Acasă › Ezoterice › Rezumat Transformarea energiei în biosferă. Circulația substanțelor și fluxurile de energie

Rezumat Transformarea energiei în biosferă. Circulația substanțelor și fluxurile de energie

Bilanțul energetic al biosferei este raportul dintre energia absorbită și cea radiată. Este determinată de sosirea energiei Soarelui și a razelor cosmice, care este absorbită de plante în timpul fotosintezei, o parte este transformată în alte tipuri de energie, iar o altă parte este disipată în spațiul cosmic.

Circulația substanțelor în biosferă este un proces recurent de transformări și mișcări spațiale ale substanțelor care au o anumită mișcare înainte, exprimată în diferențe calitative și cantitative în ciclurile individuale.

În sensul modern, biosfera Pământului este un sistem global deschis cu propriile sale „intrari” și „ieșiri”. Intrarea sa este fluxul de energie solară care vine din spațiul cosmic și energia chimică din litosferă, substanța implicată în circulația biogenă, informațiile interne disponibile și fluxul de informații externe. La ieșirea biosferei, există în principal energie termică disipată și radiată, materie care părăsește circulația, informații interne reorganizate și fluxul de informații care iese.

Menținerea activității vitale a organismelor și a circulației substanțelor în ecosisteme este posibilă doar datorită afluxului constant de energie solară. Această energie este irosită în cantități mari pe procese fizice și chimice din atmosferă, hidrosferă și litosferă: amestecarea fluxurilor de aer și a maselor de apă, evaporare, redistribuire a substanțelor, dizolvarea mineralelor, absorbția și eliberarea gazelor.

Doar 1/2.000.000 din energia solară ajunge la suprafața Pământului, în timp ce 1-2% din aceasta este asimilată de plante.

Există un singur proces pe Pământ în care energia radiației solare nu este doar cheltuită și redistribuită, ci și legată, stocată pentru o perioadă foarte lungă de timp.

Acest proces este crearea de materie organică în timpul fotosintezei. Prin arderea cărbunelui în cuptoare, eliberăm și folosim energia solară stocată de plante cu sute de milioane de ani în urmă.

Principala funcție planetară a plantelor (autotrofe) este de a lega și stoca energia solară, care este apoi cheltuită pentru menținerea proceselor biochimice din biosferă. Heterotrofei obțin energie din alimente. Toate ființele vii sunt obiecte de hrană pentru alții, adică. legate între ele prin relații energetice. Conexiunile alimentare din biocenoze sunt un mecanism de transfer de energie de la un organism la altul. Organismele oricărei specii sunt o sursă potențială de energie pentru o altă specie. În fiecare comunitate, relațiile trofice formează o rețea complexă.

Cea mai mare parte a energiei primite ca urmare a defalcării nutrienților este cheltuită pe procesele fiziologice din organism, o parte mai mică este transformată în țesuturile corpului însuși, adică. cheltuiți pentru creștere, creștere în greutate, depunerea de nutrienți de rezervă.

Transferul de energie în reacțiile chimice din organism are loc, conform celei de-a doua legi a termodinamicii, cu pierderea unei părți a acesteia sub formă de căldură. Aceste pierderi sunt deosebit de mari în timpul lucrului celulelor musculare ale animalelor, a căror eficiență este foarte scăzută.

Cheltuielile pentru respirație sunt, de asemenea, de multe ori mai mari decât costurile cu energie pentru creșterea masei corporale. Raporturile specifice depind de stadiul de dezvoltare și de starea fiziologică a indivizilor. Persoanele tinere cheltuiesc mai mult pentru creștere, în timp ce indivizii maturi folosesc energia aproape exclusiv pentru a menține metabolismul și procesele fiziologice.

Astfel, cea mai mare parte a energiei în tranziția de la o verigă a lanțului trofic la alta se pierde, deoarece. celălalt, următorul, link poate folosi doar energia conținută în biomasa link-ului precedent. Se estimează că aceste pierderi sunt de aproximativ 90%, adică. doar 10% din energia consumată este stocată în biomasă.

În conformitate cu aceasta, rezerva de energie acumulată în biomasa vegetală din lanțurile trofice se epuizează rapid. Energia pierdută poate fi completată doar cu energia Soarelui. În acest sens, nu poate exista un ciclu energetic în biosferă, asemănător cu ciclul substanțelor. Biosfera funcționează numai datorită fluxului unidirecțional de energie, aportului său constant din exterior sub formă de radiație solară.

Astfel, fluxul de energie din biosferă este împărțit în două canale principale, ajungând la consumatori prin țesuturi vegetale vii sau materie organică moartă, a cărei sursă este și fotosinteza.

Procesele care au loc într-un ecosistem (numărul de organisme vii, rata de dezvoltare a acestora etc.) depind de cantitatea de energie care intră în ecosistem și de circulația substanțelor în ecosistem. Biosfera este un sistem deschis energetic în care energia este absorbită din mediul extern.

Fluxul continuu de energie solară, perceput de moleculele celulelor vii, este transformat în energia legăturilor chimice (vezi Fig. 2.1). Substanțele chimice create astfel (de exemplu, în timpul fotosintezei) trec succesiv de la un organism la altul: de la plante la animale erbivore, de la acestea la carnivore de ordinul întâi, apoi de al doilea și așa mai departe. Această tranziție este considerată ca un flux ordonat succesiv de materie și energie. O parte din energia chimică potențială a alimentelor, fiind eliberată, permite organismului să-și îndeplinească funcțiile vitale, adică. „muncă”, iar în paralel se pierde sub formă de căldură, crescând entropia, care este considerată ca o măsură a dezordinei sistemului.

