Nøglespørgsmål

Hvordan foregår energioverførslen i biosfæren?

Hvordan kommer nitrogen fra luften ind i levende organismer og derefter tilbage i luften?

Hvorfor falder grundstoffer, der eksisterer i fast tilstand, såsom fosfor, ud af stoffernes kredsløb?

Hvordan påvirker den menneskelige civilisation balancen i disse vigtige cyklusser?

Et økosystem er biosfærens grundenhed eller naturlige samfund og består af et abiotisk miljø, biotiske komponenter - planter, svampe, dyr og mikroorganismer, og omfatter også relationer, der forbinder alle dele af systemet. En lille eller stor strandeng (marsk) repræsenterer et økosystem, en kystklit et andet, og marsken, klitterne og havet kan betragtes som en del af et større økosystem.

Økosystemerne på vores planet varierer utroligt i forskellige dele af den. Men mens en tropisk regnskov eller koralrev måske ikke har meget til fælles med den kolde tundra eller det åbne hav, opererer alle økosystemer efter fire fælles principper: 1) Ethvert økosystem skal have en måde at absorbere energi og distribuere den til alle sine indbyggere. 2) I ethvert økosystem skal der være et kredsløb af essentielle næringsstoffer. 3) I hvert økosystem etableres og opretholdes en dynamisk ligevægt. 4) Strømmen af ​​energi og stoffer afhænger af informative egenskaber organismer; dette flow er ubrugeligt uden organismer og hver enkelts unikke rolle.

25.1. Et økosystem bevarer sin stabilitet takket være et komplekst netværk af relationer mellem dets elementer

Økosystemer har en meget organiseret struktur af interaktion mellem alle komponenter. Mere end én gang, men normalt for sent, indså vi vigtigheden af ​​dette faktum. Vi hører ofte, at vi godt kan undvære en eller anden type. Men hvordan kan vi vide dette?

For mere end et århundrede siden etablerede Charles Darwin en sammenhæng mellem udbyttet af rødkløverfrø og antallet af katte, der bor i landdistrikterne. Han opdagede, at rødkløver kun producerer frø gennem krydsbestøvning, hvilket kun kan gøres af humlebier. Antallet af humlebier, fandt han, var stærkt reduceret af markmus, og antallet af mus blev naturligvis kontrolleret af katte.

På grund af denne komplekse indbyrdes afhængighed er det fuldt ud muligt, at nogle tilsyneladende ubeslægtede eller endda skadelige arter eller fysisk-kemiske komponenter kan spille en uventet vigtig rolle i blomstringen af ​​en anden ubeslægtet art.

Her er et eksempel på, hvilke overraskelser der kan vente os, hvis vi griber ind i naturens forhold. På øen Kalimantan blev der brugt pesticider til at bekæmpe malaria mod myg. Kakerlakker var også genstand for denne behandling. Men de døde ikke, men blev simpelthen giftige for små firben. Da DDT er en nervegift, blev firbenene mindre mobile og var ude af stand til at flygte fra kattene, som let spiste dem. Og da katte er meget følsomme over for DDT, døde de også. Rotter fra nærliggende skove, der bar pestbacillen, angrebne huse, hvor der ikke var katte. Da nye katte blev introduceret, fortsatte de med at spise firben, så effektivt, at det førte til en massiv stigning i antallet af larver, som firbenene lever af; larverne åd til gengæld halmen, der dækkede husenes tage. Dette er naturligvis ikke slutningen på historien, og det er usandsynligt, at den voksende hvirvel af ubehagelige konsekvenser stopper, før den virkelige skade viser sig. Selv hvis malariavirksomhedens oprindelige plan var lykkedes, kunne nogen garantere, at de mennesker, der blev reddet fra malaria, ville blive forsynet med mad, fibre, gødning, traktorer, biler, veje, fly og hospitaler? Lad os stille spørgsmålet mere direkte: bruger vi vores teknologi til først kun at redde folk fra malaria, og senere lade dem dø af sult?

Selvom det kan være risikabelt at fjerne organismer fra et økosystem, kan det også være risikabelt at indføre nye arter i det. For eksempel forårsagede manguster, der blev bragt til øerne for at bekæmpe slanger, udryddelsen af ​​nogle lokale fuglearter. Det er klart, at tidlig vurdering af konsekvenserne af en indsats er forbundet med visse vanskeligheder. Samtidig opererer økosystemer med mekanismer, der kan neutralisere disse konsekvenser. Fordi små ændringer kan afføde mange flere med sneboldhastighed, skal rovdyrkontrolforanstaltninger skræddersyes til den rovdyrarter, de er rettet mod.

25.2. Kilden til næsten al den energi, der bruges af økosystemer, er Solen

Hovedparten af ​​energien, der kommer ind i Jorden, med undtagelse af vores planets egen energi, er dannet som et resultat af kernetransformationer i Solen. Næsten halvdelen af ​​den solstråling, der kommer ind i atmosfæren (Figur 25-1), reflekteres tilbage i rummet. Den anden halvdel optages af jorden. Bortset fra den samlede opvarmning, der resulterer i, ville dette ikke gavne os, medmindre planterne havde evnen til at absorbere indkommende solenergi og dermed gøre den tilgængelig for økosystemet.

I gennemsnit modtager næsten hver kvadratmeter jord omkring 4,19 kJ solstråling i minuttet. Dette er omtrent lig med mængden af ​​varme, der produceres ved at brænde en halv tændstik. Men kun halvdelen af ​​denne energi er potentielt tilgængelig for planter; resten er uden for det synlige spektrum. Planter absorberer omkring l-5% af den energi, der når jordens overflade og fikserer den i fotosynteseprocessen til dannelse af sukkerarter og andre kulhydrater. Disse planter, kaldet producenter(producenter) bruger en del af den faste energi til respiration, da de skal genoprette og øge deres cellemasse. Alle planteædere og kødædere - forbrugere afhænge af fast energi, som går til at dække deres eget energibehov og til at producere råvarer. Dette gælder også for destruktive organismer(svampe og mikroorganismer), der ødelægger dødt væv og frigiver næringsstoffer i en sådan form, at producenterne kan bruge dem igen. Hvert økosystem har sine egne producenter, forbrugere og ødelæggere.

