Dom › Ezoterija › Sažetak Transformacija energije u biosferi. Kruženje tvari i energetski tokovi

Sažetak Transformacija energije u biosferi. Kruženje tvari i energetski tokovi

Energetski bilans biosfere je omjer između apsorbirane i zračene energije. Određeno je dolaskom energije Sunca i kosmičkih zraka, koju biljke apsorbuju tokom fotosinteze, dio se pretvara u druge vrste energije, a drugi dio se raspršuje u svemir.

Kruženje supstanci u biosferi je ponavljajući proces transformacija i prostornih pomeranja supstanci koje imaju određeno kretanje unapred, izraženo u kvalitativnim i kvantitativnim razlikama u pojedinačnim ciklusima.

U modernom smislu, Zemljina biosfera je globalni otvoreni sistem sa sopstvenim "ulazom" i "izlazom". Njegov ulaz je protok sunčeve energije koja dolazi iz svemira i hemijske energije iz litosfere, supstance uključene u biogenu cirkulaciju, dostupnih unutrašnjih informacija i protoka spoljnih informacija. Na izlazu iz biosfere, uglavnom se raspršuje i zrači toplotna energija, materija napušta cirkulaciju, reorganizovane unutrašnje informacije i tok odlaznih informacija.

Održavanje vitalne aktivnosti organizama i cirkulacije tvari u ekosistemima moguće je samo zahvaljujući stalnom prilivu sunčeve energije. Ova energija se u velikim količinama troši na fizičke i hemijske procese u atmosferi, hidrosferi i litosferi: mešanje vazdušnih tokova i vodenih masa, isparavanje, preraspodela supstanci, otapanje minerala, apsorpcija i oslobađanje gasova.

Samo 1/2.000.000 sunčeve energije dospijeva na površinu Zemlje, dok je 1-2% asimiliraju biljke.

Na Zemlji postoji samo jedan proces u kojem se energija sunčevog zračenja ne samo troši i redistribuira, već i vezuje, pohranjuje veoma dugo.

Ovaj proces je stvaranje organske materije tokom fotosinteze. Spaljivanjem uglja u pećima oslobađamo i koristimo sunčevu energiju koju su biljke uskladištile prije stotina milijuna godina.

Glavna planetarna funkcija biljaka (autotrofa) je vezivanje i skladištenje sunčeve energije, koja se potom troši na održavanje biohemijskih procesa u biosferi. Heterotrofi dobijaju energiju iz hrane. Sva živa bića su objekti ishrane drugih, tj. međusobno povezani energetskim odnosima. Veze hrane u biocenozama su mehanizam za prijenos energije s jednog organizma na drugi. Organizmi bilo koje vrste potencijalni su izvor energije za drugu vrstu. U svakoj zajednici, trofički odnosi čine složenu mrežu.

Većina energije dobijene kao rezultat razgradnje nutrijenata troši se na fiziološke procese u organizmu, manji dio se pretvara u tkiva samog tijela, tj. utrošeno na rast, debljanje, taloženje rezervnih nutrijenata.

Prijenos energije u hemijskim reakcijama u tijelu odvija se, prema drugom zakonu termodinamike, gubitkom njenog dijela u obliku topline. Ovi gubici su posebno veliki tokom rada mišićnih ćelija životinja, čija je efikasnost veoma niska.

Troškovi za disanje su također višestruko veći od troškova energije za povećanje tjelesne mase. Specifični omjeri zavise od faze razvoja i fiziološkog stanja pojedinca. Mlade osobe troše više na rast, dok zrele osobe troše energiju gotovo isključivo za održavanje metabolizma i fizioloških procesa.

Tako se gubi najveći dio energije u prijelazu iz jedne karike lanca ishrane u drugu, jer. druga, sljedeća, veza može koristiti samo energiju sadržanu u biomasi prethodne veze. Procjenjuje se da su ti gubici oko 90%, tj. samo 10% potrošene energije se skladišti u biomasi.

U skladu s tim, rezerva energije akumulirana u biljnoj biomasi u lancima ishrane brzo se iscrpljuje. Izgubljena energija se može nadoknaditi samo energijom Sunca. U tom smislu, u biosferi ne može postojati energetski ciklus, sličan ciklusu supstanci. Biosfera funkcionira samo zbog jednosmjernog toka energije, njenog stalnog unosa izvana u obliku sunčevog zračenja.

Dakle, protok energije u biosferi je podijeljen u dva glavna kanala, koji do potrošača stiže preko živih biljnih tkiva ili mrtve organske tvari, čiji je izvor i fotosinteza.

Procesi koji se odvijaju u ekosistemu (broj živih organizama, brzina njihovog razvoja itd.) zavise od količine energije koja ulazi u ekosistem i od kruženja supstanci u ekosistemu. Biosfera je energetski otvoren sistem u kome se energija apsorbuje iz spoljašnje sredine.

Neprekidni tok sunčeve energije, koji opažaju molekuli živih ćelija, pretvara se u energiju hemijskih veza (vidi sliku 2.1). Ovako stvorene kemijske tvari (na primjer, tokom fotosinteze) prelaze sukcesivno od jednog organizma do drugog: od biljaka do životinja biljojeda, od njih do mesoždera prvog reda, zatim drugog i tako dalje. Ovaj prelaz se smatra uzastopnim uređenim protokom materije i energije. Dio potencijalne hemijske energije hrane, oslobađajući se, omogućava tijelu da obavlja svoje vitalne funkcije, tj. "rad", a paralelno se gubi u obliku toplote, povećavajući entropiju, koja se smatra mjerom neuređenosti sistema.