Dacă fluxul de energie solară care vine pe Pământ s-ar disipa doar, atunci viața ar fi imposibilă (sistemul ar fi într-o stare de entropie maximă). Pentru ca entropia sistemului să nu crească, organismul sau sistemul trebuie să extragă entropia negativă din mediu - negentropie , adică lucrează împotriva gradientului. Pentru a lucra împotriva gradientului, sistemul ecologic trebuie să primească o subvenție energetică, care vine sub formă de energie solară. Un organism viu extrage negentropia din alimente folosind ordinea legăturilor sale chimice. O parte din energie se pierde, fiind cheltuită, de exemplu, pentru menținerea proceselor de viață, o parte este transferată altor organisme. La începutul acestui flux se află procesul de nutriție autotrofă a plantelor - fotosinteză, în care crește ordinea substanțelor organice și minerale degradate. În acest caz, entropia scade din cauza afluxului de energie solară.

Astfel, toate transformările de energie dintr-un ecosistem corespund întotdeauna modelului termodinamic al unui sistem deschis.

Ciclul biogenic apare la nivelul ecosistemului și constă în faptul că nutrienții din sol, apa, carbonul se acumulează în substanța plantelor, sunt cheltuiți pentru construirea corpului și a proceselor de viață atât ale lor, cât și ale organismelor - consumatori. Descompozitorii descompun materia organică în componente minerale, care sunt din nou disponibile plantelor și sunt atrași din nou în fluxul de materie.

Un principiu important al funcționării ecosistemelor - obținerea de resurse și eliminarea deșeurilor are loc în cadrul ciclului tuturor elementelor.

Elementele principale: carbon, hidrogen, oxigen, azot - sunt necesare organismelor in cantitati mari; ei sunt numiti, cunoscuti macronutrienti . Altele sunt folosite în cantități relativ mici - oligoelemente . Cu toate acestea, toate elementele chimice circulă în biosferă pe anumite căi: de la mediul extern la organisme și de la acestea înapoi la mediul extern. Aceste poteci, mai mult sau mai puțin închise, se numesc cicluri biogeochimice .

Întrebări de testare:

Ecologia, subiectul ei. Structura ecologiei moderne.

Concepte de bază ale ecologiei.

factori de mediu. Legile de acțiune ale factorilor.

Factori de mediu abiotici, biotici și antropici.

Predarea și biosfera. Limitele biosferei.Substanță vie.

Fluxul de energie și circulația substanțelor în biosferă.

Atașament la prelegerea 1.

Menținerea activității vitale a organismelor și a circulației substanțelor în ecosisteme este posibilă numai datorită unui aflux constant de energie. Peste 99% din energia care ajunge la suprafața Pământului este radiația solară. Această energie este irosită în cantități mari pe procese fizice și chimice din atmosferă, hidrosferă și litosferă: amestecarea fluxurilor de aer și a maselor de apă, evaporare, redistribuire a substanțelor, dizolvarea mineralelor, absorbția și eliberarea gazelor.[ ...]

Doar 1/2.000.000 din energia solară ajunge la suprafața Pământului, în timp ce 1-2% din aceasta este asimilată de plante. Există un singur proces pe Pământ în care energia radiației solare nu este doar cheltuită și redistribuită, ci și legată, stocată pentru o perioadă foarte lungă de timp. Acest proces este crearea de materie organică în timpul fotosintezei. Prin arderea cărbunelui în cuptoare, eliberăm și folosim energia solară stocată de plante cu sute de milioane de ani în urmă.[ ...]

Principala funcție planetară a plantelor (autotrofe) este de a lega și stoca energia solară, care este apoi cheltuită pentru menținerea proceselor biochimice din biosferă.[ ...]

Primul nivel trofic este producătorii, creatorii de biomasă vegetală; animalele erbivore (consumatoare de ordinul I) aparțin celui de-al doilea nivel trofic; animalele carnivore care trăiesc în detrimentul formelor erbivore sunt consumatori de ordinul 2; carnivore, mâncând alte carnivore - consumatori de ordinul 3 etc.[ ...]

Bilanțul energetic al consumatorilor se formează după cum urmează. Alimentele ingerate nu sunt de obicei digerate complet. Procentul de digestibilitate depinde de compoziția alimentelor și de prezența enzimelor digestive în organism. La animale, de la 12 la 75% din alimente sunt asimilate în procesul de metabolism. Partea nedigerată a alimentelor este din nou returnată în mediul extern (sub formă de excremente) și poate fi implicată în alte lanțuri trofice. Cea mai mare parte a energiei primite ca urmare a defalcării nutrienților este cheltuită pe procesele fiziologice din organism, o parte mai mică este transformată în țesuturile corpului însuși, adică. cheltuiți pentru creștere, creștere în greutate, depunere de nutrienți de rezervă.[ ...]

Cheltuielile pentru respirație sunt, de asemenea, de multe ori mai mari decât costurile cu energie pentru creșterea masei corporale. Raporturile specifice depind de stadiul de dezvoltare și de starea fiziologică a indivizilor. Indivizii tineri cheltuiesc mai mult pentru creștere, în timp ce indivizii maturi folosesc energia aproape exclusiv pentru a menține metabolismul și procesele fiziologice.[ ...]

Astfel, cea mai mare parte a energiei în tranziția de la o verigă a lanțului trofic la alta se pierde, deoarece. folosit de altul, următoarea legătură poate fi doar energia conținută în biomasa verigii anterioare. Se estimează că aceste pierderi sunt de aproximativ 90%; doar 10% din energia consumată este stocată în biomasă.[ ...]

În conformitate cu aceasta, rezerva de energie acumulată în biomasa vegetală din lanțurile trofice se epuizează rapid. Energia pierdută poate fi completată doar cu energia Soarelui. În acest sens, nu poate exista un ciclu energetic în biosferă, asemănător cu ciclul substanțelor. Biosfera funcționează numai datorită unui flux unidirecțional de energie, aportului său constant din exterior sub formă de radiație solară.[ ...]