25.3. Når energi overføres fra planter til dyr, går omkring 90 % af dens mængde tabt

En græsædende ko* er et eksempel på den primære overførsel af energi fra producent til planteædende forbruger. Små, rejelignende marine copepoder (copepoder), der lever af mikroskopiske alger, er et eksempel på den samme energiomdannelse i et vandmiljø. Køer og copepoder modtager kun en vis procentdel af deres energi fra det plantemateriale, de bruger. Denne procentdel varierer afhængigt af forhold, men i gennemsnit bidrager omkring 10 % af producentens energi til planteæderens vægtøgning. Disse 10 % repræsenterer transmissionskoefficient energi. De resterende 90% spredes i den varme, der kræves for at fungere af cellulære mekanismer og organer i kroppen, eller frigives direkte til nedbrydere (ødelæggende organismer) i form af forskellige biprodukter.

Planteædere er normalt føde for kødædere, og energiomsætningen under overgangen fra planteæder til kødædende sker med en effektivitet på 10 til 30 %. Denne stigning i energioverførselseffektiviteten skyldes tilsyneladende den lignende vævssammensætning hos dyr. Når en kødæder spiser en anden, og den ene spiser den næste osv., er resultatet en fødekæde af flere led. Antallet af led i kraftkæden overstiger sjældent fem på grund af det store energitab i hvert led. Det betyder, at ved hver højere trofisk niveau, er strømmen af ​​energi stærkt reduceret. Hvis vi beregner mængden af ​​energi på hvert trofisk niveau (planter, planteædere, primære kødædere, sekundære kødædere osv.), ser vi, at vi får en ejendommelig energipyramide med en bred bund og en meget smal top, som svarer til det højeste niveau i fødekæden (fig. 25-2). Med nogle undtagelser er der en tendens til et gradvist fald i energistrømmen og antallet af individer og mod en stigning i størrelsen af ​​disse individer i retningen fra bunden til toppen af ​​pyramiden.

Med så lav energioverførselseffektivitet fra et trofisk niveau til et andet, viser nærhed til primære producenter sig at være en indlysende, men ret sårbar fordel. Det gælder både mennesker og andre forbrugere, og i overbefolkede lande giver det mening, om end ikke særlig attraktivt i sig selv, at tage en vegetarisk kost. Der kan jo fodres meget flere mennesker med ris, end hvis disse ris blev fodret til høns og grise og derefter brugt til mad.

Fødekæden fra ris til mand, eller fra kiselalger til copepod til sild til måge, er overraskende enkel. Selvom der er mange dyr, der kun lever af én art, er enhver organisme på ethvert trofisk stadium generelt tilpasset til at forbruge en række organismer, nogle gange fra samme niveau som sig selv og nogle gange fra helt andre trofiske niveauer. Som et resultat, et kompleks "net" af trofiske relationer, som på grund af sine mange veje og transformationer er mere stabil end en direkte fødekæde, som let kan gå i opløsning på grund af et utilstrækkeligt antal af en enkelt art.

25.4. Nedbrydere nedbryder organiske rester og omdanner dem til råvarer til planter

Mængden af ​​energi, der bruges af den primære forbruger, såsom når en ko spiser græs, er mindre end de angivne 90 %, når den frigivne energi til nedbrydere tages i betragtning. I dette tilfælde sørger ikke kun favnfuld hø for energibehovet for koen selv (meget af denne energi omdannes til kropsvarme) og de mange symbionter i hendes fordøjelsessystem, men energien passerer gennem ekskrementerne og i sidste ende gennem koens slagtekrop til insekter, orme og millioner af mikroorganismer. I processen med at opfylde deres eget energibehov omdanner disse organismer stoffer til en form, hvor de igen kan bruges af planter.

25,5. Den energi, der bruges på Jorden, omdannes til sidst til strålingsenergi, som frigives tilbage til det ydre rum.

Som det fremgår af figur 25-3, er jordens energiforsyning balanceret. Biosfæren og resten af ​​Jorden fungerer som en kæmpe energikonverter, der modtager energirigt synligt lys, der vender tilbage til det ydre rum som transformeret og usynlig stråling. Biosfæren bremser effektivt omdannelsen af ​​energi, fanger den som kemisk energi og bruger den til at understøtte livet på Jorden. Men med undtagelse af energien fra kul, olie og relaterede forbindelser, har energi ikke en tendens til at forblive på Jorden i lang tid.

Når man taler om strømmen af ​​energi i det økologiske samfund, er det vigtigt at huske, at efter at solenergi er fanget af grønne planter, er dens bevægelse i økosystemet altid ledsaget af en strøm af stoffer.

Når vi ser en høg jage efter en markmus, ser vi en af ​​de stier, langs hvilke energi bevæger sig i økosystemet.

Indirekte observationer er også af stor betydning, og en af ​​de bedste metoder til at bestemme bevægelsesvejene for energi og stoffer i et økosystem er inklusion af radioaktive isotoper af fosfor, kulstof, kalium eller andre grundstoffer i planter. Ved yderligere udforskning af området (ved hjælp af en radioaktivitetstæller) kan det vise sig, at der for eksempel er høj radioaktivitet i en myrered. Man kan så antage, at myrerne samlede plantemateriale, eller at de brugte bladlus, der fodrede på plantesaft. Med senere test kan radioaktiviteten af ​​biller og fugle være højere end gennemsnittet, og radioaktivitet kan i sidste ende findes i gnavere og unger i en nærliggende høgerede. Endelig kan vi opdage spredningen af ​​radioaktivitet tilbage til jorden og primære producenter.