Kada bi se tok sunčeve energije koja dolazi na Zemlju samo raspršio, tada bi život bio nemoguć (sistem bi bio u stanju maksimalne entropije). Da se entropija sistema ne bi povećala, organizam ili sistem mora izvući negativnu entropiju iz okoline - negentropija , tj. raditi protiv gradijenta. Da bi radio protiv gradijenta, ekološki sistem mora dobiti energetsku subvenciju, koja dolazi u obliku sunčeve energije. Živi organizam izvlači negentropiju iz hrane koristeći urednost svojih hemijskih veza. Dio energije se gubi, troši se, na primjer, na održavanje životnih procesa, dio se prenosi na druge organizme. Na početku ovog toka je proces autotrofne ishrane biljaka – fotosinteza, u kojoj se povećava urednost razgrađenih organskih i mineralnih materija. U ovom slučaju, entropija se smanjuje zbog priliva sunčeve energije.

Dakle, sve energetske transformacije u ekosistemu uvijek odgovaraju termodinamičkom modelu otvorenog sistema.

Biogeni ciklus nastaje na nivou ekosistema i leži u činjenici da se hranjive tvari tla, vode, ugljika akumuliraju u tvarima biljaka, troše se na izgradnju tijela i životnih procesa kako njih samih tako i organizama - potrošači. Razlagači razgrađuju organsku materiju do mineralnih komponenti, koje su ponovo dostupne biljkama i ponovo se uvlače u tok materije.

Važan princip funkcionisanja ekosistema – dobijanje resursa i oslobađanje od otpada dešava se u krugu svih elemenata.

Glavni elementi: ugljenik, vodonik, kiseonik, azot - neophodni su organizmima u velikim količinama; oni se nazivaju makronutrijenti . Drugi se koriste u relativno malim količinama - elementi u tragovima . Ipak, svi hemijski elementi kruže u biosferi određenim putevima: od spoljašnje sredine do organizama i od njih nazad u spoljašnju sredinu. Ove staze, manje-više zatvorene, nazivaju se biogeohemijski ciklusi .

Test pitanja:

Ekologija, njen predmet. Struktura moderne ekologije.

Osnovni koncepti ekologije.

faktori životne sredine. Zakoni djelovanja faktora.

Abiotički, biotički i antropogeni faktori životne sredine.

Nastava i biosfera. Granice biosfere.Živa supstanca.

Protok energije i kruženje supstanci u biosferi.

Prilog predavanju 1.

Održavanje vitalne aktivnosti organizama i cirkulacije tvari u ekosistemima moguće je samo zahvaljujući stalnom prilivu energije. Više od 99% energije koja stiže do površine Zemlje je sunčevo zračenje. Ova energija se u velikim količinama troši na fizičke i hemijske procese u atmosferi, hidrosferi i litosferi: mešanje vazdušnih tokova i vodenih masa, isparavanje, preraspodela supstanci, rastvaranje minerala, apsorpcija i oslobađanje gasova.[...]

Samo 1/2.000.000 sunčeve energije dospijeva na površinu Zemlje, dok je 1-2% asimiliraju biljke. Na Zemlji postoji samo jedan proces u kojem se energija sunčevog zračenja ne samo troši i redistribuira, već i vezuje, pohranjuje veoma dugo. Ovaj proces je stvaranje organske materije tokom fotosinteze. Spaljivanjem uglja u pećima oslobađamo i koristimo sunčevu energiju koju su biljke uskladištile prije stotina miliona godina.[...]

Glavna planetarna funkcija biljaka (autotrofa) je vezivanje i skladištenje sunčeve energije, koja se zatim troši na održavanje biohemijskih procesa u biosferi.[...]

Prvi trofički nivo su proizvođači, kreatori biljne biomase; biljojedi (potrošači 1. reda) pripadaju drugom trofičkom nivou; životinje mesožderke koje žive na račun biljojeda su potrošači 2. reda; mesožderi, koji jedu druge mesoždere - konzumente 3. reda, itd.[ ...]

Energetski bilans potrošača formira se na sljedeći način. Unesena hrana se obično ne svari u potpunosti. Procenat probavljivosti zavisi od sastava hrane i prisustva probavnih enzima u organizmu. Kod životinja se od 12 do 75% hrane asimiluje u procesu metabolizma. Nesvareni dio hrane se ponovo vraća u vanjsku sredinu (u obliku izmeta) i može biti uključen u druge lance ishrane. Većina energije dobijene kao rezultat razgradnje nutrijenata troši se na fiziološke procese u organizmu, manji dio se pretvara u tkiva samog tijela, tj. utrošeno na rast, debljanje, taloženje rezervnih nutrijenata.[ ...]

Troškovi za disanje su također višestruko veći od troškova energije za povećanje tjelesne mase. Specifični omjeri zavise od faze razvoja i fiziološkog stanja pojedinca. Mladi pojedinci troše više na rast, dok zreli koriste energiju gotovo isključivo za održavanje metabolizma i fizioloških procesa.[...]

Tako se gubi najveći dio energije u prijelazu iz jedne karike lanca ishrane u drugu, jer. koju koristi drugi, sljedeća karika može biti samo energija sadržana u biomasi prethodne veze. Procjenjuje se da su ovi gubici oko 90%; samo 10% potrošene energije pohranjeno je u biomasi.[ ...]

Lanci ishrane koji počinju fotosintetičkim organizmima nazivaju se lanci potrošnje, a lanci koji počinju od mrtvih biljnih ostataka, leševa i životinjskih izmeta nazivaju se detritalni lanci razgradnje.

Sa savremenih pozicija, biosfera se smatra najvećim ekosistemom na planeti. Biosfera je, kao i svaki ekosistem, jedinstven prirodni kompleks koji čine živi organizmi i njihovo stanište, u kojem su žive i nežive komponente međusobno povezane metabolizmom i energijom. U biosferi se odvijaju procesi oksidacije organskih supstanci, kao i procesi u cilju postizanja ravnoteže, koja se nikada ne postiže, budući da nove porcije aktivnih jedinjenja, zahvaljujući živim organizmima, neprestano ulaze u sistem. Sunčeva energija u obliku energije biohemijskih veza je energija geohemijskih procesa koji transformišu inertne komponente biosfere.