Lanțurile trofice care încep cu organisme fotosintetice se numesc lanțuri de consum, iar lanțurile care încep cu resturi vegetale moarte, carcase și excremente animale sunt numite lanțuri de descompunere detritică.

Din poziții moderne, biosfera este considerată cel mai mare ecosistem de pe planetă. Biosfera, ca orice ecosistem, este un singur complex natural format din organisme vii și habitatul lor, în care componentele vii și nevii sunt interconectate prin metabolism și energie. În biosferă au loc procese de oxidare a substanțelor organice, precum și procese care vizează atingerea echilibrului, care nu este niciodată atins, deoarece noi porțiuni de compuși activi, datorită organismelor vii, intră constant în sistem. Energia solară sub forma energiei legăturilor biochimice este energia proceselor geochimice care transformă componentele inerte ale biosferei.

Orice organism viu al biosferei depinde de spectrul radiației solare de suprafață, de temperatură, de umiditatea mediului, de compoziția chimică a aerului, de alimente și de alți factori. Activitatea vitală a tuturor organismelor vii, inclusiv a oamenilor, este o muncă pentru care este necesară energie. Energia radiației solare este primară pe Pământ și este de o importanță capitală pentru viață.

Fluxul continuu de energie solară, perceput de moleculele celulelor vii, este transformat în energia legăturilor chimice. Substanțele chimice trec secvenţial de la un organism la altul, adică există un flux ordonat consistent de materie și energie.

Pe Pământ, există două mecanisme principale pentru reținerea, redistribuirea și acumularea energiei:

Mecanismul care caracterizează habitatul: evaporarea, condensarea, gradienții de densitate în atmosferă și în ocean, reacții geochimice, eroziune etc. (circulația geochimică a substanțelor);

Mecanismul care caracterizează activitatea vitală a obiectelor biologice: fotosinteza, respirația etc.

Toate tipurile de ecosisteme sunt guvernate de aceleași legi de bază care guvernează sistemele nevii, cum ar fi instalațiile tehnice, mașinile. Singura diferență este că sistemele vii, folosind o parte din energia disponibilă în interiorul lor, se pot auto-repara, în timp ce mașinile trebuie reparate folosind energie externă.

Când radiația este absorbită de orice obiect, acesta din urmă se încălzește, adică energia radiației este convertită în energia de mișcare a moleculelor care alcătuiesc corpul, iar acest lucru se aplică oricăror câmpuri fizice și medii care interacționează cu acestea. Astfel, energia „consumată” nu se consumă efectiv, ea este doar transferată dintr-o stare în care este ușor să o transformi în muncă, într-o stare de puțină utilizare.

Dacă temperatura unui corp este mai mare decât temperatura aerului înconjurător, atunci corpul va degaja căldură până când temperatura sa este egală cu temperatura ambiantă, după care se instalează o stare de echilibru termodinamic și o disipare suplimentară a energiei sub formă termică. se opreste. Un astfel de sistem este într-o stare de entropie maximă. Entropia reflectă posibilitățile de conversie a energiei și este considerată o măsură a dezordinei sistemului. Entropia arată că un anumit proces poate avea loc într-un sistem cu o anumită probabilitate. În același timp, dacă sistemul tinde spre o stare de echilibru, atunci entropia crește și tinde spre maxim.

Aplicând prevederile termodinamicii procesului vieții, se poate observa că un organism viu extrage energie din alimente și, în același timp, folosește ordinea legăturilor sale chimice. O parte din energie este folosită pentru a menține procesele vieții, iar o parte este transferată organismelor de nivelurile alimentare ulterioare. La începutul acestui proces se află fotosinteza, care crește ordinea substanțelor organice și minerale degradate. În acest caz, entropia scade din cauza energiei de la Soare.

Autoorganizarea și evoluția sistemelor biologice la toate nivelurile, de la celulă la biosferă în ansamblu, apar ca urmare a fluxului de entropie în mediu. Pământul primește energie de la Soare sub formă de radiație. Aceeași cantitate de energie este returnată, dar la o temperatură mai scăzută.

Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, energia oricărui sistem tinde să scadă, adică la echilibrul termodinamic, care este echivalent cu entropia maximă. Un organism viu va trece într-o astfel de stare dacă este lipsit de capacitatea de a extrage ordinea (energie) din mediu. Legea entropiei este universală și nelimitată și afirmă că orice structură care și-a pierdut simțul armoniei este imediat absorbită de natura vie.

Metodele termodinamicii sunt aplicabile numai sistemelor macroscopice formate dintr-un număr mare de particule. Un sistem care nu poate schimba nici energie, nici materie cu mediul este izolat, de exemplu, pietre, zguri. Dacă se schimbă doar energie, atunci sistemul se numește închis (schimbătoare de căldură), iar dacă se schimbă atât energie, cât și substanțe, se numește deschis (obiecte biologice). Atunci când se aplică termodinamica sistemelor biologice, este necesar să se țină seama de particularitățile organizării sistemelor vii:

Sistemele biologice sunt deschise fluxurilor de materie și energie;

Procesele din sistemele vii sunt în cele din urmă ireversibile;

Sistemele vii sunt departe de echilibru;

Sistemele biologice sunt heterofazate și structurate.

Având în vedere biosfera, fluxul de energie este înțeles ca transferul de energie de-a lungul lanțurilor trofice de la un nivel trofic la altul, adică. un lanț alimentar este un lanț energetic. Toate biosistemele sunt deschise schimbului de energie. Toate sistemele vii își susțin activitatea vitală datorită:

1, prezența excesului de energie liberă (energia liberă de la soare vine din exterior);

2, datorită capacității de a capta și concentra această energie (doar sistemele vii sunt capabile să capteze și să concentreze energia);

3 - x, folosind, dispersați-l în mediu.

