului, care pot fi întotdeauna reutilizate, intră în ciclu, energia poate fi folosită o singură dată, adică există un flux liniar de energie prin ecosistem.

În cadrul unui ecosistem, substanțele care conțin energie sunt create de organismele autotrofe și servesc drept hrană pentru heterotrofe. Legăturile alimentare sunt mecanisme de transfer de energie de la un organism la altul. În cadrul fiecărui ecosistem, rețelele trofice au o structură bine definită, care se caracterizează prin natura și numărul de organisme prezente la fiecare nivel al diferitelor lanțuri trofice.

Compoziția ecosistemelor este un proces dinamic. Ecosistemele suferă în mod constant schimbări în starea și activitatea vitală a membrilor lor și raportul populațiilor. Diversele schimbări care au loc în orice comunitate sunt clasificate în două tipuri principale: ciclice și progresive.

Succesiunea este un proces natural, dirijat, iar schimbările care au loc într-un stadiu sau altul al acesteia sunt caracteristice oricărei comunități și nu depind de compoziția speciei sau de localizarea sa geografică. Ecosistemul global este biosfera. După cum sa menționat mai devreme, biosfera este împărțită în geobiosferă, hidrobiosferă și aerobiosferă. Biosfera este formată într-o măsură mai mare nu de factori externi, ci de modele interne. Cea mai importantă proprietate a biosferei este interacțiunea dintre lucrurile vii și nevii, care se reflectă în legea migrării biogene a atomilor de către V.I. Vernadsky.

Ecosistemele care există pe Pământ sunt diverse. Există microecosisteme (de exemplu, trunchiul unui copac putrezit), mezoecosisteme (pădure, iaz etc.), macroecosisteme (continent, ocean etc.) și cel global - biosfera. Ecosistemele terestre mari se numesc biomi. Fiecare biom include un număr de ecosisteme mai mici, interconectate. Există mai multe clasificări ale ecosistemelor: pădure tropicală veșnic verde; deșert: ierbos și arbuști; pajiști și savane tropicale; stepa zonei temperate; pădure temperată de foioase: păduri boreale de conifere. Tundra: arctică și alpină. Tipuri de ecosisteme de apă dulce: panglică (apă stagnantă): lacuri, iazuri etc.; lotice (ape curgătoare): râuri, pâraie etc.; zone umede: mlaștini și păduri mlăștinoase;

Tipuri de ecosisteme marine: ocean deschis (pelagice); apele platformei continentale (ape de coastă); zone de upwelling (zone fertile cu pescuit productiv); estuare (goluri de coastă, strâmtori, gurile de râu, mlaștini sărate etc.).

Fiecare ecosistem are două componente principale: organisme și factori ai mediului lor neînsuflețit. Totalitatea organismelor (plante, animale, microbi) se numește biota unui ecosistem. Modalitățile de interacțiune ale diferitelor categorii de organisme este structura sa biotică.

Energia solară de pe Pământ provoacă două cicluri de materie: unul mare, sau geologic, cel mai clar manifestat în ciclul apei și circulația atmosferică, și unul mic, biologic (biotic), care se dezvoltă pe baza unuia mare și constând dintr-un continuu, ciclic, dar neuniform în timp și spațiu, și însoțit de pierderi mai mult sau mai puțin semnificative în redistribuirea regulată a materiei, energiei și informațiilor în cadrul sistemelor ecologice de diferite niveluri de organizare.

Ambele cicluri sunt interconectate și reprezintă, parcă, un singur proces. Interacțiunea factorilor abiotici și a organismelor vii ale ecosistemului este însoțită de o circulație continuă a materiei între biotop și biocenoză sub formă de compuși alternativi fie organici, fie minerali. Schimbul de elemente chimice între organismele vii și mediul anorganic, ale cărui etape diferite au loc în cadrul ecosistemului, se numește ciclu biogeochimic sau ciclu biogeochimic.

Existența unor astfel de cicluri creează o oportunitate de autoreglare (homeostazie) a sistemului, ceea ce conferă stabilitate ecosistemului: o constanță uimitoare a procentului de diferite elemente. Aici funcționează principiul funcționării ecosistemelor: obținerea de resurse și eliminarea deșeurilor apar în cadrul ciclului tuturor elementelor.

Lista literaturii folosite

1.Bigon M.I. Ecologie, indivizi, populații și comunități. M.: 1989. - 290 ani.

2.Beisenova A.S., Shildebaev Zh.B., Sautbaeva G.Z. Ecologie. Almaty: „Gylym, 2001. - 201 p.

3.Akimova T.A., Khaskin V.V. Ecologie. M.: Editura UNITI, 1998. - 233p.

.Gorelov A.A. Ecologie. Curs de curs. M.: „Centrul” 1997. - 280 p.

.Stadnitsky G.V., Rodionov A.I. Ecologie. M.: Editura UNITI, 1996. - 272 p.

.Sadanov A.K., Svanbaeva Z.S., Ecologie. Almaty: „Agrouniversitet”, 1999. - 197 p.

.Shilov I.A. Ecologie. M.: Şcoala superioară, 2000. - 348 p.

.Reimers N.F. Ecologie (Teorie, legi, reguli, principii și ipoteze). M.: „Rusia tânără”, 1994. - 260 p.

.Tsvetkova L.I., Alekseev M.I., Usenov B.P. etc.Ecologie. Manual pentru universitățile tehnice. M.; DIA, Sankt Petersburg: Himizdat, 1999, 185 p.

.Girusov E.V. Ecologia și economia managementului naturii. Moscova: Drept și Drept, UNITI. 1998 - 232 p.

.Vronsky V.A. Ecologie aplicată: Proc. Beneficiu. Rostov-pe-Don: 1995. - 197 p.

.Budyko M.I. Ecologie globală. M.: Gândirea, 1977.-248s.

.Alekseenko V.A. Geochimie ecologică. Manual. Moscova: Logos, 2000 - 410 p.

.Petrov K.M. General ecologie S-P. Tutorial. „Chimie”, 1997. - 218 p.

.Andersen J.M. Ecologia și știința mediului. Biosferă, ecosistem, om. L., 1985. 376 p.

.Girenok F.I. Ecologie. Civilizaţie. Noosfera.M.: 191987. - 281 p.

.În căutarea echilibrului: ecologia în sistemul priorităților politice sociale M.: 1992. - 427 p.

.Istoria interacțiunii dintre societate și natură: factori și concept. M.: ANSSSR 1990.

.Stepanovskikh A.S. Ecologie aplicată: Protecția mediului. Manual pentru licee. M.: UNITATE DANA. 2003. 751 p.

Lucrări similare cu - Ciclul fluxurilor de materie și energie în ecosisteme

Pentru a utiliza previzualizarea prezentărilor, creați un cont Google (cont) și conectați-vă: https://accounts.google.com

Subtitrări slide-uri:

Circulația materiei și a energiei în natură

Ciclul materiei este un proces repetitiv de transformare și mișcare a materiei în natură, care este mai mult sau mai puțin ciclic. Toate substanțele de pe planeta noastră sunt în proces de circulație. Există două cicluri principale în natură: mare (geologic) mic (biogeochimic)

Marele Ciclu al Substanţelor Marele Ciclu durează milioane de ani, datorită interacţiunii energiei solare cu energia profundă a Pământului. Asociat cu procesele geologice, formarea și distrugerea rocilor și mișcarea ulterioară a produselor de distrugere.

Circulaţia mică a substanţelor Circulaţia mică (biogeochimică) are loc în interiorul biosferei, la nivelul biocenozei. Esența sa este în formarea materiei vii din compuși anorganici în procesul de fotosinteză și în transformarea materiei organice în timpul descompunerii din nou în compuși anorganici. Cicluri biogeochimice - Vernadsky V.I.

Ciclul apei Tr scurgere inf Evaporarea apei Condens de vapori Scurgere de precipitatii Infiltratie de transpiratie

Transpirația este procesul de mișcare a apei printr-o plantă și de evaporare a acesteia prin organele externe ale plantei, cum ar fi frunzele, tulpinile și florile. Apa este necesară pentru viața plantei, dar doar o mică parte din apa care intră prin rădăcini este folosită direct pentru nevoile de creștere și metabolism.

Ciclul apei

Ciclul apei Cea mai mare parte a apei este concentrată în oceane. Apa, evaporându-se de la suprafața lor, furnizează natural și ecosisteme artificiale sushi. Cu cât o zonă este mai aproape de ocean, cu atât mai multe precipitații cad acolo. Pământul returnează în mod constant apă oceanului: o parte din umiditate se evaporă, cel mai activ în păduri, o parte este colectată de râuri: primesc ploaia și topesc apa. Schimbul de umiditate între ocean și pământ necesită costuri energetice foarte mari: consumă aproximativ 30% din energia solară care ajunge pe Pământ.

Influența omului asupra ciclului apei Ciclul apei din biosferă înainte de dezvoltarea civilizației era echilibrat, adică. oceanul a primit de la râuri atâta apă cât a consumat prin evaporare. Odată cu dezvoltarea civilizației, acest ciclu a început să fie încălcat. În special, pădurile se evaporă din ce în ce mai puțină apă, deoarece. aria lor este redusă, iar suprafaţa solului, dimpotrivă, se măreşte, deoarece. suprafața culturilor agricole irigate este în creștere. teren. Râurile din regiunile sudice au devenit puțin adânci. Apa se evaporă mai rău de la suprafața oceanului, deoarece. o parte semnificativă a acestuia este acoperită cu o peliculă de ulei. Toate acestea înrăutățesc alimentarea cu apă a biosferei.

Secetele devin din ce în ce mai frecvente, iar focarele de dezastre ecologice apar. De exemplu, o secetă catastrofală durează de mai bine de 35 de ani în Africa, în zona Sahel - o regiune semi-deșertică care separă Sahara de țările nordice ale continentului. Apa dulce care se întoarce în ocean și în alte corpuri de apă de pe uscat este adesea poluată. Apa multor râuri rusești a devenit practic improprie pentru băut. Proporția de apă dulce disponibilă organismelor vii este destul de mică, așa că trebuie folosită cu moderație și nu poluată! Fiecare al patrulea locuitor al planetei nu are curatenie bând apă. În multe părți ale lumii nu există suficientă apă pentru producția industrială și irigare.

Diferitele componente ale hidrosferei participă la ciclul apei în moduri diferite și la rate diferite. Este nevoie de 8.000 de ani pentru reînnoirea completă a apei în ghețari, 5.000 de ani pentru apele subterane, 3.000 de ani pentru ocean și 1 an pentru sol. Vaporii atmosferici și apele râului se reînnoiesc complet în 10-12 zile. Ciclul apei în natură durează aproximativ 1 milion de ani.

Ciclul oxigenului Oxigenul este unul dintre cele mai comune elemente din biosferă. Conținutul de oxigen din atmosferă este de aproape 21%. Oxigenul este o parte a moleculelor de apă, o parte a organismelor vii (proteine, grăsimi, carbohidrați, acizi nucleici). Oxigenul este produs de producători (plante verzi). Ozonul joacă un rol important în ciclul oxigenului. Strat de ozon situat la o altitudine de 20-30 km deasupra nivelului mării. Conținutul de oxigen din atmosferă este afectat de 2 procese principale: 1) fotosinteza 2) descompunerea materiei organice, în care este consumată.

Ciclul oxigenului este un proces lent. Este nevoie de aproximativ 2.000 de ani pentru a înlocui complet tot oxigenul din atmosferă. Pentru comparație: reînnoirea completă a dioxidului de carbon din atmosferă durează aproximativ 3 ani. Oxigenul este consumat pentru respirația majorității organismelor vii. Oxigenul este utilizat la arderea combustibilului în motoarele cu ardere internă, în cuptoarele centralelor termice, în motoarele de avioane și rachete etc. Epuizarea antropică suplimentară poate perturba echilibrul ciclului oxigenului. În timp ce biosfera compensează intervenția umană: pierderile sunt completate de plante verzi. Odată cu reducerea în continuare a suprafeței pădurii și arderea din ce în ce mai mult combustibil, conținutul de oxigen din atmosferă va începe să scadă.

ESTE IMPORTANT!!! Cu o scădere a conținutului de oxigen din aer la 16%, o persoană se simte mai rău (în special inima suferă), până la 7% - o persoană își pierde cunoștința, până la 3% - apare moartea.

Ciclul carbonului

Ciclul carbonului Carbonul este baza compușilor organici; face parte din toate organismele vii sub formă de proteine, grăsimi, carbohidrați. Carbonul intră în atmosferă sub formă de dioxid de carbon. În atmosferă, unde este concentrată cea mai mare parte a dioxidului de carbon, schimbul are loc constant: plantele absorb dioxidul de carbon în timpul fotosintezei, iar toate organismele îl eliberează în timpul respirației. Până la 50% carbonul sub formă de CO 2 este returnat în atmosferă de către descompozitori - microorganismele solului. Carbonul iese din ciclu sub formă de carbonat de calciu.

Impactul uman asupra ciclului carbonului Activitatea umană cauzată de om perturbă echilibrul natural al ciclului carbonului: 1) arderea combustibililor fosili eliberează anual circa 6 miliarde de tone de CO 2 în atmosferă: a) Generarea de energie electrică la centralele termice b) Gazele de evacuare a vehiculelor 2) defrișări. În ultimii 100 de ani, conținutul de dioxid de carbon din atmosferă a crescut constant și rapid. Dioxid de carbon + metan + vapori de apă + ozon + oxizi de azot = gaz cu efect de seră. Drept urmare, efectul de seră este încălzirea globală, care poate duce la dezastre naturale pe scară largă.

Ciclul azotului În formă liberă, azotul este parte integrantă a aerului - 78%. Azotul este unul dintre cele mai importante elemente pentru viața organismelor. Azotul face parte din toate proteinele. Molecula de azot este foarte puternică, din acest motiv, majoritatea organismelor nu sunt capabile să absoarbă azotul atmosferic. Azotul este absorbit de organismele vii numai sub formă de compuși cu hidrogen și oxigen. Fixarea azotului în compuși chimici are loc ca urmare a activității vulcanice și a furtunii, dar mai ales ca urmare a activității microorganismelor - fixatori de azot (bacterii fixatoare de azot și alge albastru-verzi).

Azotul intră în rădăcinile plantelor sub formă de nitrați, care sunt utilizați pentru sinteza materiei organice (proteine). Animalele consumă azot cu hrana vegetală sau animală. Revenirea azotului în atmosferă are loc ca urmare a distrugerii materialului organic mort. Bacteriile din sol descompun proteinele în substanțe anorganice - gaze - amoniac, oxizi de azot, care intră în atmosferă. Azotul care intră în corpurile de apă trece și prin lanțurile trofice „plantă – animal – microorganisme” și revine în atmosferă.

Impactul uman asupra ciclului azotului Activitatea umană cauzată de om perturbă echilibrul natural al ciclului azotului. La arat terenul, activitatea microorganismelor - fixatori de azot scade de aproape 5 ori, prin urmare, conținutul de azot din sol scade, ceea ce duce la o scădere a fertilității solului. Prin urmare, o persoană introduce un exces de nitrați în sol, care sunt incluși în îngrășămintele minerale. O cantitate mare de oxizi de azot intră în atmosferă în timpul arderii și procesării gazului, petrolului, cărbunelui și cade sub formă de ploaie acide. Restaurarea ciclului natural al azotului este posibilă prin reducerea producției de îngrășăminte cu azot, reducerea emisiilor industriale de oxizi de azot în atmosferă și așa mai departe.

Ciclul fosforului

Spre deosebire de ciclurile apei, carbonului, azotului și oxigenului, care sunt închise, ciclul fosforului este deschis, deoarece. fosforul nu formează compuși volatili care intră în atmosferă. Fosforul este conținut în roci, de unde pătrunde în ecosisteme în timpul distrugerii naturale a rocilor sau când se aplică îngrășăminte cu fosfor pe câmpuri. Plantele absorb compușii anorganici ai fosforului, iar animalele care se hrănesc cu aceste plante acumulează fosfor în țesuturile lor. După descompunerea cadavrelor animalelor și plantelor, nu tot fosforul este implicat în ciclu. O parte din acesta este spălată din sol în corpurile de apă (râuri, lacuri, mări) și se așează pe fund. Fosforul revine pe uscat în cantități mici cu peștii prinși de oameni.

Influența omului asupra ciclului fosforului Transferul fosforului de pe uscat în ocean a crescut considerabil sub influența omului. Odată cu distrugerea pădurilor, arătura solurilor, volumul scurgerii apelor de suprafață crește și, în plus, în râurile și lacurile din câmpuri se introduc îngrășăminte fosfatice. Deoarece rezervele de fosfor pe uscat sunt limitate, iar întoarcerea acestuia din ocean este dificilă, în viitor poate exista o lipsă de fosfor în agricultură, ceea ce va determina o scădere a randamentelor (în primul rând cereale).

Indiferent de dimensiunea și gradul de complexitate, ecosistemele sunt sisteme deschise și, într-o măsură mai mare sau mai mică, necesită o aprovizionare constantă cu energie și diverse substanțe. În procesul activității vitale a organismelor, există un aflux constant de energie și circulație a substanțelor, iar fiecare specie utilizează doar o parte din energia conținută în substanțele organice. Acest proces are loc prin lanțuri trofice (niveluri trofice), care sunt o secvență de specii care extrag materie organică și energie din substanța alimentară originală; în același timp, fiecare legătură anterioară devine hrană pentru următoarea (Fig. 24).

Circulatia substantelor - aceasta este mișcarea unei substanțe sub formă de elemente chimice și compușii acestora de la producători la reductori, prin consumatori sau fără aceștia, și din nou la producători. Plantele sunt organisme autotrofe capabile să sintetizeze substanțe organice din substanțe anorganice în procesul de fotosinteză, de aceea sunt numite producători, sauproducatori.

Orez. 24. Fluxul energiei și ciclul substanțelor din ecosistem

Plantele sunt folosite ca hrană de animale, care ele însele nu sunt capabile să sintetizeze materia organică din materia anorganică. Astfel de organisme heterotrofe se numesc consumatori, sau consumatori. Bacteriile și ciupercile îndeplinesc principalul

rol în descompunerea materiei organice moarte în substanțele anorganice originale, returnându-le în mediu. De aceea sunt numiti destructori sau reductori, adică distrugători sau agenţi reducători.

Deci, materia organică formată de plante trece în corpul animalelor și apoi, cu participarea bacteriilor, este din nou transformată în substanțe anorganice care sunt asimilate de plante. Astfel, ciclul substanțelor se desfășoară în ecosistem.

Flux de energie - transferul de energie sub formă de legături chimice ale compușilor organici (alimente) de-a lungul lanțurilor trofice de la un nivel trofic la altul (mai înalt) (Fig. 25). Soarele este singura sursă de energie de pe pământ. Oferă un flux constant, continuu, deschis de energie către Pământ. Spre deosebire de substanțele care circulă prin legăturile unui ecosistem și intră în ciclu, fiind folosite în mod repetat, energia poate fi folosită o singură dată.

Pentru a înțelege procesele fluxului de energie în ecosisteme, este important să cunoașteți legile termodinamicii. Prima lege a termodinamicii spune că energia nu poate fi creată din nou și nu dispare, ci doar se schimbă de la o formă la alta. Prin urmare, energia dintr-un ecosistem nu poate apărea de la sine, ci intră în el din exterior - de la Soare.