Svaki živi organizam biosfere zavisi od spektra površinskog sunčevog zračenja, temperature, vlažnosti životne sredine, hemijskog sastava vazduha, hrane i drugih faktora. Vitalna aktivnost svih živih organizama, uključujući i čovjeka, je rad za koji je potrebna energija. Energija sunčevog zračenja je primarna na Zemlji i od najveće je važnosti za život.

Neprekidni tok sunčeve energije, koji opažaju molekuli živih ćelija, pretvara se u energiju hemijskih veza. Hemijske tvari uzastopno prelaze iz jednog organizma u drugi, odnosno postoji dosljedan uređen tok materije i energije.

Na Zemlji postoje dva glavna mehanizma za zadržavanje, preraspodjelu i akumulaciju energije:

Mehanizam koji karakteriše stanište: isparavanje, kondenzacija, gradijenti gustine u atmosferi i okeanu, geohemijske reakcije, erozija itd. (geohemijska cirkulacija supstanci);

Mehanizam koji karakterizira vitalnu aktivnost bioloških objekata: fotosinteza, disanje itd.

Svim vrstama ekosistema upravljaju isti osnovni zakoni koji regulišu nežive sisteme, kao što su tehničke instalacije, mašine. Jedina razlika je u tome što se živi sistemi, koristeći dio energije dostupne unutar njih, mogu samopopravljati, dok se mašine moraju popravljati korištenjem vanjske energije.

Kada bilo koji predmet apsorbira zračenje, potonji se zagrijava, odnosno energija zračenja se pretvara u energiju kretanja molekula koji čine tijelo, a to se odnosi na bilo koja fizička polja i medije koji s njima stupaju u interakciju. Dakle, "potrošena" energija se zapravo ne troši, već se samo prenosi iz stanja u kojem ju je lako pretvoriti u rad, u stanje male koristi.

Ako je temperatura tijela viša od temperature okolnog zraka, tada će tijelo odavati toplinu sve dok njegova temperatura ne bude jednaka temperaturi okoline, nakon čega nastupa stanje termodinamičke ravnoteže i dalje rasipanje energije u toplotnom obliku. zaustavlja. Takav sistem je u stanju maksimalne entropije. Entropija odražava mogućnosti konverzije energije i smatra se mjerom neuređenosti sistema. Entropija pokazuje da se određeni proces može dogoditi u sistemu sa određenom vjerovatnoćom. U isto vrijeme, ako sistem teži ravnotežnom stanju, onda se entropija povećava i teži maksimumu.

Primjenjujući odredbe termodinamike na proces života, može se primijetiti da živi organizam izvlači energiju iz hrane, a da pritom koristi urednost svojih kemijskih veza. Dio energije se koristi za održavanje životnih procesa, a dio se prenosi organizmima naknadnih nivoa hrane. Na početku ovog procesa je fotosinteza, koja povećava urednost razgrađenih organskih i mineralnih tvari. U ovom slučaju, entropija se smanjuje zbog energije sa Sunca.

Samoorganizacija i evolucija bioloških sistema na svim nivoima, od ćelije do biosfere u celini, nastaju kao rezultat odliva entropije u okolinu. Zemlja prima energiju od Sunca u obliku zračenja. Vraća se ista količina energije, ali na nižoj temperaturi.

Prema drugom zakonu termodinamike, energija bilo kog sistema teži smanjenju, odnosno termodinamičkoj ravnoteži, što je ekvivalentno maksimalnoj entropiji. Živi organizam će preći u takvo stanje ako mu je oduzeta sposobnost da izvlači urednost (energiju) iz okoline. Zakon entropije je univerzalan i neograničen i kaže da svaka struktura koja je izgubila osjećaj harmonije odmah apsorbira živa priroda.

Metode termodinamike su primenljive samo na makroskopske sisteme koji se sastoje od velikog broja čestica. Izolovan je sistem koji ne može da razmenjuje ni energiju ni materiju sa okolinom, na primer kamenje, šljaku. Ako se razmjenjuje samo energija, onda se sistem naziva zatvorenim (izmjenjivači topline), a ako se razmjenjuju i energija i tvari, naziva se otvorenim (biološki objekti). Prilikom primjene termodinamike na biološke sisteme potrebno je uzeti u obzir posebnosti organizacije živih sistema:

Biološki sistemi su otvoreni za tokove materije i energije;

Procesi u živim sistemima su na kraju nepovratni;

Živi sistemi su daleko od ravnoteže;

Biološki sistemi su heterofazni i strukturirani.

S obzirom na biosferu, energetski tok se shvata kao prenos energije duž lanaca ishrane sa jednog trofičkog nivoa na drugi, tj. lanac ishrane je energetski lanac. Svi biosistemi su otvoreni za razmjenu energije. Svi živi sistemi održavaju svoju vitalnu aktivnost zahvaljujući:

1. prisustvo slobodne viška energije (slobodna energija od sunca dolazi spolja);

2, zbog sposobnosti da uhvati i koncentriše ovu energiju (samo živi sistemi su u stanju da zahvate i koncentrišu energiju);

3 - x, koristeći, raspršiti ga u okolini.

Razmotrimo put apsorpcije sunčeve svjetlosti od strane fotosintetskih organizama uz proizvodnju organske tvari.

Gotovo svu primarnu organsku materiju na Zemlji formiraju zelene biljke u procesu fotosinteze. Ovaj proces ide uz apsorpciju energije, koja se pohranjuje u hemijskim vezama organske materije. U ovom slučaju, sunčeva kinetička energija se pretvara u potencijalnu energiju molekula glukoze.