Să luăm în considerare calea de absorbție a luminii solare de către organismele fotosintetice cu producerea de materie organică.

Aproape toată materia organică primară de pe Pământ este formată din plante verzi în procesul de fotosinteză. Acest proces este asociat cu absorbția energiei, care este stocată în legăturile chimice ale materiei organice. În acest caz, energia cinetică solară este convertită în energia potențială a moleculelor de glucoză.

Orice cantitate de materie organică este echivalentă cu cantitatea de energie. Glucoza ( 6CO 2 + 6H 2 0 + 2816 J, clorofilă à C 6 H 12 O 6 + 6O 2) este o moleculă organică cu energie potențială mare. Aproximativ 2% din energia solară este transformată în energia potențială a moleculelor de glucoză. Glucoza din plante îndeplinește 2 funcții:

1) - servește ca material de construcție al corpului, adică din glucoză se formează molecule organice complexe (amidon, celuloză, lipide, proteine, acizi nucleici).

2) - o sursă de energie pentru toate procesele de viață ale plantelor, i.e. construirea țesuturilor, absorbția nutrienților din sol, respirația.

Procesul de scindare a moleculelor organice cu eliberare de energie se numește respirație celulară .

Folosind glucoza ca exemplu, procesul de descompunere este următorul : C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Þ 6CO 2 + 6H 2 O + Q

Acestea. molecula de glucoză în prezența oxigenului este distrusă în CO 2 , H 2 O cu eliberarea de energie. Acest proces are loc în fiecare celulă și este în general opus fotosintezei (ierburi - 40-50% din energia stocată este cheltuită; copacii - 70-80% din energie este cheltuită, în principal pentru respirație). Doar o parte din glucoză este folosită de plantă pentru creșterea ei, în timp ce cealaltă parte este din nou distrusă odată cu eliberarea energiei necesare desfășurării proceselor fiziologice.

Animalele obțin energie consumând alimente, adică. sursă de energie - energia potențială a moleculelor organice consumate în alimente. Animalele se caracterizează prin producerea activă de energie cinetică (mișcare, alergare, menținerea unei temperaturi constante a corpului, respirație etc.). O parte semnificativă a alimentelor (90 - 99%) este distrusă odată cu eliberarea de energie, care asigură toate funcțiile organismului și se pierde, se disipează, în final, sub formă de căldură degajată de organism. Deci, energia din ecosisteme este cheltuită pentru:

1) metabolism (mai ales pentru a menține procesele metabolice, care sunt numite deșeuri de respirație)

2) formarea țesuturilor și organelor, furnizarea de nutrienți (adică creșterea biomasei)

3) excreția de substanțe nedigerabile (excremente)

4) disipare sub formă de căldură în timpul reacțiilor chimice și a muncii musculare active.

După cum puteți vedea, biosfera, ca toate tipurile de ecosisteme, este guvernată de aceleași legi de bază care guvernează sistemele nevii, și anume:

- legea conservării energiei: energia nu poate dispărea fără urmă sau nu poate apărea din nimic. Dar energia se schimbă de la o formă la alta;

- prima lege a termodinamicii: un sistem termodinamic poate lucra numai datorită energiei sale interne sau oricăror surse externe de energie;

În toate ecosistemele și în biosfera în ansamblu, energia este convertită dintr-o formă în alta, și anume, energia solară în energie potențială stocată de plante și ea în alte tipuri pe măsură ce trece prin lanțul trofic;

La fiecare nivel trofic, o parte din energia potențială a alimentelor este cheltuită pentru funcții vitale, iar o parte se pierde sub formă de căldură - disipată în mediu. La trecerea de la un nivel trofic la altul, cea mai mare parte a energiei se pierde (aproximativ 90%).

Deoarece o parte din energie este întotdeauna disipată sub formă de energie termică indisponibilă pentru utilizare, eficiența conversiei spontane a energiei cinetice (de exemplu, lumină) în energie potențială (de exemplu, energia compușilor chimici ai protoplasmei) este întotdeauna mai putin de 100%.

Energia poate fi folosită o singură dată, iar lanțul trofic este principalul canal de transfer de energie în ecosisteme. Cu toate acestea, există o diferență semnificativă între sistemele vii și cele nevii. Omul de știință sovietic E.S. Bauer în 1935 a identificat 3 caracteristici principale ale sistemelor vii:

1) capacitatea de a schimba starea spontană, fără impact asupra mediului;

2) rezistența la forțele externe, conducând la modificarea stării inițiale a mediului;

3) munca constantă împotriva echilibrării cu mediul.

Primele 2 caracteristici se găsesc și în alte sisteme, dar a treia este un semn distinctiv al celor vii. De aceea Bauer a sunat-o "legea universală a biologiei ", care are un sens termodinamic clar: la fel cum în sistemele nevii starea lor de echilibru este stabilă, tot așa în sistemele vii starea lor de neechilibru este stabilă.

Dacă un sistem neviu dezechilibrat cu mediul este izolat, atunci toate mișcările din el se vor opri în curând. Ca urmare a frecării, conductivității termice, reacțiilor chimice și a altor procese spontane, potențialele se vor egaliza, sistemul ca întreg se va stinge și se va transforma într-o masă inertă de materie, într-o stare de echilibru termodinamic, adică entropie maximă.

Tot ceea ce se întâmplă în natură duce la o creștere a entropiei în partea de lume în care se întâmplă.

Din punctul de vedere al statisticii termodinamice, entropia caracterizează probabilitatea apariției unei anumite stări: o stare improbabilă este o stare cu entropie scăzută, o stare probabilă este o stare cu entropie mare.

Din punct de vedere al ordinii, entropia maximă este dezordinea maximă, adică. haosul și entropia scăzută caracterizează sistemele ordonate. Prin urmare, pe de o parte, sistemele vii își măresc continuu entropia, adică produc entropie pozitivă și se apropie de starea periculoasă de entropie maximă - entropia morții (dezordinea maximă). Pe de altă parte, starea de neechilibru. a sistemelor vii este o structură extrem de improbabilă ® cu o entropie foarte scăzută. Pentru a menține o stare de neechilibru, biosistemele trebuie să scape de entropia pozitivă produsă și să extragă entropia negativă (non-entropie) din mediu (adică, extragerea entropiei negative din mediu, organismele vii sunt într-un dezechilibru). stare - o stare cu S scăzut, o viață de stat)

Pentru că cu cât entropia este mai mică, cu atât ordinul este mai mare, apoi extragerea non-entropiei este „extragerea ordinii”, și deci creșterea ordinii proprii a sistemului.

Procesul de creare a ordinii într-un sistem din haos este numit autoorganizare. Aceasta duce la o scădere a entropiei. Pentru organismele vii, capacitatea de a se autoorganiza este o trăsătură caracteristică.

Se știe că animalele superioare se hrănesc cu compuși organici bine ordonați. Folosind ordinea acestor produse, animalele returnează substanțele în mediu într-o formă foarte degradată, dezordonată (adică renunță la entropie).

Aceste substanțe într-o formă dezordonată (cu entropie mare) sunt absorbite de plante. Dar pentru plante, un mijloc puternic de generare a entropiei negative este lumina soarelui, cu ajutorul căreia are loc o creștere a ordinii substanțelor degradate din clorofilă - fotosinteza, iar ciclul se repetă. Acesta este singurul proces natural, spontan de pe Pământ, în care entropia scade - din cauza costului energiei solare gratuite.

Coeficientul de conversie a energiei cinetice a luminii în energia potențială de legare a compușilor organici este mult mai mic de 100%. Dar energia luminii vine gratis! Prin urmare, nu ne interesează cu ce eficiență îl vor consuma centralele, chiar dacă este foarte mic. Cel mai important, plantele și toate „vii” dețin secretele mecanismelor de concentrare și disipare a energiei.

Astfel, cea mai importantă caracteristică termodinamică a organismelor, ecosistemelor și biosferei în ansamblu este:

Capacitatea de a crea și menține un grad ridicat de ordine internă, adică o stare dezechilibrată de entropie scăzută;

Pentru a menține ordinea internă într-un sistem care se află la o temperatură peste zero absolut, atunci când există o mișcare termică a atomilor și moleculelor, este nevoie de muncă constantă pentru a pompa „dezordinea”;

Această lucrare presupune o sursă permanentă de energie și prezența unor „structuri disipative” bine dezvoltate în sistemul însuși. Entropia scăzută este obținută prin disiparea constantă și eficientă a energiei concentrate ușor de utilizat (de exemplu, energie luminoasă, combustibil, alimente) și transformarea acesteia în energie greu de utilizat (ex. căldură).

Respirația biomasei foarte ordonate poate fi considerată ca o structură disipativă a unui ecosistem. Este cheltuirea de energie pentru a susține viața.

Așadar, biosfera și orice ecosisteme sunt sisteme termodinamice deschise, fără echilibru, schimbând constant energie și materie cu mediul înconjurător, reducând astfel entropia din interiorul lor, dar crescând entropia în exterior.

În virtutea celei de-a doua legi a termodinamicii, acest proces este asociat cu disiparea energiei, cu pierderile acesteia, care este întotdeauna compensată de afluxul de energie din Soare. Astfel, civilizația noastră este doar unul dintre fenomenele remarcabile ale naturii, dependent de afluxul constant de energie concentrată a radiațiilor luminoase.

Biosfera este un sistem integral care realizează un anumit program, se stabilizează pe sine și mediul înconjurător și stinge influențele distorsionante externe și interne. Un astfel de sistem răspunde la influențele cauzate de o persoană. Până la un anumit prag, le stinge, iar apoi își poate pierde stabilitatea și începe să se schimbe. De îndată ce omenirea este în pragul secolelor al XIX-lea și al XX-lea. a început să folosească mai mult din energia totală a biosferei - mecanismul de compensare a încetat: vegetația a încetat să dea o creștere a biomasei, proporțională cu creșterea concentrației de CO 2 în atmosferă.

Momentul în care sistemele naturale părăsesc starea staționară este de o importanță deosebită. Se crede că pentru sistemele naturale, atunci când în ele se introduce o perturbare la nivelul de 1% (regula unui procent) din fluxul total de energie care trece prin sistem, se găsește pragul pentru ca sistemul să iasă din starea staționară. Cu toate acestea, potrivit lui N.F. Reimers, pentru sistemul energetic global (biosfera) acest proces porneste de la introducerea unor perturbatii la nivelul de 0,1 - 0,2% din magnitudinea proceselor planetare. În același timp, apar anomalii naturale vizibile. Astfel, în ultimul secol s-a remarcat o creștere semnificativă a deșertificării, iar impactul activității umane asupra proceselor climatice globale din ultimele două sute de ani a fost în sfârșit dovedit abia la sfârșitul mileniului II.

O persoană trebuie să-și amintească că, cu toată puterea progresului științific și tehnologic, el rămâne o parte a biosferei, că, după ce a distrus structura materială și energetică modernă a biosferei, se va autodistruge.