25.6. Kulstof deltager ligesom andre grundstoffer i et komplekst biokemisk kredsløb

Selvom det er tæt forbundet, er strømmene af energi og ting i et økosystem væsentligt forskellige fra hinanden. Denne energi skal konstant genopfyldes, da stoffer bruges gentagne gange. Det er muligt, at nogle af kulstofatomerne i din krop har været en integreret del af strukturen af ​​millioner af andre organismer gennem livets historie, og det samme kan siges om ethvert atom i levende væv.

Af de mere end 100 grundstoffer, der findes på Jorden, er omkring 30 vitale for levende organismer. Nogle er nødvendige i store mængder, såsom kulstof, brint, ilt og nitrogen, og nogle er nødvendige i små mængder. De skal dog alle cirkulere i biosfæren. Der er to hovedtyper af cyklusser: den ene inkluderer gasser og faste stoffer, den anden kun faste stoffer. Fosfor cirkulerer ikke i biosfæren som en gas, men det kan trænge ind i atmosfæren i form af partikler. Kulstof er et grundstof, der trænger ind i levende organismer og jorden i fast tilstand og ud i luften i form af kuldioxid.

Lad os overveje den mulige skæbne for et kulstofatom i et CO2-molekyle. Denne gas kan opløses i havvand (CO 2 +H 2 O->H 2 CO 3), og danne kulsyre H 2 CO 3 eller dens individuelle komponenter: H + ioner, bicarbonat HCO - 3 eller carbonater CO 2- 3. Disse anioner er forbundet med calciumkationen Ca 2+ og kan i varmt vand udfældes i form af kalk, calciumcarbonat CaCO 3. I denne form kan kulstofatomet blive en integreret del af et koralrevs kalkskelet.

Korallen nedbrydes til sidst, og kalk aflejres på havbunden. Der går tusinder af år. Et lag kalk vises dybt under dækket af forskellige alluviale aflejringer. Tryk i Jordens kappe får til sidst kalkstensbjergkæden til at stige til overfladen. Under påvirkning af vind og regn sker langsom erosion af dets øvre lag, og stenpartikler opløses i grundvandet. Når CaCO 3 kommer ind i sur jord, frigives kuldioxid, som kommer ud i luften (2H + +CaCO 3 -> Ca 2+ +CO 2 +H 2 O). Kuldioxid absorberes fra luften af ​​blade fra planter, såsom egeblade. Under fotosyntesen indgår kuldioxid i sammensætningen af ​​kulhydrater, som takket være egebladenes syntetiske aktivitet igen oxideres til CO 2. Fra luften kan et CO 2 -molekyle komme ind i stomata på det nærmeste oleanderblad og igen blive reduceret i form af kulhydrater. Kulstofatomet kan så trænge ind i bladlusens krop og blive en del af en aminosyre. Efter et par timer spiser mariehønen bladlusene. Tre dage senere, da mariehønen bliver robinens bytte, bliver det samme kulstofatom en del af proteinet i robinens muskelceller. En uge senere falder robinen ned i kløerne på en høg, i hvis krop aminosyren, der indeholder dette kulstofatom, er inkorporeret i fjerens protein. På flugt fra en vild kat mister høgen en fjer, og den falder i gunstig jord, hvor den dækkes med lag efter lag mos. Mosen og med den denne fjer bliver til tørv. Når denne tørv var skåret og brændt, blev kulstofatomet igen frigivet i form af kuldioxid. Efter et par dage opløses det i en regndråbe og ender tilbage i havet. Figur 25-4 illustrerer kulstofkredsløbet på en mere generel måde. Denne vej kan dog være noget anderledes. I virkeligheden cirkulerer kulstof ikke i sin rene form. Det er en del af molekyler, der nogle gange bevæger sig hurtigt, nogle gange langsomt i tusindvis af forskellige retninger - fra land til hav, fra hav til hav, fra kontinent til kontinent, fra plante til dyr, fra dyr til plante, fra organisme til atmosfære osv. d. Hvert carbonatoms cyklus er forskellig.

25.7. Kvælstof cirkulerer i biosfæren på samme måde som kulstof

Kvælstofkredsløbet (Figur 25-5) ligner stort set kulstofkredsløbet, bortset fra at de fleste grønne planter ikke er i stand til at få kvælstof fra atmosfæren. De assimilerer det ved hjælp af visse nitrogenfikserende bakterier og blågrønne alger, der er i stand til at fiksere atmosfærisk nitrogen i kroppen i form af forskellige forbindelser, der er egnede til brug af grønne planter. Nogle videnskabsmænd finder det mærkeligt, at alle planter og dyr har brug for nitrogen, men kun nogle af dem, meget små, er i stand til at optage det fra atmosfæren. Andre planter (og dyr) er afhængige af nitrogenfikserende bakterier og alger for at omdanne atmosfærisk kvælstof til brugbare forbindelser.

Grønne planter optager hovedsageligt nitrogen i form af salpetersyresalte og bruger det til at syntetisere proteiner og nukleinsyrer. Hvis planter indtages som mad, kommer nitrogen i deres aminosyrer og proteiner ind i forbrugerens krop. Kvælstof frigives til sidst fra kroppen som nitrogenholdigt affald såsom urin, urinsyre og ammoniak, eller gennem vævsnedbrydning. Affaldet oxideres af flere arter af nitrificerende bakterier og bliver igen tilgængeligt i form af nitrater eller nitritorer. Således bruges nitrogenatomet normalt mange gange, men nogle gange i form af ammoniak, nitrat eller nitrit. Under indflydelse denitrificerende bakterier det frigives i gasform. Nitrogengas kan rekombineres til nitrater af bakterier eller ved fotovoltaisk aktivitet i atmosfæren.

25.8. Menneskelige aktiviteter har ført til en ubalance i nitrogenkredsløbet

Naturens kvælstofkredsløb er afbalanceret, men i nogle dele af verden har miljøforholdene ændret sig dramatisk i løbet af de sidste tre fjerdedele af et århundrede. For eksempel i USA udtømte landmænd, der forsøgte at producere kornafgrøder rige på protein, snart den naturlige forsyning af nitrater i jorden. Nogle af dem begyndte at bruge sædskifte og bruge gødning som gødning på markerne. Dette var med til at opretholde det organiske kvælstofindhold i jorden og forstyrrede ikke jordens fysiske struktur, så dræning og luftning (med orme osv.) fortsatte med at fungere godt. Brugen af ​​kunstgødning i stedet for kvælstofholdigt organisk affald gjorde det også muligt at opnå økonomisk gode planter, men gav ikke den nødvendige andel af organisk stofrester i jorden. Jorden blev dermed mindre og mindre porøs. Planter dyrket i sådan jord havde utilstrækkelig iltadgang til rødderne og kunne ikke bruge al den nitrat, der blev tilført jorden. Det resterende nitrat gik tabt ved udvaskning og udvaskning eller omdannet til ammoniak, nitrogengas og nitrogenoxider.

I jord med et udtømt humusindhold giver kvælstofgødninger således næringsstoffer til en given plante, men forårsager yderligere udtømning af jorden, hvilket forstyrrer balancen i jordsystemet. De fleste af de 10 millioner tons nitrogen, der tilføres jorden i USA, spredes ud i atmosfæren som en gas eller skylles ud i søer og floder med regn og sne.

Dette har en særlig farlig konsekvens, som kan ses i Lake Erie. Et overskud af nitrogenholdige rester fra landbrugsgødning kombineret med øgede niveauer af fosfor har forårsaget øget algeopblomstring her. Processen, der forårsager denne blomstring kaldes eutroftering. Alger, der optager uorganisk kvælstof og omdanner det til organisk kvælstof for at sikre deres egen vækst, vokser hurtigt, dør hurtigt og forurener søen med organisk materiale. Hovedproblemet er, at algerne dør hurtigt efter opblomstringen, og de nedbrydende bakterier og svampe bruger så meget ilt, da de nedbrydes, at der ikke er nok ilt tilbage i vandet til andre organismer. Nedbrydere, der lever af sådant organisk stof og omdanner det til uorganiske salte, har brug for ilt, og hvis de ikke får det, ophobes det organiske stof og biprodukter fra anaerob nedbrydning på bunden af ​​søen.

Kvælstofkredsløbet i atmosfæren er også forstyrret. Hvert år i USA producerer industrianlæg og bilmotorer mere end 8 millioner tons nitrogenoxider fra atmosfærisk nitrogen og oxygen. Nogle af disse* oxider danner smog i sollys og i kombination med brændstofaffald, andre oxideres til nitrater, som sammen med regn og sne vender tilbage til jord og vand, gøder planter eller øger eutrofiering af vand.

Intensiv brug af kunstgødning hjalp midlertidigt med at opretholde høje niveauer af afgrødeproduktivitet. Det truede dog alvorligt fremtidige afgrøder ved at forårsage udryddelse af nitrogenfikserende bakterier og forstyrre balancen i kvælstofkredsløbet. Derudover var det i høj grad årsagen til øget algeopblomstring, der ødelægger vandområder.

25,9. Svovl cirkulerer i biosfæren og danner sulfater og binder store mængder ilt

Alle levende organismer kræver svovl for at danne nogle aminosyrer. Figur 25-6 viser hovedcirkulationsvejene for dette element. Planter udvinder svovlioner fra jorden og overfører dem til dyr. Noget af svovlet fra jorden skylles ud i havet, hvor det bruges af vandlevende organismer eller opbevares i tusinder af år i form af nedbør.

Sedimenterne bliver til sidst komprimeret til at danne kul eller olieholdig sten, skifer osv. Reraen fortsætter derefter med at deltage i kredsløbet, enten som følge af forvitring af sten, eller som forbrændingsprodukter, når mennesket bruger olie og kul som brændstof.

Ligesom nitrater ophobes flere og flere sulfater i havet. Kilden til genopfyldning af forsyningen af ​​svovl, der deltager i kredsløbet, kan være forskellige sulfater, men de af dem (SO 2-4), der udvaskes fra jorden, repræsenterer en del af jordens iltforsyning og har ikke deltaget i kredsløbet i årtusinder . Der er kun én proces, der virker omvendt og frigiver ilt fra sulfaterne. Denne proces udføres sulfat-reducerende bakterier lever i mudderet af søer, sumpe og flodmundinger. Disse bakterier dør i nærværelse af fri ilt og lever derfor i et iltfrit miljø. De bruger svovl på samme måde, som andre organismer bruger ilt, og omdanner SO 2-4 til svovlbrinte (H 2 S) og ilt. Men højst sandsynligt, fordi betydningen af ​​disse bakterier er ukendt for de fleste mennesker, drænes marsken, og sumpene fyldes. Nogle forskere mener, at fortsatte dræningsaktiviteter, selv i samme omfang som de er nu, kan påvirke iltforsyningen til miljøet.

25.10. Fosfor og flere dusin andre mineraler cirkulerer i økosystemer, der ikke er i gasform

Fosfor er nødvendigt af planter og dyr til dannelsen af ​​DNA og energirigt ATP, og af dyr desuden til dannelsen af ​​knoglevæv. Fosforkredsløbet er noget anderledes end kulstof-, nitrogen- og svovlkredsløbet, fordi det aldrig eksisterer i gasform.

Fosfor bevæger sig hovedsageligt i vand eller som en del af organiske stoffer (Fig. 25-7) og deltager i den såkaldte sedimentær cyklus. En mindre del af det bevæger sig som partikler i atmosfæren. Fosfor er særligt følsomt over for tyngdekraften og ophobes hurtigt i søer og have. Der har den en tendens til at forblive i sedimenter og kun vende tilbage til jordens overflade gennem ekstremt langsomme bjergbygningsprocesser. På grund af dette, og fordi fosfor er relativt mere koncentreret i organismer end i miljøet, bliver det ofte en faktor, der begrænser væksten af ​​organismer. (Hvis kroppen har tilstrækkelige mængder af alle de nødvendige næringsstoffer undtagen fosfor, begrænser manglen på dette stof dets vækst.) Da kilden til fosfor er sten og jord, genoprettes dets indhold i dem ikke umiddelbart efter, at fosfor er fjernet fra en given areal. Produktiviteten af ​​et økosystem, det være sig en sø, en sø, en bugt eller en eng, kan reduceres betydeligt på grund af mangel på fosfor.

Kobber, jern, magnesium, kobolt, zink, bor og flere dusin andre elementer er også nødvendige i økosystemer. Deres kredsløb ligner fosforkredsløbet, idet de generelt ikke eksisterer i gasform og ikke kan bevæge sig gennem atmosfæren. Nogle af de anførte grundstoffer tilføres markerne i stadig større mængder, selvom det kan føre til forstyrrelse af den naturlige struktur og balance i jorden, forurening af vandveje osv. Jo flere sådanne og lignende forstyrrelser der er, jo mere kemisk energi er der. er i form af gødning, sprøjtegifte, brændstof til landbrugsmaskiner osv. - skal investeres for at få samme udbytte. Landbrugets udvikling afhænger faktisk af tilgængeligheden af ​​fossile brændstoffer (anvendes som brændstof og til produktion af gødning, elektricitet osv.), snarere end af mængden af ​​arbejdskraft eller stoffernes naturlige kredsløb. Efterhånden som fossile brændstoffer er brugt op, og deres omkostninger stiger, stiger fødevarepriserne, men behovet for dem falder ikke.

Emne: Energitransformation i biosfæren.
Cyklus af stoffer og strømme
energi.

Likhoslavl
2008
Indhold.

Introduktion………………………………………………………………………..3
1. Store og små kredsløb af stoffer………………… ……………………4
2. Stoffers kredsløb i økosystemer……………………… …………………...5
3. Organismernes rolle i stoffernes kredsløb……………………… ………..8
4. Kulstofkredsløb i biosfæren…………………………………………9
5. Nitrogenkredsløbet i biosfæren…………………………………………………………11
6. Fosforkredsløbet i biosfæren………………………………………………...13
7.Energistrøm i biosfæren………………………………………………………………… ...16
Bilag……………………………………………………………………………….……19 Referencer………………………………………………………… . .....20

Introduktion.

Jordens skal, hvori der findes liv, kaldes biosfæren.
Biosfæren består af levende eller biotiske og ikke-levende eller abiotiske komponenter. Den biotiske komponent er hele samlingen af ​​levende organismer. En abiotisk komponent er en kombination af energi, vand, visse kemiske elementer og andre uorganiske forhold, hvor levende organismer eksisterer.
Livet i biosfæren afhænger af energistrømmen og cirkulationen af ​​stoffer mellem biotiske og abiotiske komponenter. Stoffers kredsløb kaldes biogeokemiske kredsløb. Eksistensen af ​​disse cyklusser er sikret af Solens energi. Jorden modtager omkring 1,3 fra Solen? 10 24 kalorier om året. Omkring 40 % af denne energi udstråles tilbage i rummet; 15 % absorberes af atmosfæren, jord og vand; resten af ​​energien er synligt lys, den primære energikilde for alt liv på Jorden.
Fotosyntese, kemosyntese, respiration og fermentering er de vigtigste processer, hvorved energi strømmer gennem organismer. De to første processer giver syntese af organiske stoffer på grund af lysenergi (fotosyntese) og oxidation af uorganiske stoffer (kemosyntese). Under respiration og fermentering nedbrydes organiske stoffer, og energien i dem bruges af levende organismer, men bliver i sidste ende til varme.

Store og små kredsløb af stoffer.

Akademiker V.R. Williams skrev, at den eneste måde at give noget endeligt det uendeliges egenskaber er at få det endelige til at rotere langs en lukket kurve, det vil sige at inddrage det i en cyklus.
Alle stoffer på planeten Jorden er i gang med biokemisk cirkulation. Der er to hovedcyklusser: store (geologiske) og små (biotiske).
Den store cyklus varer millioner af år. Sten bliver ødelagt, forvitret og båret af vandstrømme ind i Verdenshavet, hvor de danner kraftfulde marinelag. Nogle kemiske forbindelser opløses i vand eller forbruges af biocenosen. Store langsomme geotoniske ændringer, processer forbundet med kontinentets nedsynkning og havbundens stigning, havenes og oceanernes bevægelse over lang tid fører til, at disse lag vender tilbage til land og processen begynder igen.
Den lille cyklus, som er en del af den store, opstår på niveau med biogeocenose og består i, at næringsstoffer fra jord, vand og luft ophobes i planter og bruges på at skabe deres masse og livsprocesser i dem. Nedbrydningsprodukterne af organisk stof under påvirkning af bakterier nedbrydes igen til mineralske komponenter, der er tilgængelige for planter, og trækkes ind i stofstrømmen af ​​dem.
Returnering af kemikalier fra det uorganiske miljø gennem miljøet ved hjælp af solenergi og kemiske reaktioner kaldes det biokemiske kredsløb.

Stoffers kredsløb i økosystemer.

Ifølge R. Ricklefs (1979) kan et økosystem repræsenteres som fem blokke (tre aktive, to yderligere), som forskellige stoffer passerer igennem (bilag 1).
Tre aktive blokke udgør udvekslingsfonden af ​​elementer:

levende organismer;
dødt organisk affald;
tilgængelige uorganiske stoffer.

To yderligere blokke udgør reservefonden af ​​elementer:

indirekte tilgængelige uorganiske stoffer;
bundfældning af organisk stof.

Organismers rolle i stoffernes kredsløb.

Kulstofkredsløbet i biosfæren.

Den mest intense biogeokemiske cyklus er kulstofkredsløbet. I naturen findes kulstof i to hovedformer - karbonater (kalksten) og kuldioxid.
Hovedparten akkumuleres i karbonater på havbunden (1016 tons), i krystallinske bjergarter (1016 tons), kul og olie (1016 tons) og deltager i en stor cirkulationscyklus. Hovedleddet i det store kulstofkredsløb er forholdet mellem fotosynteseprocesserne og aerob respiration.
Et andet led i det store kulstofkredsløb er anaerob respiration (uden ilt); Forskellige arter af anaerobe bakterier omdanner organiske forbindelser til metan og andre stoffer (f.eks. i vådområders økosystemer, lossepladser).
Den lille cyklus involverer kulstof indeholdt i plantevæv (ca. 1011 tons) og animalsk væv (ca. 109 tons).
Organiske stoffer er som bekendt bygget på basis af kulstofatomer. Det var de specifikke træk ved carbonatomer (evnen til at danne simple og multiple bindinger, forbinde med hinanden i lange kæder og cyklusser af forskellige størrelser osv.), der bragte carbon til førstepladsen i betydning for livet.
Kulstofkredsløbet udføres takket være funktionsmekanismen for to grundlæggende processer, som allerede er blevet nævnt - fotosyntese og cellulær respiration, klart etableret under evolutionen.
Solenergi i form af elektromagnetisk stråling bruges af biosfæren under fotosyntesen. Sidstnævnte er en meget kompleks proces ud fra et kemisk synspunkt, som kun kan udføres af de organismer, i hvis celler unikke klorofylmolekyler arbejder.
Under fotosynteseprocessen omdannes solens elektromagnetiske energi til energien af ​​kemiske bindinger af organiske forbindelser, primært kulhydrater (CH 2 O) n.
Den årlige stigning i biomasse som følge af fotosyntese på planeten er cirka 200 milliarder tons.
Cellulær respiration er en proces modsat fotosyntese, hvor nedbrydningen af ​​kulhydrater syntetiseret fra CO 2 og H 2 O sker. Dens formål er at udvinde energi fra kulhydratmolekyler (ved oxidation), omdanne det til form af ATP og derefter bruge det til forskellige energibehov i cellen. Alle organismer (både heterotrofe dyr og autotrofe planter) bruger O2 frigivet under fotosyntesen til oxidation af (CH2O)n. Således er både fotosyntese og respiration forbundet i en enkelt strøm af stoffer i biosfæren. Stoffer (i første omgang CO 2, H 2 O og O 2) kan cykle så længe som ønsket; de er skiftevis involveret i fotosyntese og respiration. Fra et kemisk synspunkt, hvis stoffer i disse cyklusser konstant omdannes, som om de udveksler atomer og omarrangerer, så gennemgår selve grundstoffernes atomer (for eksempel kulstof) ingen ændringer.

Nitrogenkredsløbet i biosfæren.

Fosforkredsløbet i biosfæren.

Strøm af energi i biosfæren.

I modsætning til stof adlyder energi ikke cyklicitetens lov. For et normalt liv for en celle, en individuel organisme og et økosystem skal Solen kontinuerligt forsyne Jorden med nye og nye dele af energi.
Energiflow i biosfæren – processer for energioverførsel og anvendelse i forskellige komponenter i biosfæren. Det samlede antal levende organismer i hver biocenose, hastigheden af ​​deres udvikling og reproduktion afhænger i sidste ende af mængden af ​​energi, der kommer ind i økosystemet, af hastigheden af ​​dets bevægelse gennem det og endelig af intensiteten af ​​cirkulationen af ​​stoffer i det . I modsætning til den cykliske bevægelse af stoffer, sker omdannelsen af ​​energi i én retning. Den eneste energikilde til biosfæren er sollys (kun små lokale økosystemer bruger energien fra kemiske reaktioner). En del af solenergien (0,1 - 1,6% af den samlede mængde, der når jordens overflade) omdannes af samfund af organismer og bevæger sig til et kvalitativt højere niveau, der omdannes til organisk stof, som er en mere koncentreret form for energi end sollys. Men det meste af energien nedbrydes, passerer gennem systemet og efterlader det som termisk energi af lav kvalitet (køleplade). Effektiviteten af ​​energiomsætning i økosystemer afspejles i energipyramiden, som er bygget ved at tælle mængden af ​​energi (i kilokalorier - kcal), der akkumuleres af en overfladeenhed pr. tidsenhed og bruges af organismer på hvert trofisk niveau. Kun en lille del af al denne energi forbliver i organismer og lagres i biomasse, resten bruges til at opfylde levende tings metaboliske behov.
Principperne for fødevarekædeorganisation afspejler driften af ​​termodynamikkens to love. Ifølge termodynamikkens første lov er energitilstrømningen afbalanceret af dens udstrømning, og hver overførsel af energi ledsages af dens spredning i en form, der er utilgængelig for brugen af ​​termisk energi (under respiration), som krævet af den anden lov.
Den samlede mængde energi, der kommer ind i et økosystem pr. tidsenhed, bliver enten forringet, eksporteret eller akkumuleret. Mængden af ​​energi tabt under respiration, akkumuleret i økosystemet og tabt er lig med den energi, der registreres i fotosynteseprocessen. I stedet for en enkeltkanals energioverførsel i fødekæden opstår en tokanals, når energistrømmen fra producenterne opdeles i detrital- og græsningskæder. Græsningsfødekæden er strømmen af ​​energi fra planter gennem første-ordens forbrugere (planteædere). Resten af ​​det rene produkt, der ikke bruges af forbrugerne, genopfylder dødt organisk materiale. Den består af afføring, der indeholder en del af ufordøjet mad, samt dyrekroppe, planterester og kaldes detritus. Strømmen af ​​energi, der stammer fra dødt organisk materiale og passerer gennem et system af nedbrydere, kaldes den skadelige fødekæde. Da dette svarer til økosystemets grundlæggende lagdelte struktur, er det direkte forbrug af levende planter og brugen af ​​dødt organisk stof sædvanligvis adskilt i rum og tid, makroforbrugere (fagotrofe dyr) og mikroforbrugere (saprofytiske bakterier og svampe) adskiller sig meget i forholdet mellem stofskiftehastighed og størrelse, og deres undersøgelse kræver forskellige metoder. Mængderne af de dele af nettoenergien, der strømmer gennem de to stier, er forskellige i forskellige typer økosystemer og varierer ofte mellem årstider eller år i det samme økosystem. I alle økosystemer er græsnings- og skadelige fødekæder indbyrdes forbundne, så systemet hurtigt kan skifte strømninger som reaktion på eksterne energitilførsler.
etc.................

Den levende skal på vores planet (biosfæren) absorberer kontinuerligt solenergi, såvel som den energi, der kommer fra jordens indvolde. Al energi overføres i modificeret form fra en levende organisme til en anden og kommer ind i miljøet. Disse energistrømme er i en konstant tilstand af "flow" og spiller en vigtig rolle i skabelsen af ​​biomasse.

Der falder årligt cirka 21x1023 kJ energi på jordens overflade. Af denne mængde udgør områder af Jorden dækket med planter og vandmasser med vegetationen indeholdt i dem kun omkring 40%. Under hensyntagen til tabet af strålingsenergi som følge af refleksion og andre årsager, fotosyntesens energiudbytte, som ikke overstiger 2 %, kan den samlede mængde energi, der er lagret i fotosyntetiske produkter årligt, udtrykkes som en værdi, der nærmer sig 2,0x1022 kJ .

Ud over dannelsen af ​​rene produkter bruger den levende dækning af den tørre del af planeten solenergi, der kommer ind i biosfæren til respiration: omkring 30-40% af den energi, der er nødvendig for dannelsen af ​​rene produkter. Landvegetation omdanner således i alt (for at skabe rene produkter og respiration) omkring 4,2x1018 kJ solenergi årligt.

Eksistensen og skabelsen af ​​biomasse er forbundet med den kontinuerlige tilførsel af energi og stoffer fra det omgivende rum. De fleste af stofferne i jordskorpen passerer gennem levende organismer og kommer ind i det biologiske kredsløb af stoffer, som skaber biosfæren og bestemmer dens stabilitet. Bo i biosfære energisk vedligeholdt takket være en konstant tilstrømning solenergi og dets anvendelse i fotosynteseprocesser.

Når man kommer ind i levende cellers molekyler, omdannes energistrømmen fra Solen til energien fra kemiske bindinger. Under fotosyntesen bruger planterne solens strålingsenergi til at omdanne lavenergistoffer (H2O og CO2) til mere komplekse organiske forbindelser, hvor noget af solens energi lagres i form af kemiske bindinger. Organiske stoffer opnået som følge af fotosyntese er en energikilde for selve planten eller overføres under forbrug og efterfølgende assimilering fra en til en anden organisme.

Frigivelsen af ​​energi indeholdt i organiske forbindelser sker også under fermentering eller respiration. Saprofytter (svampe, heterotrofe bakterier, nogle planter og dyr) nedbryder biomasserester til deres uorganiske dele (mineralisering), hvilket fremmer inddragelsen af ​​kemiske elementer og forbindelser i kredsløbet, hvilket sikrer regelmæssige cyklusser af organisk stofproduktion.

Planetens levende skal absorberer kontinuerligt ikke kun Solens energi, men også den, der kommer fra Jordens indvolde; energi omdannes og overføres fra en organisme til en anden og udstråles i miljøet. Det er nødvendigt klart at forstå, hvor energien "flyder", og hvad deres rolle er i skabelsen af ​​biomasse.

Hvert år falder ca. 2110 23 kJ på jordens overflade, hvoraf kun ca. 40% falder på arealer af jorden dækket af planter, samt på reservoirer med vegetation indeholdt i dem. Under hensyntagen til tabet af strålingsenergi på grund af refleksion og andre årsager samt fotosyntesens energiudbytte, som ikke overstiger 2 %, vil den samlede mængde energi, der årligt lagres i fotosynteseprodukter, være i størrelsesordenen 2,010 22 kJ. Udover at skabe rene produkter, bruger det levende jorddække den solenergi, det opfanger, til respirationsprocessen: omkring 30-40 % af den energi, der bruges på at skabe rene produkter. Landvegetation omdanner således i alt (til respiration og skabelse af rene produkter) omkring 4,210 18 kJ solenergi om året.

Skabelsen og eksistensen af ​​biomasse er uløseligt forbundet med tilførslen af ​​energi og stoffer fra miljøet. De fleste stoffer i jordskorpen passerer gennem levende organismer og er involveret i det biologiske kredsløb af stoffer, der har skabt biosfæren og bestemmer dens stabilitet. Energimæssigt understøttes livet i biosfæren af ​​en konstant strøm af energi fra Solen og dens anvendelse i fotosynteseprocesserne. Strømmen af ​​solenergi, opfattet af levende cellers molekyler, omdannes til energien fra kemiske bindinger. I fotosynteseprocessen bruger planter sollysets strålingsenergi til at omdanne stoffer med lavt energiindhold (CO 2 og H 2 O) til mere komplekse organiske forbindelser, hvor en del af solenergien lagres i form af kemiske bindinger (fig. . 2).