Bilo koja količina organske materije je ekvivalentna količini energije. glukoza ( 6CO 2 + 6H 2 0 + 2816 J, hlorofil à C 6 H 12 O 6 + 6O 2) je organski molekul s visokom potencijalnom energijom. Oko 2% sunčeve energije pretvara se u potencijalnu energiju molekula glukoze. Glukoza u biljkama obavlja 2 funkcije:

1) - služi kao građevinski materijal za tijelo, tj. složeni organski molekuli (škrob, celuloza, lipidi, proteini, nukleinske kiseline) nastaju iz glukoze.

2) - izvor energije za sve životne procese biljaka, tj. izgradnja tkiva, apsorpcija hranljivih materija iz tla, disanje.

Proces cijepanja organskih molekula uz oslobađanje energije naziva se ćelijskog disanja .

Koristeći glukozu kao primjer, proces razgradnje je sljedeći : C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Þ 6CO 2 + 6H 2 O + Q

One. molekul glukoze u prisustvu kiseonika se razara do CO 2 , H 2 O uz oslobađanje energije. Ovaj proces se odvija u svakoj ćeliji i generalno je suprotan fotosintezi (biljke - 40-50% pohranjene energije se troši; drveće - 70-80% energije se troši, uglavnom na disanje). Samo dio glukoze biljka koristi za svoj rast, dok se drugi dio ponovo uništava uz oslobađanje energije neophodne za tok fizioloških procesa.

Životinje dobijaju energiju konzumiranjem hrane, tj. izvor energije - potencijalna energija organskih molekula konzumiranih u hrani. Životinje karakterizira aktivna proizvodnja kinetičke energije (kretanje, trčanje, održavanje stalne tjelesne temperature, disanje itd.). Značajan dio hrane (90 - 99%) se uništava oslobađanjem energije, koja obezbjeđuje sve funkcije tijela i gubi se, rasipa, na kraju, u obliku topline koju tijelo oslobađa. Dakle, energija u ekosistemima se troši na:

1) metabolizam (uglavnom za održavanje metaboličkih procesa, koji se nazivaju otpad od disanja)

2) formiranje tkiva i organa, snabdevanje nutrijentima (tj. rast biomase)

3) izlučivanje nesvarljivih materija (izmet)

4) rasipanje u vidu toplote tokom hemijskih reakcija i aktivnog mišićnog rada.

Kao što vidite, biosferom, kao i svim vrstama ekosistema, upravljaju isti osnovni zakoni koji upravljaju neživim sistemima, a to su:

- zakon održanja energije: energija ne može nestati bez traga ili nastati ni iz čega. Ali energija se mijenja iz jednog oblika u drugi;

- prvi zakon termodinamike: termodinamički sistem može raditi samo zahvaljujući svojoj unutrašnjoj energiji ili bilo kojem vanjskom izvoru energije;

U svim ekosistemima i biosferi u cjelini, energija se pretvara iz jednog oblika u drugi, naime, sunčeva energija u potencijalnu energiju koju pohranjuju biljke, a ona u druge vrste dok prolazi kroz lanac ishrane;

Na svakom trofičkom nivou, dio potencijalne energije hrane troši se na vitalne funkcije, a dio se gubi u obliku topline – raspršuje se u okolinu. Prilikom prelaska sa jednog trofičkog nivoa na drugi, većina energije se gubi (oko 90%).

Budući da se dio energije uvijek raspršuje u obliku toplotne energije koja nije dostupna za korištenje, efikasnost spontane konverzije kinetičke energije (na primjer, svjetlosti) u potencijalnu energiju (na primjer, energiju hemijskih spojeva protoplazme) je uvijek manje od 100%.

Energija se može koristiti samo jednom, a lanac ishrane je glavni kanal za prijenos energije u ekosistemima. Međutim, postoji značajna razlika između živih i neživih sistema. Sovjetski naučnik E.S. Bauer je 1935. godine identifikovao 3 glavne karakteristike živih sistema:

1) sposobnost spontane, bez uticaja na životnu sredinu, promene stanja;

2) otpor spoljnim silama koje dovode do promene početnog stanja životne sredine;

3) stalni rad protiv balansiranja sa okolinom.

Prve 2 karakteristike se takođe nalaze u drugim sistemima, ali treća je zaštitni znak života. Zato ju je Bauer nazvao "univerzalni zakon biologije ", što ima jasno termodinamičko značenje: kao što je u neživim sistemima njihovo stanje ravnoteže stabilno, tako je i u živim sistemima njihovo neravnotežno stanje stabilno.

Ako je neživi sistem neuravnotežen sa okolinom izolovan, tada će svako kretanje u njemu uskoro prestati. Kao rezultat trenja, toplotne provodljivosti, hemijskih reakcija i drugih spontanih procesa, potencijali će se izjednačiti, sistem kao celina će izumreti i pretvoriti se u inertnu masu materije, u stanju termodinamičke ravnoteže, odnosno maksimalne entropije.

Sve što se dešava u prirodi dovodi do povećanja entropije u dijelu svijeta gdje se to događa.

Sa stanovišta termodinamičke statistike, entropija karakteriše verovatnoću pojave određenog stanja: malo verovatno stanje je stanje sa niskom entropijom, verovatno stanje je stanje sa visokom entropijom.

Sa stanovišta uređenosti, maksimalna entropija je maksimalni nered, tj. haos, a niska entropija karakteriše uređene sisteme. Stoga, s jedne strane, živi sistemi kontinuirano povećavaju svoju entropiju, odnosno proizvode pozitivnu entropiju i približavaju se opasnom stanju maksimalne entropije - entropiji smrti (maksimalni poremećaj).S druge strane, neravnotežno stanje živih sistema je izuzetno nevjerovatna struktura ® s vrlo niskom entropijom. Da bi zadržali neravnotežno stanje, biosistemi treba da se oslobode proizvedene pozitivne entropije i izvuku negativnu entropiju (neentropiju) iz okoline (tj. izvlačeći negativnu entropiju iz okoline, živi organizmi su u neravnoteži stanje - stanje sa niskim S, stanje života)

Zbog što je entropija niža, to je veći red, onda ekstrakcija neentropije je "izvlačenje reda", a time i povećanje vlastitog poretka sistema.

Proces stvaranja reda u sistemu iz haosa naziva se samoorganizacija. To dovodi do smanjenja entropije. Za žive organizme, sposobnost samoorganizacije je karakteristična karakteristika.

Poznato je da se više životinje hrane dobro uređenim organskim jedinjenjima. Koristeći urednost ovih proizvoda, životinje vraćaju tvari u okolinu u vrlo degradiranom, neuređenom obliku (tj. odustaju od entropije).

Ove supstance u neuređenom obliku (sa visokom entropijom) apsorbuju biljke. Ali za biljke, moćno sredstvo za stvaranje negativne entropije je sunčeva svjetlost, uz pomoć koje dolazi do povećanja sređenosti degradiranih tvari u hlorofilu - fotosinteza, i ciklus se ponavlja. Ovo je jedini prirodni, spontani proces na Zemlji u kojem se entropija smanjuje - zbog cijene besplatne sunčeve energije.

Koeficijent konverzije kinetičke energije svjetlosti u potencijalnu energiju veze organskih jedinjenja je mnogo manji od 100%. Ali energija svjetlosti dolazi besplatno! Stoga nas nije briga koliko će ga efikasne biljke konzumirati, čak i ako je vrlo mali. Ono što je najvažnije, biljke i sve "živo" posjeduju tajne mehanizama koncentracije i disipacije energije.

Dakle, najvažnija termodinamička karakteristika organizama, ekosistema i biosfere u cjelini je:

Sposobnost stvaranja i održavanja visokog stepena unutrašnjeg poretka, odnosno neuravnoteženog stanja niske entropije;

Za održavanje unutrašnjeg reda u sistemu koji je na temperaturi iznad apsolutne nule, kada postoji toplotno kretanje atoma i molekula, potreban je stalan rad na ispumpavanju "poremećaja";

Ovaj rad pretpostavlja stalan izvor energije i prisustvo dobro razvijenih "disipativnih struktura" u samom sistemu. Niska entropija se postiže stalnim i efikasnim rasipanjem lako upotrebljive koncentrisane energije (npr. svetlosna energija, gorivo, hrana) i pretvaranjem u energiju koja je teško upotrebljiva (npr. toplota).

Disanje visoko uređene biomase može se smatrati disipativnom strukturom ekosistema. To je utrošak energije za održavanje života.

Dakle, biosfera i bilo koji ekosistemi su otvoreni neravnotežni termodinamički sistemi, koji neprestano razmjenjuju energiju i materiju sa okolinom, smanjujući na taj način entropiju unutar sebe, ali povećavajući entropiju izvana.

Na osnovu drugog zakona termodinamike, ovaj proces je povezan sa disipacijom energije, sa njenim gubicima, koji se uvek nadoknađuje prilivom energije sa Sunca. Dakle, naša civilizacija je samo jedan od izuzetnih fenomena prirode, koji zavisi od stalnog priliva koncentrisane energije svetlosnog zračenja.

Biosfera je integralni sistem koji izvršava određeni program, stabilizuje sebe i okolinu i gasi spoljašnje i unutrašnje narušavajuće uticaje. Takav sistem reaguje na uticaje koje izaziva osoba. Do određenog praga ih gasi, a onda može izgubiti stabilnost i početi se mijenjati. Čim se čovečanstvo nađe na granici devetnaestog i dvadesetog veka. počeo više koristiti ukupnu energiju biosfere - prestao je mehanizam kompenzacije: vegetacija je prestala da daje povećanje biomase, proporcionalno povećanju koncentracije CO 2 u atmosferi.

Od posebnog je značaja trenutak kada prirodni sistemi napuštaju stacionarno stanje. Smatra se da se za prirodne sisteme, kada se u njih unese poremećaj na nivou od 1% (pravilo jednog procenta) ukupnog protoka energije koji prolazi kroz sistem, nalazi prag za izlazak sistema iz stacionarnog stanja. Međutim, prema N.F. Reimers, za globalni energetski sistem (biosferu) ovaj proces počinje od unošenja poremećaja na nivou od 0,1 - 0,2% veličine planetarnih procesa. Istovremeno se javljaju uočljive prirodne anomalije. Tako je u prošlom stoljeću zabilježen značajan porast dezertifikacije, a utjecaj ljudske aktivnosti na globalne klimatske procese u posljednjih dvije stotine godina konačno je dokazan tek krajem drugog milenijuma.

Čovjek treba zapamtiti da uz svu snagu naučnog i tehnološkog napretka ostaje dio biosfere, da će, uništivši savremenu materijalnu i energetsku strukturu biosfere, uništiti sebe.

Pitanja za samokontrolu

1. Definirajte biosferu. Kakva je njegova struktura?

2. Ko je prvi uveo pojam "biosfera" u nauku?

3. Po čemu se biosfera razlikuje od ostalih školjki planete?

4. Koja je razlika između živog i neživog?

5. Šta je živa materija?

6. Imenujte funkcije žive materije.

7. Koji su najvažniji aspekti učenja VI Vernadskog o biosferi?

8. Šta je noosfera i zašto je nastao ovaj koncept?

9. Da li je moguća pojava noosfere kao rezultat koevolucije ljudskog društva i prirodnog okruženja?

10. Recite nam nešto o V.I. Vernadsky.

11. Šta je osnova biološkog ciklusa koji obezbjeđuje život na Zemlji?

12. Gdje su veliki i mali ciklusi materije u interakciji?

13. Navedite procese u kojima se kiseonik apsorbuje iz atmosfere.

14. Koliko vremena je potrebno da se ažurira zaliha kiseonika u atmosferi?

15. U kom vremenskom periodu kruži ceo aktivni neorganski ugljenik?

16. Navedite glavni izvor nadoknade kiseonika u atmosferi.

17. Navedite glavne faze ciklusa azota. Kako atmosferski azot ulazi u ekosisteme?

18. U kom obliku biljke mogu apsorbirati dušik?

19. Gdje su koncentrisane rezerve fosfora?

20. Koje su implikacije na poljoprivredu zbog iscrpljivanja rezervi fosfora?

1. Vernadsky V.I. Hemijska struktura Zemljine biosfere i okoline. - M.: Nauka, 2001. 376 str. (Serija "Biblioteka zbornika akademika V. I. Vernadskog").

2. Stadnitsky G.V. Ekologija. Udžbenik za srednje škole. - Sankt Peterburg: Himizdat, 2007. - 288 str.: ilustr.

3. Eremchenko O.Z. Doktrina o biosferi. Udžbenik za univerzitete - 2. izd. - M: Akademija, 2006. - 240 str.

4. Eremchenko, O.Z. Doktrina o biosferi. Organizacija biosfere i biogeohemijski ciklusi. Vodič - Perm: Perm. stanje un-t., - 2010. - 104 str.

5. Nikolaykin N.I., Nikolaykina N.E., Melekhova O.P. Ekologija: Proc. za univerzitete - 3. izd. - M.: Drfa, 2004. - 624 str.: ilustr.

6. Pavlov A.N. Ekologija: upravljanje okolišem i sigurnost života: Proc. dodatak - M.: Viša škola, 2005. - 343 str.: ilustr.

7. Mirkin B. M., Naumova L. G. Kratki kurs iz opšte ekologije. Deo II: Ekologija ekosistema i biosfere: Udžbenik - Ufa: Izdavačka kuća BSPU, 2011. - 180 str.

8. Elektronski izvor - URL: http://ru.wikipedia.org/wiki.

POGLAVLJE 5. PRIRODNI RESURSI BIOSFERE I RACIONALNO UPRAVLJANJE PRIRODOM

1. Biosfera(od drugih grčkih βιος - život i σφαῖρα - sfera, lopta) - ljuska Zemlje naseljena živim organizmima, pod njihovim utjecajem i okupirana proizvodima njihove vitalne aktivnosti; "film života"; globalnog ekosistema Zemlje.

Biosfera je ljuska Zemlje koju naseljavaju živi organizmi i oni su transformisani. Biosfera je počela da se formira najkasnije pre 3,8 milijardi godina, kada su prvi organizmi počeli da se pojavljuju na našoj planeti. Prodire kroz cijelu hidrosferu, gornji dio litosfere i donji dio atmosfere, odnosno naseljava ekosferu. Biosfera je ukupnost svih živih organizama. Dom je za preko 3.000.000 vrsta biljaka, životinja, gljiva i bakterija. Čovjek je također dio biosfere, njegova aktivnost prevazilazi mnoge prirodne procese i, kako je rekao V. I. Vernadsky: "Čovjek postaje moćna geološka sila."

Francuski prirodnjak Jean Baptiste Lamarck početkom 19. stoljeća. po prvi put zapravo predložio koncept biosfere, a da nije ni uveo sam pojam. Termin "biosfera" predložio je austrijski geolog i paleontolog Eduard Suess 1875. godine.

Holističku doktrinu o biosferi stvorio je biogeohemičar i filozof V. I. Vernadsky. Po prvi put je živim organizmima dodijelio ulogu glavne transformacijske sile planete Zemlje, uzimajući u obzir njihovu aktivnost ne samo u sadašnjem vremenu, već iu prošlosti.

Postoji još jedna, šira definicija: Biosfera - područje distribucije života na kosmičkom tijelu. Iako je postojanje života na svemirskim objektima osim na Zemlji još uvijek nepoznato, vjeruje se da se biosfera može proširiti na njih u skrivenijim područjima, na primjer, u litosferskim šupljinama ili u subglacijalnim oceanima. Na primjer, razmatra se mogućnost postojanja života u okeanu Jupiterovog mjeseca Evropa.

Osnovni koncept u ekologiji je "ekosistem". Ovaj termin je uveden A. Tansley 1935. Pod ekosistemom se podrazumijeva svaki sistem koji se sastoji od živih bića i njihovog staništa, koji su spojeni u jednu funkcionalnu cjelinu.

Glavna svojstva ekosistema su: sposobnost cirkulacije tvari, otpornost na vanjske utjecaje, proizvodnju bioloških proizvoda.

Obično postoje: mikroekosistemi (na primjer, mali rezervoar) koji postoje sve dok sadrže žive organizme sposobne za kruženje tvari; mezo-ekosistemi (na primjer, rijeka); makroekosistemi (na primjer, okean) kao i globalni ekosistem – biosfera

Biosfera kao globalni ekosistem

koncept "biosfera" u naučnu literaturu uveo austrijski geolog 1875. godine Eduard Suess Biosferi je pripisao sav taj prostor atmosfere, hidrosfere i litosfere (čvrsta ljuska Zemlje), gdje se susreću živi organizmi.

Vladimir Ivanovič Vernadski koristio ovaj termin i stvorio nauku sa sličnim imenom. Pod biosferom se u ovom slučaju podrazumijeva čitav prostor (ljuska Zemlje) u kojem postoji ili je ikada postojao život, odnosno gdje se nalaze živi organizmi ili proizvodi njihove životne aktivnosti. V. I. Vernadsky nije samo konkretizirao i ocrtao granice života u biosferi, već je, što je najvažnije, sveobuhvatno otkrio ulogu živih organizama u procesima na planetarnoj razini. Pokazao je da u prirodi nema moćnije sile koja stvara životnu sredinu od živih organizama i proizvoda njihove vitalne aktivnosti. V. I. Vernadsky je zaključio primarnu transformirajuću ulogu živih organizama i mehanizme formiranja i uništavanja geoloških struktura, cirkulaciju tvari, promjene u čvrstom stanju ( litosfera), jedan ( hidrosfera) i zrak ( atmosfera) Zemljinih školjki. Dio biosfere u kojem se trenutno nalaze živi organizmi naziva se moderna biosfera, ( neobiosfera), spominju se drevne biosfere ( paleobiosfere). Kao primjer potonjeg mogu se ukazati na beživotne koncentracije organskih tvari (naslage uglja, nafte, uljnih škriljaca.), zalihe drugih spojeva nastalih uz sudjelovanje živih organizama (kreč, kreda, rude).

Granice biosfere. Nebiosfera u atmosferi nalazi se otprilike do ozonskog ekrana na većem dijelu Zemljine površine - 20-25 km. Gotovo cijela hidrosfera, čak i najdublji Marijanski rov Tihog okeana (11.022 m), okupiran je životom. Život također prodire u litosferu, ali na nekoliko metara, ograničen samo na sloj tla, iako se širi stotinama metara kroz pojedinačne pukotine i pećine. Kao rezultat toga, granice biosfere određene su prisustvom živih organizama ili "tragovima" njihove vitalne aktivnosti. Ekosistemi su glavne karike biosfere. Na nivou ekosistema mogu se detaljnije i dublje razmotriti glavna svojstva i obrasci funkcionisanja organizama nego što je to učinjeno na primjeru biosfere.

Očuvanjem elementarnih ekosistema rješava se glavni problem našeg vremena - prevencija ili neutralizacija štetnih pojava globalne krize, očuvanje biosfere u cjelini.

2.Živa materija- ukupnost tijela živih organizama u biosferi, bez obzira na njihovu sistematsku pripadnost.

Ovaj koncept ne treba miješati s konceptom "biomase", koja je dio nutrijenata.

Termin je uveo V. I. Vernadsky

Živa materija se razvija tamo gde život može postojati, odnosno na preseku atmosfere, litosfere i hidrosfere. U uslovima koji nisu povoljni za postojanje, živa materija prelazi u stanje anabioze.

Specifičnost žive materije je sledeća:

Živu materiju biosfere karakteriše ogromna slobodna energija. U neorganskom svijetu, samo kratkotrajni tokovi neočvrsnute lave mogu se uporediti sa živom materijom u smislu količine slobodne energije.

Oštra razlika između žive i nežive materije biosfere uočena je u brzini hemijskih reakcija: u živoj materiji reakcije se dešavaju hiljade i milione puta brže.

Posebnost žive materije je da su pojedinačni hemijski spojevi koji je čine – proteini, enzimi itd. – stabilni samo u živim organizmima (u velikoj meri to je karakteristično i za mineralna jedinjenja koja čine živu materiju).

Samovoljno kretanje žive materije, uglavnom samoregulirajuće. V. I. Vernadsky je izdvojio dva specifična oblika kretanja žive materije: a) pasivni, koji nastaje reprodukcijom i svojstven je i životinjskim i biljnim organizmima; b) aktivna, koja se odvija zbog usmjerenog kretanja organizama (tipična je za životinje i, u manjoj mjeri, za biljke). Živa materija takođe teži da ispuni sav mogući prostor.

Živa materija pokazuje mnogo veću morfološko i hemijsku raznolikost od nežive materije. Osim toga, za razliku od nežive abiogene tvari, živa tvar nije predstavljena isključivo tekućom ili plinovitom fazom. Tijela organizama građena su u sva tri fazna stanja.

Živa materija je u biosferi predstavljena u obliku dispergovanih tela – pojedinačnih organizama. Štoviše, raspršena, živa tvar se nikada na Zemlji ne nalazi u morfološki čistom obliku - u obliku populacija organizama iste vrste: uvijek je predstavljena biocenozama.

Živa materija postoji u obliku kontinuirane smene generacija, zbog čega je savremena živa materija genetski povezana sa živom materijom prošlih epoha. Istovremeno, za živu materiju je karakteristično prisustvo evolutivnog procesa, odnosno reprodukcija žive materije se ne odvija po tipu apsolutnog kopiranja prethodnih generacija, već morfološkim i biohemijskim promenama.

Značenje žive materije

Rad žive materije u biosferi je prilično raznolik. Prema Vernadskom, rad žive materije u biosferi može se manifestovati u dva glavna oblika:

a) hemijska (biohemijska) - I vrsta geološke aktivnosti; b) mašinski - II vrsta transportne delatnosti.

Biogena migracija atoma prve vrste manifestuje se u stalnoj razmeni materije između organizama i okoline u procesu izgradnje tela organizama, varenja hrane. Biogena migracija atoma druge vrste sastoji se u kretanju materije od strane organizama u toku njihovog života (prilikom izgradnje jazbina, gnijezda, kada su organizmi zakopani u zemlju), kretanju same žive tvari, kao i prolazak neorganskih supstanci kroz želudačni trakt zemljanih buba, muljevaca, filter hranilica.

Za razumevanje rada koji živa materija obavlja u biosferi, veoma su važne tri glavne odredbe, koje je V. I. Vernadsky nazvao biogeohemijskim principima:

Biogena migracija atoma hemijskih elemenata u biosferi uvek teži svom maksimalnom ispoljavanju.