Orez. 25. Fluxul de energie într-un ecosistem

A doua lege a termodinamicii afirmă că procesele asociate cu transformarea energiei pot decurge spontan numai cu condiția ca energia să treacă de la o formă concentrată la una difuză. În conformitate cu această lege, plantele folosesc doar o parte din energia solară care intră în ecosistem. Restul energiei este disipată și transformată în căldură, care este cheltuită pentru încălzirea mediului înconjurător al ecosistemului. O mică parte din energia solară absorbită de plantă este cheltuită pentru procesul de producție, adică pentru formarea biomasei. În plus, trecând la următoarele niveluri trofice, împreună cu alimentele sub formă de legături chimice, energia este, de asemenea, disipată și scade în cantitate până când este complet disipată.

Lanțul trofic este principalul canal de transfer de energie într-un ecosistem. Plantele sunt furnizorii primari de energie pentru toate celelalte organisme din lanțul trofic. Există anumite modele de transfer de energie de la un nivel trofic la altul împreună cu alimentele consumate. In primul rand, cea mai mare parte a energiei absorbită de consumator cu alimente este cheltuită pentru suportul său vital (mișcare, menținerea temperaturii etc.). Această parte a energiei este considerată drept cheltuială pentru respirație. În al doilea rând, o parte din energie trece în corpul organismului consumatorului „în rezervă”. În al treilea rând, o anumită proporție de alimente nu este absorbită de organism, prin urmare, energia nu este eliberată din acesta. Ulterior, este eliberat din excremente, dar de către alte organisme (distructoare) care le consumă pentru hrană. Eliberarea de energie cu excremente la prădători este mică, la ierbivore este mai semnificativă. De exemplu, omizile unor insecte care se hrănesc cu plante excretă până la 70% din energia lor cu excremente.

În fiecare verigă a lanțului trofic, cea mai mare parte a energiei este cheltuită sub formă de căldură, care se pierde, ceea ce limitează numărul de verigi. În medie, cheltuiala maximă pentru respirație în cantitatea de alimente nedigerate este de aproximativ 90% din cea consumată. Prin urmare, transferul de energie de la un nivel trofic la altul reprezintă doar aproximativ 10% din energia consumată în alimente. Este ușor de calculat că energia care ajunge la nivelul 5 este doar 0,01% din energia absorbită de producători. Acest model se numește „regula zece la sută”. Arată că lanțul trofic are un număr limitat de verigi, de obicei nu mai mult de 4-5. După trecerea prin ele, aproape toată energia ochiului

numit împrăştiat. Prin urmare, o aprovizionare constantă cu energie este necesară pentru ca ecosistemul să existe.

Lucrarea a fost adăugată pe site-ul: 2015-10-28

Comandă scrierea unei lucrări unice

Ministerul Educației al Federației Ruse

UNIVERSITATEA DE STAT VLADIMIR

Departamentul de Ecologie
ESEU

la disciplina „Ecologie”

pe subiect:

„Fluxul energiei și circulația substanțelor în natură”

Efectuat:

student gr. ZEVM-107

Bocharov A.V.
Admis:

Mishchenko T.V.
VLADIMIR 2011
CONŢINUT
Introducere ……………………………………………………….….………….. 3

1. Fluxul de energie în biosferă …………………………………………..…. 5

2. Cicluri biogeochimice …………………………….….………... 7

2.1 Ciclul apei ………………………………………………………….…… 9

2.2 Ciclul oxigenului ……………………………………………….…… 11

2.3 Ciclul carbonului …………………………………………………… 12

2.4 Ciclul azotului ………………………………………………… 14

2.5 Ciclul fosforului …………….…………….……….. 17

2.6 Ciclul sulfului ……………………………………….…………. optsprezece

3. Factori care influențează ciclul substanțelor din natură …………….. 19

4. Influența omului asupra ciclurilor substanțelor din natură ………………… 23

Concluzie ……………………………………………………………………….. 26

Lista surselor de literatură utilizate……………………………………… 27
Introducere

Funcția principală a biosferei este de a asigura circulația elementelor chimice, care se exprimă în circulația substanțelor între atmosferă, sol, hidrosferă și organismele vii.

Ecosistemele sunt comunități de organisme legate de mediul anorganic prin cele mai strânse legături materiale și energetice. Plantele pot exista doar datorită aportului constant de dioxid de carbon, apă, oxigen, săruri minerale. În orice habitat anume, rezervele de compuși anorganici necesare menținerii activității vitale a organismelor care îl locuiesc ar fi suficiente pentru o perioadă scurtă de timp dacă aceste rezerve nu ar fi reînnoite. Revenirea elementelor biogene în mediu are loc atât în ​​timpul vieții organismelor (ca urmare a respirației, excreției, defecării), cât și după moartea acestora, ca urmare a descompunerii cadavrelor și a reziduurilor vegetale. Astfel, comunitatea dobândește cu mediul anorganic un anumit sistem în care fluxul de atomi, cauzat de activitatea vitală a organismelor, tinde să fie închis într-un ciclu.

Orice combinație de organisme și componente anorganice în care poate avea loc circulația substanțelor se numește ecosistem. Acest termen a fost propus în 1935 de ecologistul englez A. Tansley, care a subliniat că prin această abordare, factorii anorganici și organici acționează ca componente egale și nu putem separa organismele de un anumit mediu. A. Tansley a considerat ecosistemele ca fiind unitățile de bază ale naturii de pe suprafața Pământului, deși nu au un anumit volum și pot acoperi spațiu de orice lungime.

Majoritatea substanțelor scoarței terestre trec prin organismele vii și sunt implicate în ciclul biologic al substanțelor care au creat biosfera și determină stabilitatea acesteia. În ceea ce privește energia, viața din biosferă este susținută de un aflux constant de energie de la Soare și de utilizarea acesteia în procesele de fotosinteză. Activitatea organismelor vii este însoțită de extragerea din mediul lor natura neînsuflețită cantitati mari de minerale. După moartea organismelor, elementele lor chimice constitutive sunt returnate în mediu. Așa se naște circulația biogenă a substanțelor în natură, adică circulația substanțelor între atmosferă, hidrosferă, litosferă și organismele vii.

Scopul acestui eseu este de a studia circulația fluxului de energie și substanțe în natură și dezvăluirea temei alese.

Subiectul eseului meu este foarte vast. Poți vorbi despre asta mult timp. Dar voi atinge doar acele aspecte pe care le consider cele mai importante și apropiate de tema aleasă.
1. FLUXUL DE ENERGIE ÎN BIOSFERĂ

Fluxul de energie solară, perceput de moleculele celulelor vii, este transformat în energia legăturilor chimice. În timpul fotosintezei, plantele folosesc energia radiantă a luminii solare pentru a transforma substanțele cu energie scăzută (CO 2 și H 2 O) în compuși organici mai complecși, unde o parte din energia solară este stocată sub formă de legături chimice.

Substantele organice formate in procesul de fotosinteza pot servi ca sursa de energie pentru planta in sine sau pot trece in procesul de alimentatie si asimilare ulterioara de la un organism la altul: de la o planta la ierbivore, de la acestea la carnivore etc. Eliberarea energiei conținute în compușii organici are loc în procesul de respirație sau fermentație. Distrugerea reziduurilor de biomasă uzate sau moarte este efectuată de o varietate de organisme aparținând numărului de saprofite (bacterii heterotrofe, ciuperci, unele animale și plante). Ele descompun reziduurile de biomasă în componente anorganice (mineralizare), contribuind la implicarea compușilor și elementelor chimice în ciclul biologic, ceea ce asigură următoarele cicluri și producerea de materie organică. Cu toate acestea, energia conținută în alimente nu ciclează, ci se transformă treptat în energie termică. În cele din urmă, toată energia solară absorbită de organisme sub formă de legături chimice se întoarce din nou în spațiu sub formă de radiație termică, astfel încât biosfera are nevoie de un aflux de energie din exterior.

Spre deosebire de substanțele care circulă continuu prin diferite blocuri ale ecosistemului și pot reintra mereu în ciclu, energia poate fi folosită o singură dată.

Afluxul unilateral de energie ca fenomen universal al naturii are loc ca urmare a legilor termodinamicii, legate de fundamentele fizicii. Prima lege spune că energia se poate schimba de la o formă (cum ar fi energia luminii) la alta (cum ar fi energia potențială a alimentelor), dar nu este niciodată creată sau distrusă.

A doua lege a termodinamicii spune că nu poate exista niciun proces asociat cu transformarea energiei fără a pierde o parte din ea. În astfel de transformări, o anumită cantitate de energie este disipată în energie termică inaccesibilă și, prin urmare, se pierde. Din acest motiv, nu pot exista transformări, de exemplu, ale nutrienților în substanța care alcătuiește corpul unui organism, mergând cu o eficiență de 100%.

Existența tuturor ecosistemelor depinde de o aprovizionare constantă cu energie, care este necesară pentru ca toate organismele să-și mențină activitatea vitală și auto-reproducția.

Soarele este practic singura sursă de energie de pe pământ. Cu toate acestea, departe de toată energia radiației solare poate fi absorbită și utilizată de organisme. Doar aproximativ jumătate din fluxul solar obișnuit care cade pe plantele verzi (adică producătorii) este absorbit de elementele fotosintetice și doar o mică parte din energia absorbită (de la 1/100 la 1/20 parte) este stocată sub formă de energie biochimică (energie alimentară).

Astfel, cea mai mare parte a energiei solare se pierde sub formă de căldură până la evaporare. În general, menținerea vieții necesită o aprovizionare constantă cu energie. Și oriunde există plante și animale vii, aici vom găsi întotdeauna sursa energiei lor.
2. Cicluri biogeochimice

Elementele chimice care alcătuiesc ființele vii circulă de obicei în biosferă pe căi caracteristice: de la mediul extern la organisme și din nou la mediul extern. Migrația biogenă se caracterizează prin acumularea de elemente chimice în organisme (acumulare) și eliberarea lor ca urmare a mineralizării biomasei moarte (detritus). Asemenea căi de circulație a substanțelor chimice (într-o măsură mai mare sau mai mică închise), care curg odată cu utilizarea energiei solare prin organismele vegetale și animale, sunt numite cicluri biogeochimice ( bio se aplică organismelor vii, geo- la sol, aer, apă de pe suprafața pământului).

Distinge ciclurile tip de gaz cu rezervoare de compuși anorganici în atmosferă sau oceane ( N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 O) și cicluri sedimentare cu rezervoare mai puțin extinse în scoarța terestră (P, Ca, F e).

Elementele necesare vieții și sărurile dizolvate sunt numite condiționat elemente biogene (dătătoare de viață) sau nutrienți. Dintre elementele biogene se disting două grupe: substanțe macrotrofe și substanțe microtrofe.

Primele acoperă elementele care alcătuiesc baza chimică a țesuturilor organismelor vii. Acestea includ: carbon, hidrogen, oxigen, azot, fosfor, potasiu, calciu, magneziu, sulf.

Acestea din urmă includ elemente și compușii acestora, care sunt, de asemenea, necesari pentru existența sistemelor vii, dar în cantități extrem de mici. Astfel de substanțe sunt adesea denumite oligoelemente. Acestea sunt fier, mangan, cupru, zinc, bor, sodiu, molibden, clor, vanadiu și cobalt. Deși elementele microtrofe sunt necesare organismelor în cantități foarte mici, deficiența lor poate limita sever productivitatea, precum și lipsa de nutrienți.

Circulația elementelor biogene este de obicei însoțită de transformările lor chimice. Azotul nitrat, de exemplu, poate fi transformat în azot proteic, apoi transformat în uree, transformat în amoniac și resintetizat în formă de nitrat sub influența microorganismelor. În procesele de denitrificare și fixare a azotului sunt implicate diverse mecanisme, atât biologice, cât și chimice.

Carbonul conținut în atmosferă sub formă de CO 2 este unul dintre componentele inițiale pentru fotosinteză, iar apoi, împreună cu materie organică consumate de consumatori. În timpul respirației plantelor și animalelor, precum și datorită descomponenților, carbonul sub formă de CO 2 revine în atmosferă.

Spre deosebire de azot și carbon, fosforul este stocat în roci care erodează și eliberează fosfați în ecosisteme. Cei mai mulți dintre ei intră în mare și parțial pot fi returnați din nou pe uscat prin lanțurile trofice marine care se termină în păsări mâncând pește (formarea guano). Absorbția fosforului de către plante depinde de aciditatea soluției solului: pe măsură ce aciditatea crește, fosfații practic insolubili în apă sunt transformați în acid fosforic foarte solubil.

Spre deosebire de energie, elementele biogene pot fi folosite în mod repetat: circulația lor este o trăsătură caracteristică. O altă diferență față de energie este că rezervele de nutrienți nu sunt constante. Procesul de legare a unora dintre ele sub formă de biomasă vie reduce cantitatea rămasă în mediul ecosistemului.

Să luăm în considerare mai detaliat ciclurile biogeochimice ale unor substanțe.
2.1 Ciclul apei
Apa este în continuă mișcare. Evaporându-se de la suprafața rezervoarelor, solul, plantele, apa se acumulează în atmosferă și, mai devreme sau mai târziu, cade sub formă de precipitații, refacerea rezervelor din oceane, râuri, lacuri etc. Astfel, cantitatea de apă de pe Pământ nu se schimbă, ci doar își schimbă formele - acesta este ciclul apei în natură. Din toate precipitațiile care cad, 80% cad direct în ocean. Pentru noi, restul de 20% care cade pe uscat prezintă cel mai mare interes, deoarece majoritatea surselor de apă folosite de om sunt reumplute tocmai datorită acestui tip de precipitații. Mai simplu spus, apa care a căzut pe uscat are două căi. Fie, adunându-se în pâraie, pâraie și râuri, ajunge în lacuri și rezervoare - așa-numitele surse deschise (sau de suprafață) de captare a apei. Sau apa, care se infiltrează prin sol și straturile subsolului, completează rezervele de apă subterană. Apele de suprafață și cele subterane sunt cele două surse principale de alimentare cu apă. Amandoua resurse de apă sunt interdependente și au atât avantaje, cât și dezavantaje ca sursă de apă potabilă.

În biosferă, apa, trecând continuu dintr-o stare în alta, face cicluri mici și mari. Evaporarea apei de la suprafața oceanului, condensarea vaporilor de apă în atmosferă și precipitațiile la suprafața oceanului formează un mic ciclu. Dacă vaporii de apă sunt transportați de curenții de aer către pământ, ciclul devine mult mai complicat. În acest caz, o parte din precipitații se evaporă și se întoarce în atmosferă, cealaltă parte hrănește râurile și rezervoarele, dar în cele din urmă se întoarce din nou în ocean cu scurgerile fluviale și subterane, completând astfel un ciclu mare. O proprietate importantă a ciclului apei este că, interacționând cu litosfera, atmosfera și materia vie, leagă împreună toate părțile hidrosferei: oceanul, râurile, umiditatea solului, Apele subteraneși umiditatea atmosferică. Apa este o componentă esențială a tuturor viețuitoarelor. panza freatica, pătrunzând prin țesuturile plantei în procesul de transpirație, aduc săruri minerale necesare activității vitale a plantelor înseși.

Cea mai lentă parte a ciclului apei este activitatea ghețarilor polari, care reflectă mișcarea lentă și topirea rapidă a maselor glaciare. Apele râurilor sunt cel mai activ schimb după umiditatea atmosferică, care sunt înlocuite în medie la fiecare 11 zile. Reînnoirea extrem de rapidă a surselor majore de apă dulce și desalinizarea apei în timpul ciclului sunt o reflectare a procesului global al dinamicii apei de pe glob.
2.2 Ciclul oxigenului
Oxigenul este cel mai abundent element de pe Pământ. Apa de mare conține 85,82% oxigen, aerul atmosferic 23,15% din greutate sau 20,93% din volum și 47,2% din greutate în scoarța terestră. Această concentrație de oxigen în atmosferă este menținută constantă prin procesul de fotosinteză. În acest proces, plantele verzi folosesc lumina soarelui pentru a transforma dioxidul de carbon și apa în carbohidrați și oxigen. Masa principală de oxigen este în stare legată; cantitatea de oxigen molecular din atmosferă este estimată la 1,5 * 10 15 m, ceea ce reprezintă doar 0,01% din conținutul total de oxigen din scoarța terestră. În viața naturii, oxigenul are o importanță excepțională. Oxigenul și compușii săi sunt indispensabili pentru susținerea vieții. Ele joacă un rol important în procesele metabolice și în respirație. Oxigenul face parte din proteine, grăsimi, carbohidrați, din care sunt „construite” organismele; corpul uman, de exemplu, conține aproximativ 65% oxigen. Majoritatea organismelor obțin energia de care au nevoie pentru a-și îndeplini funcțiile vitale oxidând anumite substanțe cu ajutorul oxigenului. Pierderea de oxigen din atmosferă ca urmare a proceselor de respirație, descompunere și ardere este compensată de oxigenul eliberat în timpul fotosintezei. Defrișările, eroziunea solului, diferitele lucrări miniere la suprafață reduc masa totală a fotosintezei și reduc circulația pe suprafețe mari. Alături de aceasta, o sursă puternică de oxigen este, aparent, descompunerea fotochimică a vaporilor de apă din straturile superioare ale atmosferei sub influența razelor ultraviolete ale soarelui. Astfel, în natură, ciclul oxigenului se realizează continuu, menținând constanța compoziției aerului atmosferic.

Pe lângă ciclul oxigenului descris mai sus sub formă nelegată, acest element realizează și cel mai important ciclu, fiind o parte a apei.

2.3 Ciclul carbonului
Carbonul este al șaisprezecelea cel mai abundent element de pe pământ, reprezentând aproximativ 0,027% din masa scoarței terestre. În statul nelegat, apare sub formă de diamante (cele mai mari zăcăminte din Africa de Sud și Brazilia) și grafit (cele mai mari zăcăminte din Germania, Sri Lanka și URSS). Cărbunele dur conține până la 90% carbon. În stare legată, carbonul este inclus și în diverși combustibili fosili, în minerale carbonatice, cum ar fi calcitul și dolomita, precum și în compoziția tuturor substanțelor biologice. Sub formă de dioxid de carbon, face parte din atmosfera pământului, în care reprezintă 0,046% din masă.

Carbonul are o importanță excepțională pentru materia vie (materia vie în geologie este totalitatea tuturor organismelor care locuiesc pe Pământ). Milioane de compuși organici sunt creați din carbon în biosferă. Dioxidul de carbon din atmosferă în procesul de fotosinteză efectuat de plantele verzi este asimilat și transformat în diverși compuși organici ai plantelor. Organismele vegetale, în special microorganismele inferioare, fitoplanctonul marin, datorită ratei excepționale de reproducere, produc aproximativ 1,5 * 10 11 pe an. m carbon sub formă de materie organică. Plantele sunt parțial consumate de animale (în acest caz, se formează lanțuri trofice). În cele din urmă, masa organică ca urmare a respirației, degradarii și arderii se transformă în dioxid de carbon sau se depune sub formă de sapropel, humus, turbă, care, la rândul lor, dau naștere la mulți alți compuși - cărbune, ulei. În procesele de descompunere a substanțelor organice, mineralizarea lor, bacteriile (de exemplu, putrefactive), precum și multe ciuperci (de exemplu, mucegaiurile) joacă un rol imens. Ciclul activ al dioxidului de carbonÛ materia vie este implicată într-o parte foarte mică din masa totală de carbon. O cantitate imensă de dioxid de carbon este păstrată sub formă de calcare fosile și alte roci.

Există un echilibru dinamic între dioxidul de carbon atmosferic și apa oceanică. Organismele absorb carbonatul de calciu, își creează scheletele și apoi se formează straturi de calcar din ele. Atmosfera este completată cu dioxid de carbon datorită proceselor de descompunere a materiei organice, carbonați etc. Vulcanii sunt o sursă deosebit de puternică, ale cărei gaze constau în principal din vapori de apă și dioxid de carbon.

Un loc aparte în circulația modernă a substanțelor îl ocupă arderea în masă a substanțelor organice și creșterea treptată a conținutului de dioxid de carbon din atmosferă, asociată cu creșterea producției industriale și a transportului.

Conținutul de CO 2 din aer crește lent, dar constant.
2.4 ciclul azotului
Azotul intră în atmosfera Pământului într-o formă necombinată sub formă molecule diatomice. Aproximativ 78% din volumul total al atmosferei este azot. În plus, azotul se găsește în plante și animale sub formă de proteine. Plantele sintetizează proteine ​​folosind nitrații din sol. Nitrații se formează acolo din azotul atmosferic și compușii de amoniu prezenți în sol. Procesul de transformare a azotului atmosferic într-o formă utilizabilă de plante și animale se numește fixare (sau fixare) a azotului.

În timpul degradarii materiei organice, o parte semnificativă a azotului conținut în acestea este transformată în amoniac, care, sub influența bacteriilor nitrificatoare care trăiesc în sol, este apoi oxidat în acid azotic. Acesta din urmă, reacționând cu carbonați din sol, de exemplu, carbonat de calciu CaCO3, formează nitrați:
2HN03 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + COC + H0H
O parte din azot este întotdeauna eliberată în timpul dezintegrarii în formă liberă în atmosferă. Azotul liber este eliberat și în timpul arderii substanțelor organice, în timpul arderii lemnului de foc, carbune tare, turba. În plus, există bacterii care, cu acces insuficient la aer, pot lua oxigen din nitrați, distrugându-i cu eliberarea de azot liber. Activitatea acestor bacterii denitrificatoare duce la faptul ca o parte din azotul din forma disponibila plantelor verzi (nitrati) trece in forma inaccesibila (azot liber). Astfel, departe de tot azotul care făcea parte din plantele moarte se întoarce înapoi în sol; o parte din ea este eliberată treptat într-o formă liberă.

Pierderea continuă a compușilor minerali cu azot ar fi trebuit demult să ducă la încetarea completă a vieții pe Pământ, dacă nu ar exista procese în natură care să compenseze pierderea de azot. Aceste procese includ, în primul rând, descărcări electrice care apar în atmosferă, în timpul cărora se formează întotdeauna o anumită cantitate de oxizi de azot; acestea din urmă cu apă dau acid azotic, care se transformă în nitrați în sol. O altă sursă de completare a compușilor de azot din sol este activitatea vitală a așa-numitelor azotobacterii, care sunt capabile să asimileze azotul atmosferic. Unele dintre aceste bacterii se instalează pe rădăcinile plantelor din familia leguminoaselor, determinând formarea unor umflături caracteristice - „noduli”, motiv pentru care sunt numite bacterii nodulare. Absorbând azotul atmosferic, bacteriile nodulare îl transformă în compuși de azot, iar plantele, la rândul lor, îl transformă pe acesta din urmă în proteine ​​și alte substanțe complexe.

Astfel, în natură are loc un ciclu continuu de azot. Cu toate acestea, în fiecare an, odată cu recolta, cele mai bogate părți din plante, precum cerealele, sunt îndepărtate de pe câmp. Prin urmare, este necesar să se aplice îngrășăminte pe sol, compensând pierderea în acesta a celor mai importanți nutrienți pentru plante. Utilizat în principal azotat de calciu Ca(NO3 ) 2 , azotat de amoniu NH 4 NO 3 , azotat de sodiu NANO 3 și azotat de potasiu KNO 3 . De exemplu, în Thailanda, frunzele de leukaena sunt folosite ca îngrășământ organic. Leukaena aparține plantelor leguminoase și, ca toate, conține mult azot. Prin urmare, poate fi folosit în locul îngrășământului chimic.

Recent, s-a înregistrat o creștere a conținutului de nitrați în apa potabilă, în principal datorită utilizării crescute a îngrășămintelor artificiale cu azot în agricultură. Deși nitrații în sine nu sunt atât de periculoși pentru adulți, ei pot fi transformați în nitriți în corpul uman. În plus, nitrații și nitriții sunt utilizați pentru procesarea și conservarea multor alimente, inclusiv șuncă, slănină, corned beef și unele brânzeturi și pește. Unii oameni de știință cred că în corpul uman nitrații se pot transforma în nitrozamine:

Nitrozaminele sunt cunoscute că provoacă cancer la animale. Majoritatea dintre noi suntem deja expuși la nitrozamine, care se găsesc în cantități mici în poluarea aerului, fumul de țigară și unele pesticide. Nitrozaminele sunt considerate a fi responsabile pentru 70-90% din cancerele atribuite factorilor de mediu.
2.5 Ciclul fosforului
Sursa de fosfor din biosferă este în principal apatita, care se găsește în toate rocile magmatice. Materia vie joacă un rol important în transformarea fosforului. Organismele extrag fosforul din soluri, soluții de apă. Absorbția fosforului de către plante depinde în mare măsură de aciditatea solului. Fosforul este inclus în numeroși compuși din organisme: proteine, acizi nucleici, os, lecitine, fitină și alți compuși; mai ales mult fosfor face parte din oase. Fosforul este vital pentru animalele în procesele metabolice pentru a stoca energie. Odată cu moartea organismelor, fosforul se întoarce în sol și în nămolurile mărilor. Se concentrează sub formă de noduli marini de fosfat, depozite de oase de pește, care creează condiții pentru crearea de roci bogate în fosfor, care la rândul lor sunt o sursă de fosfor în ciclul biogenic.

Conținutul de fosfor din scoarța terestră este de 8 * 10 -20% (în greutate). În stare liberă, fosforul nu se găsește în natură datorită oxidabilității sale ușoare. În scoarța terestră se află sub formă de minerale (fluorapatită, clorapatită, vivianită etc.), care fac parte din fosfații naturali - apatite și fosforite. Fosforul are o importanță excepțională pentru viața animalelor și a plantelor.

Deoarece plantele transportă o cantitate semnificativă de fosfor din sol, iar completarea naturală a compușilor de fosfor din sol este extrem de nesemnificativă, aplicarea îngrășămintelor cu fosfor în sol este una dintre cele mai importante măsuri de creștere a productivității. Aproximativ 125 de milioane de tone de minereu de fosfat sunt extrase anual în lume. Cea mai mare parte este cheltuită pentru producția de îngrășăminte fosfatice.
2.6 Ciclul sulfului
Ciclul sulfului este strâns legat de materia vie. Sulf sub formă SO2, SO3, H2S iar sulful elementar este emis de vulcani în atmosferă. Pe de altă parte, în natură sunt cunoscute diferite sulfuri metalice în cantități mari: fier, plumb, zinc etc. Sulful sulfurat este oxidat în biosferă cu participarea a numeroase microorganisme la sulf sulfat. SO 4 2 soluri si rezervoare. Sulfații sunt absorbiți de plante. În organisme, sulful face parte din aminoacizi și proteine, iar la plante, în plus, face parte din Uleiuri esentiale etc. Procesele de distrugere a rămășițelor de organisme în sol și în mâlurile mărilor sunt însoțite de transformări foarte complexe ale sulfului. Când proteinele sunt distruse cu participarea microorganismelor, se formează hidrogen sulfurat. Mai mult, hidrogenul sulfurat este oxidat fie la sulf elementar, fie la sulfați. Acest proces implică o varietate de microorganisme care creează numeroși compuși intermediari de sulf. Sunt cunoscute zăcăminte de sulf de origine biogenă. Hidrogenul sulfurat poate reforma sulfuri „secundare”, iar sulfatul de sulf creează gips. La rândul lor, sulfurile și ghipsul sunt din nou distruse, iar sulful își reia migrarea.


3. FACTORI CARE AFECTEAZĂ CICLUL

SUBSTANȚE ÎN NATURĂ

Organismele vii joacă un rol semnificativ în evoluția naturii neînsuflețite. Activitățile lor afectează semnificativ formarea compoziției atmosferei și a scoarței terestre. O mare contribuție la înțelegerea relației dintre natura animată și cea neînsuflețită a fost adusă de remarcabilul om de știință sovietic V.I. Vernadsky. El a dezvăluit rolul geologic al organismelor vii și a arătat că activitatea lor este cel mai important factor în transformarea învelișurilor minerale ale planetei.

Astfel, organismele vii, care experimentează influența factorilor de natură neînsuflețită, modifică condițiile de mediu prin activitatea lor, adică. habitatele lor. Aceasta duce la o schimbare în structura întregii comunități - biocenoza.

S-a stabilit că azotul, fosforul și potasiul pot avea cel mai mare efect pozitiv asupra randamentelor culturilor și, prin urmare, aceste trei elemente sunt aplicate în cele mai mari cantități solului cu îngrășăminte utilizate în agricultură. Prin urmare, azotul și fosforul s-au dovedit a fi principalul motiv pentru eutrofizarea accelerată a lacurilor în țările cu agricultură intensivă. Eutrofizarea este procesul de îmbogățire a corpurilor de apă cu substanțe nutritive. Este un fenomen natural în lacuri, deoarece râurile aduc substanțe nutritive din zonele de drenaj din jur. Cu toate acestea, acest proces decurge de obicei foarte lent, de-a lungul a mii de ani. Eutrofizarea nenaturală, care duce la o creștere rapidă a productivității lacului, are loc ca urmare a scurgerii de pe terenurile agricole, care pot fi îmbogățite cu substanțe nutritive îngrășăminte.

Există și alte două surse importante de fosfor - canalizare și detergenți. Ape uzate, atât în ​​forma sa originală, cât și prelucrate, sunt îmbogățite cu fosfați. Detergenții de uz casnic conțin 15% până la 60% fosfat biodegradabil. Se poate rezuma pe scurt că eutrofizarea duce în cele din urmă la epuizarea resurselor de oxigen și la moartea majorității organismelor vii în lacuri și în situații extreme în râuri.

Organismele dintr-un ecosistem sunt legate de comunitatea de energie și nutrienți și este necesar să se facă distincția clară între aceste două concepte. Întregul ecosistem poate fi asemănat cu un singur mecanism care consumă energie și nutrienți pentru a lucra. Nutrienții provin inițial din componenta abiotică a sistemului, la care, în final, revin fie ca deșeuri, fie după moartea și distrugerea organismelor. Astfel, în ecosistem există un ciclu constant de nutrienți, în care participă atât componentele vii, cât și cele nevii. Astfel de cicluri se numesc cicluri biogeochimice.

La o adâncime de zeci de kilometri, roci și minerale sunt expuse presiuni mari si temperaturile. Ca rezultat, metamorfismul (modificarea) structurii lor, minerale și uneori compoziție chimică ceea ce duce la formarea rocilor metamorfice.

Coborând și mai mult în adâncurile Pământului, rocile metamorfice se pot topi și forma magmă. Energia internă a Pământului (adică forțele endogene) ridică magma la suprafață. Cu roci topite, de ex. magma, elementele chimice sunt aduse la suprafața Pământului în timpul erupțiilor vulcanice, îngheață în grosimea scoarței terestre sub formă de intruziuni. Procesele de construcție montană ridică roci adânci și minerale la suprafața Pământului. Aici, rocile sunt expuse la soare, apă, animale și plante, de exemplu. sunt defalcate, transportate și depuse sub formă de precipitații într-o nouă locație. Ca urmare, se formează roci sedimentare. Se acumulează în zonele mobile ale scoarței terestre și, la aplecare, coboară din nou la adâncimi mari (peste 10 km).

Procesele de metamorfism, ferrying, cristalizare încep din nou, iar elementele chimice revin la suprafața Pământului. O astfel de „rută” de elemente chimice se numește ciclu geologic mare. Ciclul geologic nu este închis, pentru că o parte din elementele chimice părăsește circulația: este dusă în spațiu, fixată prin legături puternice pe suprafața pământului, iar o parte vine din exterior, din spațiu, cu meteoriți.

Ciclul geologic este o călătorie globală a elementelor chimice în interiorul planetei. Ei fac călătorii mai scurte pe Pământ în secțiunile sale individuale. Inițiatorul principal este materia vie. Organismele absorb intens elementele chimice din sol, aer, apă. Dar în același timp se întorc. Elementele chimice sunt spălate din plante de apa de ploaie, eliberate în atmosferă în timpul respirației și depuse în sol după moartea organismelor. Elementele chimice returnate sunt din nou și din nou implicate în „călătorii” ale materiei vii. Toate împreună constituie ciclul biologic sau mic al elementelor chimice. Nici el nu este închis.

Unele dintre elementele „călătorilor” sunt duse cu apele de suprafață și subterane, altele sunt „oprite” din circulație pentru diferite perioade și rămân în copaci, sol și turbă.

Un alt traseu al elementelor chimice merge de sus în jos de la vârfuri și bazine de apă până la văi și albiile râurilor, depresiuni, depresiuni. Elementele chimice intră în bazinele hidrografice numai cu precipitații și sunt transportate atât cu apă, cât și sub acțiunea gravitației. Consumul de materie prevalează asupra afluxului, dovadă fiind însăși denumirea peisajelor bazinelor hidrografice - eluviale.

Pe versanți, viața elementelor chimice se modifică. Viteza de mișcare a acestora crește dramatic și „trec” pârtiile, ca niște pasageri așezați confortabil într-un compartiment de tren. Peisajele de versanți sunt numite peisaje de tranzit.

Elementele chimice se pot „odihni” de pe drum doar în peisaje acumulative (acumulative) situate în depresiunile de relief. În aceste locuri rămân adesea, creând pentru vegetație condiții bune nutriție. În unele cazuri, vegetația trebuie să facă față unui exces de elemente chimice.

Deja cu mulți ani în urmă, omul a intervenit în distribuția elementelor chimice. De la începutul secolului al XX-lea, activitatea umană a devenit principala cale de călătorie. În timpul extracției mineralelor, o cantitate imensă de substanțe este îndepărtată din scoarța terestră. Prelucrarea lor industrială este însoțită de emisii de elemente chimice cu deșeuri de producție în atmosferă, apă și sol. Poluează habitatul organismelor vii. Pe pământ apar noi zone cu o concentrație mare de elemente chimice - anomalii geochimice create de om. Sunt comune în jurul minelor de metale neferoase (cupru, plumb). Aceste zone seamănă uneori cu peisajele lunare, deoarece sunt practic lipsite de viață din cauza conținutului ridicat de elemente nocive din soluri și ape. Este imposibil să opriți progresul științific și tehnologic, dar o persoană trebuie să-și amintească că există un prag în poluarea mediului natural, care nu poate fi depășit, dincolo de care bolile umane și chiar dispariția civilizației sunt inevitabile.


4. INFLUENȚA OMULUI ASUPRA CICLURILOR

SUBSTANȚE ÎN NATURĂ
Spre deosebire de energia, care odată folosită de organism, se transformă în căldură și se pierde în ecosistem, substanțele circulă în biosferă, ceea ce se numește cicluri biogeochimice. Din cele peste 90 de elemente găsite în natură, aproximativ 40 sunt necesare organismelor vii. Cele mai importante pentru ei și necesare în cantități mari: carbon, hidrogen, oxigen, azot. Oxigenul intră în atmosferă ca urmare a fotosintezei și este consumat de organisme în timpul respirației. Azotul este îndepărtat din atmosferă prin activitatea bacteriilor fixatoare de azot și returnat la aceasta de către alte bacterii.

Ciclurile de elemente și substanțe se desfășoară datorită proceselor de autoreglare la care participă toate componentele ecosistemelor. Aceste procese nu sunt deșeuri. Nu există nimic inutil sau dăunător în natură, chiar și erupțiile vulcanice au beneficii, deoarece elementele necesare, precum azotul, pătrund în aer cu gaze vulcanice.

Există o lege de închidere globală a circulației biogeochimice în biosferă, care operează în toate etapele dezvoltării acesteia, precum și o regulă de creștere a închiderii circulației biogeochimice în cursul succesiunii. În procesul de evoluție a biosferei, rolul de componenta biologicaîn închiderea ciclului biogeochimic. Omul joacă un rol și mai mare în ciclul biogeochimic. Dar rolul său este îndeplinit în direcția opusă. Omul încalcă ciclurile existente de substanțe, iar aceasta își manifestă forța geologică, care este distructivă în raport cu biosfera de astăzi.

Când viața a apărut pe Pământ acum 2 miliarde de ani, atmosfera era formată din gaze vulcanice. Avea mult dioxid de carbon și puțin, sau chiar deloc, oxigen, iar primele organisme erau anaerobe. Deoarece producția a depășit în medie respirația, oxigenul s-a acumulat în atmosferă în timpul geologic și conținutul de dioxid de carbon a scăzut. Acum, conținutul de dioxid de carbon din atmosferă crește ca urmare a arderii unor cantități mari de combustibili fosili și a reducerii capacității de absorbție a „centrii verzi”. Acesta din urmă este rezultatul unei scăderi a numărului de plante verzi, precum și datorită faptului că praful și poluanții din atmosferă reflectă razele care intră în atmosferă.

Ca urmare a activității antropice, gradul de izolare a ciclurilor biogeochimice scade. Deși este destul de ridicat (pentru diverse elemente și substanțe nu este același), dar, cu toate acestea, nu este absolut, ceea ce se arată prin exemplul apariției unei atmosfere de oxigen. Altfel, evoluția ar fi imposibilă (cel mai înalt grad de izolare a ciclurilor biogeochimice se observă în ecosistemele tropicale - cel mai vechi și mai conservator).

Astfel, nu ar trebui să vorbim despre schimbarea omului a ceea ce nu ar trebui să se schimbe, ci mai degrabă despre influența omului asupra vitezei și direcției schimbărilor și asupra extinderii granițelor acestora, încălcând regula de măsură pentru transformarea naturii. Acesta din urmă este formulat astfel: în timpul funcționării sistemelor naturale nu trebuie depășite anumite limite care să permită acestor sisteme să-și păstreze proprietățile de autoîntreținere. Încălcarea măsurii, atât în ​​sus, cât și în jos, duce la rezultate negative. De exemplu, un exces de îngrășăminte aplicate este la fel de dăunător ca și o deficiență. Acest simț al proporției a fost pierdut de omul modern, care crede că totul este permis în biosferă.

Speranțele pentru depășirea dificultăților de mediu sunt asociate, în special, cu dezvoltarea și punerea în funcțiune a ciclurilor tehnologice închise. Se consideră de dorit să se organizeze ciclurile de transformare a materialelor create de om astfel încât să fie asemănătoare cu ciclurile naturale ale circulației substanțelor. Atunci problemele furnizării omenirii de resurse de neînlocuit și problema protejării mediului natural de poluare ar fi rezolvate simultan, deoarece acum doar 1-2% din greutatea resurselor naturale este utilizată în produsul final.

Cicluri închise teoretic de transformare a substanței sunt posibile. Cu toate acestea, o restructurare completă și definitivă a industriei conform principiului circulației materiei în natură nu este realistă. Cel puțin o încălcare temporară a închiderii ciclului tehnologic este aproape inevitabilă, de exemplu, atunci când se creează un material sintetic cu noi proprietăți necunoscute naturii. O astfel de substanță este mai întâi testată cuprinzător în practică și abia apoi pot fi dezvoltate metode de descompunere a acesteia pentru a introduce constituenți în ciclurile naturale.


Concluzie

Pe baza rezultatelor lucrărilor desfășurate pe tema „Fluxul energetic și circulația substanțelor în natură”, se pot trage următoarele concluzii.

În prezent mediu inconjurator practic întreaga biosferă a devenit pentru omenire, pentru activitatea în care o persoană are nevoie din ce în ce mai multă energie. Datorită rezervelor de energie fosilă (în principal petrol, cărbune, gaze), procesele de industrializare au devenit posibile. Dar epuizarea lor este inevitabilă în viitorul previzibil, așa că este necesar să se caute alte surse de energie. În plus, umanitatea este amenințată de epuizarea resurselor materiale neregenerabile, precum rezervele de argint, zinc, uraniu etc. Imperfecțiunea tehnologiei moderne nu permite prelucrarea completă a materiilor prime minerale. Cea mai mare parte se întoarce în natură sub formă de deșeuri care poluează atmosfera, hidrosfera și litosfera.

Resursele materiale regenerabile includ flora și fauna, fertilitatea solului. Omul folosește în mod activ aproape toate biogeocenozele terestre și multe acvatice în agricultură și silvicultură. Dar în prezent, activitatea sa se reflectă în aproape toate celelalte ecosisteme naturale. Impacturile antropice (poluarea oceanelor cu petrol, „efectul de seră” din cauza creșterii CO 2 în atmosferă, „ploile acide”, distrugerea ecranului de ozon etc.) pot duce la abateri semnificative ale echilibrului ecosistemelor, să facă ciclul biotic a fost întrerupt și afectează negativ biosfera în ansamblu. Echilibrul ciclului biologic, i.e. echilibrul acestuia și, în consecință, stabilitatea ecosistemului este determinată de numărul maxim posibil de conexiuni între specii din rețeaua trofică. Prin urmare, cererile sunt înaintate din ce în ce mai insistent pentru a crea o industrie inofensivă pentru natură.


Lista surselor de literatură utilizate

1. Bolin B., Dess B. R., J. Yager, Warrick R. Efectul de seră, schimbările climatice și ecosistemele. - Leningrad: Gidrometeoizdat, 1989

2. Kriksunov E.A., Pasechnik V.V., Sidorin A.P. „Ecologie” - M .: Dropia, 1995.

3. Mustafin A.G., Lagkueva F.K., Bystrenina N.G. și Drew; Ed. V.N. Yarygina Biologie. Pentru solicitanții la universități - Myu: Higher School, 1998.

4. Rudzidis G., Feldman F. Chimie 11 - M.: Enlightenment, 2001.

5. Fremantle M. Chimia în acțiune - M .: Educație, 1999.

Comandă scrierea unei lucrări unice 1.
Ministerul Educației al Federației Ruse
UNIVERSITATEA DE STAT VLADIMIR
Departamentul de Ecologie

ESEU
la disciplina „Ecologie”
pe subiect:
„Fluxul energiei și circulația substanțelor în natură”

Efectuat:
student gr. ZEVM-107
Bocharov A.V.

Admis:
Mishchenko T.V.

VLADIMIR 2011

Introducere ……………………………………………………….….………….. 3
1. Fluxul de energie în biosferă …………………………………………..…. 5
2. Cicluri biogeochimice …………………………….….………... 7
2.1 Ciclul apei ………………………………………………………….…… 9
2.2 Ciclul oxigenului ……………………………………………….…… 11
2.3 Ciclul carbonului …………………………………………………… 12
2.4 Ciclul azotului ………………………………………………… 14
2.5 Ciclul fosforului …………….…………….……….. 17
2.6 Ciclul sulfului ……………………………………….…………. optsprezece
3. Factori care influențează ciclul substanțelor din natură …………….. 19
4. Influența omului asupra ciclurilor substanțelor din natură ………………… 23
Concluzie ……………………………………………………………………….. 26
Lista surselor de literatură utilizate……………………………………… 27

Introducere
Funcția principală a biosferei este de a asigura circulația elementelor chimice, care se exprimă în circulația substanțelor între atmosferă, sol, hidrosferă și organismele vii.
Ecosistemele sunt comunități de organisme legate de mediul anorganic prin cele mai strânse legături materiale și energetice. Plantele pot exista doar datorită aportului constant de dioxid de carbon, apă, oxigen, săruri minerale. În orice habitat anume, rezervele de compuși anorganici necesare menținerii activității vitale a organismelor care îl locuiesc ar fi suficiente pentru o perioadă scurtă de timp dacă aceste rezerve nu ar fi reînnoite. Revenirea elementelor biogene în mediu are loc atât în ​​timpul vieții organismelor (ca urmare a respirației, excreției, defecării), cât și după moartea acestora, ca urmare a descompunerii cadavrelor și a reziduurilor vegetale. Astfel, comunitatea dobândește cu mediul anorganic un anumit sistem în care fluxul de atomi, cauzat de activitatea vitală a organismelor, tinde să fie închis într-un ciclu.
Orice combinație de organisme și componente anorganice în care poate avea loc circulația substanțelor se numește ecosistem. Acest termen a fost propus în 1935 de ecologistul englez A. Tansley, care a subliniat că prin această abordare, factorii anorganici și organici acționează ca componente egale și nu putem separa organismele de un anumit mediu. A. Tansley a considerat ecosistemele ca fiind unitățile de bază ale naturii de pe suprafața Pământului, deși nu au un anumit volum și pot acoperi spațiu de orice lungime.
Majoritatea substanțelor scoarței terestre trec prin organismele vii și sunt implicate în ciclul biologic al substanțelor care au creat biosfera și determină stabilitatea acesteia. În ceea ce privește energia, viața din biosferă este susținută de un aflux constant de energie de la Soare și de utilizarea acesteia în procesele de fotosinteză. Activitatea organismelor vii este însoțită de extragerea unor cantități mari de substanțe minerale din natura neînsuflețită care le înconjoară. După moartea organismelor, elementele lor chimice constitutive sunt returnate în mediu. Așa se naște circulația biogenă a substanțelor în natură, adică circulația substanțelor între atmosferă, hidrosferă, litosferă și organismele vii.
Scopul acestui eseu este de a studia circulația fluxului de energie și substanțe în natură și dezvăluirea temei alese.
Subiectul eseului meu este foarte vast. Poți vorbi despre asta mult timp. Dar voi atinge doar acele aspecte pe care le consider cele mai importante și apropiate de tema aleasă.

1. FLUXUL DE ENERGIE ÎN BIOSFERĂ
Fluxul de energie solară, perceput de moleculele celulelor vii, este transformat în energia legăturilor chimice. În timpul fotosintezei, plantele folosesc energia radiantă a luminii solare pentru a transforma substanțele cu energie scăzută (CO 2 și H 2 O) în compuși organici mai complecși, unde o parte din energia solară este stocată sub formă de legături chimice.
Substantele organice formate in procesul de fotosinteza pot servi ca sursa de energie pentru planta in sine sau pot trece in procesul de alimentatie si asimilare ulterioara de la un organism la altul: de la o planta la ierbivore, de la acestea la carnivore etc. Eliberarea energiei conținute în compușii organici are loc în procesul de respirație sau fermentație. Distrugerea reziduurilor de biomasă uzate sau moarte este efectuată de o varietate de organisme aparținând numărului de saprofite (bacterii heterotrofe, ciuperci, unele animale și plante). Ele descompun reziduurile de biomasă în componente anorganice (mineralizare), contribuind la implicarea compușilor și elementelor chimice în ciclul biologic, ceea ce asigură următoarele cicluri și producerea de materie organică. Cu toate acestea, energia conținută în alimente nu ciclează, ci se transformă treptat în energie termică. În cele din urmă, toată energia solară absorbită de organisme sub formă de legături chimice se întoarce din nou în spațiu sub formă de radiație termică, astfel încât biosfera are nevoie de un aflux de energie din exterior.
Spre deosebire de substanțele care circulă continuu prin diferite blocuri ale ecosistemului și pot reintra mereu în ciclu, energia poate fi folosită o singură dată.
Afluxul unilateral de energie ca fenomen universal al naturii are loc ca urmare a legilor termodinamicii, legate de fundamentele fizicii. Prima lege spune că energia se poate schimba de la o formă (cum ar fi energia luminii) la alta (cum ar fi energia potențială a alimentelor), dar nu este niciodată creată sau distrusă.
A doua lege a termodinamicii spune că nu poate exista niciun proces asociat cu transformarea energiei fără a pierde o parte din ea. În astfel de transformări, o anumită cantitate de energie este disipată în energie termică inaccesibilă și, prin urmare, se pierde. Din acest motiv, nu pot exista transformări, de exemplu, ale nutrienților în substanța care alcătuiește corpul unui organism, mergând cu o eficiență de 100%.
Existența tuturor ecosistemelor depinde de o aprovizionare constantă cu energie, care este necesară pentru ca toate organismele să-și mențină activitatea vitală și auto-reproducția.
Soarele este practic singura sursă de energie de pe pământ. Cu toate acestea, departe de toată energia radiației solare poate fi absorbită și utilizată de organisme. Doar aproximativ jumătate din fluxul solar obișnuit care cade pe plantele verzi (adică producătorii) este absorbit de elementele fotosintetice și doar o mică parte din energia absorbită (de la 1/100 la 1/20 parte) este stocată sub formă de energie biochimică (energie alimentară).
Astfel, cea mai mare parte a energiei solare se pierde sub formă de căldură până la evaporare. În general, menținerea vieții necesită o aprovizionare constantă cu energie. Și oriunde există plante și animale vii, aici vom găsi întotdeauna sursa energiei lor.

2. Cicluri biogeochimice
Elementele chimice care alcătuiesc ființele vii circulă de obicei în biosferă pe căi caracteristice: de la mediul extern la organisme și din nou la mediul extern. Migrația biogenă se caracterizează prin acumularea de elemente chimice în organisme (acumulare) și eliberarea lor ca urmare a mineralizării biomasei moarte (detritus). Asemenea căi de circulație a substanțelor chimice (într-o măsură mai mare sau mai mică închise), care curg odată cu utilizarea energiei solare prin organismele vegetale și animale, sunt numite cicluri biogeochimice ( bio se aplică organismelor vii, geo- la sol, aer, apă de pe suprafața pământului).
Există cicluri de tip gazos cu rezervoare de compuși anorganici în atmosferă sau oceane (N 2, O 2, CO 2, H 2 O) și cicluri de tip sedimentar cu rezervoare mai puțin extinse în scoarța terestră (P, Ca, Fe) .
Elementele necesare vieții și sărurile dizolvate sunt numite condiționat elemente biogene (dătătoare de viață) sau nutrienți. Dintre elementele biogene se disting două grupe: substanțe macrotrofe și substanțe microtrofe.
Primele acoperă elementele care alcătuiesc baza chimică a țesuturilor organismelor vii. Acestea includ: carbon, hidrogen, oxigen, azot, fosfor, potasiu, calciu, magneziu, sulf.
Acestea din urmă includ elemente și compușii acestora, care sunt, de asemenea, necesari pentru existența sistemelor vii, dar în cantități extrem de mici. Astfel de substanțe sunt adesea denumite oligoelemente. Acestea sunt fier, mangan, cupru, zinc, bor, sodiu, molibden, clor, vanadiu și cobalt. Deși elementele microtrofe sunt necesare organismelor în cantități foarte mici, deficiența lor poate limita sever productivitatea, precum și lipsa de nutrienți.
Circulația elementelor biogene este de obicei însoțită de transformările lor chimice. Azotul nitrat, de exemplu, poate fi transformat în azot proteic, apoi transformat în uree, transformat în amoniac și resintetizat în formă de nitrat sub influența microorganismelor. În procesele de denitrificare și fixare a azotului sunt implicate diverse mecanisme, atât biologice, cât și chimice.
Carbonul conținut în atmosferă sub formă de CO 2 este unul dintre componentele inițiale pentru fotosinteză, iar apoi, împreună cu materia organică, este consumat de consumatori. În timpul respirației plantelor și animalelor, precum și datorită descomponenților, carbonul sub formă de CO 2 revine în atmosferă.
Spre deosebire de azot și carbon, fosforul este stocat în roci care erodează și eliberează fosfați în ecosisteme. Cei mai mulți dintre ei intră în mare și parțial pot fi returnați din nou pe uscat prin lanțurile trofice marine care se termină în păsări mâncând pește (formarea guano). Absorbția fosforului de către plante depinde de aciditatea soluției solului: pe măsură ce aciditatea crește, fosfații practic insolubili în apă sunt transformați în acid fosforic foarte solubil.
Spre deosebire de energie, elementele biogene pot fi folosite în mod repetat: circulația lor este o trăsătură caracteristică. O altă diferență față de energie este că rezervele de nutrienți nu sunt constante. Procesul de legare a unora dintre ele sub formă de biomasă vie reduce cantitatea rămasă în mediul ecosistemului.
Să luăm în considerare mai detaliat ciclurile biogeochimice ale unor substanțe.

Ciclul apei

Apa este în continuă mișcare. Evaporându-se de la suprafața rezervoarelor, solul, plantele, apa se acumulează în atmosferă și, mai devreme sau mai târziu, cade sub formă de precipitații, refacerea rezervelor din oceane, râuri, lacuri etc. Astfel, cantitatea de apă de pe Pământ nu se schimbă, ci doar își schimbă formele - acesta este ciclul apei în natură. Din toate precipitațiile care cad, 80% cad direct în ocean. Pentru noi, restul de 20% care cade pe uscat prezintă cel mai mare interes, deoarece majoritatea surselor de apă folosite de om sunt reumplute tocmai datorită acestui tip de precipitații. Mai simplu spus, apa care a căzut pe uscat are două căi. Fie, adunându-se în pâraie, pâraie și râuri, ajunge în lacuri și rezervoare - așa-numitele surse deschise (sau de suprafață) de captare a apei. Sau apa, care se infiltrează prin sol și straturile subsolului, completează rezervele de apă subterană. Apele de suprafață și cele subterane sunt cele două surse principale de alimentare cu apă. Ambele aceste resurse de apă sunt interdependente și au atât avantaje, cât și dezavantaje ca sursă de apă potabilă.
În biosferă, apa, trecând continuu dintr-o stare în alta, face cicluri mici și mari. Evaporarea apei de la suprafața oceanului, condensarea vaporilor de apă în atmosferă și precipitațiile la suprafața oceanului formează un mic ciclu. Dacă vaporii de apă sunt transportați de curenții de aer către pământ, ciclul devine mult mai complicat. În acest caz, o parte din precipitații se evaporă și se întoarce în atmosferă, cealaltă parte hrănește râurile și rezervoarele, dar în cele din urmă se întoarce din nou în ocean cu scurgerile fluviale și subterane, completând astfel un ciclu mare. O proprietate importantă a ciclului apei este că, interacționând cu litosfera, atmosfera și materia vie, leagă împreună toate părțile hidrosferei: oceanul, râurile, umiditatea solului, apa subterană și umiditatea atmosferică. Apa este o componentă esențială a tuturor viețuitoarelor. Apa subterană, pătrunzând prin țesuturile plantei în procesul de transpirație, aduce săruri minerale necesare activității vitale a plantelor înseși.
Cea mai lentă parte a ciclului apei este activitatea ghețarilor polari, care reflectă mișcarea lentă și topirea rapidă a maselor glaciare. Apele râurilor sunt cel mai activ schimb după umiditatea atmosferică, care sunt înlocuite în medie la fiecare 11 zile. Reînnoirea extrem de rapidă a surselor majore de apă dulce și desalinizarea apei în timpul ciclului sunt o reflectare a procesului global al dinamicii apei de pe glob.

Ciclul oxigenului

Oxigenul este cel mai abundent element de pe Pământ. Apa de mare conține 85,82% oxigen, aerul atmosferic 23,15% din greutate sau 20,93% din volum și 47,2% din greutate în scoarța terestră. Această concentrație de oxigen în atmosferă este menținută constantă prin procesul de fotosinteză. În acest proces, plantele verzi folosesc lumina soarelui pentru a transforma dioxidul de carbon și apa în carbohidrați și oxigen. Masa principală de oxigen este în stare legată; cantitatea de oxigen molecular din atmosferă este estimată la 1,5 * 10 15 m, ceea ce reprezintă doar 0,01% din conținutul total de oxigen din scoarța terestră. În viața naturii, oxigenul are o importanță excepțională. Oxigenul și compușii săi sunt indispensabili pentru susținerea vieții. Ele joacă un rol important în procesele metabolice și în respirație. Oxigenul face parte din proteine, grăsimi, carbohidrați, din care sunt „construite” organismele; corpul uman, de exemplu, conține aproximativ 65% oxigen. Majoritatea organismelor obțin energia de care au nevoie pentru a-și îndeplini funcțiile vitale oxidând anumite substanțe cu ajutorul oxigenului. Pierderea de oxigen din atmosferă ca urmare a proceselor de respirație, descompunere și ardere este compensată de oxigenul eliberat în timpul fotosintezei. Defrișările, eroziunea solului, diferitele lucrări miniere la suprafață reduc masa totală a fotosintezei și reduc circulația pe suprafețe mari. Alături de aceasta, o sursă puternică de oxigen este, aparent, descompunerea fotochimică a vaporilor de apă din straturile superioare ale atmosferei sub influența razelor ultraviolete ale soarelui. Astfel, în natură, ciclul oxigenului se realizează continuu, menținând constanța compoziției aerului atmosferic.
Pe lângă ciclul oxigenului descris mai sus sub formă nelegată, acest element realizează și cel mai important ciclu, fiind o parte a apei.

Ciclul carbonului

Carbonul este al șaisprezecelea cel mai abundent element de pe pământ, reprezentând aproximativ 0,027% din masa scoarței terestre. În statul nelegat, apare sub formă de diamante (cele mai mari zăcăminte din Africa de Sud și Brazilia) și grafit (cele mai mari zăcăminte din Germania, Sri Lanka și URSS). Cărbunele dur conține până la 90% carbon. În stare legată, carbonul este inclus și în diverși combustibili fosili, în minerale carbonatice, cum ar fi calcitul și dolomita, precum și în compoziția tuturor substanțelor biologice. Sub formă de dioxid de carbon, face parte din atmosfera pământului, în care reprezintă 0,046% din masă.
Carbonul are o importanță excepțională pentru materia vie (materia vie în geologie este totalitatea tuturor organismelor care locuiesc pe Pământ). Milioane de compuși organici sunt creați din carbon în biosferă. Dioxidul de carbon din atmosferă în procesul de fotosinteză efectuat de plantele verzi este asimilat și transformat în diverși compuși organici ai plantelor. Organismele vegetale, în special microorganismele inferioare, fitoplanctonul marin, datorită ratei excepționale de reproducere, produc aproximativ 1,5 * 10 11 pe an.
etc.................