Ris. 2. Energitransformationer i biosfæren (fyldte pile – stoffernes kredsløb, intermitterende pile – energistrømmen)

Organiske stoffer dannet under fotosynteseprocessen tjener som energikilde for selve planten eller overføres under spiseprocessen og efterfølgende assimilering fra en organisme til en anden. Frigivelsen af ​​energi indeholdt i organiske forbindelser sker også under respiration eller gæring. Saprofytter (heterotrofe bakterier, svampe, nogle dyr og planter) nedbryder biomasserester til uorganiske komponenter (mineralisering), hvilket fremmer inddragelsen af ​​forbindelser og kemiske elementer i det biologiske kredsløb, hvilket sikrer regelmæssige cyklusser af organisk stofproduktion. Lad os påpege, at energien i mad ikke kredser, men gradvist omdannes til termisk energi. Som følge heraf vender solenergi absorberet af organismer i form af kemiske bindinger igen tilbage til rummet i form af termisk stråling. Derfor kræver det levende stof i biosfæren en konstant strøm af solenergi. Kortbølget stråling (lys) kommer til Jorden, og langbølget termisk stråling forlader den. Samtidig opretholdes balancen mellem disse energier ikke: Planeten udsender lidt mindre energi til rummet, end den modtager fra Solen. Denne forskel (brøkdele af en procent) absorberes af biosfæren og akkumulerer gradvist, men konstant energi. Det viste sig at være nok til, at liv dukkede op på planeten en dag, at en biosfære kunne opstå, og for at fortsætte med at støtte udviklingen af ​​levende stof på planeten.

Biosfærens energibalance er forholdet mellem absorberet og udsendt energi. Det bestemmes af ankomsten af ​​energi fra Solen og kosmiske stråler, som absorberes af planter under fotosyntesen, hvoraf en del omdannes til andre typer energi og en anden del spredes i det ydre rum.

Cirkulationen af ​​stoffer i biosfæren er en gentagende proces af transformationer og rumlige bevægelser af stoffer, der har en vis fremadgående bevægelse, udtrykt i kvalitative og kvantitative forskelle i individuelle cyklusser.

I den moderne forståelse er Jordens biosfære et globalt åbent system med sit eget "input" og "output". Dens input er strømmen af ​​solenergi, der kommer fra rummet og kemisk energi fra litosfæren, stof involveret i den biogene cyklus, tilgængelig intern information og strømmen af ​​ekstern information. Biosfærens output spredes og udsendes, primært termisk energi, stof, der forlader kredsløbet, reorganiseret intern information og strømmen af ​​udgående information.

Opretholdelse af organismers vitale aktivitet og cirkulation af stoffer i økosystemer er kun mulig på grund af den konstante tilstrømning af solenergi. Denne energi spildes i enorme mængder på fysiske og kemiske processer i atmosfæren, hydrosfæren og lithosfæren: blanding af luftstrømme og vandmasser, fordampning, omfordeling af stoffer, opløsning af mineraler, absorption og frigivelse af gasser.

Kun 1/2.000.000 af solenergien når jordens overflade, mens 1-2% af den er assimileret af planter.

På Jorden er der en enkelt proces, hvor energien fra solstråling ikke kun bliver brugt og omfordelt, men også bundet og lagret i meget lang tid.

Denne proces er skabelsen af ​​organisk stof gennem fotosyntese. Ved at brænde kul i ovne frigiver og bruger vi solenergi lagret af planter for hundreder af millioner af år siden.

Planters (autotrofer) vigtigste planetfunktion er at binde og lagre solenergi, som derefter bruges på at opretholde biokemiske processer i biosfæren. Heterotrofer får energi fra mad. Alle levende væsener er genstand for føde for andre, dvs. forbundet af energiforhold. Fødevareforbindelser i biocenoser er en mekanisme til at overføre energi fra en organisme til en anden. Organismer af enhver art er en potentiel energikilde for en anden art. I hvert fællesskab danner trofiske forbindelser et komplekst netværk.

Forbrugernes energibalance er som følger. Absorberet mad absorberes normalt ikke fuldstændigt. Procentdelen af ​​fordøjelighed afhænger af fødevarens sammensætning og tilstedeværelsen af ​​fordøjelsesenzymer i kroppen. Hos dyr optages fra 12 til 75% af maden under stofskiftet. Den ufordøjede del af maden føres tilbage til det ydre miljø (i form af ekskrementer) og kan indgå i andre fødekæder.

Det meste af den energi, der opnås som følge af nedbrydningen af ​​næringsstoffer, bruges på fysiologiske processer i kroppen, en mindre del omdannes til selve kroppens væv, dvs. brugt på vækst, øget kropsvægt og opbevaring af reservenæringsstoffer.

Overførslen af ​​energi i kemiske reaktioner i kroppen sker ifølge termodynamikkens anden lov med tab af en del af den i form af varme. Disse tab er især store under arbejdet med animalske muskelceller, hvis effektivitet er meget lav.

Udgifterne til vejrtrækning er også mange gange større end energiforbruget til at øge kropsvægten. Specifikke forhold afhænger af individets udviklingsstadium og fysiologiske tilstand. Unge individer bruger mere på vækst, mens modne individer næsten udelukkende bruger energi til at opretholde stofskifte og fysiologiske processer.

Dermed går det meste af energien tabt ved overgangen fra et led i fødekæden til et andet, pga det andet, næste led kan kun bruge den energi, der er indeholdt i biomassen fra det forrige led. Det anslås, at disse tab er omkring 90 %, dvs. kun 10 % af den forbrugte energi er lagret i biomasse.

I overensstemmelse hermed er energireserven ophobet i plantebiomasse i fødekæderne hurtigt ved at løbe tør. Tabt energi kan kun genopbygges med Solens energi. I denne henseende kan der ikke være et energikredsløb i biosfæren, svarende til stoffernes kredsløb. Biosfæren fungerer kun på grund af den ensrettede strøm af energi, dens konstante tilførsel udefra i form af solstråling.

Således er strømmen af ​​energi i biosfæren opdelt i to hovedkanaler, der når forbrugerne gennem levende plantevæv eller reserver af dødt organisk materiale, hvis kilde også er fotosyntese.