Evolucija vrsta u toku geološkog vremena, što dovodi do stvaranja životnih oblika stabilnih u biosferi, ide u pravcu koji pojačava biogenu migraciju atoma.

Živa materija je u neprekidnoj hemijskoj razmeni sa kosmičkom okolinom koja je okružuje, a stvara je i održava na našoj planeti zračenjem Sunčeve energije.

Postoji pet glavnih funkcija žive materije:

Energija. Sastoji se od apsorpcije sunčeve energije tokom fotosinteze, a hemijske energije - kroz razgradnju energetski zasićenih supstanci i prenos energije kroz lanac ishrane heterogene žive materije.

koncentracija. Selektivna akumulacija određenih vrsta materije tokom života. Postoje dva tipa koncentracija hemijskih elemenata u živoj materiji: a) masivno povećanje koncentracija elemenata u medijumu zasićenom ovim elementima, na primer, sumpor i gvožđe su u izobilju u živoj materiji u oblastima vulkanizma; b) specifična koncentracija jednog ili drugog elementa, bez obzira na medij.

destruktivno. Sastoji se od mineralizacije nebiogene organske materije, razgradnje nežive neorganske materije i uključivanja nastalih supstanci u biološki ciklus.

Formiranje okoline. Transformacija fizičkih i hemijskih parametara medija (uglavnom zbog nebiogenih materija).

Transport. Interakcije žive materije sa hranom dovode do kretanja ogromnih masa hemijskih elemenata i supstanci protiv gravitacije iu horizontalnom pravcu.

Živa materija obuhvata i restrukturira sve hemijske procese u biosferi. Živa materija je najmoćnija geološka sila koja raste s vremenom. Odajući počast uspomeni na velikog osnivača doktrine biosfere, A. I. Perelman je predložio da se sljedeća generalizacija nazove "zakon Vernadskog":

3. Energija biosfere

U energetskim procesima u biosferi odlučujuću ulogu (99%) ima sunčevo zračenje, koje određuje toplotni bilans i toplotni režim Zemljine biosfere. Od ukupne količine energije, 5,42 · 10 4 J, koju Zemlja prima od Sunca, 33% se odbija od oblaka i površine zemlje, kao i prašine u gornjim slojevima atmosfere. Ovaj dio čini Zemljin albedo, 67% energije apsorbira atmosfera i Zemljina površina (kontinenti i Svjetski okean) i nakon niza transformacija odlazi u svemir (slika 5.2).

U atmosferi se zagrijavanje događa odozdo, što dovodi do stvaranja snažnih konvektivnih struja i općeg kruženja zračnih masa. Oceanske struje, vođene uglavnom vjetrom, preraspodijele primljenu sunčevu energiju u horizontalnom smjeru, što utiče na dovod topline u atmosferu. Okeani i atmosfera su jedan termalni sistem.

Zbog zračenja i konvekcije održava se cjelokupna energetska ravnoteža naše planete. Krug vode u biosferi je također određen prilivom sunčeve energije.

Vrlo mali dio ukupnog toka sunčeve energije apsorbiraju zelene biljke u procesu provođenja reakcije fotosinteze. Ova energija iznosi 10 22 J godišnje (približno 0,2% ukupne količine sunčevog zračenja). Fotosinteza je snažan prirodni proces koji uključuje ogromne mase materije u biosferi i određuje veliku količinu kisika u atmosferi. Fotosinteza je hemijska reakcija koja se javlja zbog sunčeve energije uz učešće hlorofila u zelenim biljkama: n CO 2 + n H 2 O \u003d C n H 2 n Oko 2+ n Oko 2. Krug ugljika u biosferi prikazan je na sl. 5.3.

Tako se zbog ugljičnog dioksida i vode sintetizira organska tvar i oslobađa slobodni kisik. Uz nekoliko izuzetaka, fotosinteza se odvija na cijeloj površini Zemlje i stvara ogroman geohemijski efekat, koji se može okarakterizirati količinom cjelokupne mase ugljika godišnje uključene u izgradnju organske žive tvari biosfere. CO 2 se potroši i apsorbuje godišnje: na kopnu 253-10 9 tona, u okeanu - 88-10 9 tona, a ukupno - 341 10 9 tona.Upotrebom 135 10 12 tona vode, 232 10 9 tona organskih materija stvoreni su C n H 2 n O n a 248 · 10 9 tona kiseonika odlazi u atmosferu.

Zbog fotosinteze u biosferi, 1 milijarda tona azota, 260 miliona tona fosfora i 200 miliona tona sumpora je uključena u ciklus.

U roku od 6 - 7 godina apsorbira se sav ugljični dioksid iz atmosfere, za 3000-4000 godina sav kisik atmosfere se obnavlja, a u roku od 10 miliona godina fotosinteza prerađuje masu vode jednaku cijeloj hidrosferi. Ako uzmemo u obzir da biosfera postoji na Zemlji najmanje 3,8 - 4 milijarde godina (a Zemlja oko 4,5 milijardi godina), onda možemo reći da su vode Svjetskog okeana prošle kroz biogeni ciklus povezan sa fotosinteza najmanje 1 milion godina jednom. Sve ove vrijednosti odražavaju ogroman značaj fotosinteze u istoriji Zemlje.

Ovdje napominjemo da kada organizam umre, dolazi do obrnutog procesa - razgradnje organske tvari oksidacijom, propadanjem itd. sa formiranjem krajnjih produkata raspadanja. Ovaj proces u Zemljinoj biosferi dovodi do činjenice da količina biomase žive materije teži određenoj konstantnosti. Količina biomase je približno 10 puta veća od količine organske materije proizvedene godišnje u procesu fotosinteze (0,232 10 12 tona). Ukupna masa materije koja je prošla kroz biosferu je 12 puta veća od mase Zemlje. Ovako radi ova "živa fabrika".

Popularno u kategoriji: