जीवमंडल में ऊर्जा का सार परिवर्तन। पदार्थों का संचलन और ऊर्जा का प्रवाह

जीवमंडल का ऊर्जा संतुलन अवशोषित और विकिरणित ऊर्जा के बीच का अनुपात है। यह सूर्य की ऊर्जा और ब्रह्मांडीय किरणों के आगमन से निर्धारित होता है, जिसे प्रकाश संश्लेषण के दौरान पौधों द्वारा अवशोषित किया जाता है, भाग को अन्य प्रकार की ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, और दूसरा भाग बाहरी अंतरिक्ष में नष्ट हो जाता है।

जीवमंडल में पदार्थों का संचलन पदार्थों के परिवर्तनों और स्थानिक आंदोलनों की एक आवर्ती प्रक्रिया है जिसमें एक निश्चित आगे की गति होती है, जो व्यक्तिगत चक्रों में गुणात्मक और मात्रात्मक अंतर में व्यक्त होती है।

आधुनिक अर्थों में, पृथ्वी का जीवमंडल अपने स्वयं के "इनपुट" और "आउटपुट" के साथ एक वैश्विक खुली प्रणाली है। इसका इनपुट अंतरिक्ष से आने वाली सौर ऊर्जा का प्रवाह और स्थलमंडल से रासायनिक ऊर्जा, बायोजेनिक परिसंचरण में शामिल पदार्थ, उपलब्ध आंतरिक जानकारी और बाहरी जानकारी का प्रवाह है। जीवमंडल के आउटपुट में, मुख्य रूप से थर्मल ऊर्जा का क्षय और विकिरण होता है, परिसंचरण छोड़ने वाला पदार्थ, पुनर्गठित आंतरिक जानकारी और आउटगोइंग जानकारी का प्रवाह होता है।

जीवों की महत्वपूर्ण गतिविधि को बनाए रखना और पारिस्थितिक तंत्र में पदार्थों का संचलन सौर ऊर्जा के निरंतर प्रवाह के कारण ही संभव है। यह ऊर्जा वायुमंडल, जलमंडल और स्थलमंडल में भौतिक और रासायनिक प्रक्रियाओं पर बड़ी मात्रा में बर्बाद होती है: वायु प्रवाह और जल द्रव्यमान का मिश्रण, वाष्पीकरण, पदार्थों का पुनर्वितरण, खनिजों का विघटन, गैसों का अवशोषण और रिहाई।

सौर ऊर्जा का केवल 1/2,000,000 ही पृथ्वी की सतह तक पहुँचता है, जबकि इसका 1-2% पौधों द्वारा आत्मसात कर लिया जाता है।

पृथ्वी पर केवल एक ही प्रक्रिया है जिसमें सौर विकिरण की ऊर्जा न केवल खर्च और पुनर्वितरित होती है, बल्कि बहुत लंबे समय तक बंधी और संग्रहीत भी होती है।

यह प्रक्रिया प्रकाश संश्लेषण के दौरान कार्बनिक पदार्थ का निर्माण है। भट्टियों में कोयला जलाकर, हम सैकड़ों लाखों वर्ष पहले पौधों द्वारा संग्रहीत सौर ऊर्जा को मुक्त करते हैं और उसका उपयोग करते हैं।

पौधों (ऑटोट्रॉफ़्स) का मुख्य ग्रहीय कार्य सौर ऊर्जा को बांधना और संग्रहीत करना है, जिसे बाद में जीवमंडल में जैव रासायनिक प्रक्रियाओं को बनाए रखने पर खर्च किया जाता है। हेटरोट्रॉफ़्स को भोजन से ऊर्जा मिलती है। सभी जीवित प्राणी दूसरों के पोषण की वस्तु हैं, अर्थात्। ऊर्जा संबंधों द्वारा एक दूसरे से जुड़े हुए हैं। बायोकेनोज़ में खाद्य कनेक्शन एक जीव से दूसरे जीव में ऊर्जा स्थानांतरित करने का एक तंत्र है। किसी भी प्रजाति के जीव दूसरी प्रजाति के लिए ऊर्जा का संभावित स्रोत होते हैं। प्रत्येक समुदाय में, पोषी संबंध एक जटिल नेटवर्क बनाते हैं।

उपभोक्ताओं का ऊर्जा संतुलन निम्नानुसार बनता है। खाया गया भोजन आमतौर पर पूरी तरह से पच नहीं पाता है। पाचनशक्ति का प्रतिशत भोजन की संरचना और शरीर में पाचन एंजाइमों की उपस्थिति पर निर्भर करता है। जानवरों में 12 से 75% तक भोजन चयापचय की प्रक्रिया में आत्मसात हो जाता है। भोजन का अपचित हिस्सा फिर से बाहरी वातावरण (मल के रूप में) में वापस आ जाता है और अन्य खाद्य श्रृंखलाओं में शामिल हो सकता है।

पोषक तत्वों के टूटने के परिणामस्वरूप प्राप्त अधिकांश ऊर्जा शरीर में शारीरिक प्रक्रियाओं पर खर्च की जाती है, एक छोटा हिस्सा शरीर के ऊतकों में ही परिवर्तित हो जाता है, अर्थात। विकास, वजन बढ़ाने, आरक्षित पोषक तत्वों के जमाव पर खर्च किया गया।

ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के अनुसार, शरीर में रासायनिक प्रतिक्रियाओं में ऊर्जा का स्थानांतरण, गर्मी के रूप में इसके कुछ हिस्से की हानि के साथ होता है। ये नुकसान विशेष रूप से जानवरों की मांसपेशियों की कोशिकाओं के काम के दौरान बहुत अधिक होते हैं, जिनकी दक्षता बहुत कम होती है।

सांस लेने पर होने वाला खर्च भी शरीर का वजन बढ़ाने के लिए लगने वाली ऊर्जा की तुलना में कई गुना अधिक है। विशिष्ट अनुपात विकास के चरण और व्यक्तियों की शारीरिक स्थिति पर निर्भर करते हैं। युवा व्यक्ति विकास पर अधिक खर्च करते हैं, जबकि परिपक्व व्यक्ति चयापचय और शारीरिक प्रक्रियाओं को बनाए रखने के लिए लगभग विशेष रूप से ऊर्जा का उपयोग करते हैं।

इस प्रकार, खाद्य श्रृंखला की एक कड़ी से दूसरी कड़ी में संक्रमण के दौरान अधिकांश ऊर्जा नष्ट हो जाती है, क्योंकि। दूसरा, अगला, लिंक केवल पिछले लिंक के बायोमास में निहित ऊर्जा का उपयोग कर सकता है। अनुमान है कि ये नुकसान लगभग 90% हैं, यानी। उपभोग की गई ऊर्जा का केवल 10% बायोमास में संग्रहीत होता है।

इसके अनुसार, खाद्य श्रृंखलाओं में पौधों के बायोमास में संचित ऊर्जा भंडार तेजी से कम हो रहा है। खोई हुई ऊर्जा को केवल सूर्य की ऊर्जा से ही पूरा किया जा सकता है। इस संबंध में, जीवमंडल में पदार्थों के चक्र के समान कोई ऊर्जा चक्र नहीं हो सकता है। जीवमंडल ऊर्जा के एकतरफ़ा प्रवाह, सौर विकिरण के रूप में बाहर से इसके निरंतर इनपुट के कारण ही कार्य करता है।

इस प्रकार, जीवमंडल में ऊर्जा प्रवाह को दो मुख्य चैनलों में विभाजित किया गया है, जो जीवित पौधों के ऊतकों या मृत कार्बनिक पदार्थों के माध्यम से उपभोक्ताओं तक पहुंचता है, जिसका स्रोत भी प्रकाश संश्लेषण है।

किसी पारिस्थितिकी तंत्र में होने वाली प्रक्रियाएं (जीवित जीवों की संख्या, उनके विकास की दर, आदि) पारिस्थितिकी तंत्र में प्रवेश करने वाली ऊर्जा की मात्रा और पारिस्थितिकी तंत्र में पदार्थों के संचलन पर निर्भर करती हैं। जीवमंडल एक ऊर्जावान रूप से खुली प्रणाली है जिसमें ऊर्जा बाहरी वातावरण से अवशोषित होती है।

जीवित कोशिकाओं के अणुओं द्वारा महसूस किया जाने वाला सौर ऊर्जा का निरंतर प्रवाह, रासायनिक बंधों की ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है (चित्र 2.1 देखें)। इस तरह से बनाए गए रासायनिक पदार्थ (उदाहरण के लिए, प्रकाश संश्लेषण के दौरान) क्रमिक रूप से एक जीव से दूसरे जीव में गुजरते हैं: पौधों से शाकाहारी जीवों में, उनसे पहले क्रम के मांसाहारियों में, फिर दूसरे क्रम के मांसाहारियों में, और इसी तरह। इस संक्रमण को पदार्थ और ऊर्जा का क्रमिक क्रमबद्ध प्रवाह माना जाता है। भोजन की संभावित रासायनिक ऊर्जा का एक हिस्सा, जारी होने पर, शरीर को अपने महत्वपूर्ण कार्यों को पूरा करने की अनुमति देता है, अर्थात। "काम", और समानांतर में गर्मी के रूप में खो जाता है, जिससे एन्ट्रापी बढ़ जाती है, जिसे सिस्टम की अव्यवस्था का एक उपाय माना जाता है।

यदि पृथ्वी पर आने वाली सौर ऊर्जा का प्रवाह ही समाप्त हो गया, तो जीवन असंभव हो जाएगा (सिस्टम अधिकतम एन्ट्रॉपी की स्थिति में होगा)। सिस्टम की एन्ट्रापी न बढ़े, इसके लिए जीव या सिस्टम को पर्यावरण से नकारात्मक एन्ट्रापी निकालनी होगी - नकारात्मकता , अर्थात। ढाल के विपरीत कार्य करें। ढाल के विरुद्ध काम करने के लिए, पारिस्थितिक तंत्र को ऊर्जा सब्सिडी मिलनी चाहिए, जो सौर ऊर्जा के रूप में आती है। एक जीवित जीव अपने रासायनिक बंधों की क्रमबद्धता का उपयोग करके भोजन से नकारात्मकता निकालता है। ऊर्जा का एक भाग नष्ट हो जाता है, उदाहरण के लिए, जीवन प्रक्रियाओं को बनाए रखने पर खर्च किया जाता है, भाग अन्य जीवों में स्थानांतरित कर दिया जाता है। इस प्रवाह के आरंभ में स्वपोषी पादप पोषण - प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया होती है, जिसमें अपघटित कार्बनिक एवं खनिज पदार्थों की क्रमबद्धता बढ़ जाती है। इस मामले में, सौर ऊर्जा के प्रवाह के कारण एन्ट्रापी कम हो जाती है।

इस प्रकार, एक पारिस्थितिकी तंत्र में सभी ऊर्जा परिवर्तन हमेशा एक खुली प्रणाली के थर्मोडायनामिक मॉडल के अनुरूप होते हैं।

बायोजेनिक चक्र पारिस्थितिकी तंत्र के स्तर पर होता है और इस तथ्य में निहित है कि मिट्टी, पानी, कार्बन के पोषक तत्व पौधों के पदार्थ में जमा होते हैं, स्वयं और जीवों दोनों के शरीर और जीवन प्रक्रियाओं के निर्माण पर खर्च किए जाते हैं - उपभोक्ता. डीकंपोजर कार्बनिक पदार्थों को खनिज घटकों में विघटित करते हैं, जो फिर से पौधों के लिए सुलभ होते हैं और फिर से उनके द्वारा पदार्थ के प्रवाह में शामिल होते हैं।

पारिस्थितिक तंत्र के कामकाज का एक महत्वपूर्ण सिद्धांत - संसाधन प्राप्त करना और कचरे से छुटकारा पाना सभी तत्वों के चक्र के भीतर होता है।

मुख्य तत्व: कार्बन, हाइड्रोजन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन - बड़ी मात्रा में जीवों के लिए आवश्यक हैं; वे कहते हैं मैक्रोन्यूट्रिएंट्स . अन्य का उपयोग अपेक्षाकृत कम मात्रा में किया जाता है - तत्वों का पता लगाना . फिर भी, सभी रासायनिक तत्व जीवमंडल में कुछ निश्चित रास्तों से घूमते हैं: बाहरी वातावरण से जीवों तक और उनसे वापस बाहरी वातावरण में। ये रास्ते, जो कमोबेश बंद हैं, कहलाते हैं जैव-भू-रासायनिक चक्र .

नियंत्रण प्रश्न:

पारिस्थितिकी, इसका विषय। आधुनिक पारिस्थितिकी की संरचना.

पारिस्थितिकी की बुनियादी अवधारणाएँ।

वातावरणीय कारक। कारकों की क्रिया के नियम.

अजैविक, जैविक और मानवजनित पर्यावरणीय कारक।

शिक्षण और जीवमंडल. जीवमंडल की सीमाएँ.जीवित पदार्थ.

जीवमंडल में ऊर्जा का प्रवाह और पदार्थों का संचलन।

व्याख्यान के साथ संलग्नक 1.

जीवों की महत्वपूर्ण गतिविधि को बनाए रखना और पारिस्थितिक तंत्र में पदार्थों का संचलन ऊर्जा के निरंतर प्रवाह के कारण ही संभव है। पृथ्वी की सतह तक पहुँचने वाली 99% से अधिक ऊर्जा सौर विकिरण है। यह ऊर्जा वायुमंडल, जलमंडल और स्थलमंडल में भौतिक और रासायनिक प्रक्रियाओं पर बड़ी मात्रा में बर्बाद होती है: वायु प्रवाह और जल द्रव्यमान का मिश्रण, वाष्पीकरण, पदार्थों का पुनर्वितरण, खनिजों का विघटन, गैसों का अवशोषण और रिहाई।[ ...]

सौर ऊर्जा का केवल 1/2,000,000 ही पृथ्वी की सतह तक पहुँचता है, जबकि इसका 1-2% पौधों द्वारा आत्मसात कर लिया जाता है। पृथ्वी पर केवल एक ही प्रक्रिया है जिसमें सौर विकिरण की ऊर्जा न केवल खर्च और पुनर्वितरित होती है, बल्कि बहुत लंबे समय तक बंधी और संग्रहीत भी होती है। यह प्रक्रिया प्रकाश संश्लेषण के दौरान कार्बनिक पदार्थ का निर्माण है। भट्टियों में कोयला जलाकर, हम सैकड़ों लाखों वर्ष पहले पौधों द्वारा संग्रहीत सौर ऊर्जा को मुक्त करते हैं और उसका उपयोग करते हैं।[ ...]

पौधों (ऑटोट्रॉफ़्स) का मुख्य ग्रहीय कार्य सौर ऊर्जा को बांधना और संग्रहीत करना है, जिसे बाद में जीवमंडल में जैव रासायनिक प्रक्रियाओं को बनाए रखने पर खर्च किया जाता है।[ ...]

पहला पोषी स्तर उत्पादक, पादप बायोमास के निर्माता हैं; शाकाहारी जानवर (प्रथम क्रम के उपभोक्ता) दूसरे पोषी स्तर के हैं; शाकाहारी रूपों की कीमत पर रहने वाले मांसाहारी जानवर दूसरे क्रम के उपभोक्ता हैं; मांसाहारी, अन्य मांसाहारी खाने वाले - तीसरे क्रम के उपभोक्ता, आदि।[ ...]

उपभोक्ताओं का ऊर्जा संतुलन निम्नानुसार बनता है। खाया गया भोजन आमतौर पर पूरी तरह से पच नहीं पाता है। पाचनशक्ति का प्रतिशत भोजन की संरचना और शरीर में पाचन एंजाइमों की उपस्थिति पर निर्भर करता है। जानवरों में 12 से 75% तक भोजन चयापचय की प्रक्रिया में आत्मसात हो जाता है। भोजन का अपचित हिस्सा फिर से बाहरी वातावरण (मल के रूप में) में वापस आ जाता है और अन्य खाद्य श्रृंखलाओं में शामिल हो सकता है। पोषक तत्वों के टूटने के परिणामस्वरूप प्राप्त अधिकांश ऊर्जा शरीर में शारीरिक प्रक्रियाओं पर खर्च की जाती है, एक छोटा हिस्सा शरीर के ऊतकों में ही परिवर्तित हो जाता है, अर्थात। विकास, वजन बढ़ाने, आरक्षित पोषक तत्वों के जमाव पर खर्च किया गया।[ ...]

ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के अनुसार, शरीर में रासायनिक प्रतिक्रियाओं में ऊर्जा का स्थानांतरण, गर्मी के रूप में इसके कुछ हिस्से की हानि के साथ होता है। ये नुकसान विशेष रूप से जानवरों की मांसपेशियों की कोशिकाओं के काम के दौरान बहुत अधिक होते हैं, जिनकी दक्षता बहुत कम होती है।[ ...]

सांस लेने पर होने वाला खर्च भी शरीर का वजन बढ़ाने के लिए लगने वाली ऊर्जा की तुलना में कई गुना अधिक है। विशिष्ट अनुपात विकास के चरण और व्यक्तियों की शारीरिक स्थिति पर निर्भर करते हैं। युवा व्यक्ति विकास पर अधिक खर्च करते हैं, जबकि परिपक्व व्यक्ति चयापचय और शारीरिक प्रक्रियाओं को बनाए रखने के लिए लगभग विशेष रूप से ऊर्जा का उपयोग करते हैं।[ ...]

इस प्रकार, खाद्य श्रृंखला की एक कड़ी से दूसरी कड़ी में संक्रमण के दौरान अधिकांश ऊर्जा नष्ट हो जाती है, क्योंकि। दूसरे द्वारा उपयोग किए जाने पर, अगला लिंक केवल पिछले लिंक के बायोमास में निहित ऊर्जा हो सकता है। अनुमान है कि ये हानियाँ लगभग 90% हैं; उपभोग की गई ऊर्जा का केवल 10% बायोमास में संग्रहीत होता है।[ ...]

इसके अनुसार, खाद्य श्रृंखलाओं में पौधों के बायोमास में संचित ऊर्जा भंडार तेजी से कम हो रहा है। खोई हुई ऊर्जा को केवल सूर्य की ऊर्जा से ही पूरा किया जा सकता है। इस संबंध में, जीवमंडल में पदार्थों के चक्र के समान कोई ऊर्जा चक्र नहीं हो सकता है। जीवमंडल ऊर्जा के एकदिशात्मक प्रवाह, सौर विकिरण के रूप में बाहर से इसके निरंतर इनपुट के कारण ही कार्य करता है।[ ...]

प्रकाश संश्लेषक जीवों से शुरू होने वाली खाद्य श्रृंखलाओं को उपभोग श्रृंखला कहा जाता है, और जो श्रृंखलाएं मृत पौधों के अवशेषों, शवों और जानवरों के मलमूत्र से शुरू होती हैं उन्हें डेट्राइटल अपघटन श्रृंखला कहा जाता है।

आधुनिक दृष्टिकोण से, जीवमंडल को ग्रह पर सबसे बड़ा पारिस्थितिकी तंत्र माना जाता है। जीवमंडल, किसी भी पारिस्थितिकी तंत्र की तरह, जीवित जीवों और उनके आवास द्वारा निर्मित एक एकल प्राकृतिक परिसर है, जिसमें जीवित और निर्जीव घटक चयापचय और ऊर्जा द्वारा परस्पर जुड़े होते हैं। जीवमंडल में, कार्बनिक पदार्थों के ऑक्सीकरण की प्रक्रियाएं होती हैं, साथ ही संतुलन प्राप्त करने के उद्देश्य से प्रक्रियाएं होती हैं, जो कभी हासिल नहीं होती है, क्योंकि सक्रिय यौगिकों के नए हिस्से, जीवित जीवों के लिए धन्यवाद, लगातार सिस्टम में प्रवेश कर रहे हैं। जैव रासायनिक बंधों की ऊर्जा के रूप में सौर ऊर्जा भू-रासायनिक प्रक्रियाओं की ऊर्जा है जो जीवमंडल के निष्क्रिय घटकों को बदल देती है।

जीवमंडल का कोई भी जीवित जीव सतह के सौर विकिरण, तापमान, पर्यावरणीय आर्द्रता, हवा की रासायनिक संरचना, भोजन और अन्य कारकों के स्पेक्ट्रम पर निर्भर करता है। मनुष्य सहित सभी जीवित जीवों की महत्वपूर्ण गतिविधि एक ऐसा कार्य है जिसके लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है। सौर विकिरण की ऊर्जा पृथ्वी पर प्राथमिक है और जीवन के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

जीवित कोशिकाओं के अणुओं द्वारा महसूस किया जाने वाला सौर ऊर्जा का निरंतर प्रवाह, रासायनिक बंधों की ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है। रासायनिक पदार्थ एक जीव से दूसरे जीव में क्रमिक रूप से गुजरते हैं, यानी पदार्थ और ऊर्जा का लगातार क्रमबद्ध प्रवाह होता है।

पृथ्वी पर, ऊर्जा के प्रतिधारण, पुनर्वितरण और संचय के लिए दो मुख्य तंत्र हैं:

आवास की विशेषता बताने वाला तंत्र: वाष्पीकरण, संघनन, वायुमंडल और समुद्र में घनत्व प्रवणता, भू-रासायनिक प्रतिक्रियाएं, क्षरण, आदि (पदार्थों का भू-रासायनिक परिसंचरण);

वह तंत्र जो जैविक वस्तुओं की महत्वपूर्ण गतिविधि को दर्शाता है: प्रकाश संश्लेषण, श्वसन, आदि।

सभी प्रकार के पारिस्थितिक तंत्र उन्हीं बुनियादी कानूनों द्वारा शासित होते हैं जो निर्जीव प्रणालियों, जैसे तकनीकी प्रतिष्ठानों, मशीनों को नियंत्रित करते हैं। अंतर केवल इतना है कि जीवित प्रणालियाँ, अपने अंदर उपलब्ध ऊर्जा के कुछ हिस्से का उपयोग करके, स्वयं-मरम्मत करने में सक्षम हैं, जबकि मशीनों की मरम्मत बाहरी ऊर्जा का उपयोग करके करनी पड़ती है।

जब विकिरण को किसी वस्तु द्वारा अवशोषित किया जाता है, तो बाद वाला गर्म हो जाता है, अर्थात, विकिरण ऊर्जा शरीर को बनाने वाले अणुओं की ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, और यह किसी भी भौतिक क्षेत्र और उनके साथ बातचीत करने वाले मीडिया पर लागू होता है। इस प्रकार, "खपत" ऊर्जा का वास्तव में उपभोग नहीं किया जाता है, इसे केवल उस स्थिति से स्थानांतरित किया जाता है जिसमें इसे काम में बदलना आसान होता है, कम उपयोग की स्थिति में।

यदि किसी पिंड का तापमान आसपास की हवा के तापमान से अधिक है, तो पिंड तब तक गर्मी छोड़ेगा जब तक उसका तापमान परिवेश के तापमान के बराबर न हो जाए, जिसके बाद थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति स्थापित हो जाती है और थर्मल रूप में ऊर्जा का अपव्यय होता है। रुक जाता है. ऐसी प्रणाली अधिकतम एन्ट्रापी की स्थिति में होती है। एन्ट्रॉपी ऊर्जा रूपांतरण की संभावनाओं को दर्शाती है और इसे सिस्टम की अव्यवस्था का एक उपाय माना जाता है। एन्ट्रॉपी से पता चलता है कि एक सिस्टम में एक विशेष प्रक्रिया एक निश्चित संभावना के साथ हो सकती है। उसी समय, यदि सिस्टम एक संतुलन स्थिति की ओर जाता है, तो एन्ट्रापी बढ़ जाती है और अधिकतम हो जाती है।

जीवन की प्रक्रिया में थर्मोडायनामिक्स के प्रावधानों को लागू करते हुए, यह ध्यान दिया जा सकता है कि एक जीवित जीव भोजन से ऊर्जा निकालता है, और साथ ही अपने रासायनिक बंधनों की क्रमबद्धता का उपयोग करता है। ऊर्जा का एक हिस्सा जीवन प्रक्रियाओं को बनाए रखने के लिए उपयोग किया जाता है, और कुछ हिस्सा बाद के खाद्य स्तरों के जीवों में स्थानांतरित किया जाता है। इस प्रक्रिया की शुरुआत में प्रकाश संश्लेषण होता है, जो अपघटित कार्बनिक और खनिज पदार्थों की क्रमबद्धता को बढ़ाता है। इस मामले में, सूर्य की ऊर्जा के कारण एन्ट्रापी कम हो जाती है।

कोशिका से लेकर जीवमंडल तक सभी स्तरों पर जैविक प्रणालियों का स्व-संगठन और विकास, पर्यावरण में एन्ट्रापी के बहिर्वाह के परिणामस्वरूप होता है। पृथ्वी सूर्य से विकिरण के रूप में ऊर्जा प्राप्त करती है। उतनी ही मात्रा में ऊर्जा वापस दी जाती है, लेकिन कम तापमान पर।

थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के अनुसार, किसी भी प्रणाली की ऊर्जा कम हो जाती है, अर्थात थर्मोडायनामिक संतुलन, जो अधिकतम एन्ट्रापी के बराबर है। एक जीवित जीव ऐसी अवस्था में चला जाएगा यदि वह पर्यावरण से सुव्यवस्था (ऊर्जा) निकालने की क्षमता से वंचित हो जाए। एन्ट्रापी का नियम सार्वभौमिक और असीमित है और कहता है कि कोई भी संरचना जो सामंजस्य की भावना खो देती है, उसे तुरंत जीवित प्रकृति द्वारा अवशोषित कर लिया जाता है।

थर्मोडायनामिक्स की विधियाँ केवल बड़ी संख्या में कणों से युक्त स्थूल प्रणालियों पर लागू होती हैं। एक प्रणाली जो पर्यावरण के साथ ऊर्जा या पदार्थ का आदान-प्रदान नहीं कर सकती है, उसे अलग कर दिया जाता है, उदाहरण के लिए, पत्थर, स्लैग। यदि केवल ऊर्जा का आदान-प्रदान होता है, तो सिस्टम को बंद (हीट एक्सचेंजर्स) कहा जाता है, और यदि ऊर्जा और पदार्थ दोनों का आदान-प्रदान होता है, तो इसे खुला (जैविक वस्तुएं) कहा जाता है। जैविक प्रणालियों में थर्मोडायनामिक्स लागू करते समय, जीवित प्रणालियों के संगठन की विशिष्टताओं को ध्यान में रखना आवश्यक है:

जैविक प्रणालियाँ पदार्थ और ऊर्जा के प्रवाह के लिए खुली हैं;

जीवित प्रणालियों में प्रक्रियाएँ अंततः अपरिवर्तनीय होती हैं;

जीवित प्रणालियाँ संतुलन से बहुत दूर हैं;

जैविक प्रणालियाँ हेटरोफ़ेज़ और संरचित हैं।

जीवमंडल को ध्यान में रखते हुए, ऊर्जा प्रवाह को खाद्य श्रृंखलाओं के साथ एक पोषी स्तर से दूसरे पोषी स्तर तक ऊर्जा के हस्तांतरण के रूप में समझा जाता है, अर्थात। खाद्य शृंखला एक ऊर्जा शृंखला है। सभी बायोसिस्टम ऊर्जा विनिमय के लिए खुले हैं। सभी जीवित प्रणालियाँ अपनी महत्वपूर्ण गतिविधि को बनाए रखती हैं धन्यवाद:

पहला, मुक्त अतिरिक्त ऊर्जा की उपस्थिति (सूर्य से मुक्त ऊर्जा बाहर से आती है);

2, इस ऊर्जा को पकड़ने और केंद्रित करने की क्षमता के कारण (केवल जीवित प्रणालियाँ ही ऊर्जा को पकड़ने और केंद्रित करने में सक्षम हैं);

3 - x का उपयोग करके इसे वातावरण में फैलाएं।

आइए कार्बनिक पदार्थों के उत्पादन के साथ प्रकाश संश्लेषक जीवों द्वारा सूर्य के प्रकाश के अवशोषण के मार्ग पर विचार करें।

पृथ्वी पर लगभग सभी प्राथमिक कार्बनिक पदार्थ प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में हरे पौधों द्वारा बनते हैं। यह प्रक्रिया ऊर्जा के अवशोषण के साथ चलती है, जो कार्बनिक पदार्थों के रासायनिक बंधों में संग्रहीत होती है। इस मामले में, सौर गतिज ऊर्जा ग्लूकोज अणुओं की संभावित ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है।

कार्बनिक पदार्थ की कोई भी मात्रा ऊर्जा की मात्रा के बराबर होती है। ग्लूकोज ( 6CO 2 + 6H 2 0 + 2816 J, क्लोरोफिल à C 6 H 12 O 6 + 6O 2) उच्च संभावित ऊर्जा वाला एक कार्बनिक अणु है। लगभग 2% सौर ऊर्जा ग्लूकोज अणुओं की संभावित ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। पौधों में ग्लूकोज 2 कार्य करता है:

1) - शरीर की निर्माण सामग्री के रूप में कार्य करता है, अर्थात। ग्लूकोज से जटिल कार्बनिक अणु (स्टार्च, सेलूलोज़, लिपिड, प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड) बनते हैं।

2) - पौधों की सभी जीवन प्रक्रियाओं के लिए ऊर्जा का एक स्रोत, अर्थात। ऊतक निर्माण, मिट्टी से पोषक तत्वों का अवशोषण, श्वसन।

ऊर्जा की रिहाई के साथ कार्बनिक अणुओं को विभाजित करने की प्रक्रिया को कहा जाता है कोशिकीय श्वसन .

उदाहरण के तौर पर ग्लूकोज का उपयोग करते हुए, टूटने की प्रक्रिया इस प्रकार है : सी 6 एच 12 ओ 6 + 6ओ 2 Þ 6सीओ 2 + 6एच 2 ओ + क्यू

वे। ऑक्सीजन की उपस्थिति में ग्लूकोज अणु ऊर्जा की रिहाई के साथ CO2, H2O में नष्ट हो जाता है। यह प्रक्रिया प्रत्येक कोशिका में होती है और आम तौर पर प्रकाश संश्लेषण के विपरीत होती है (जड़ी-बूटियाँ - संग्रहीत ऊर्जा का 40-50% खर्च होती हैं; पेड़ - 70-80% ऊर्जा खर्च होती है, मुख्य रूप से श्वसन के लिए)। ग्लूकोज का केवल एक भाग ही पौधे अपनी वृद्धि के लिए उपयोग करता है, जबकि दूसरा भाग शारीरिक प्रक्रियाओं के लिए आवश्यक ऊर्जा की रिहाई के साथ फिर से नष्ट हो जाता है।

जानवरों को भोजन खाने से ऊर्जा मिलती है, यानी। ऊर्जा स्रोत - भोजन में प्रयुक्त कार्बनिक अणुओं की संभावित ऊर्जा। जानवरों को गतिज ऊर्जा के सक्रिय उत्पादन (आंदोलन, दौड़ना, शरीर के तापमान को स्थिर बनाए रखना, सांस लेना आदि) की विशेषता है। भोजन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा (90 - 99%) ऊर्जा की रिहाई के साथ नष्ट हो जाता है, जो शरीर के सभी कार्यों को प्रदान करता है और अंततः शरीर द्वारा जारी गर्मी के रूप में खो जाता है, नष्ट हो जाता है। तो, पारिस्थितिक तंत्र में ऊर्जा खर्च की जाती है:

1) चयापचय (ज्यादातर चयापचय प्रक्रियाओं को बनाए रखने के लिए, जिन्हें श्वास अपशिष्ट कहा जाता है)

2) ऊतकों और अंगों का निर्माण, पोषक तत्वों की आपूर्ति (यानी बायोमास वृद्धि)

3) न पचने वाले पदार्थों का उत्सर्जन (मलमूत्र)

4) रासायनिक प्रतिक्रियाओं और सक्रिय मांसपेशियों के काम के दौरान गर्मी के रूप में अपव्यय।

जैसा कि आप देख सकते हैं, जीवमंडल, सभी प्रकार के पारिस्थितिक तंत्रों की तरह, उन्हीं बुनियादी कानूनों द्वारा शासित होता है जो निर्जीव प्रणालियों को नियंत्रित करते हैं, अर्थात्:

- ऊर्जा संरक्षण का नियम: ऊर्जा बिना किसी निशान के गायब नहीं हो सकती या किसी चीज़ से उत्पन्न नहीं हो सकती। लेकिन ऊर्जा एक रूप से दूसरे रूप में बदलती रहती है;

- ऊष्मागतिकी का पहला नियम: एक थर्मोडायनामिक प्रणाली केवल अपनी आंतरिक ऊर्जा या किसी बाहरी ऊर्जा स्रोत के कारण ही कार्य कर सकती है;

सभी पारिस्थितिक तंत्रों और संपूर्ण जीवमंडल में, ऊर्जा एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित होती है, अर्थात्, सौर ऊर्जा पौधों द्वारा संग्रहीत संभावित ऊर्जा में, और जब यह खाद्य श्रृंखला से गुजरती है तो यह अन्य प्रकारों में परिवर्तित हो जाती है;

प्रत्येक पोषी स्तर पर, भोजन की संभावित ऊर्जा का कुछ हिस्सा महत्वपूर्ण कार्यों पर खर्च किया जाता है, और कुछ हिस्सा गर्मी के रूप में पर्यावरण में नष्ट हो जाता है। एक पोषी स्तर से दूसरे पोषी स्तर पर जाने पर अधिकांश ऊर्जा नष्ट हो जाती है (लगभग 90%)।

चूंकि ऊर्जा का कुछ हिस्सा हमेशा उपयोग के लिए दुर्गम तापीय ऊर्जा के रूप में नष्ट हो जाता है, गतिज ऊर्जा (उदाहरण के लिए, प्रकाश) को संभावित ऊर्जा (उदाहरण के लिए, प्रोटोप्लाज्म के रासायनिक यौगिकों की ऊर्जा) में सहज रूपांतरण की दक्षता हमेशा होती है 100 से कम%।

ऊर्जा का उपयोग केवल एक बार ही किया जा सकता है, और खाद्य श्रृंखला पारिस्थितिक तंत्र में ऊर्जा के हस्तांतरण के लिए मुख्य चैनल है। हालाँकि, जीवित और निर्जीव प्रणालियों के बीच एक महत्वपूर्ण अंतर है। 1935 में सोवियत वैज्ञानिक ई.एस. बाउर ने जीवित प्रणालियों की 3 मुख्य विशेषताओं की पहचान की:

1) पर्यावरणीय प्रभाव के बिना सहज, राज्य परिवर्तन की क्षमता;

2) बाहरी ताकतों का प्रतिरोध, जिससे पर्यावरण की प्रारंभिक स्थिति में बदलाव आया;

3) पर्यावरण के साथ संतुलन बनाने के लिए निरंतर कार्य करना।

पहली 2 विशेषताएँ अन्य प्रणालियों में भी पाई जाती हैं, लेकिन तीसरी जीवित रहने की पहचान है। इसीलिए बाउर ने उसे बुलाया "जीव विज्ञान का सार्वभौमिक नियम ", जिसका स्पष्ट थर्मोडायनामिक अर्थ है: जिस प्रकार निर्जीव प्रणालियों में उनकी संतुलन अवस्था स्थिर होती है, उसी प्रकार जीवित प्रणालियों में उनकी गैर-संतुलन अवस्था स्थिर होती है।

यदि पर्यावरण से असंतुलित किसी निर्जीव तंत्र को पृथक कर दिया जाए तो उसमें होने वाली सारी हलचल शीघ्र ही बंद हो जाएगी। घर्षण, तापीय चालकता, रासायनिक प्रतिक्रियाओं और अन्य सहज प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप, क्षमताएं बराबर हो जाएंगी, संपूर्ण प्रणाली नष्ट हो जाएगी और पदार्थ के एक निष्क्रिय द्रव्यमान में बदल जाएगी, थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में, यानी अधिकतम एन्ट्रॉपी।

प्रकृति में जो कुछ भी घटित होता है उससे दुनिया के उस हिस्से में एन्ट्रापी में वृद्धि होती है जहां वह घटित होती है।

थर्मोडायनामिक आंकड़ों के दृष्टिकोण से, एन्ट्रॉपी एक विशेष राज्य की घटना की संभावना को दर्शाती है: एक असंभावित राज्य कम एन्ट्रॉपी वाला राज्य है, एक संभावित राज्य उच्च एन्ट्रॉपी वाला राज्य है।

क्रमबद्धता के दृष्टिकोण से, अधिकतम एन्ट्रापी अधिकतम अव्यवस्था है, अर्थात। अराजकता, और कम एन्ट्रापी आदेशित प्रणालियों की विशेषताएँ हैं। इसलिए, एक ओर, जीवित प्रणालियाँ लगातार अपनी एन्ट्रापी बढ़ाती हैं, अर्थात, वे सकारात्मक एन्ट्रापी उत्पन्न करती हैं, और अधिकतम एन्ट्रापी की खतरनाक स्थिति - मृत्यु की एन्ट्रापी (अधिकतम विकार) तक पहुँचती हैं। दूसरी ओर, गैर-संतुलन अवस्था जीवित प्रणालियों की संरचना बहुत कम एन्ट्रापी के साथ एक अत्यंत असंभावित संरचना है। एक गैर-संतुलन स्थिति को बनाए रखने के लिए, बायोसिस्टम्स को उत्पादित सकारात्मक एन्ट्रॉपी से छुटकारा पाने और पर्यावरण से नकारात्मक एन्ट्रॉपी (गैर-एंट्रॉपी) निकालने की आवश्यकता होती है (यानी, पर्यावरण से नकारात्मक एन्ट्रॉपी निकालने से, जीवित जीव गैर-संतुलन में होते हैं) राज्य - निम्न एस वाला राज्य, एक राज्य जीवन)

क्योंकि एन्ट्रापी जितनी कम होगी, क्रम उतना ही ऊँचा होगा, वह गैर-एन्ट्रापी का निष्कर्षण "ऑर्डर का निष्कर्षण" है, और इस प्रकार सिस्टम के अपने ऑर्डर में वृद्धि होती है।

किसी व्यवस्था में अव्यवस्था से व्यवस्था बनाने की प्रक्रिया कहलाती है आत्म संगठन. इससे एन्ट्रापी में कमी आती है। जीवित जीवों के लिए, आत्म-संगठित होने की क्षमता एक विशिष्ट विशेषता है।

यह ज्ञात है कि उच्च प्राणी सुव्यवस्थित कार्बनिक यौगिकों पर भोजन करते हैं। इन उत्पादों की क्रमबद्धता का उपयोग करके, जानवर पर्यावरण में पदार्थों को बहुत ही अपमानित, अव्यवस्थित रूप में लौटाते हैं (यानी, वे एन्ट्रापी छोड़ देते हैं)।

ये पदार्थ अव्यवस्थित रूप में (उच्च एन्ट्रापी के साथ) पौधों द्वारा अवशोषित होते हैं। लेकिन पौधों के लिए, नकारात्मक एन्ट्रापी उत्पन्न करने का एक शक्तिशाली साधन सूर्य का प्रकाश है, जिसकी मदद से क्लोरोफिल में अपघटित पदार्थों की क्रमबद्धता में वृद्धि होती है - प्रकाश संश्लेषण, और चक्र दोहराया जाता है। यह पृथ्वी पर एकमात्र प्राकृतिक, सहज प्रक्रिया है जिसमें मुफ्त सौर ऊर्जा की लागत के कारण एन्ट्रापी कम हो जाती है।

प्रकाश की गतिज ऊर्जा को कार्बनिक यौगिकों की संभावित बंधन ऊर्जा में बदलने का गुणांक 100% से बहुत कम है। लेकिन प्रकाश की ऊर्जा व्यर्थ ही आती है! इसलिए, हमें इसकी परवाह नहीं है कि कितने कुशल पौधे इसका उपभोग करेंगे, भले ही यह बहुत छोटा हो। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि पौधों और सभी "जीवितों" के पास ऊर्जा की एकाग्रता और अपव्यय के तंत्र के रहस्य हैं।

इस प्रकार, जीवों, पारिस्थितिक तंत्र और समग्र रूप से जीवमंडल की सबसे महत्वपूर्ण थर्मोडायनामिक विशेषता है:

उच्च स्तर की आंतरिक व्यवस्था बनाने और बनाए रखने की क्षमता, यानी कम एन्ट्रापी की असंतुलित स्थिति;

एक ऐसी प्रणाली में आंतरिक व्यवस्था बनाए रखने के लिए जो पूर्ण शून्य से ऊपर के तापमान पर होती है, जब परमाणुओं और अणुओं की थर्मल गति होती है, तो "विकार" को दूर करने के लिए निरंतर काम की आवश्यकता होती है;

यह कार्य ऊर्जा के एक स्थायी स्रोत और सिस्टम में ही अच्छी तरह से विकसित "विघटनकारी संरचनाओं" की उपस्थिति को मानता है। आसानी से उपयोग करने योग्य केंद्रित ऊर्जा (जैसे प्रकाश ऊर्जा, ईंधन, भोजन) को लगातार और कुशलता से नष्ट करके और इसे उपयोग में मुश्किल ऊर्जा (जैसे गर्मी) में परिवर्तित करके कम एन्ट्रॉपी प्राप्त की जाती है।

उच्च क्रम वाले बायोमास के श्वसन को पारिस्थितिकी तंत्र की एक विघटनकारी संरचना के रूप में माना जा सकता है। यह जीवन को बनाए रखने के लिए ऊर्जा का व्यय है।

तो, जीवमंडल और कोई भी पारिस्थितिक तंत्र खुले गैर-संतुलन थर्मोडायनामिक सिस्टम हैं जो पर्यावरण के साथ लगातार ऊर्जा और पदार्थ का आदान-प्रदान करते हैं, जिससे उनके अंदर एन्ट्रापी कम हो जाती है, लेकिन बाहर एन्ट्रापी बढ़ जाती है।

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के आधार पर, यह प्रक्रिया ऊर्जा के अपव्यय, इसके नुकसान से जुड़ी है, जिसकी भरपाई हमेशा सूर्य से ऊर्जा के प्रवाह से होती है। इस प्रकार, हमारी सभ्यता प्रकृति की उल्लेखनीय घटनाओं में से एक है, जो प्रकाश विकिरण की संकेंद्रित ऊर्जा के निरंतर प्रवाह पर निर्भर है।

जीवमंडल एक अभिन्न प्रणाली है जो एक निश्चित कार्यक्रम निष्पादित करती है, खुद को और पर्यावरण को स्थिर करती है और बाहरी और आंतरिक विकृत प्रभावों को समाप्त करती है। ऐसी प्रणाली किसी व्यक्ति द्वारा उत्पन्न प्रभावों पर प्रतिक्रिया करती है। एक निश्चित सीमा तक, यह उन्हें ख़त्म कर देता है, और फिर यह स्थिरता खो सकता है और बदलना शुरू कर सकता है। जैसे ही मानवता उन्नीसवीं और बीसवीं सदी के कगार पर है। जीवमंडल की कुल ऊर्जा का अधिक उपयोग करना शुरू कर दिया - क्षतिपूर्ति तंत्र बंद हो गया: वनस्पति ने वातावरण में CO2 की सांद्रता में वृद्धि के अनुपात में बायोमास में वृद्धि देना बंद कर दिया।

वह क्षण जब प्राकृतिक प्रणालियाँ स्थिर अवस्था छोड़ती हैं, विशेष महत्व रखता है। ऐसा माना जाता है कि प्राकृतिक प्रणालियों के लिए, जब सिस्टम से गुजरने वाले कुल ऊर्जा प्रवाह के 1% (एक प्रतिशत नियम) के स्तर पर उनमें गड़बड़ी पेश की जाती है, तो सिस्टम को स्थिर अवस्था से बाहर निकलने की सीमा मिल जाती है। हालाँकि, एन.एफ. के अनुसार। रीमर्स के अनुसार, वैश्विक ऊर्जा प्रणाली (जीवमंडल) के लिए यह प्रक्रिया ग्रहीय प्रक्रियाओं के परिमाण के 0.1 - 0.2% के स्तर पर गड़बड़ी की शुरूआत से शुरू होती है। इसी समय, ध्यान देने योग्य प्राकृतिक विसंगतियाँ उत्पन्न होती हैं। इस प्रकार, पिछली शताब्दी में मरुस्थलीकरण में उल्लेखनीय वृद्धि देखी गई थी, और पिछले दो सौ वर्षों में वैश्विक जलवायु प्रक्रियाओं पर मानव गतिविधि का प्रभाव अंततः दूसरी सहस्राब्दी के अंत तक ही साबित हुआ था।

एक व्यक्ति को यह याद रखने की आवश्यकता है कि वैज्ञानिक और तकनीकी प्रगति की सारी शक्ति के साथ, वह जीवमंडल का एक हिस्सा बना हुआ है, जीवमंडल की आधुनिक सामग्री और ऊर्जा संरचना को नष्ट करने के बाद, वह खुद को नष्ट कर देगा।

आत्म-नियंत्रण के लिए प्रश्न

1. जीवमंडल को परिभाषित करें। इसकी संरचना क्या है?

2. "जीवमंडल" शब्द को सबसे पहले विज्ञान में किसने पेश किया?

3. जीवमंडल ग्रह के अन्य कोशों से किस प्रकार भिन्न है?

4. सजीव और निर्जीव में क्या अंतर है?

5. सजीव पदार्थ क्या है?

6. जीवित पदार्थ के कार्यों का नाम बताइये।

7. जीवमंडल के बारे में वी.आई. वर्नाडस्की की शिक्षाओं के सबसे महत्वपूर्ण पहलू क्या हैं?

8. नोस्फीयर क्या है और यह अवधारणा क्यों उत्पन्न हुई?

9. क्या मानव समाज और प्राकृतिक पर्यावरण के सह-विकास के परिणामस्वरूप नोस्फीयर का उद्भव संभव है?

10. हमें वी.आई. के बारे में बताएं? वर्नाडस्की।

11. पृथ्वी पर जीवन प्रदान करने वाले जैविक चक्र का आधार क्या है?

12. पदार्थ के बड़े और छोटे चक्र कहाँ परस्पर क्रिया करते हैं?

13. उन प्रक्रियाओं को इंगित करें जिनमें वायुमंडल से ऑक्सीजन अवशोषित होती है।

14. वायुमंडल में ऑक्सीजन की आपूर्ति को अद्यतन करने में कितना समय लगता है?

15. सम्पूर्ण सक्रिय अकार्बनिक कार्बन कोष का चक्र किस अवधि में होता है?

16. वायुमंडल में ऑक्सीजन की पुनःपूर्ति के मुख्य स्रोत का नाम बताइये।

17. नाइट्रोजन चक्र के मुख्य चरणों की सूची बनाएं। वायुमंडलीय नाइट्रोजन पारिस्थितिक तंत्र में कैसे प्रवेश करती है?

18. पौधे नाइट्रोजन को किस रूप में अवशोषित कर सकते हैं?

19. फॉस्फोरस भंडार कहाँ केंद्रित हैं?

20. फॉस्फोरस भंडार की कमी का कृषि पर क्या प्रभाव पड़ता है?

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अध्याय 5. जीवमंडल के प्राकृतिक संसाधन और तर्कसंगत प्रकृति प्रबंधन

1. जीवमंडल(अन्य ग्रीक से βιος - जीवन और σφαῖρα - गोला, गेंद) - पृथ्वी का खोल जिसमें जीवित जीव रहते हैं, उनके प्रभाव में हैं और उनकी महत्वपूर्ण गतिविधि के उत्पादों द्वारा कब्जा कर लिया गया है; "जीवन की फिल्म"; पृथ्वी का वैश्विक पारिस्थितिकी तंत्र।

जीवमंडल पृथ्वी का खोल है जिसमें जीवित जीव निवास करते हैं और उनके द्वारा रूपांतरित होते हैं। जीवमंडल का निर्माण लगभग 3.8 अरब साल पहले शुरू हुआ था, जब हमारे ग्रह पर पहले जीव उभरने लगे थे। यह संपूर्ण जलमंडल, स्थलमंडल के ऊपरी भाग और वायुमंडल के निचले भाग में प्रवेश करता है, अर्थात यह पारिस्थितिकी तंत्र में निवास करता है। जीवमंडल सभी जीवित जीवों की समग्रता है। यह पौधों, जानवरों, कवक और बैक्टीरिया की 3,000,000 से अधिक प्रजातियों का घर है। मनुष्य भी जीवमंडल का एक हिस्सा है, उसकी गतिविधि कई प्राकृतिक प्रक्रियाओं से आगे निकल जाती है और, जैसा कि वी. आई. वर्नाडस्की ने कहा: "मनुष्य एक शक्तिशाली भूवैज्ञानिक शक्ति बन जाता है।"

19वीं सदी की शुरुआत में फ्रांसीसी प्रकृतिवादी जीन बैप्टिस्ट लैमार्क। पहली बार वास्तव में जीवमंडल की अवधारणा को प्रस्तावित किया गया, बिना इस शब्द का परिचय दिए। "बायोस्फीयर" शब्द का प्रस्ताव 1875 में ऑस्ट्रियाई भूविज्ञानी और जीवाश्म विज्ञानी एडुआर्ड सूस द्वारा किया गया था।

जीवमंडल का एक समग्र सिद्धांत बायोजियोकेमिस्ट और दार्शनिक वी. आई. वर्नाडस्की द्वारा बनाया गया था। पहली बार, उन्होंने न केवल वर्तमान समय में, बल्कि अतीत में भी उनकी गतिविधि को ध्यान में रखते हुए, जीवित जीवों को ग्रह पृथ्वी की मुख्य परिवर्तनकारी शक्ति की भूमिका सौंपी।

एक और व्यापक परिभाषा है: जीवमंडल - ब्रह्मांडीय शरीर पर जीवन के वितरण का क्षेत्र। जबकि पृथ्वी के अलावा अन्य अंतरिक्ष पिंडों पर जीवन का अस्तित्व अभी भी अज्ञात है, ऐसा माना जाता है कि जीवमंडल अधिक छिपे हुए क्षेत्रों में उनका विस्तार कर सकता है, उदाहरण के लिए, लिथोस्फेरिक गुहाओं में या सबग्लेशियल महासागरों में। उदाहरण के लिए, बृहस्पति के चंद्रमा यूरोपा के महासागर में जीवन के अस्तित्व की संभावना पर विचार किया जाता है।

पारिस्थितिकी में मूल अवधारणा है "पारिस्थितिकी तंत्र". यह शब्द पेश किया गया था ए. टैनस्ले 1935 में। एक पारिस्थितिकी तंत्र को जीवित प्राणियों और उनके आवास से युक्त किसी भी प्रणाली के रूप में समझा जाता है, जो एक एकल कार्यात्मक संपूर्ण में संयुक्त होते हैं।

पारिस्थितिक तंत्र के मुख्य गुण हैं:पदार्थों का संचलन करने की क्षमता, बाहरी प्रभावों का प्रतिरोध, जैविक उत्पादों का उत्पादन।

आमतौर पर, ये होते हैं: माइक्रोइकोसिस्टम (उदाहरण के लिए, एक छोटा जलाशय) जो तब तक मौजूद रहते हैं जब तक उनमें पदार्थों के चक्रण में सक्षम जीवित जीव होते हैं; मेसो-पारिस्थितिकी तंत्र (उदाहरण के लिए, एक नदी); मैक्रोइकोसिस्टम (उदाहरण के लिए, महासागर) और साथ ही वैश्विक पारिस्थितिकी तंत्र - जीवमंडल

एक वैश्विक पारिस्थितिकी तंत्र के रूप में जीवमंडल

अवधारणा "जीवमंडल" 1875 में एक ऑस्ट्रियाई भूविज्ञानी द्वारा वैज्ञानिक साहित्य में पेश किया गया एडवर्ड सूस उन्होंने जीवमंडल के लिए वायुमंडल, जलमंडल और स्थलमंडल (पृथ्वी का ठोस आवरण) के उस सभी स्थान को जिम्मेदार ठहराया, जहां जीवित जीव मिलते हैं।

व्लादिमीर इवानोविच वर्नाडस्की इस शब्द का प्रयोग किया और मिलते-जुलते नाम से एक विज्ञान बनाया। इस मामले में, जीवमंडल को संपूर्ण अंतरिक्ष (पृथ्वी का खोल) के रूप में समझा जाता है जहां जीवन मौजूद है या कभी अस्तित्व में था, यानी, जहां जीवित जीव या उनकी महत्वपूर्ण गतिविधि के उत्पाद पाए जाते हैं। वी. आई. वर्नाडस्की ने न केवल जीवमंडल में जीवन की सीमाओं को ठोस और रेखांकित किया, बल्कि, सबसे महत्वपूर्ण बात, उन्होंने ग्रहों के पैमाने पर प्रक्रियाओं में जीवित जीवों की भूमिका को व्यापक रूप से प्रकट किया। उन्होंने दिखाया कि प्रकृति में जीवित जीवों और उनकी महत्वपूर्ण गतिविधि के उत्पादों से अधिक शक्तिशाली पर्यावरण-निर्माण शक्ति नहीं है। वी. आई. वर्नाडस्की ने जीवित जीवों की प्राथमिक परिवर्तनकारी भूमिका और भूवैज्ञानिक संरचनाओं के निर्माण और विनाश के तंत्र, पदार्थों के संचलन, ठोस में परिवर्तन ( स्थलमंडल), एक ( हीड्रास्फीयर) और वायु ( वायुमंडल) पृथ्वी के गोले का। जीवमंडल का वह भाग जहाँ वर्तमान में जीवित जीव पाए जाते हैं, आधुनिक जीवमंडल कहलाता है, ( नवजीवमंडल), प्राचीन जीवमंडलों को संदर्भित किया जाता है ( पेलियोबायोस्फीयर). उत्तरार्द्ध के उदाहरण के रूप में, कोई कार्बनिक पदार्थों (कोयला, तेल, तेल शेल के जमा), जीवित जीवों (चूना, चाक, अयस्क संरचनाओं) की भागीदारी से बने अन्य यौगिकों के भंडार की बेजान सांद्रता को इंगित कर सकता है।

जीवमंडल की सीमाएँ.वायुमंडल में नियोबायोस्फीयर पृथ्वी की अधिकांश सतह पर ओजोन स्क्रीन तक लगभग 20-25 किमी तक स्थित है। लगभग संपूर्ण जलमंडल, यहां तक ​​कि प्रशांत महासागर की सबसे गहरी मारियाना ट्रेंच (11,022 मीटर) पर भी जीवन व्याप्त है। जीवन भी स्थलमंडल में प्रवेश करता है, लेकिन कई मीटर तक, केवल मिट्टी की परत तक ही सीमित है, हालांकि यह व्यक्तिगत दरारों और गुफाओं के माध्यम से सैकड़ों मीटर तक फैलता है। परिणामस्वरूप, जीवमंडल की सीमाएं जीवित जीवों की उपस्थिति या उनकी महत्वपूर्ण गतिविधि के "निशान" से निर्धारित होती हैं। पारिस्थितिकी तंत्र जीवमंडल की मुख्य कड़ियाँ हैं। पारिस्थितिक तंत्र के स्तर पर, जीवों के कामकाज के मुख्य गुणों और पैटर्न पर जीवमंडल के उदाहरण की तुलना में अधिक विस्तार से और गहराई से विचार किया जा सकता है।

प्राथमिक पारिस्थितिक तंत्र के संरक्षण के माध्यम से, हमारे समय की मुख्य समस्या हल हो जाती है - वैश्विक संकट की प्रतिकूल घटनाओं की रोकथाम या निराकरण, समग्र रूप से जीवमंडल का संरक्षण।

2.सजीव पदार्थ- जीवमंडल में जीवित जीवों के शरीर की समग्रता, उनकी व्यवस्थित संबद्धता की परवाह किए बिना।

इस अवधारणा को "बायोमास" की अवधारणा के साथ भ्रमित नहीं किया जाना चाहिए, जो पोषक तत्व का हिस्सा है।

यह शब्द वी. आई. वर्नाडस्की द्वारा प्रस्तुत किया गया था

जीवित पदार्थ वहां विकसित होता है जहां जीवन मौजूद हो सकता है, यानी वायुमंडल, स्थलमंडल और जलमंडल के चौराहे पर। ऐसी परिस्थितियों में जो अस्तित्व के लिए अनुकूल नहीं हैं, जीवित पदार्थ अनाबियोसिस की स्थिति में चला जाता है।

जीवित पदार्थ की विशिष्टता इस प्रकार है:

जीवमंडल के जीवित पदार्थ की विशेषता विशाल मुक्त ऊर्जा है। अकार्बनिक दुनिया में, केवल अल्पकालिक गैर-ठोस लावा प्रवाह की तुलना मुक्त ऊर्जा की मात्रा के संदर्भ में जीवित पदार्थ से की जा सकती है।

जीवमंडल के जीवित और निर्जीव पदार्थ के बीच रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दर में एक तीव्र अंतर देखा जाता है: जीवित पदार्थ में, प्रतिक्रियाएं हजारों और लाखों गुना तेजी से होती हैं।

जीवित पदार्थ की एक विशिष्ट विशेषता यह है कि इसे बनाने वाले व्यक्तिगत रासायनिक यौगिक - प्रोटीन, एंजाइम, आदि - केवल जीवित जीवों में ही स्थिर होते हैं (काफी हद तक यह जीवित पदार्थ बनाने वाले खनिज यौगिकों की भी विशेषता है)।

जीवित पदार्थ की मनमानी गति, काफी हद तक स्व-विनियमन। वी. आई. वर्नाडस्की ने जीवित पदार्थ की गति के दो विशिष्ट रूपों की पहचान की: ए) निष्क्रिय, जो प्रजनन द्वारा निर्मित होता है और पशु और पौधे दोनों जीवों में निहित होता है; बी) सक्रिय, जो जीवों की निर्देशित गति के कारण होता है (यह जानवरों के लिए और कुछ हद तक पौधों के लिए विशिष्ट है)। जीवित पदार्थ भी सभी संभावित स्थानों को भरने की प्रवृत्ति रखता है।

जीवित पदार्थ निर्जीव पदार्थ की तुलना में बहुत अधिक रूपात्मक और रासायनिक विविधता प्रदर्शित करता है। इसके अलावा, निर्जीव अजैविक पदार्थ के विपरीत, जीवित पदार्थ को विशेष रूप से तरल या गैस चरण द्वारा दर्शाया नहीं जाता है। जीवों के शरीर का निर्माण तीनों चरण अवस्थाओं में होता है।

जीवित पदार्थ को जीवमंडल में बिखरे हुए पिंडों - व्यक्तिगत जीवों के रूप में दर्शाया जाता है। इसके अलावा, बिखरे हुए होने के कारण, जीवित पदार्थ पृथ्वी पर कभी भी रूपात्मक रूप से शुद्ध रूप में नहीं पाया जाता है - एक ही प्रजाति के जीवों की आबादी के रूप में: यह हमेशा बायोकेनोज़ द्वारा दर्शाया जाता है।

जीवित पदार्थ पीढ़ियों के निरंतर परिवर्तन के रूप में मौजूद है, जिसके कारण आधुनिक जीवित पदार्थ आनुवंशिक रूप से पिछले युगों के जीवित पदार्थ से संबंधित है। इसी समय, एक विकासवादी प्रक्रिया का अस्तित्व जीवित पदार्थ की विशेषता है, अर्थात, जीवित पदार्थ का पुनरुत्पादन पिछली पीढ़ियों की पूर्ण नकल के प्रकार से नहीं, बल्कि रूपात्मक और जैव रासायनिक परिवर्तनों द्वारा होता है।

सजीव पदार्थ का अर्थ

जीवमंडल में जीवित पदार्थ का कार्य काफी विविध है। वर्नाडस्की के अनुसार, जीवमंडल में जीवित पदार्थ का कार्य दो मुख्य रूपों में प्रकट हो सकता है:

क) रासायनिक (जैव रासायनिक) - मैं एक प्रकार की भूवैज्ञानिक गतिविधि; बी) यांत्रिक - II प्रकार की परिवहन गतिविधि।

पहले प्रकार के परमाणुओं का बायोजेनिक प्रवास जीवों के शरीर के निर्माण, भोजन को पचाने की प्रक्रिया में जीवों और पर्यावरण के बीच पदार्थ के निरंतर आदान-प्रदान में प्रकट होता है। दूसरे प्रकार के परमाणुओं के बायोजेनिक प्रवास में जीवों द्वारा उनकी जीवन गतिविधि के दौरान पदार्थ की गति (बिल, घोंसले के निर्माण के दौरान, जब जीवों को जमीन में दफनाया जाता है), जीवित पदार्थ की गति, साथ ही मार्ग भी शामिल है। मृदा बीटल, गाद बीटल, फिल्टर फीडर के गैस्ट्रिक पथ के माध्यम से अकार्बनिक पदार्थों का।

जीवमंडल में जीवित पदार्थ जो कार्य करता है उसे समझने के लिए तीन मुख्य प्रावधान बहुत महत्वपूर्ण हैं, जिन्हें वी. आई. वर्नाडस्की ने जैव-भू-रासायनिक सिद्धांत कहा है:

जीवमंडल में रासायनिक तत्वों के परमाणुओं का बायोजेनिक प्रवास हमेशा अपनी अधिकतम अभिव्यक्ति की ओर प्रवृत्त होता है।

भूवैज्ञानिक समय के दौरान प्रजातियों का विकास, जिससे जीवमंडल में स्थिर जीवन रूपों का निर्माण होता है, एक ऐसी दिशा में आगे बढ़ता है जो परमाणुओं के बायोजेनिक प्रवासन को बढ़ाता है।

जीवित पदार्थ अपने आस-पास के ब्रह्मांडीय वातावरण के साथ निरंतर रासायनिक आदान-प्रदान में है, और हमारे ग्रह पर सूर्य की उज्ज्वल ऊर्जा द्वारा निर्मित और बनाए रखा जाता है।

जीवित पदार्थ के पाँच मुख्य कार्य हैं:

ऊर्जा. इसमें प्रकाश संश्लेषण के दौरान सौर ऊर्जा का अवशोषण, और रासायनिक ऊर्जा - ऊर्जा युक्त पदार्थों के अपघटन और विषम जीवित पदार्थ की खाद्य श्रृंखला के माध्यम से ऊर्जा के हस्तांतरण में शामिल है।

एकाग्रता. कुछ प्रकार के पदार्थों के जीवन के दौरान चयनात्मक संचय। जीवित पदार्थ द्वारा रासायनिक तत्वों की सांद्रता दो प्रकार की होती है: ए) इन तत्वों से संतृप्त माध्यम में तत्वों की सांद्रता में भारी वृद्धि, उदाहरण के लिए, ज्वालामुखी के क्षेत्रों में जीवित पदार्थ में सल्फर और लोहा प्रचुर मात्रा में होते हैं; बी) पर्यावरण की परवाह किए बिना, एक या दूसरे तत्व की विशिष्ट सांद्रता।

विनाशकारी. इसमें गैर-बायोजेनिक कार्बनिक पदार्थ का खनिजकरण, निर्जीव अकार्बनिक पदार्थ का अपघटन और परिणामी पदार्थों को जैविक चक्र में शामिल करना शामिल है।

पर्यावरण-निर्माण. माध्यम के भौतिक और रासायनिक मापदंडों का परिवर्तन (मुख्य रूप से गैर-बायोजेनिक पदार्थ के कारण)।

परिवहन. जीवित पदार्थ की खाद्य अंतःक्रिया से रासायनिक तत्वों और पदार्थों के विशाल द्रव्यमान गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध और क्षैतिज दिशा में गति करते हैं।

जीवित पदार्थ जीवमंडल में सभी रासायनिक प्रक्रियाओं को समाहित और पुनर्गठित करता है। सजीव पदार्थ सबसे शक्तिशाली भूवैज्ञानिक शक्ति है, जो समय के साथ बढ़ती जा रही है। जीवमंडल के सिद्धांत के महान संस्थापक की स्मृति में श्रद्धांजलि अर्पित करते हुए, ए.आई. पेरेलमैन ने निम्नलिखित सामान्यीकरण को "वर्नाडस्की का नियम" कहने का प्रस्ताव रखा:

3. जीवमंडल की ऊर्जा

जीवमंडल में ऊर्जा प्रक्रियाओं में, निर्णायक भूमिका (99%) सौर विकिरण की होती है, जो पृथ्वी के जीवमंडल के ताप संतुलन और थर्मल शासन को निर्धारित करती है। पृथ्वी को सूर्य से प्राप्त ऊर्जा की कुल मात्रा, 5.42 · 10 4 जे, का 33% बादलों और भूमि की सतह के साथ-साथ ऊपरी वायुमंडल में धूल से परावर्तित होता है। यह भाग पृथ्वी के अल्बेडो का निर्माण करता है, 67% ऊर्जा वायुमंडल और पृथ्वी की सतह (महाद्वीपों और विश्व महासागर) द्वारा अवशोषित होती है और, परिवर्तनों की एक श्रृंखला के बाद, बाहरी अंतरिक्ष में चली जाती है (चित्र 5.2)।

वायुमंडल में, ताप नीचे से होता है, जिससे शक्तिशाली संवहनी धाराओं का निर्माण होता है और वायु द्रव्यमान का सामान्य परिसंचरण होता है। महासागरीय धाराएँ, जो मुख्य रूप से हवा द्वारा संचालित होती हैं, प्राप्त सौर ऊर्जा को क्षैतिज दिशा में पुनर्वितरित करती हैं, जो वायुमंडल में गर्मी की आपूर्ति को प्रभावित करती हैं। महासागर और वायुमंडल एक एकल तापीय प्रणाली हैं।

विकिरण और संवहन के कारण ही हमारे ग्रह का संपूर्ण ऊर्जा संतुलन बना रहता है। जीवमंडल में जल चक्र भी सौर ऊर्जा के प्रवाह से निर्धारित होता है।

सौर ऊर्जा के कुल प्रवाह का एक बहुत छोटा हिस्सा प्रकाश संश्लेषण प्रतिक्रिया को पूरा करने की प्रक्रिया में हरे पौधों द्वारा अवशोषित किया जाता है। यह ऊर्जा 10 22 J प्रति वर्ष (सौर विकिरण की कुल मात्रा का लगभग 0.2%) है। प्रकाश संश्लेषण एक शक्तिशाली प्राकृतिक प्रक्रिया है जिसमें जीवमंडल में पदार्थ का विशाल द्रव्यमान शामिल होता है और वायुमंडल में ऑक्सीजन की बड़ी मात्रा निर्धारित होती है। प्रकाश संश्लेषण एक रासायनिक प्रतिक्रिया है जो हरे पौधों में क्लोरोफिल की भागीदारी के साथ सौर ऊर्जा के कारण होती है: एनसीओ 2 + एन एच 2 ओ \u003d सी एनएच 2 एनलगभग 2+ एनलगभग 2. जीवमंडल में कार्बन चक्र को चित्र में दिखाया गया है। 5.3.

इस प्रकार, कार्बन डाइऑक्साइड और पानी के कारण कार्बनिक पदार्थ संश्लेषित होते हैं और मुक्त ऑक्सीजन निकलती है। कुछ अपवादों को छोड़कर, प्रकाश संश्लेषण पृथ्वी की पूरी सतह पर होता है और एक विशाल भू-रासायनिक प्रभाव पैदा करता है, जिसे जीवमंडल के कार्बनिक जीवित पदार्थ के निर्माण में सालाना शामिल कार्बन के पूरे द्रव्यमान की मात्रा से पहचाना जा सकता है। सीओ 2 का उपयोग और अवशोषण सालाना किया जाता है: भूमि पर 253-10 9 टन, समुद्र में - 88-10 9 टन, और कुल मिलाकर - 341 10 9 टन। 135 10 12 टन पानी का उपयोग, 232 10 9 टन कार्बनिक पदार्थ C बनाए गए हैं एनएच 2 एनके बारे में एनऔर 248 · 10 9 टन ऑक्सीजन वायुमंडल में चली जाती है।

जीवमंडल में प्रकाश संश्लेषण के कारण 1 अरब टन नाइट्रोजन, 260 मिलियन टन फॉस्फोरस और 200 मिलियन टन सल्फर चक्र में शामिल होते हैं।

6-7 वर्षों के भीतर, वायुमंडल का सारा कार्बन डाइऑक्साइड अवशोषित हो जाता है, 3000-4000 वर्षों में वायुमंडल की सारी ऑक्सीजन नवीनीकृत हो जाती है, और 10 मिलियन वर्षों के भीतर, प्रकाश संश्लेषण पूरे जलमंडल के बराबर पानी के द्रव्यमान को संसाधित करता है। यदि हम इस बात को ध्यान में रखें कि जीवमंडल पृथ्वी पर कम से कम 3.8 - 4 अरब वर्षों से (और पृथ्वी लगभग 4.5 अरब वर्षों से) मौजूद है, तो हम कह सकते हैं कि विश्व महासागर का पानी प्रकाश संश्लेषण से जुड़े एक बायोजेनिक चक्र से गुज़रा है। कम से कम 1 मिलियन वर्षों के लिए। एक बार। ये सभी मूल्य पृथ्वी के इतिहास में प्रकाश संश्लेषण के अत्यधिक महत्व को दर्शाते हैं।

हम यहां ध्यान दें कि जब कोई जीव मर जाता है, तो विपरीत प्रक्रिया होती है - ऑक्सीकरण, क्षय, आदि के माध्यम से कार्बनिक पदार्थों का अपघटन। अपघटन के अंतिम उत्पादों के निर्माण के साथ। पृथ्वी के जीवमंडल में यह प्रक्रिया इस तथ्य की ओर ले जाती है कि जीवित पदार्थ के बायोमास की मात्रा एक निश्चित स्थिरता की ओर बढ़ती है। बायोमास की मात्रा प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में प्रतिवर्ष उत्पादित कार्बनिक पदार्थ की मात्रा (0.232 · 10 12 टन) से लगभग 10 गुना अधिक है। जीवमंडल से होकर गुजरने वाले पदार्थ का कुल द्रव्यमान पृथ्वी के द्रव्यमान का 12 गुना है। यह "जीवित कारखाना" इसी प्रकार काम करता है।