Круговорот веществ – биология

Характеристика большого и малого круговорота веществ

Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:

1)  Большой (геологический или абиотический);

2)  Малый (биотический, биогенный или биологический).

Круговороты веществ и потоки космической энергии создают устойчивость биосферы. Круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (неживой природы), называют большим геологическим круговоротом.

При большом геологическом круговороте (протекает миллионы лет) горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан; протекают геотектонические изменения, опускание материков, поднятие морского дна. Время круговорота воды в ледниках 8 000 лет, в реках – 11 дней.

Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Большой, геологический круговорот в биосфере характеризуется двумя важными моментами:

а) осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли;

б) представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

На современном этапе развития человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся также загрязняющие вещества – оксиды серы и азота, пыль, радиоактивные примеси. Наибольшему загрязнению подверглись территории умеренных широт Северного полушария.

Малый, биогенный или биологический круговорот веществ происходит в твердой, жидкой и газообразных фазах при участии живых организмов. Биологический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии.

Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценозов (внутриэкосистем) и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела. Продукты распада органического вещества разлагаются до минеральных компонентов.

Малый круговорот незамкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.

В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека.

К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды – главнейшие загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты –главный загрязнитель материковых вод). Практически все загрязняющие вещества выступают как вредные, и их относят к группе ксенобиотиков.

В настоящее время большое значение имеют круговороты ксенобиотиков – токсичных элементов – ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина).

Кроме того, из большого круговорота в малый поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.), которые причиняют вред биоте и здоровью человека.

Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов – созидания органического вещества и его разрушения живым веществом.

В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительность и животных обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом.

Настоящее и будущее нашей планеты зависит от участия живых организмов в функционировании биосферы. В круговороте веществ живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.

Биологический круговорот происходит при участии живых организмов и заключается в воспроизводстве органического вещества из неорганического и разложении этого органического до неорганического посредством пищевой трофической цепи. Интенсивность продукционных и деструкционных процессов в биологическом круговороте зависит от количества тепла и влаги. Например, низкая скорость разложения органического вещества полярных районов зависит от дефицита тепла.

Важным показателем интенсивности биологического круговорота является скорость обращения химических элементов. Интенсивность характеризуется индексом, равным отношению массы лесной подстилки к опаду.Чем больше индекс, тем меньше интенсивность круговорота.

Индекс в хвойных лесах – 10 – 17; широколиственных 3 – 4; саванне не более 0,2; влажных тропических лесах не более 0,1, т.е. здесь биологический круговорот наиболее интенсивный.

Поток элементов (азота, фосфора, серы) через микроорганизмы на порядок выше, чем через растения и животных. Биологический круговорот не является полностью обратимым, он тесно связан с биогеохимическим круговоротом. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота:

поглощаются живым веществом и заряжаются энергией;

покидают живое вещество, выделяя энергию во внешнюю среду.

Эти циклы бывают двух типов: круговорот газообразных веществ; осадочный цикл (резерв в земной коре).

Сами круговороты состоят из двух частей:

– резервного фонда (это часть вещества, не связанная с живыми организмами);

– подвижного (обменного) фонда (меньшая часть вещества, связанная с прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением).

Круговороты делят на:

– круговороты газового типа с резервным фондом в земной коре (круговороты углерода, кислорода, азота) – способны к быстрой саморегуляции;

– круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.) – более инертны, основная масса вещества находится в «недоступном» живым организмам виде.

Круговороты также можно разделить на:

– замкнутые (круговорот газообразных веществ, например, кислорода, углерода и азота – резерв в атмосфере и гидросфере океана, поэтому нехватка быстро компенсируется);

– незамкнутые (создающие резервный фонд в земной коре, например, фосфор – поэтому потери плохо компенсируются, т.е. создается дефицит).

Энергетической основой существования биологических круговоротов на Земле и их начальным звеном является процесс фотосинтеза. Каждый новый цикл круговорота не является точным повторением предыдущего.

Например, в ходе эволюции биосферы часть процессов имела необратимый характер, в результате чего происходило образование и накопление биогенных осадков, увеличение количества кислорода в атмосфере, изменение количественных соотношений изотопов ряда элементов и т.д.

Циркуляцию веществ принято называть биогеохимическими циклами.

Основные биогеохимические (биосферные) циклы веществ:цикл воды, цикл кислорода, цикл азота (участие бактерий-азотфиксаторов), цикл углерода (участие аэробных бактерий; ежегодно около 130 т углерода сбрасывается в геологический цикл), цикл фосфора (участие почвенных бактерий; ежегодно в океаны вымывается 14млн.т фосфора), цикл серы, цикл катионов металлов.



Источник: http://biofile.ru/bio/22454.html

Лекция 4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ

План лекции

1. Большой круговорот – круговорот воды в природе.

2. Малый круговорот – биологический круговорот и его блоки.

3. Круговороты газообразных веществ: углерода, азота.

4. Осадочные циклы.

Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический (биотический).

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого геологического круговорота веществ лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабах планеты.

Около половины падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение минералов и т.п.

Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане.

В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на сушу и процессы возобновляются. К этим циклам подключается вулканическая деятельность и движение океанических плит в земной коре.

Круговорот воды, включающий переход ее из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, – один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В круговороте воды суммарное испарение компенсируется выпадением осадков.

Особенность круговорота заключается в том, что из океана испаряется воды на 10% больше, чем возвращается с осадками. На суше испарение составляет примерно ¼ часть от испарения из океана. При этом осадков на суше выпадает на 40% больше, чем с этой суши испаряется.

В связи с тем, что из океана воды испаряется больше, чем возвращается, значительная часть осадков используется экосистемами суши, в том числе и агроэкосистемами, для производства пищи, в том числе пищи для человека.

Излишки воды с суши стекают по водосборной территории в озера и реки, а оттуда снова в океан. Время оборота пресных вод составляет примерно год.

С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к физическому явлению превращения воды в пар добавляется процесс биологического испарения, связанный с жизнедеятельностью растений и животных, называемый транспирацией. Растительность в целом играет значительную роль в испарении воды, влияя тем самым на климат регионов. Она является также водоохранным и водорегулирующим фактором: смягчает паводки, удерживает влагу в почвах и препятствует их иссушению и эрозии.

Деятельность человека оказывает огромное влияние на глобальный круговорот воды, что может изменять погоду и климат. В результате покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды материалами, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, уничтожения лесов и т.п.

сток воды в океан увеличивается и пополнение фонда грунтовых вод сокращается. Во многих сухих областях эти резервуары выкачиваются человеком быстрее, чем заполняются.

Поэтому в настоящее время по всему миру создана сеть измерительных станций для выявления изменений в круговороте воды, от которого в значительной мере зависит будущее человека на Земле.

Малый круговорот. На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый биологический круговорот.

В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.

В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества затрачивается всего около 1% попадающей на Землю лучистой энергии.

Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созданию живого вещества.

Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усваиваемую для других организмов форму.

При своем движении практически все химические элементы участвуют и в большом и малом круговороте веществ.

Более или менее замкнутые пути движения химических элементов называются биогеохимическими циклами(«био» – относится к живым организмам, а «гео» – к твердым породам, воздуху и воде).

Из более чем ста химических элементов, встречающихся в природе, 30-40 являются биогенными, т.е. необходимыми организмам. Одни элементы, такие, как азот, фосфор, калий, углерод, кислород, водород, нужны организмам в больших количествах – это макроэлементы.

Другие – в малых или даже ничтожных – микроэлементы. Жизненно важные для организмов элементы всегда участвуют в биогеохимических циклах, которые называются круговоротом питательных, или биогенных веществ.

В круговороте отдельных элементов различают две части: резервный фонд –большая масса медленно движущихся веществ (в основном небиологическая часть) и подвижный, или обменный фонд – меньший, но более активный, который быстро обменивается между организмами и окружающей средой. Следует иметь в виду, что циклы с малым объемом резервного фонда более подвержены воздействию человека.

Биогеохимические циклы делятся на два типа: цикл с круговоротом газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете, кроме круговорота воды, являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других элементов.

Самым главным биогеохимическим процессом в биосфере являетсякруговорот углерода.С чисто химических позиций, он представляется упрощенно в виде следующих химических уравнений:

фотосинтеза: 6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2

разложения или минерализации: С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О.

Образующиеся в процессе фотосинтеза молекулы углеводов в ходе дальнейших химических процессов, происходящих в растениях, превращаются в другие химические соединения живой материи – белки, жиры и т.д.

Процесс фотосинтеза требует затрат энергии – на образование 1 молекулы углеводов расходуется 674 калл. Эту энергию растения получают в виде электромагнитной энергии солнечного излучения. Акцептором (поглотителем) ее является зеленый пигмент растений – хлорофилл. В результате процесса фотосинтеза электромагнитная энергия трансформируется в химическую энергию образующихся соединений.

Обратная фотосинтезу реакция разложения органических соединений в условиях биосферы приводит к неполному расходованию образовавшегося при фотосинтезе кислорода.

Часть органического углерода соединяется в виде устойчивых соединений – гумусовых кислот, из которых в процессе трансформации формируются залежи твердых горючих ископаемых (торф, уголь).

Неполное разложение образующихся органических веществ – источник накопления в биосфере кислорода, который используется животными для дыхания.

Поступление углекислого газа в атмосферу происходит в современных условиях в результате: 1) дыхания всех организмов; 2) минерализации органических веществ; 3) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород; 4) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях; 5) сжигания топлива.

Потребление углекислого газа происходит главным образом: 1) в процессе фотосинтеза; 2) в реакциях его с карбонатами в океане; 3) при выветривании горных пород.

Как видно из приведенных выше фактов, с циркуляцией углекислого газа тесно связана циркуляция кислорода.

Второй по важности частью биогеохимического круговорота является круговорот азота. Воздух по объему на 78% состоит из молекулярного азота и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента.

Поступление азота в атмосферупроисходит: 1) в процессе денитрификации, т.е. биохимического восстановления оксидов азота до молекулярного; 2) с вулканическими газами; 3) с дымовыми газами.

В водоемы соединения азота поступают: с поверхностным и дренажным стоком с городских и сельских территорий; с подземными водами; с промышленными стоками; со сточными водами сельскохозяйственных производств.

Поглощение азота из воздуха происходит: 1) в процессе деятельности азотфиксирующих бактерий и многих водорослей; 2) в результате естественных физических процессов фиксации азота в атмосфере (электрические разряды при грозе и др.); 3) в процессе промышленного синтеза аммиака.

Минеральные соединения азота потребляются растениями при фотосинтезе. Животные, поедая растения, используют азот для построения белков протоплазмы, превращая его в органические формы.

Биологический круговорот азотавключает ряд очень сложных процессов, основную роль в которых играют микроорганизмы. Схема «Превращение азота в биологическом круговороте» представлена на схеме 3.

Схема 3

N2

Аммонификация Азотфиксация Денитрификация

Белки NH3 NO3– _

Фотосинтез Нитрификация Нитрификация

NO2–

В последнее время содержание азота в атмосфере не менялось. Это позволяет утверждать, что поступление его в атмосферу (денитрификация) и отток из атмосферы (азотфиксация) в целом уравновешены, хотя, возможно, фиксация слегка преобладает вследствие деятельности человека.

Перечисленные выше биологические круговороты углерода, кислорода, азота и других биогенных элементов являются основой биологического круговорота. Полная схема трансформации вещества в экологической системе называется биологическим круговоротом.

Его основные блоки: 1) солнечный свет, 2) продуценты, 3) консументы различных порядков, 4) мертвое органическое вещество, 5) редуценты, 6) минеральные вещества, 7) окружающая среда (куда происходит вынос вещества).

Время, в течение которого атом углерода совершает полный оборот, это скорость биологического круговорота.

Как показано выше начальным этапом биологического круговорота является продукция. Лимитирующие продукцию факторы следующие:

– количество солнечной радиации видимого спектра;

– влажность местообитания, свойства почв (их структура, запасы гумуса, биологическая активность);

– макробиогены (азот, фосфор, калий и др.) и микроэлементы (молибден, медь, цинк и др.) – вещества, важные для функционирования живого организма.

Осадочные циклы. Для большинства химических элементов и соединений, которые обычно связаны с лито- и гидросферой, характерны осадочные циклы.

Циркуляция таких элементов осуществляется путем эрозии, осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности и переноса веществ организмами.

Твердые вещества, переносимые по воздуху как пыль, выпадают на землю в виде сухих осадков или с дождем. Осадочные циклы имеют направленность вниз.

Живым сообществам биосферы доступны в основном те химические элементы, которые входят в состав пород, расположенных на поверхности Земли.

Одним из важных для биосферы элементов, недостаток которого на поверхности ограничивает рост растений, является фосфор.

Циркуляция его легко нарушается, так как основная масса вещества сосредоточена в малоактивном и малоподвижном резервном фонде, захороненном в земной коре.

Поступление фосфора в круговорот происходит в основном: 1) в процессе эрозии фосфорных пород; 2) вследствие минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков растений и животных. Образующиеся фосфаты поступают в наземные и водные экосистемы, где могут потребляться растениями.

Потребление фосфора: 1) растениями и животными для построения белков протоплазмы; 2) в промышленности при производстве удобрений и моющих средств.

Механизмы возвращения фосфора в круговорот в природе недостаточно эффективны и не возмещают его потерь. Сейчас не происходит сколько-нибудь значительных поднятий отложений на поверхность.

Вынос фосфатов на сушу осуществляется в основном с рыбой, что не компенсирует их унос с суши в море.

Влияние деятельности человека на циркуляцию фосфора в основном ведет к потерям и захоронению его на дне океана, что четко прослеживается при анализе воды, стекающей с освоенных территорий. Так, в воде, стекающей с городских территорий, содержание фосфора в 7 раз выше, чем в водах реки, протекающей по лесной территории.

Сохранение цикличности круговорота фосфора очень важно, потому что из всех биогенных веществ, необходимых организмам в больших количествах, фосфор – один из наименее доступных элементов на поверхности Земли. Фосфор и теперь часто лимитирует первичную продукцию экосистемы, а в будущем его лимитирующее значение может резко возрасти, что грозит снижением пищевых ресурсов планеты.

Дата добавления: 2016-07-27; просмотров: 1761;

Источник: https://poznayka.org/s48245t1.html

Биология в лицее

Круговорот веществ в природе

Учение о биосфере создано В. И. Вернадским. Он характеризует биосферу не только как область распространения жизни на Земле, но и как часть планеты, целиком преобразованную жизнью. По Вернадскому, круговороты важнейших биогенных элементов в биосфере создаются организмами.

Благодаря им химические вещества оболочек Земли попеременно переходят из неживой природы в живое вещество, а из живого вещества вновь в неживую природу.Поэтому биосферу называют также глобальной экосистемой.

Биологический круговорот зародился с момента появления первых организмов (коацерватов, или протобионтов) и продолжается уже в течение миллиардов лет. Так поддерживается жизнь и существование биосферы.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Благодаря такой циркуляции возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов.

Круговорот воды состоит из процессов испарения с поверхности океанов, передвижения водяного пара в атмосфере воздушными течениями, конденсации, выпадения осадков и стока (возвращения в океан).

Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле, поскольку в процессе круговорота изменяется качество воды: при испарении солёная морская вода опресняется, а загрязнённая — частично очищается.

Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т. п.

Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы – это и есть круговорот воды в природе. Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан.

Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути.

Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища – так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора.

Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения.

Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды.

Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты.

Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее.

В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая – питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот.

Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода – важнейший компонент всего живого.

Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.  Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных ледников, что отражают медленное движение и скорейшее таяние ледниковых масс.

Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.

Источник: http://biolicey2vrn.ru/index/krugovorot_veshhestv/0-650

7.4. Круговорот веществ и превращения энергии в экосистемах, роль в нем организмов разных царств. Биологическое разнообразие, саморегуляция и круговорот веществ – основа устойчивого развития экосистем

Биологическое разнообразие – разнообразие видов в конкретной экосистеме, на определенной территории или на всей планете.

В настоящее время науке известно около 2,5 млн видов, причем 74% видов связано с тропическим поясом, 24% — с умеренными широтами и 2% — с полярными районами. Считается, что этот список очень неполон, так как не выявлены многие мелкие животные (в частности, насекомые и паукообразные), грибы, бактерии (особенно в тропиках, где Б.р. самое высокое).

Ученые предполагают, что общее число видов на планете составляет от 5 до 30 млн. Биологическое разнообразие разных групп организмов существенно различается. Самая богатая видами группа организмов — насекомые. Их насчитывается почти 1,5 млн видов.

Биологическое разнообразие обычно оценивается по отдельным группам организмов: указывается количество видов сосудистых растений (цветковых, голосеменных, папоротников, плаунов, хвощей), мхов, лишайников, крупных грибов, видимых глазом (их называют макромицетами), микроскопических грибов (микромицетов), водорослей, насекомых, почвенных животных (также видимых глазом, их называют мезофауной), птиц, млекопитающих, бактерий и т. д.

Аналогично по группам оценивается биологическое разнообразие водных экосистем (группы планктона и бентоса — фитопланктон, зоопланктон, фитобентос, зообентос, нектон, растения-макрофиты). Совокупность видов растений называется флорой, а видов животных — фауной.

Между биологическим разнообразием разных трофических уровней отмечена зависимость «разнообразие порождает разнообразие»: чем больше видов-автотрофов, тем больше видов-гетеротрофов (консументов и редуцентов).

Между биологическим  разнообразием,  устойчивостью экосистем и их биологической продукцией нет прямой связи. Более продуктивными могут быть экосистемы с невысоким биологическим разнообразием.  Например, при удобрении лугов их биологическое разнообразие резко снижается, а продукция — увеличивается.

Устойчивыми (т. е. способными самовосстанавливаться после нарушения) часто являются экосистемы с невысоким биологическим разнообразием, например, пустыни.

Биологическое разнообразие отдельных биоценозов определяется взаимодействием многих факторов, главные из которых следующие.

1. Благоприятность условий среды.

В экосистемах с богатыми и хорошо увлажненными почвами и в теплом климате может быть больше видов, чем в экосистемах с бедными, холодными и очень сухими почвами.

Впрочем, в тундрах снижение биологического разнообразия сосудистых растений компенсируется возрастанием биологического разнообразия мхов и лишайников, которые имеют очень мелкие размеры.

2. Общий «запас» видов ландшафта. Если ландшафт в прошлом был подвержен сильным нарушениям, которые обеднили его флору и фауну, то даже при благоприятных условиях и по прошествии после нарушения долгого времени биоценозы будут иметь весьма низкое биологическое разнообразие.

3. Режим нарушений. При умеренных нарушениях экосистем (легкий выпас, выборочная рубка леса или ветровал на ограниченной площади, периодические низовые пожары) биологическое разнообразие увеличивается.

В таких условиях виды-доминанты не могут усилиться настолько, чтобы захватить «львиную долю» ресурсов. Возрастает биологическое разнообразие травяного яруса в пригородных лесах, если они умеренно нарушаются вытаптыванием.

В то же время любое сильное нарушение снижает биологическое разнообразие.

Биологическое разнообразие  зависит и от неоднородности территории. На равнине оно всегда будет ниже, чем в горной местности, где на ограниченной площади представлено много разных экотопов. Это связано с разной высотой участков над уровнем моря, разной экспозицией, разными геологическими породами (кислые граниты, щелочные известняки) и т. д.

Биологическое разнообразие — самый важный биологический индикатор состояния биосферы и входящих в ее состав биомов, который чутко реагирует на воздействия человека.

В настоящее время четко проявляется тенденция снижения биологического разнообразия. С 1600 г. исчезло 63 вида млекопитающих и 74 вида птиц.

В числе исчезнувших видов тур, тарпан, зебра-квагга, сумчатый волк, морская корова Стеллера, европейский ибис и др.

В современном мире ежедневно исчезает от 1 до 10 видов животных и еженедельно — 1 вид растений. Гибель одного вида растений ведет к уничтожению примерно 30 видов мелких животных (прежде всего насекомых и круглых червей — нематод), связанных с ним в процессе питания. Охрана биологического  разнообразия является одним из важнейших требований при построении общества устойчивого развития.

Саморегуляция 

– главное свойство экосистем: за счет биотических связей количество всех видов поддерживается на постоянном уровне. Саморегуляция позволяет экосистемам выдерживать неблагоприятные воздействия. Например, лес может сохраниться (восстановиться) после нескольких лет засухи, бурного размножения майских жуков и/или зайцев.

Растительные и животные организмы, находясь во взаимосвязи с неорганической средой, включаются в непрерывно происходящий в природе круговорот веществ и энергии.