Întrebări pentru autocontrol

1. Definiți biosfera. Care este structura lui?

2. Cine a introdus pentru prima dată termenul „biosferă” în știință?

3. Prin ce diferă biosfera de alte învelișuri ale planetei?

4. Care este diferența dintre viu și neviu?

5. Ce este materia vie?

6. Numiți funcțiile materiei vii.

7. Care sunt cele mai importante aspecte ale învățăturilor lui VI Vernadsky despre biosferă?

8. Ce este noosfera și de ce a apărut acest concept?

9. Este posibilă apariția noosferei ca urmare a co-evoluției societății umane și a mediului natural?

10. Povestește-ne despre V.I. Vernadsky.

11. Care este baza ciclului biologic care asigură viața pe Pământ?

12. Unde interacționează ciclurile mari și mici ale materiei?

13. Indicați procesele în care oxigenul este absorbit din atmosferă.

14. Cât timp durează actualizarea aportului de oxigen din atmosferă?

15. În ce perioadă de timp are întregul ciclu al fondului de carbon anorganic activ?

16. Numiți principala sursă de reaprovizionare cu oxigen din atmosferă.

17. Enumerați principalele etape ale ciclului azotului. Cum intră azotul atmosferic în ecosisteme?

18. În ce formă pot absorbi plantele azotul?

19. Unde sunt concentrate rezervele de fosfor?

20. Care sunt implicațiile pentru agricultură ale epuizării rezervelor de fosfor?

1. Vernadsky V.I. Structura chimică a biosferei Pământului și a mediului său. - M.: Nauka, 2001. 376 p. (Seria „Biblioteca de lucrări a academicianului V.I. Vernadsky”).

2. Stadnitsky G.V. Ecologie. Manual pentru licee. - Sankt Petersburg: Himizdat, 2007. - 288 p.: ill.

3. Eremcenko O.Z. Doctrina biosferei. Manual pentru universități - ed. a II-a. - M: Academia, 2006. - 240 p.

4. Eremcenko, O.Z. Doctrina biosferei. Organizarea biosferei și a ciclurilor biogeochimice. Tutorial - Perm: Perm. stat. un-t., - 2010. - 104 p.

5. Nikolaykin N.I., Nikolaykina N.E., Melekhova O.P. Ecologie: Proc. pentru universități - ed. a III-a. - M.: Butarda, 2004. - 624 p.: ill.

6. Pavlov A.N. Ecologie: managementul mediului și siguranța vieții: Proc. indemnizatie - M.: Scoala superioara, 2005. - 343 p.: ill.

7. Mirkin B. M., Naumova L. G. Un scurt curs de ecologie generală. Partea a II-a: Ecologia ecosistemelor și a biosferei: manual - Ufa: Editura BSPU, 2011. - 180 p.

8. Resursa electronica - URL: http://ru.wikipedia.org/wiki.

CAPITOLUL 5. RESURSE NATURALE ALE BIOSFEREI ȘI MANAGEMENTUL RAȚIONAL AL NATURII

1. Biosfera(din altă greacă βιος - viață și σφαῖρα - sferă, minge) - învelișul Pământului locuit de organisme vii, sub influența lor și ocupat de produsele activității lor vitale; „filmul vieții”; ecosistemul global al Pământului.

Biosfera este învelișul Pământului locuit de organisme vii și transformat de acestea. Biosfera a început să se formeze nu mai târziu de 3,8 miliarde de ani în urmă, când primele organisme au început să apară pe planeta noastră. Pătrunde în întreaga hidrosferă, în partea superioară a litosferei și în partea inferioară a atmosferei, adică locuiește în ecosferă. Biosfera este totalitatea tuturor organismelor vii. Adăpostește peste 3.000.000 de specii de plante, animale, ciuperci și bacterii. Omul este, de asemenea, o parte a biosferei, activitatea sa depășește multe procese naturale și, așa cum spunea V. I. Vernadsky: „Omul devine o forță geologică puternică”.

Naturalistul francez Jean Baptiste Lamarck la începutul secolului al XIX-lea. pentru prima dată a propus de fapt conceptul de biosfere, fără a introduce măcar termenul în sine. Termenul de „biosferă” a fost propus de geologul și paleontologul austriac Eduard Suess în 1875.

O doctrină holistică a biosferei a fost creată de biogeochimistul și filozoful V. I. Vernadsky. Pentru prima dată, el a atribuit organismelor vii rolul principalei forțe de transformare a planetei Pământ, ținând cont de activitatea lor nu numai în prezent, ci și în trecut.

Există o altă definiție, mai largă: Biosfera - zona de distribuție a vieții pe corpul cosmic. În timp ce existența vieții pe alte obiecte spațiale decât Pământul este încă necunoscută, se crede că biosfera se poate răspândi la acestea în zone mai ascunse, de exemplu, în cavitățile litosferice sau în oceanele subglaciare. De exemplu, se ia în considerare posibilitatea existenței vieții în oceanul lunii Europa a lui Jupiter.

Conceptul de bază în ecologie este "ecosistem". Acest termen a fost introdus A. Tansleyîn 1935. Un ecosistem este înțeles ca orice sistem format din ființe vii și habitatul lor, care sunt combinate într-un singur întreg funcțional.

Principalele proprietăți ale ecosistemelor sunt: capacitatea de a efectua circulația substanțelor, rezistența la influențe externe, producerea de produse biologice.

De obicei, există: microecosisteme (de exemplu, un mic rezervor) care există atâta timp cât conțin organisme vii capabile să cicleze substanțele; mezo-ecosisteme (de exemplu, un râu); macroecosisteme (de exemplu, oceanul), precum și ecosistemul global - biosfera

Biosfera ca ecosistem global

concept "biosferă" introdus în literatura științifică în 1875 de un geolog austriac Eduard Suess El a atribuit biosferei tot acel spațiu al atmosferei, hidrosferei și litosferei (învelișul solid al Pământului), unde se întâlnesc organismele vii.