Выполняя основные биохимические функции, живые организмы создают в биосфере круговороты  важнейших биогенных элементов (углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и серы), которые попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю.

 Круговорот веществ

— естественное циклическое движение химических элементов от одного компонента биосферы (или биоценоза) к другому, поддерживаемое потоком солнечной радиации. Основным средством этого круговорота служат пищевые связи живых организмов. В воздушный круговорот включается 98,3% веществ (02, Н2, N, С и др.), в водный -1,7% (Na, Mg, Fe, S, CI, К и др.).

Биологический круговорот

— обмен веществ и энергии между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью живых организмов и носящий циклический характер. Движущая сила этого процесса — поток энергии Солнца и деятельность живого вещества.

Круговорот углерода.

Углерод в природе находится в горных породах в виде известняка и мрамора. Большая часть углерода находится в атмосфере в виде углекислого газа.

Из воздуха углекислый газ поглощается зелеными растениями, при фотосинтезе превращается в органические вещества, которые затем переходят по цепям питания, и снова углерод возвращается в атмосферу в виде углекислого газа, образующегося в результате метаболизма (дыхание, брожение), благодаря деятельности бактерий, разрушающих мертвые остатки растений и животных.

Круговорот азота

— биогеохимический процесс в биосфере, в котором участвуют организмы-редуценты, а также нитрифицирующие и клубеньковые бактерии. Азот — важный химический элемент, входящий в состав белков и нуклеиновых кислот. Основная масса азота поступает из атмосферы благодаря азотфиксирующим бактериям.

Они усваивают его и переводят в химические соединения, способные усваиваться растениями. Затем азот передается по цепям питания и возвращается в свободном виде в атмосферу.

Аммонификация — разложение (гниение) белков с образованием аммиака (минерализация органического вещества) — осуществляется редуцентами. Нитрификация — процесс окисления солей аммиака в соли азотной кислоты: I этап — превращение аммиака в нитриты; II этап — превращение нитритов в нитраты.

Осуществляется почвенными нитрифицирующими бактериями (нитрозомонас, нитрозабактер). Денитрификация — разложение солей азотной кислоты до образования газообразного азота — осуществляется почвенными денитрифицирующими бактериями.

Азотфиксация — образование азотистых соединений путем фиксации атмосферного азота свободноживущими почвенными бактериями (азотобактер) или бактериями, живущими в симбиозе с корнями бобовых растений (клубеньковые бактерии ризобиум).

Круговорот воды в биосфере

Вода выпадает на поверхность Земли в виде осадков, образующихся из водяного пара атмосферы. Определенная часть выпавших осадков испаряется прямо с поверхности, возвращаясь в атмосферу водяным паром. Другая часть проникает в почву, всасывается корнями растений и затем, пройдя через растения, испаряется в процессе транспирации.

Третья часть просачивается в глубокие слои подпочвы до водоупорных горизонтов, пополняя подземные воды. Четвертая часть в виде поверхностного, речного и подземного стока стекает в водоемы, откуда также испаряется в атмосферу. Наконец, часть используется животными и потребляется человеком для своих нужд.

Вся испарившаяся и вернувшаяся в атмосферу вода конденсируется и вновь выпадает в качестве осадков.

Сера и фосфор, содержащиеся в горных породах, после их разрушения и эрозии попадают в почву (наземные экосистемы), часть фосфатов вовлекается в круговорот воды и уносится в море. Вместе с отмершими остатками фосфаты погружаются на дно.

Одна часть из них используется, а другая теряется в глубинных отложениях. Из почвы серу и фосфор извлекают наземные растения, а из воды — водоросли.

В результате деятельности редуцентов они вновь возвращаются в почву или в виде мертвого органического вещества оседают на дно и снова включаются в состав горных пород.

Таким образом, в результате круговорота веществ в биосфере происходит непрерывная биогенная миграция элементов.

Необходимые для жизни растений и животных химические элементы переходят из среды в организм. При разложении организмов эти элементы снова возвращаются в среду, откуда поступают в организм. В биогенной миграции элементов принимают участие различные организмы, в том числе и человек.

В каждом биогеоценозе можно наблюдать биологический круговорот элементов — аккумуляцию и минерализацию. При наличии зеленых растений на поверхности суши и в верхних слоях моря образование живого вещества преобладает над минерализацией, а в почве и в глубинах моря — минерализация.

Перенос химических элементов осуществляется также при переселении, миграциях, передвижениях живых организмов, спор, семян. Биогенная миграция атомов, осуществляемая микроорганизмами, превышает миграцию, производимую многоклеточными организмами.

В последние десятилетия человеческая деятельность также оказывает влияние на миграцию атомов.

Биосфера прошла длительную эволюцию, в течение которой жизнь меняла формы, вышла из воды на сушу, изменила систему круговоротов. Благодаря биологическому круговороту веществ в биосфере жизнь поддерживает стабильные условия для своего существования и существования в ней человека.

Источник: https://biology100.ru/index.php/materialy-dlya-podgotovki/ekosistemy-ikh-zakonomernosti/7-4-krugovorot-veshchestv-i-prevrashcheniya-energii-v-ekosistemakh-biologicheskoe-raznoobrazie

Лекция №4. Круговороты веществ в природе

Для существования живой материи, кроме потока энергии высокого качества, нужен «строительный материал». Это необходимый набор химических элементов числом более 30 – 40 (углерод, водород, азот, фосфор. сера, железо и др.).

Одни элементы нужны в большом объеме, а другие – в минимальных количествах. Отсутствие любого элемента, вне зависимости от требуемого количества, невосполнимо, и его отсутствие для организма носит катастрофический характер.

Химические элементы содержатся в окружающей среде в весьма ограниченных количествах. Кроме того, в процессе жизнедеятельности они могут «связываться» органическими веществами и стать недоступными для живых организмов.

Непрерывность существования жизни «требует» непрерывного высвобождения необходимых химических элементов из органических веществ и непрерывного их транспорта к продуцентам.

Безостановочный планетарный процесс закономерного циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества называется круговоротом веществ.

Солнечная энергия «обеспечивает» на Земле два круговорота веществ:

♦ большой, или геологический (абиотический);

♦ малый, или биологический (биотический).

Большой круговорот. Атмосферные осадки, проникающие в обломочную породу, обусловливают растворение и передвижение растворимых продуктов выветривания. Быстрее всего и на большее расстояние переносятся наиболее подвижные соединения.

Соединения хлора и серы, отнесенные к наиболее подвижным, вымываются в форме солей с эквивалентным количеством оснований из следующего ряда. Неподвижность Si02 кварца относительная. Некоторая часть элементов, преимущественно наиболее подвижных, выносится в речную сеть и поступает в моря и океаны.

Кроме того, реки несут взмученные частицы, полученные в результате размывания русел и смывания их с поверхности.

Весь этот материал откладывается на дне океанов (морей) частью непосредственно, частью после его переработки морскими организмами. В течение тысячелетий на дне океанов образуется мощная толща осадочных пород. По мере погребения новыми осадками ранее отложенные претерпевают глубокие изменения под влиянием возрастающего давления и температуры.

В зависимости от степени изменения они переходят в различные метаморфические породы, и затем кристаллические сланцы. В последующем под влиянием тектонических процессов и морских регрессий отложенные на дне океанов (морей) породы могут выходить на дневную поверхность, подвергаться новому континентальному выветриванию.

Тогда наступает новый цикл большого геологического круговорота.

Таким образом, большой геологический круговорот элементов слагается из процессов:

• континентального выветривания горных пород, в результате которого образуются подвижные соединения;
• переноса этих соединений с континентов в моря и океаны;
• отложения на дне морей и океанов с последующим метаморфозом;
• нового выхода морских осадочных и метаморфических пород на дневную поверхность.

Биологический (биотический) круговорот веществ включает в себя круговороты отдельных элементов: углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и многих других. Каждый из круговоротов отдельных элементов имеет «узкие места», то есть затормаживание процесса превращений.

Причиной торможения может быть низкая численность вида, участвующего в преобразованиях, или его низкая эффективность.

Как правило, число видов, узко специализированных к использованию того или иного элемента, мало, и при их исчезновении есть большая вероятность разрыва круговорота, что может рассмафиваться как экологическая катастрофа.

Обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговоротов веществ осуществляет почва, которая здесь выступает как важное связующее звено, так как на нее замыкаются круговороты биогенных элементов (углерода, азота, фосфора, калия, кальция и др.).

Различают два типа биохимических круговоротов:

♦ круговорот газообразных веществ (кислорода, углекислого газа, азота и др.) или газовый цикл;

♦ осадочный цикл (круговорот твердых и жидких веществ, например, известняка, мрамора и др.).

При затормаживании на отдельных участках круговорота веществ происходит накопление отдельных соединений, то есть формируется резервный фонд соответствующего вещества, который впоследствии «обеспечивает» сложную систему запасами данного вещества.

В биогеохимических циклах выделяют две части: 1) резервный фонд; 2) обменный фонд.

Резервным фондом называется количество химического элемента биосферы в составе косного или биогенного вещества, находящееся в труднодоступной для миграции форме и исключенное из биогеохимического круговорота.

Например, резервным фондом углерода является атмосфера, осадочные породы, ископаемое топливо; главный резервуар биологически связанного углерода – леса.

Количество химического элемента, входящее в состав живого, биогенного или биокосного веществ, находящееся в постоянном биогеохимическом круговороте, называется обменным фондом. Количество химического элемента, входящее в состав косного или биогенного вещества и исключенное из биогеохимического круговорота, называется резервным фондом.Оба типа биохимических круговоротов имеют резервные фонды в атмосфере, гидросфере и в земной коре.

Все планетарные кругово­роты веществ тесно переплетены, образуя единый гло­бальный круговорот, в котором осуществляется перенос вещества и энергии. Это означает, что все химические эле­менты участвуют как в геологическом, так и в биотическом круговоротах.

Зачастую некоторые круговороты являются замкнутыми и их называют биогеохимическими циклами. Перемещение и превращение химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живого вещества называется биогеохимическим циклом.

Учение о биогеохимических циклах разработал В.И. Вернадский.

Круговорот углерода.Углерод – главный участник биотического круговорота. Биотический круговорот углерода в наземных экосистемах начинается с фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза.Из углекислого газа и воды образуются углеводы и высвобождается кислород.

При этом углерод частично выделяется во время дыхания растений в составе углекислого газа. Фиксированный растениями углерод потребляется животными как составная часть пищи в процессе питания и выделяется при дыхании в составе углекислого газа.

Отжившие животные и растения разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и вновь попадает в атмосферу, завершая круговорот.

Процессы образования органического вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и превращения органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения составляют суть биотического круговорота веществ.

Значительная часть углекислого газа поступает в атмо­сферу в результате сжигания углеродного топлива на ТЭЦ, в котельных, в двигателях транспортных средств. Обще­планетарный расход кислорода на сжигание углеродного топлива составляет почти 17 млрд т в год, при этом в ат­мосферу поступает около 23,4 млрд т углекислого газа.

Значительную роль в круговороте углерода играют про­цессы, происходящие в гидросфере, где углекислый газ представлен как в виде разбавленных растворов угольной кислоты, так и главным образом в виде гидрокарбонатов металлов.

Многие живые организмы гидросферы, погло­щая углекислый кальций, создают свои скелеты, из кото­рых впоследствии образуются донные известковые отложе­ния. При этом часть углерода в составе карбоната кальция остается на дне Мирового океана и пресноводных водоемов в виде осадочных горных пород, а часть — в виде углекис­лого газа — возвращается вновь в атмосферу.

Уменьшение содержания С02 в атмосфере вызывает дегазацию вод гид­росферы и соответственно поступление углекислого газа в атмосферу. При повышении содержания С02 в атмосфере наблюдается обратный процесс.

Круговорот азота. Объемное содержание азота в ат­мосфере достигает 78%, т.е. атмосфера представляет собой крупнейшую кладовую этого элемента.

В атмосферу азот поступает в основном из трех источни­ков:

1) при биохимическом восстановлении оксидов азота NOx до молекулярного азота N2;

2) при извержении вул­канов;

3) при сжигании топлива антропогенных объектов.

Резервным фондом свободного азота в биосфере является атмосфера.

Азотосодержащие вещества мертвых организмов и экс­кретов с помощью редуцентов постепенно превращают­ся в неорганические. Конечным звеном редукционной цепи являются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак NH3. Часть NH3 входит в цикл нитрификации, где соответствующими бактериями превращается в нитриты и нитраты.

Последним звеном в процессе восстановления молеку­лярного азота являются бактерии — денитрофикаторы. Бла­годаря их деятельности с 1 га почвы ежегодно в атмосферу поступает до 60 кг N2.

Следует отметить, что подобные процессы денитрификации используются при глубокой очистке сточных вод от соединений азота, образующихся при принудительном разложении органических веществ в очистных сооружениях.

Известно, что для сжигания топлива необходим кисло­род, который потребляется из атмосферы. При сжигании топлива в антропогенных установках в камеры сгорания подается воздух, хотя необходим только кислород.

Это вынужденная мера, так как пока нет дешевых технологий выделения кислорода из атмосферного воздуха. Под воз­действием высоких температур происходит образование оксидов азота NOx, которые поступают в атмосферу.

Поглощение азота из воздуха происходит: 1) в резуль­тате жизнедеятельности азотофиксирующих бактерий; 2) в результате естественных физических процессов в ат­мосфере; 3) при промышленном синтезе аммиака NH3.

Обратный процесс денитрификации называется азото-фиксацией. В почве обитают свободноживущие азотофик-сирующие бактерии {Azotobacter, Clostridium), синтезирую­щие сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом (до 25 кг в год на 1 га), который до­статочно быстро минерализуется редуцентами.

Самая эффективная фиксация азота проводится клу­беньковыми бактериями бобовых растений (Rhizobium). Таким путем в этих растениях на одном гектаре накаплива­ется до 400 кг азота в год.

Существуют также азотофиксирующие бактерии, обра­зующие симбиоз (греч. symbiosis — сожительство) с други­ми организмами. Кроме того, способностью фиксировать азот обладают примитивные грибы.

В клубеньках многих деревьев, например ольхи, они могут достаточно эффектив­но фиксировать N2. Способностью к фиксации азота обла­дают и цианобактерии (сине-зеленые водоросли).

Окисление атмосферного азота происходит при электрических разрядах, процессах иониза­ции воздуха, фотохимических процессах. При этом оксиды азота растворяются в дождевой воде и попадают в почву.

При производстве азотных удобрений происходит фик­сация атмосферного азота, в основном в виде NH3. Любая фиксация (биотическая и абиотическая) газообразного азота требует достаточно больших затрат энергии.

Так, клубень­ковые бактерии для фиксации 1 г N2 расходуют до 170 кДж энергии, извлекаемой из глюкозы растений.

Затраты энергии на фиксацию N2 при производстве удобрений значи­тельно выше, поэтому азотные удобрения одни из самых дорогих.

В последние годы влияние человека на круговорот азо­та стало достаточно ощутимым. Промышленность и сель­ское хозяйство дают почти на 60% больше фиксированного азота, чем естественные экосистемы. В сельском хозяйстве это достигается за счет увеличения посевов бобовых.

Зна­чительное количество азота, поступившего с синтезирован­ными минеральными удобрениями, не вовлекается в кру­говорот повторно. При этом часть азота выносится в реки, а затем — в озера и моря, часть изымается вместе с урожа­ем, часть теряется в процессе денитрификации.

За последние годы содержание азота в атмосфере практически не менялось и в глобаль­ных масштабах можно считать процессы денитрификации и азотофиксации достаточно уравновешенными. Следует, однако, отметить, что из-за антропогенных процессов азотофиксация должна преобладать. Видимо, механизм дени­трификации имеет достаточные резервы для поддержания постоянства N2 в атмосфере.

Круговорот кислорода. Вторым по значимости элемен­том, входящим в состав воздуха, является молекулярный кислород О2. Объемная доля этого элемента в воздухе до­стигает 21%.

Основным поставщиком кислорода в атмо­сферу являются фотосинтезирующие организмы.

Незначительное количество О2 поступает в атмосферу в результате диссоциации паров воды под воздействием жесткого ультрафиолетового излучения.

Потребителей кислорода значительно больше, чем азота. Основные потребители — живые организмы, использующие кислород при дыхании. Некоторая часть кислорода расхо­дуется при окислительном выветривании при вулканиче­ских извержениях. С наступлением эры индустриализации потребление кислорода начинает возрастать, в основном на сжигание топлива.

Кислород в свободной форме является не только продук­том жизнедеятельности живого вещества, но и элементом, принимающим участие в образовании озона, который защи­щает жизнь от губительного ультрафиолетового излучения.

Круговорот фосфора. Фосфор является одним из важ­нейших химических элементов, необходимых для жизне­деятельности организма. Он участвует в синтезе белков протоплазмы, входит в состав нуклеиновых кислот тканей мозга, скелета, панцирей животных.

В отличие от азота, углерода и кислорода резервы фос­фора содержатся не в атмосфере, а в литосфере. Это фосфоросодержащие горные породы, прежде всего апатиты, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Среднее содержание фосфора в земной коре около 0,09%.

Поступление фосфора из литосферы в круговорот проис­ходит в процессе выветривания горных пород. Значитель­ная часть фосфатов, попавших в почву, выносшея в моря и внутриматериковые озера. Там фосфаты потребляются водными растениями, а также откладываются на мелко­водье и в глубоководных осадках.

На больших глубинах практически происходит резервирование фосфора.

Вместе с почвенным раствором растения потребляют отрицательные ионы фосфата. В растениях фосфор при­обретает форму органических фосфатов и в таком виде передается к другим организмам при питании. Частично органические фосфаты выходят из биогенного круговорота в виде экскреций и могут быть вновь вовлечены растениями в биогеохимические циклы.

В разложении отмерших организмов участвуют также и фосфаторазрушающие бактерии, обеспечивая тем самым возможность дальнейшего вовлечения фосфора в био­генный круговорот.

Вовлечение глубоководных богатых фосфором осадочных пород возможно в результате текто-нических процессов, которые через сотни миллионов лет могут привести к подъему пород на поверхность.

Частич­ное возвращение фосфора из гидросферы на сушу про­исходит рыбоядными птицами в виде их помета (залежи гуано на побережье Перу), а также с выловленной рыбой. Такой возврат фосфора значительно меньше его выноса с водостоком.

Сложившийся за многие миллионы лет круговорот фос­фора в биосфере в XX в. оказался нарушенным. Основная причина – производство фосфорных удобрений и бытовых препаратов.С этой целью ежегодно добывается около 3 млн т фос­форосодержащих горных пород. Значительная часть этого фосфора смывается в гидросферу.

Потери фосфора невели­ки, если природные водосборные бассейны рек не наруше­ны. С увеличением степени освоения данных бассейнов, т.е. с увеличением площадей, занятых городами и агросистемами, в водах рек резко возрастает содержание фосфора.

В ре­зультате от избытка фосфора начинается бурное развитие водорослей («цветение» воды).

Круговорот серы. Сера используется живыми организ­мами при синтезе аминокислот — цистина, цистеина и метионина и синтезе белков. Это один из важнейших био­генных химических элементов. В земной коре содержится около 0,047% серы.

В почву сера попадает в результате есте­ственного разложения серосодержащих горных минералов (серного FeS2 и медного CuFeS2 колчеданов), вместе с ат­мосферными осадками, а также при разложении природных органических веществ. Растения усваивают толь­ко ионы сульфатной серы.

В атмосферу сера попадает при извержении вулканов в виде серного ангидрида S03, сернистого газа S02, серово­дорода H2S и элементарной серы S.

При разложении белков с участием микроорганизмов образуется H2S. В дальнейшем сероводород окисляется до элементарной серы или сульфатов. В первом случае об­разуются биогенные месторождения серы, а во втором — сульфаты поглощаются корнями растений и сера вновь вовлекается в круговорот. При избытке сульфатов образу­ются залежи гипса.

Круговорот серы в гидросфере происходит с помо­щью сульфаторедуцирующих бактерий, которые суще­ствуют в анаэробных (без доступа кислорода) условиях.

Они восстанавливают сульфаты до H2S, который, подни­маясь в верхние слои воды, окисляется растворенным О2.

Некоторые бактерии, обитающие в водной среде, спо­собны концентрировать серу в своих организмах. После их отмирания происходит накопление серы на дне океана.

Сложившийся за миллионы лет естественный кругово­рот серы все больше подвергается нарушению в результате антропогенной деятельности. Дополнительным поставщи­ком серы в круговорот являются установки для сжигания топлива и химические производства.

Источник: https://megaobuchalka.ru/8/1395.html