Vladimir Ivanovici Vernadsky a folosit acest termen și a creat o știință cu un nume asemănător. În acest caz, biosfera este înțeleasă ca întreg spațiul (învelișul Pământului) în care viața există sau a existat vreodată, adică unde se găsesc organismele vii sau produsele activității lor vitale. V. I. Vernadsky nu numai că a concretizat și conturat granițele vieții din biosferă, dar, cel mai important, a dezvăluit cuprinzător rolul organismelor vii în procesele la scară planetară. El a arătat că în natură nu există o forță de formare a mediului mai puternică decât organismele vii și produsele activității lor vitale. V. I. Vernadsky a dedus rolul primar de transformare al organismelor vii și mecanismele de formare și distrugere a structurilor geologice, circulația substanțelor, schimbările în solid ( litosferă), unu ( hidrosferă) și aer ( atmosfera) a cochiliilor Pământului. Partea a biosferei în care se găsesc în prezent organismele vii se numește biosfera modernă, ( neobiosferă), se face referire la biosferele antice ( paleobiosfere). Ca exemplu al acestora din urmă, se pot indica concentrații lipsite de viață de substanțe organice (depozite de cărbune, petrol, șisturi bituminoase.), stocuri de alți compuși formați cu participarea organismelor vii (var, cretă, formațiuni de minereu).

Limitele biosferei. Neobiosfera din atmosferă este situată aproximativ până la ecranul de ozon pe cea mai mare parte a suprafeței Pământului - 20-25 km. Aproape întreaga hidrosferă, chiar și cea mai adâncă șanțul Marianelor din Oceanul Pacific (11.022 m), este ocupată de viață. Viața pătrunde și în litosferă, dar pe câțiva metri, limitată doar la stratul de sol, deși se întinde pe sute de metri prin fisuri și peșteri individuale. Ca urmare, limitele biosferei sunt determinate de prezența organismelor vii sau „urme” activității lor vitale. Ecosistemele sunt verigile principale ale biosferei. La nivelul ecosistemelor, principalele proprietăți și modele de funcționare ale organismelor pot fi considerate mai detaliat și profund decât se face pe exemplul biosferei.

Prin conservarea ecosistemelor elementare se rezolvă problema principală a timpului nostru - prevenirea sau neutralizarea fenomenelor adverse ale crizei globale, conservarea biosferei în ansamblu.

2.Materie vie- totalitatea corpurilor organismelor vii din biosferă, indiferent de apartenența lor sistematică.

Acest concept nu trebuie confundat cu conceptul de „biomasă”, care face parte din nutrient.

Termenul a fost introdus de V. I. Vernadsky

Materia vie se dezvoltă acolo unde poate exista viața, adică la intersecția atmosferei, litosferei și hidrosferei. În condiții care nu sunt favorabile existenței, materia vie trece într-o stare de anabioză.

Specificul materiei vii este după cum urmează:

Materia vie a biosferei se caracterizează printr-o energie liberă enormă. În lumea anorganică, numai fluxurile de lavă nesolidificate de scurtă durată pot fi comparate cu materia vie în ceea ce privește cantitatea de energie liberă.

O diferență puternică între materia vie și cea nevie a biosferei se observă în rata reacțiilor chimice: în materia vie, reacțiile au loc de mii și milioane de ori mai repede.

O trăsătură distinctivă a materiei vii este că compușii chimici individuali care o alcătuiesc - proteine, enzime etc. - sunt stabili doar în organismele vii (în mare măsură acest lucru este caracteristic și compușilor minerali care alcătuiesc materia vie).

Mișcarea arbitrară a materiei vii, în mare măsură autoreglată. V. I. Vernadsky a evidențiat două forme specifice de mișcare a materiei vii: a) pasiv, care este creat prin reproducere și este inerent atât organismelor animale, cât și vegetale; b) activ, care se realizează datorită mișcării dirijate a organismelor (este tipic pentru animale și, într-o măsură mai mică, pentru plante). De asemenea, materia vie tinde să umple tot spațiul posibil.

Materia vie prezintă o diversitate morfologică și chimică mult mai mare decât materia nevie. În plus, spre deosebire de materia abiogenă neînsuflețită, materia vie nu este reprezentată exclusiv de o fază lichidă sau gazoasă. Corpurile organismelor sunt construite în toate cele trei stări de fază.

Materia vie este reprezentată în biosferă sub formă de corpuri dispersate - organisme individuale. Mai mult, fiind dispersată, materia vie nu se găsește niciodată pe Pământ într-o formă pură din punct de vedere morfologic – sub formă de populații de organisme din aceeași specie: este întotdeauna reprezentată de biocenoze.

Materia vie există sub forma unei alternanțe continue de generații, datorită căreia materia vie modernă este legată genetic de materia vie din epocile trecute. În același timp, prezența unui proces evolutiv este caracteristică materiei vii, adică reproducerea materiei vii nu are loc prin tipul de copiere absolută a generațiilor anterioare, ci prin modificări morfologice și biochimice.

Sensul materiei vii

Lucrarea materiei vii din biosferă este destul de diversă. Potrivit lui Vernadsky, activitatea materiei vii din biosferă se poate manifesta în două forme principale:

a) chimică (biochimică) - I fel de activitate geologică; b) mecanic - II tip de activitate de transport.

Migrația biogenă a atomilor de primul fel se manifestă în schimbul constant de materie între organisme și mediu în procesul de construire a corpului organismelor, digerând alimente. Migrarea biogenă a atomilor de al doilea fel constă în mișcarea materiei de către organisme în cursul vieții lor (în timpul construcției vizuinii, cuiburilor, când organismele sunt îngropate în pământ), mișcarea materiei vii în sine, precum și trecerea substanțelor anorganice prin tractul gastric a gândacilor de sol, gândacilor de nămol, filtrului.

Pentru a înțelege munca pe care o face materia vie în biosferă, sunt foarte importante trei prevederi principale, pe care V. I. Vernadsky le-a numit principii biogeochimice:

Migrarea biogenă a atomilor elementelor chimice din biosferă tinde întotdeauna spre manifestarea sa maximă.

Evoluția speciilor în decursul timpului geologic, ducând la crearea unor forme de viață stabile în biosferă, decurge într-o direcție care sporește migrația biogenă a atomilor.

Materia vie este într-un schimb chimic continuu cu mediul cosmic care o înconjoară și este creată și menținută pe planeta noastră de energia radiantă a Soarelui.

Există cinci funcții principale ale materiei vii:

Energie. Constă în absorbția energiei solare în timpul fotosintezei și a energiei chimice - prin descompunerea substanțelor bogate în energie și transferul de energie prin lanțul trofic al materiei vii eterogene.

concentraţie. Acumularea selectivă în timpul vieții anumitor tipuri de materie. Există două tipuri de concentrații de elemente chimice prin materia vie: a) o creștere masivă a concentrațiilor de elemente într-un mediu saturat cu aceste elemente, de exemplu, sulful și fierul sunt abundente în materia vie în zonele de vulcanism; b) o concentrație specifică a unuia sau altuia element, indiferent de mediu.

distructiv. Constă în mineralizarea materiei organice nebiogene, descompunerea materiei anorganice neînsuflețite și implicarea substanțelor rezultate în ciclul biologic.

Formarea mediului. Transformarea parametrilor fizico-chimici ai mediului (în principal datorită materiei nebiogene).

Transport. Interacțiunile alimentare ale materiei vii duc la deplasarea unor mase uriașe de elemente și substanțe chimice împotriva gravitației și în direcție orizontală.

Materia vie cuprinde și restructurează toate procesele chimice din biosferă. Materia vie este cea mai puternică forță geologică, crescând odată cu trecerea timpului. Aducând un omagiu memoriei marelui fondator al doctrinei biosferei, A. I. Perelman a propus să numească următoarea generalizare „legea lui Vernadsky”:

3. Energia biosferei

În procesele energetice din biosferă, rolul decisiv (99%) revine radiației solare, care determină echilibrul termic și regimul termic al biosferei Pământului. Din cantitatea totală de energie, 5,42 · 10 4 J, primită de Pământ de la Soare, 33% este reflectată de nori și de suprafața terestră, precum și de praful din atmosfera superioară. Această parte formează albedoul Pământului, 67% din energie este absorbită de atmosferă și de suprafața pământului (continente și Oceanul Mondial) și, după o serie de transformări, merge în spațiul cosmic (Fig. 5.2).

În atmosferă, încălzirea are loc de jos, ceea ce duce la formarea de curenți convectivi puternici și la circulația generală a maselor de aer. Curenții oceanici, antrenați în principal de vânt, redistribuie energia solară primită în direcție orizontală, ceea ce afectează furnizarea de căldură către atmosferă. Oceanele și atmosfera sunt un singur sistem termic.

Datorită radiațiilor și convecției, întregul echilibru energetic al planetei noastre este menținut. Ciclul apei în biosferă este determinat și de afluxul de energie solară.

O parte foarte mică din fluxul total de energie solară este absorbită de plantele verzi în procesul de desfășurare a reacției de fotosinteză. Această energie este de 10 22 J pe an (aproximativ 0,2% din cantitatea totală de radiație solară). Fotosinteza este un proces natural puternic care implică mase uriașe de materie din biosferă și determină o cantitate mare de oxigen în atmosferă. Fotosinteza este o reacție chimică care are loc datorită energiei solare cu participarea clorofilei în plantele verzi: n CO 2 + n H 2 O \u003d C n H 2 n Aproximativ 2+ n Aproximativ 2 . Ciclul carbonului în biosferă este prezentat în fig. 5.3.

Astfel, datorită dioxidului de carbon și apei, materia organică este sintetizată și se eliberează oxigen liber. Cu puține excepții, fotosinteza are loc pe întreaga suprafață a Pământului și creează un efect geochimic uriaș, care poate fi caracterizat prin cantitatea din întreaga masă de carbon implicată anual în construcția materiei vii organice a biosferei. CO 2 este utilizat și absorbit anual: pe uscat 253-10 9 tone, în ocean - 88-10 9 tone, iar în total - 341 10 9 tone. Folosind 135 10 12 tone de apă, 232 10 9 tone de substanțe organice sunt create C n H 2 n O n iar în atmosferă intră 248 · 10 9 tone de oxigen.

Datorită fotosintezei din biosferă, în ciclu sunt implicate 1 miliard de tone de azot, 260 de milioane de tone de fosfor și 200 de milioane de tone de sulf.

În 6 - 7 ani, tot dioxidul de carbon din atmosferă este absorbit, în 3000-4000 de ani tot oxigenul atmosferei este reînnoit, iar în 10 milioane de ani, fotosinteza prelucrează o masă de apă egală cu întreaga hidrosferă. Dacă luăm în considerare că biosfera există pe Pământ de cel puțin 3,8 - 4 miliarde de ani (iar Pământul de aproximativ 4,5 miliarde de ani), atunci putem spune că apele Oceanului Mondial au trecut printr-un ciclu biogenic asociat cu fotosinteza. timp de cel puţin 1 milion de ani.o dată. Toate aceste valori reflectă importanța enormă a fotosintezei în istoria Pământului.

Remarcăm aici că atunci când un organism moare, are loc procesul invers - descompunerea materiei organice prin oxidare, descompunere etc. cu formarea produselor finite de descompunere. Acest proces din biosfera Pământului duce la faptul că cantitatea de biomasă a materiei vii tinde spre o anumită constanță. Cantitatea de biomasă este de aproximativ 10 ori mai mare decât cantitatea de materie organică produsă anual în procesul de fotosinteză (0,232 10 12 tone). Masa totală a materiei care a trecut prin biosferă este de 12 ori masa Pământului. Așa funcționează această „fabrică vie”.

Popular în categorie: