Põhiküsimused

Kuidas toimub energiaülekanne biosfääris?

Kuidas satub õhust lämmastik elusorganismidesse ja sealt tagasi õhku?

Miks langevad tahkes olekus eksisteerivad elemendid, näiteks fosfor, ainete ringist välja?

Kuidas mõjutab inimtsivilisatsioon nende oluliste tsüklite tasakaalu?

Ökosüsteem on biosfääri põhiüksus ehk looduslik kooslus ja koosneb abiootilisest keskkonnast, biootilistest komponentidest – taimedest, seentest, loomadest ja mikroorganismidest ning hõlmab ka kõiki süsteemi osi ühendavaid suhteid. Väike või suur sooala (soo) esindab üht ökosüsteemi, rannikulüüte teist ning sood, luiteid ja ookeani võib pidada osaks suuremast ökosüsteemist.

Meie planeedi ökosüsteemid on selle erinevates osades hämmastavalt erinevad. Kuid kuigi troopilisel vihmametsal või korallriffil võib olla vähe ühist külma tundra või avamerega, toimivad kõik ökosüsteemid neljal ühisel põhimõttel: 1) Igal ökosüsteemil peab olema viis energia neelamiseks ja selle kõigile elanikele jaotamiseks. 2) Igas ökosüsteemis peab toimuma oluliste toitainete tsükkel. 3) Igas ökosüsteemis luuakse ja säilitatakse dünaamiline tasakaal. 4) Energia ja ainete voog sõltub informatiivsed omadused organismid; see vool on kasutu ilma organismide ja igaühe ainulaadse rollita.

25.1. Ökosüsteem säilitab oma stabiilsuse tänu keerukale suhete võrgustikule selle elementide vahel

Ökosüsteemidel on kõigi komponentide vastastikmõju kõrgelt organiseeritud struktuur. Rohkem kui korra, kuid tavaliselt liiga hilja, mõistsime selle tõsiasja tähtsust. Tihti kuuleme, et saame hakkama ka ilma ühe või teise tüübita. Aga kuidas me saame seda teada?

Rohkem kui sajand tagasi lõi Charles Darwin seose punase ristiku seemnete saagikuse ja maapiirkondades elavate kasside arvu vahel. Ta avastas, et punane ristik toodab seemneid ainult risttolmlemise teel, mida saavad teha ainult kimalased. Ta leidis, et põldhiired vähendasid kimalaste arvu oluliselt ja hiirte arvu kontrollisid loomulikult kassid.

Selle keerulise vastastikuse sõltuvuse tõttu on täiesti võimalik, et mõned näiliselt mittesugulased või isegi kahjulikud liigid või füüsikalis-keemilised komponendid võivad mängida ootamatult olulist rolli mõne teise mitteseotud liigi õitsengus.

Siin on näide sellest, millised üllatused võivad meid ees oodata, kui sekkume looduse suhetesse. Kalimantani saarel kasutati sääskede vastase malaaria tõrjeks pestitsiide. Ka prussakad olid sellise ravi all. Kuid nad ei surnud, vaid muutusid väikestele sisalikele lihtsalt mürgiseks. Kuna DDT on närvimürg, muutusid sisalikud vähem liikuvaks ega suutnud kasside eest põgeneda, kes neid kergesti sõid. Ja kuna kassid on DDT suhtes väga tundlikud, surid ka nemad. Lähedal asuvatest metsadest pärit rotid, kes kandsid katkubatsilli, nakatasid maju, kus polnud kasse. Kui uued kassid kasutusele võeti, jätkasid nad sisalike söömist, nii tõhusalt, et see tõi kaasa röövikute arvu tohutu suurenemise, millest sisalikud toituvad; röövikud sõid omakorda ära majade katuseid katnud õled. Sellega lugu muidugi ei lõpe ja vaevalt et ebameeldivate tagajärgede laienev keeris peatub enne, kui tegelik kahju ilmneb. Isegi kui malaariafirma esialgne plaan oleks õnnestunud, kas keegi saaks garanteerida, et malaariast päästetud inimesed varustatakse toidu, kiudainete, väetise, traktorite, autode, teede, lennukite ja haiglatega? Esitame küsimuse otsesemalt: kas me kasutame oma tehnoloogiat selleks, et päästa inimesi esmalt ainult malaariast ja hiljem lasta neil nälga surra?

Kuigi organismide eemaldamine ökosüsteemist võib olla riskantne, võib uute liikide sissetoomine olla samuti riskantne. Näiteks saartele madudega võitlema toodud mangustid põhjustasid mõnede kohalike linnuliikide väljasuremise. On selge, et sekkumise tagajärgede varajane hindamine on seotud teatud raskustega. Samal ajal kasutavad ökosüsteemid mehhanisme, mis suudavad neid tagajärgi neutraliseerida. Kuna väikesed muutused võivad lumepallikiirusel palju rohkem esile kutsuda, tuleb kiskjate tõrjemeetmed kohandada nende sihikule vastavate kiskjaliikidega.

25.2. Peaaegu kogu ökosüsteemides kasutatava energia allikas on Päike

Põhiosa Maale sisenevast energiast, välja arvatud meie planeedi enda energia, tekib Päikese tuumatransformatsioonide tulemusena. Peaaegu pool atmosfääri sisenevast päikesekiirgusest (joonis 25-1) peegeldub tagasi kosmosesse. Teise poole neelab maa. Peale selle tulemuseks oleva üldise soojenemise ei oleks see meile kasulik, kui taimed ei suudaks sissetulevat päikeseenergiat absorbeerida ja seega ökosüsteemile kättesaadavaks teha.

Keskmiselt saab peaaegu iga maa ruutmeeter umbes 4,19 kJ päikesekiirgust minutis. See on ligikaudu võrdne poole tiku põletamisel tekkiva soojushulgaga. Kuid ainult pool sellest energiast on taimedele potentsiaalselt kättesaadav; ülejäänud on väljaspool nähtavat spektrit. Taimed neelavad umbes l-5% maapinnale jõudvast energiast ja fikseerivad selle fotosünteesi käigus, moodustades suhkruid ja muid süsivesikuid. Need taimed, nn tootjad(tootjad) kasutavad osa fikseeritud energiast hingamiseks, kuna nad peavad taastama ja suurendama oma rakumassi. Kõik taimtoidulised ja lihasööjad - tarbijad sõltuvad püsienergiast, mis läheb nende enda energiavajaduse rahuldamiseks ja tooraine tootmiseks. See kehtib ka kohta hävitavad organismid(seened ja mikroorganismid), mis hävitavad surnud kudesid ja vabastavad toitaineid sellisel kujul, et tootjad saavad neid uuesti kasutada. Igal ökosüsteemil on oma tootjad, tarbijad ja hävitajad.

25.3. Energia ülekandmisel taimedelt loomadele kaob umbes 90% selle kogusest

Rohusööja lehm* on näide energia esmasest ülekandmisest tootjalt taimtoidulisele tarbijale. Mikroskoopilistest vetikatest toituvad pisikesed krevetitaolised merejalgjalgsed (copepods) on näide samast energia muundamisest veekeskkonnas. Lehmad ja käpalised saavad kasutatavast taimsest ainest vaid teatud protsendi energiast. See protsent varieerub olenevalt tingimustest, kuid keskmiselt aitab umbes 10% tootja energiast kaasa rohusööja kaalutõusule. See 10% tähistab ülekandekoefitsient energiat. Ülejäänud 90% hajub soojusega, mis on vajalik rakuliste mehhanismide ja kehaorganite tööks või eraldub otse lagundajatele (hävitavatele organismidele) erinevate kõrvalsaaduste kujul.

Taimtoidulised on tavaliselt lihasööjate toiduks ja energia muundamine rohusööjalt lihasööjale üleminekul toimub efektiivsusega 10–30%. See energiaülekande efektiivsuse suurenemine on ilmselt tingitud loomade sarnasest kudede koostisest. Kui üks kiskja sööb teist ja see sööb järgmist jne, on tulemuseks mitmest lülist koosnev toiduahel. Jõuahela lülide arv ületab harva viit iga lüli suure energiakadu tõttu. See tähendab, et igal kõrgemal troofiline tasemel, väheneb energiavoog oluliselt. Kui arvutada energia hulk igal troofilisel tasemel (taimed, rohusööjad, esmased kiskjad, sekundaarsed lihasööjad jne), näeme, et saame omapärase energiapüramiid laia põhja ja väga kitsa ülaosaga, mis vastab toiduahela kõrgeimale tasemele (joon. 25-2). Välja arvatud mõned erandid, on tendents energiavoo ja isendite arvu järkjärgulisele vähenemisele ning nende isendite suuruse suurenemisele püramiidi põhjast tipu poole.

Energia ühelt troofiliselt tasemelt teisele ülekandmise nii madala efektiivsuse juures osutub esmatootjate lähedus ilmseks, kuid üsna haavatavaks eeliseks. See kehtib nii inimeste kui ka teiste tarbijate kohta ning ülerahvastatud riikides on mõistlik, kuigi iseenesest mitte eriti atraktiivne, järgida taimetoitu. Lõppude lõpuks saab riisiga toita palju rohkem inimesi kui siis, kui seda riisi söödaks kanadele ja sigadele ning kasutataks siis toiduks.

Toiduahel riisist inimeseni või ränivetikast räime ja kajakani on üllatavalt lihtne. Kuigi on palju loomi, kes toituvad ainult ühest liigist, on üldiselt iga organism mis tahes troofilises staadiumis kohanenud tarbima mitmesuguseid organisme, mõnikord endaga samal tasemel ja mõnikord täiesti erinevatel troofilistel tasemetel. Selle tulemusena kompleks troofiliste suhete "veeb"., mis oma paljude radade ja muundumiste tõttu on stabiilsem kui otsene toiduahel, mis võib kergesti laguneda ühe liigi ebapiisava arvukuse tõttu.

25.4. Lagundajad lagundavad orgaanilised jäägid ja muudavad need taimede tooraineks

Esmatarbija energiahulk, näiteks kui lehm sööb rohtu, on väiksem kui märgitud 90%, kui võtta arvesse lagundajatele eralduv energia. Sel juhul ei kata kambatäis heina mitte ainult lehma enda energiavajadust (suur osa sellest energiast muundub kehasoojuseks) ja tema seedesüsteemi paljusid sümbionte, vaid energia liigub läbi väljaheidete ja lõpuks ka lehmakorjus putukatele, ussidele ja miljonitele mikroorganismidele. Oma energiavajaduse rahuldamise käigus muudavad need organismid ained vormiks, milles taimed saavad neid uuesti kasutada.

25.5. Maal kasutatav energia muundatakse lõpuks kiirgusenergiaks, mis vabaneb tagasi avakosmosesse.

Nagu on näha jooniselt 25-3, on maakera energiavarustus tasakaalus. Biosfäär ja ülejäänud Maa toimivad hiiglasliku energiamuundurina, võttes vastu energiarikast nähtavat valgust, mis pöördub ümberkujunenud ja nähtamatu kiirgusena tagasi avakosmosesse. Biosfäär aeglustab tõhusalt energia muundumist, püüdes selle keemilise energia kujul lõksu ja kasutades seda elu toetamiseks Maal. Kuid kui söe, nafta ja nendega seotud ühendite energia välja arvata, ei kipu energia Maale kauaks jääma.

Ökoloogilises koosluses energiavoogudest rääkides on oluline meeles pidada, et pärast päikeseenergia hõivamist roheliste taimede poolt kaasneb selle liikumisega ökosüsteemis alati ainete voog.

Vaadates kulli jahti põldhiirele, näeme ühte radadest, mida mööda energia ökosüsteemis liigub.

Suur tähtsus on ka kaudsetel vaatlustel ning üheks parimaks meetodiks energia ja ainete liikumisteede määramiseks ökosüsteemis on fosfori, süsiniku, kaaliumi või muude elementide radioaktiivsete isotoopide lisamine taimedesse. Piirkonna edasisel uurimisel (radioaktiivsuse loenduri abil) võib selguda, et näiteks sipelgapesas on kõrge radioaktiivsus. Seejärel võib eeldada, et sipelgad kogusid taimset ainet või kasutasid lehetäisid, mis toitusid taimemahlast. Hilisema testimise korral võib mardikate ja lindude radioaktiivsus olla keskmisest kõrgem ning radioaktiivsust võib lõpuks leida lähedalasuvas kullipesas närilistel ja tibudel. Lõpuks võime tuvastada radioaktiivsuse leviku tagasi pinnasesse ja esmatootjatesse.

25.6. Süsinik, nagu ka teised põhielemendid, osaleb keerulises biokeemilises tsüklis

Kuigi energia- ja asjade vood ökosüsteemis on omavahel tihedalt seotud, erinevad nad üksteisest oluliselt. Seda energiat tuleb pidevalt täiendada, kuna aineid kasutatakse korduvalt. Võimalik, et mõned teie keha süsinikuaatomid on kogu eluajaloo olnud miljonite teiste organismide struktuuri lahutamatuks osaks ja sama võib öelda iga eluskoe aatomi kohta.

Maal eksisteerivast enam kui 100 elemendist on umbes 30 elusorganismide jaoks elutähtsad. Mõnda on vaja suurtes kogustes, näiteks süsinikku, vesinikku, hapnikku ja lämmastikku, mõnda aga väikestes kogustes. Siiski peavad nad kõik biosfääris ringlema. Tsükleid on kahte peamist tüüpi: üks sisaldab gaase ja tahkeid aineid, teine ​​ainult tahkeid aineid. Fosfor ei ringle biosfääris gaasina, kuid see võib sattuda atmosfääri osakeste kujul. Süsinik on element, mis siseneb elusorganismidesse ja maapinnale tahkes olekus ning õhku süsihappegaasina.

Vaatleme ühe süsinikuaatomi võimalikku saatust CO2 molekulis. See gaas võib lahustuda merevees (CO 2 +H 2 O->H 2 CO 3), moodustades süsihappe H 2 CO 3 või selle üksikud komponendid: H + ioonid, vesinikkarbonaat HCO - 3 või karbonaadid CO 2- 3. Need anioonid on seotud kaltsiumkatiooniga Ca 2+ ja võivad soojas vees sadestuda lubja, kaltsiumkarbonaadi CaCO 3 kujul. Sellisel kujul võib süsinikuaatom saada korallrifi lubjarikka skeleti lahutamatuks osaks.

Korall laguneb lõpuks ja lubi ladestub merepõhja. Möödub tuhandeid aastaid. Erinevate loopealsete katte alla tekib sügavale lubjakiht. Rõhk Maa vahevöös põhjustab lõpuks lubjakivi mäeaheliku tõusu pinnale. Tuule ja vihma mõjul toimub selle ülemiste kihtide aeglane erosioon ja kivimiosakesed lahustuvad põhjavees. CaCO 3 sattumisel happelisse pinnasesse eraldub süsihappegaas, mis satub õhku (2H + +CaCO 3 -> Ca 2+ +CO 2 +H 2 O). Süsinikdioksiidi neelavad õhust taimede lehed, näiteks tammelehed. Fotosünteesi käigus sisaldub süsihappegaas süsivesikute koostises, mis tänu tammelehtede sünteetilisele aktiivsusele oksüdeeritakse taas CO 2 -ks. Õhust võib CO 2 molekul siseneda lähima oleandri lehe stoomidesse ja taas taanduda süsivesikute kujul. Süsinikuaatom võib seejärel siseneda lehetäide kehasse ja saada aminohappe osaks. Mõne tunni pärast sööb lepatriinu lehetäid. Kolm päeva hiljem, kui lepatriinu saab robiini saagiks, muutub sama süsinikuaatom osaks robiini lihasrakkudes olevast valgust. Nädal hiljem langeb robin kulli küünistesse, kelle kehas on seda süsinikuaatomit sisaldav aminohape sule proteiini sisse lülitatud. Metskassi eest põgenedes kaotab kull sulestiku ja ta kukub soodsasse pinnasesse, kus ta kattub samblakihi järel. Sammal ja koos sellega see sulg muutub turbaks. Kui see turvas lõigati ja põletati, vabanes süsinikuaatom uuesti süsinikdioksiidi kujul. Mõne päeva pärast lahustub see vihmapiisas ja jõuab tagasi merre. Joonis 25-4 illustreerib süsinikuringet üldisemalt. Kuid see tee võib olla mõnevõrra erinev. Tegelikkuses ei ringle süsinik puhtal kujul. See on osa molekulidest, mis liiguvad vahel kiiresti, vahel aeglaselt tuhandetes eri suundades – maalt merele, merelt merre, mandrilt mandrile, taimelt loomale, loomalt taimele, organismilt atmosfääri jne. d. Iga süsinikuaatomi tsükkel on erinev.

25.7. Lämmastik ringleb biosfääris samamoodi nagu süsinik

Lämmastikuringe (joonis 25-5) on põhimõtteliselt sarnane süsinikuringele, välja arvatud see, et enamik rohelisi taimi ei suuda atmosfäärist lämmastikku hankida. Nad assimileerivad seda teatud abiga lämmastikku siduvad bakterid ja sinivetikad, mis on võimelised siduma kehas atmosfäärilämmastikku mitmesuguste roheliste taimede jaoks sobivate ühendite kujul. Mõned teadlased peavad imelikuks, et kõik taimed ja loomad vajavad lämmastikku, kuid ainult mõned neist, väga väikesed, suudavad seda atmosfäärist omastada. Teised taimed (ja loomad) sõltuvad lämmastikku siduvatest bakteritest ja vetikatest, et muuta õhulämmastik kasutatavateks ühenditeks.

Rohelised taimed neelavad lämmastikku peamiselt lämmastikhappe soolade kujul ning kasutavad seda valkude ja nukleiinhapete sünteesimiseks. Kui taimi tarbida toiduna, satub nende aminohapetes ja valkudes sisalduv lämmastik tarbija organismi. Lämmastik vabaneb kehast lõpuks lämmastikujäätmetena, nagu uriin, kusihape ja ammoniaak, või kudede lagunemise teel. Jäätmeid oksüdeerivad mitmed nitrifitseerivate bakterite liigid ja need muutuvad taas kättesaadavaks nitraatide või nitritorite kujul. Seega kasutatakse lämmastikuaatomit tavaliselt mitu korda, kuid mõnikord ka ammoniaagi, nitraadi või nitriti kujul. Mõju all denitrifitseeriv bakteritest vabaneb see gaasilises olekus. Gaasist lämmastikku võivad bakterid või fotogalvaaniline aktiivsus atmosfääris rekombineerida nitraatideks.

25.8. Inimtegevus on kaasa toonud lämmastikuringe tasakaalustamatuse

Looduse lämmastikuringe on tasakaalus, kuid mõnel pool maailmas on keskkonnatingimused viimase kolmveerand sajandi jooksul dramaatiliselt muutunud. Näiteks Ameerika Ühendriikide põllumehed, kes püüdsid toota valgurikkaid teraviljakultuure, ammendasid peagi mulla loodusliku nitraatide varud. Mõned neist hakkasid kasutama külvikorda ja kasutama põldudel sõnnikut väetisena. See aitas säilitada mulla orgaanilise lämmastiku sisaldust ega rikkunud mulla füüsilist struktuuri, mistõttu kuivendamine ja õhutamine (ussidega jne) toimis jätkuvalt hästi. Keemiliste väetiste kasutamine lämmastikku sisaldavate orgaaniliste jäätmete asemel võimaldas saada ka majanduslikult häid taimi, kuid ei taganud vajalikul määral orgaanilise aine jääke mullas. Pinnas muutus seega üha vähem poorseks. Sellises pinnases kasvanud taimedel oli ebapiisav hapniku juurdepääs juurtele ja nad ei saanud ära kasutada kogu mulda lisatud nitraati. Ülejäänud nitraat läks leostumise ja leostumise teel kaduma või muudeti ammoniaagiks, gaasiliseks lämmastiks ja lämmastikoksiidiks.

Seega vaesestatud huumusesisaldusega mullas annavad lämmastikväetised antud taimele toitaineid, kuid põhjustavad mulla edasist kurnatust, rikkudes mullasüsteemi tasakaalu. Suurem osa 10 miljonist tonnist USA pinnasesse kantud lämmastikust hajub gaasina atmosfääri või uhutakse koos vihma ja lumega järvedesse ja jõgedesse.

Sellel on üks eriti ohtlik tagajärg, mida võib näha Erie järves. Põllumajanduslike väetiste lämmastikujääkide liig koos fosforisisalduse suurenemisega on põhjustanud siin vetikate õitsengu suurenemist. Protsessi, mis põhjustab selle õitsemise, nimetatakse eutrofeerumine. Vetikad, mis neelavad anorgaanilist lämmastikku ja muudavad selle oma kasvu tagamiseks orgaaniliseks lämmastikuks, kasvavad kiiresti, surevad kiiresti ja reostavad järve orgaanilise ainega. Peamine probleem seisneb selles, et vetikad surevad varsti pärast õitsemist ära ning lagunevad bakterid ja seened kasutavad lagunemisel nii palju hapnikku, et vees ei jää piisavalt hapnikku teistele organismidele. Sellise orgaanilise aine peal elavad ja anorgaanilisteks sooladeks muutvad lagundajad vajavad hapnikku ja kui nad seda ei saa, koguneb järve põhja orgaaniline aine ja anaeroobse lagunemise kõrvalsaadused.

Häiritud on ka lämmastikuringe atmosfääris. Igal aastal toodavad USA tööstusettevõtted ja automootorid õhulämmastikust ja hapnikust rohkem kui 8 miljonit tonni lämmastikoksiide. Mõned neist* oksiididest moodustavad päikesevalguse käes ja koos kütusejäätmetega sudu, teised oksüdeeritakse nitraatideks, mis koos vihma ja lumega naasevad mulda ja vette, väetades taimi või suurendades vee eutrofeerumist.

Kunstväetiste intensiivne kasutamine aitas ajutiselt säilitada põllukultuuride tootlikkuse kõrget taset. See aga ohustas tõsiselt tulevasi põllukultuure, põhjustades lämmastikku siduvate bakterite väljasuremise ja häirides lämmastikuringe tasakaalu. Lisaks oli see suuresti veekogusid rikkuvate vetikate suurenenud õitsemise põhjuseks.

25.9. Väävel ringleb biosfääris ja sulfaate moodustades seob suures koguses hapnikku

Kõik elusorganismid vajavad teatud aminohapete moodustamiseks väävlit. Joonis 25-6 illustreerib selle elemendi peamisi ringlusteid. Taimed eraldavad mullast väävliioone ja kannavad need loomadele. Osa pinnasest pärit väävlit uhutakse merre, kus seda kasutavad veeorganismid või ladestuvad tuhanded aastad sademete kujul.

Setted tihenevad lõpuks, moodustades kivisütt või õli sisaldavat kivimit, põlevkivi jne. Seejärel jätkab rera tsüklis osalemist kas kivimite ilmastiku mõjul või põlemisproduktidena, kui inimene kasutab kütusena naftat ja kivisütt.

Sarnaselt nitraatidega koguneb merre järjest rohkem sulfaate. Ringluses osaleva väävlivarude täiendamise allikaks võivad olla mitmesugused sulfaadid, kuid need (SO 2-4), mis mullast leostuvad, moodustavad osa maakera hapnikuvarust ega ole tsüklis osalenud aastatuhandeid. . On ainult üks protsess, mis töötab vastupidiselt ja vabastab sulfaatidest hapnikku. See protsess viiakse läbi sulfaate redutseerivad bakterid elavad järvede, soode ja jõesuudmete mudas. Need bakterid surevad vaba hapniku juuresolekul ja elavad seetõttu hapnikuvabas keskkonnas. Nad kasutavad väävlit samamoodi nagu teised organismid hapnikku ja muudavad SO 2-4 vesiniksulfiidiks (H 2 S) ja hapnikuks. Tõenäoliselt aga, kuna nende bakterite tähtsus on enamikule inimestest teadmata, kuivendatakse sood ja täituvad sood. Mõned teadlased usuvad, et kuivendustegevuse jätkamine, isegi praegusega samas mahus, võib mõjutada keskkonna hapnikuvarustust.

25.10. Fosfor ja mitukümmend muud mineraali ringlevad ökosüsteemides, mis ei ole gaasilises olekus

Fosforit vajavad taimed ja loomad DNA ja energiarikka ATP moodustamiseks ning loomad lisaks luukoe tekkeks. Fosfori tsükkel erineb mõnevõrra süsiniku, lämmastiku ja väävli tsüklist, kuna see ei eksisteeri kunagi gaasilises olekus.

Fosfor liigub peamiselt vees või orgaaniliste ainete osana (joon. 25-7) ja osaleb nn. settetsükkel. Väiksem osa sellest liigub osakestena atmosfääris. Fosfor on eriti tundlik gravitatsiooni suhtes ja koguneb kiiresti järvedesse ja meredesse. Seal kipub see jääma setetesse ja naasma Maa pinnale ainult üliaeglaste mägede ehitamise protsesside kaudu. Tänu sellele ja kuna fosfor on organismides suhteliselt kontsentreeritum kui keskkonnas, muutub see sageli organismide kasvu piiravaks teguriks. (Kui organismis on piisavas koguses kõiki vajalikke toitaineid peale fosfori, piirab selle aine puudumine tema kasvu.) Kuna fosfori allikaks on kivimid ja pinnas, siis pärast fosfori konkreetsest eemaldamist selle sisaldus neis kohe ei taastu. ala. Ökosüsteemi, olgu selleks järv, järv, laht või heinamaa, tootlikkus võib fosforipuuduse tõttu oluliselt väheneda.

Ökosüsteemides on vajalikud ka vask, raud, magneesium, koobalt, tsink, boor ja mitukümmend muud elementi. Nende tsükkel sarnaneb fosfori tsükliga selle poolest, et nad ei eksisteeri üldiselt gaasilises olekus ega saa liikuda läbi atmosfääri. Mõningaid loetletud elemente lisatakse põldudele üha suuremas koguses, kuigi see võib kaasa tuua mulla loodusliku struktuuri ja tasakaalu häireid, veekogude saastumist jne. Mida rohkem on selliseid ja sarnaseid häireid, seda rohkem on seal keemilist energiat. on väetisena, pestitsiididena, põllumajandusmasinate kütusena jne - tuleb investeerida sama saagi saamiseks. Põllumajanduse areng sõltub tegelikult fossiilkütuste (kasutatakse kütusena ja väetiste, elektri jne tootmisel) kättesaadavusest, mitte tööjõu hulgast või ainete loomulikust ringlusest. Kuna fossiilkütused kuluvad ära ja nende kulud kasvavad, siis toiduainete hinnad tõusevad, kuid vajadus nende järele ei vähene.

Teema: Energia muundamine biosfääris.
Ainete ja voolude tsükkel
energiat.

Lihhoslavl
2008
Sisu.

Sissejuhatus…………………………………………………………………..3
1. Suured ja väikesed ainete tsüklid…………… ………………………4
2. Ainete tsükkel ökosüsteemides…………………………………………5
3. Organismide roll aineringes…………………………………..8
4. Süsinikuringe biosfääris………………………………………9
5. Lämmastiku tsükkel biosfääris………………………………………………11
6. Fosfori tsükkel biosfääris……………………………………………13
7. Energiavoog biosfääris…………………………………………………… ...16
Lisa……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… . ......20

Sissejuhatus.

Maa kesta, milles elu eksisteerib, nimetatakse biosfääriks.
Biosfäär koosneb elavatest ehk biootilistest ja elututest ehk abiootilistest komponentidest. Biootiline komponent on kogu elusorganismide kogum. Abiootiline komponent on energia, vee, teatud keemiliste elementide ja muude anorgaaniliste tingimuste kombinatsioon, milles elusorganismid eksisteerivad.
Elu biosfääris sõltub energiavoolust ja ainete ringlusest biootiliste ja abiootiliste komponentide vahel. Ainete tsükleid nimetatakse biogeokeemilisteks tsükliteks. Nende tsüklite olemasolu tagab Päikese energia. Maa saab Päikeselt umbes 1,3? 10 24 kalorit aastas. Umbes 40% sellest energiast kiirgatakse tagasi kosmosesse; 15% neeldub atmosfääri, pinnasesse ja vette; ülejäänud energia on nähtav valgus, kogu Maal elava elu peamine energiaallikas.
Fotosüntees, kemosüntees, hingamine ja fermentatsioon on peamised protsessid, mille käigus energia liigub läbi organismide. Esimesed kaks protsessi tagavad orgaaniliste ainete sünteesi valgusenergia tõttu (fotosüntees) ja anorgaaniliste ainete oksüdatsiooni (kemosüntees). Hingamisel ja käärimisel lagunevad orgaanilised ained, milles sisalduvat energiat kasutavad elusorganismid ära, kuid lõpuks muutub see soojuseks.

Suured ja väikesed ainete tsüklid.

Akadeemik V.R. Williams kirjutas, et ainus viis anda millelegi lõplikule lõpmatu omadused on panna lõplik pöörlema ​​mööda suletud kõverat ehk kaasata see tsüklisse.
Kõik ained planeedil Maa on biokeemilises ringluses. Seal on kaks peamist tsüklit: suur (geoloogiline) ja väike (biootiline).
Suur tsükkel kestab miljoneid aastaid. Kivid hävivad, murenevad ja veevoolude poolt kantakse maailma ookeani, kus need moodustavad võimsaid merekihte. Mõned keemilised ühendid lahustuvad vees või kuluvad ära biotsenoosi poolt. Suured aeglased geotoonilised muutused, mandrite vajumise ja merepõhja tõusuga seotud protsessid, merede ja ookeanide liikumine pikema aja jooksul viivad selleni, et need kihid pöörduvad tagasi maismaale ja protsess algab uuesti.
Väike tsükkel, mis on osa suurest, toimub biogeocenoosi tasemel ja seisneb selles, et mullast, veest ja õhust pärit toitained kogunevad taimedesse ning kulutatakse nende massi ja eluprotsesside tekitamiseks neis. Bakterite mõjul tekkinud orgaanilise aine lagunemissaadused lagunevad taas taimedele ligipääsetavateks mineraalseteks komponentideks ja tõmmatakse nende poolt ainevoogu.
Kemikaalide tagasipöördumist anorgaanilisest keskkonnast läbi keskkonna päikeseenergia ja keemiliste reaktsioonide abil nimetatakse biokeemiliseks tsükliks.

Ainete tsükkel ökosüsteemides.

R. Ricklefsi (1979) järgi võib ökosüsteemi kujutada viie blokina (kolm aktiivset, kaks täiendavat), mida läbivad erinevad ained (lisa 1).
Elementide vahetusfondi moodustavad kolm aktiivset plokki:

elusorganismid;
surnud orgaaniline jääk;
kättesaadavad anorgaanilised ained.

Elementide reservfondi moodustavad kaks täiendavat plokki:

kaudselt ligipääsetavad anorgaanilised ained;
orgaanilise aine settimine.

Organismide roll ainete ringelus.

Süsinikuringe biosfääris.

Kõige intensiivsem biogeokeemiline tsükkel on süsinikuring. Looduses esineb süsinik kahel põhilisel kujul – karbonaadid (lubjakivid) ja süsinikdioksiid.
Põhiosa akumuleerub ookeanipõhja karbonaatides (1016 tonni), kristallilistes kivimites (1016 tonni), kivisöes ja naftas (1016 tonni) ning osaleb suures ringlustsüklis. Suure süsinikuringe peamine lüli on fotosünteesi ja aeroobse hingamise vaheline seos.
Teine lüli suures süsinikuringes on anaeroobne hingamine (ilma hapnikuta); Erinevad anaeroobsete bakterite liigid muudavad orgaanilised ühendid metaaniks ja muudeks aineteks (näiteks märgalade ökosüsteemides, prügimägedes).
Väike tsükkel hõlmab süsinikku, mis sisaldub taimekudedes (umbes 1011 tonni) ja loomsetes kudedes (umbes 109 tonni).
Nagu teate, on orgaanilised ained üles ehitatud süsinikuaatomite baasil. Just süsinikuaatomite eripärad (võime moodustada lihtsaid ja mitmekordseid sidemeid, ühenduda üksteisega pikkadeks ahelateks ja erineva suurusega tsükliteks jne) tõid süsiniku elutähtsuselt esikohale.
Süsinikuring toimub tänu kahe juba mainitud põhiprotsessi – fotosünteesi ja rakuhingamise – toimimismehhanismile, mis on evolutsiooni käigus selgelt välja kujunenud.
Päikeseenergiat elektromagnetkiirguse kujul kasutab biosfäär fotosünteesi käigus. Viimane on keemilisest seisukohast väga keeruline protsess, mida saavad läbi viia vaid need organismid, kelle rakkudes töötavad ainulaadsed klorofülli molekulid.
Fotosünteesi käigus muundub Päikese elektromagnetiline energia orgaaniliste ühendite, eelkõige süsivesikute (CH 2 O) n keemiliste sidemete energiaks.
Iga-aastane biomassi juurdekasv fotosünteesi tulemusena planeedil on ligikaudu 200 miljardit tonni.
Rakuhingamine on fotosünteesile vastupidine protsess, mille käigus toimub CO 2 ja H 2 O sünteesitud süsivesikute lagunemine. Selle eesmärk on eraldada süsivesikute molekulidest energiat (oksüdatsiooni teel), muuta see ATP-ks ja seejärel kasutada seda raku erinevate energiavajaduste rahuldamiseks. Kõik organismid (nii heterotroofsed loomad kui ka autotroofsed taimed) kasutavad (CH2O)n oksüdeerimiseks fotosünteesi käigus vabanevat O2. Seega on nii fotosüntees kui ka hingamine biosfääris ühes ainete voolus omavahel seotud. Ained (algselt CO 2, H 2 O ja O 2) võivad tsüklit teha nii kaua kui soovitakse, nad osalevad vaheldumisi fotosünteesis ja hingamises. Keemilisest vaatenurgast, kui nendes tsüklites olevad ained muutuvad pidevalt, justkui aatomeid vahetades ja ümber paigutades, siis elementide endi aatomid (näiteks süsinik) ei muutu.

Lämmastiku tsükkel biosfääris.

Fosfori tsükkel biosfääris.

Energiavoog biosfääris.

Erinevalt mateeriast ei allu energia tsüklilisuse seadusele. Raku, üksiku organismi ja ökosüsteemi normaalseks eluks peab Päike Maad pidevalt uute ja uute energiaosadega varustama.
Energiavoog biosfääris – energia ülekandmise ja kasutamise protsessid biosfääri erinevates komponentides. Elusorganismide koguarv igas biotsenoosis, nende arengu ja paljunemise kiirus sõltub lõpuks ökosüsteemi siseneva energia hulgast, selle liikumise kiirusest ja lõpuks selles sisalduvate ainete ringluse intensiivsusest. . Erinevalt ainete tsüklilisest liikumisest toimub energia muundumine ühes suunas. Biosfääri ainsaks energiaallikaks on päikesevalgus (ainult väikesed kohalikud ökosüsteemid kasutavad keemiliste reaktsioonide energiat). Osa päikeseenergiast (0,1 - 1,6% kogu Maa pinnale jõudvast kogusest) muundub organismide koosluste poolt ja liigub kvalitatiivselt kõrgemale tasemele, muutudes orgaaniliseks aineks, mis on päikesevalgusest kontsentreeritum energiavorm. Kuid suurem osa energiast laguneb, läbib süsteemi ja jätab selle madala kvaliteediga soojusenergiaks (jahutusradiaator). Energia muundamise efektiivsus ökosüsteemides kajastub energiapüramiidis, mis on üles ehitatud energiahulga (kilokalorites - kcal) loendamisega, mis koguneb pinnaühikule ajaühikus ja mida kasutavad organismid igal troofilisel tasemel. Vaid väike osa kogu sellest energiast jääb organismidesse ja talletub biomassi, ülejäänu kulub elusolendite ainevahetusvajaduste rahuldamiseks.
Toiduahela organiseerimise põhimõtted peegeldavad kahe termodünaamika seaduse toimimist. Termodünaamika esimese seaduse kohaselt tasakaalustab energia sissevoolu selle väljavool ja iga energiaülekandega kaasneb selle hajumine soojusenergia kasutamisele kättesaamatus vormis (hingamise ajal), nagu nõuab teine ​​seadus.
Ökosüsteemi ajaühikus sisenev energia koguhulk kas laguneb, eksporditakse või akumuleerub. Hingamisel kaotatud, ökosüsteemi kogunenud ja kaotsi läinud energia hulk võrdub fotosünteesi käigus salvestatud energiaga. Toiduahelas toimuva ühekanalilise energiaülekande asemel tekib kahekanaliline, kui energiavoog tootjatelt jaguneb detritaalseks ja karjatamisahelaks. Karjatamise toiduahel on energiavoog taimedelt läbi esmajärguliste tarbijate (rohutoidulised). Ülejäänud puhas toode, mida tarbijad ei kasuta, täiendab surnud orgaanilist ainet. See koosneb väljaheitest, mis sisaldab osa seedimata toidust, samuti loomade surnukehadest, taimejäätmetest ja seda nimetatakse detriidiks. Surnud orgaanilisest ainest pärinevat ja lagundajate süsteemi läbivat energiavoogu nimetatakse detritaalseks toiduahelaks. Kuna see vastab ökosüsteemi põhilisele kihilisele struktuurile, on elavate taimede otsetarbimine ja surnud orgaanilise aine kasutamine tavaliselt ruumiliselt ja ajaliselt eraldatud, makrotarbijad (fagotroofsed loomad) ja mikrotarbijad (saprofüütsed bakterid ja seened) erinevad üksteisest suuresti. ainevahetuse kiiruse ja suuruse suhe ning nende uurimine nõuab erinevaid meetodeid. Neid kahte rada läbivate netoenergia osade kogused on erinevat tüüpi ökosüsteemides erinevad ja varieeruvad sageli sama ökosüsteemi aastaaegade või aastate lõikes. Kõigis ökosüsteemides on karjatamis- ja detriit-toiduahelad omavahel ühendatud, nii et süsteem suudab vastusena välistele energiasisenditele kiiresti voogusid vahetada.
jne.................

Meie planeedi elav kest (biosfäär) neelab pidevalt päikeseenergiat, aga ka energiat, mis pärineb Maa soolestikust. Kogu energia kandub modifitseeritud kujul ühelt elusorganismilt teisele ja satub keskkonda. Need energiavood on pidevas "voolu" seisundis ja mängivad olulist rolli biomassi loomisel.

Maapinnale langeb aastas ligikaudu 21x1023 kJ energiat. Sellest kogusest moodustavad Maa taimedega kaetud alad ja veekogud koos neis sisalduva taimestikuga vaid umbes 40%. Võttes arvesse peegeldumisest ja muudest põhjustest tingitud kiirgusenergia kadu, võib fotosünteesi energiasaagist, mis ei ületa 2%, aastas fotosünteesitoodetes salvestatud energia koguhulka väljendada väärtusena, mis läheneb 2,0x1022 kJ. .

Lisaks puhaste toodete tekkele kasutab planeedi kuiva osa eluskate hingamiseks biosfääri sisenevat päikeseenergiat: umbes 30-40% puhaste toodete tekkeks vajalikust energiast. Seega muundab maa taimkate (puhaste toodete ja hingamise loomiseks) aastas kokku umbes 4,2x1018 kJ päikeseenergiat.

Biomassi olemasolu ja teke on seotud pideva energia ja ainete tarnimisega ümbritsevast ruumist. Suurem osa maapõues leiduvatest ainetest läbib elusorganisme ja siseneb ainete bioloogilisse tsüklisse, mis loob biosfääri ja määrab selle stabiilsuse. Elama biosfäär energeetiliselt hoitud tänu pidevale sissevoolule päikeseenergia ja selle kasutamine fotosünteesiprotsessides.

Elusrakkude molekulidesse sisenedes muundatakse Päikeselt tulev energia keemiliste sidemete energiaks. Fotosünteesi käigus kasutavad taimed päikese kiirgusenergiat madala energiatarbega ainete (H2O ja CO2) muutmiseks keerukamateks orgaanilisteks ühenditeks, kus osa päikeseenergiast salvestub keemiliste sidemete kujul. Fotosünteesi tulemusena saadud orgaanilised ained on taime enda energiaallikaks või kanduvad tarbimise ja järgneva assimilatsiooni käigus ühelt organismilt teisele.

Orgaanilistes ühendites sisalduva energia vabanemine toimub ka käärimise või hingamise käigus. Saprofüüdid (seened, heterotroofsed bakterid, mõned taimed ja loomad) lagundavad biomassi jäägid nende koostises olevateks anorgaanilisteks osadeks (mineraliseerumine), soodustades keemiliste elementide ja ühendite kaasamist tsüklisse, mis tagab orgaanilise aine tootmise regulaarsed tsüklid.

Planeedi elav kest neelab pidevalt mitte ainult Päikese energiat, vaid ka Maa sisikonnast tulevat energiat; energia muundub ja kandub ühest organismist teise ning kiirgab keskkonda. Tuleb selgelt aru saada, kuhu energiavood “voolavad” ja milline on nende roll biomassi loomisel.

Igal aastal langeb maapinnale umbes 2110 23 kJ, millest vaid umbes 40% langeb taimedega kaetud maa-aladele, aga ka taimestikuga veehoidlatele. Võttes arvesse peegeldumisest ja muudest põhjustest tingitud kiirgusenergia kadu ning fotosünteesi energiasaagist, mis ei ületa 2%, jääb fotosünteesiproduktides aastas salvestatud energia kogusumma suurusjärku 2,010 22 kJ. Lisaks puhaste toodete loomisele kasutab elav maakate enda poolt püütavat päikeseenergiat hingamisprotsessiks: umbes 30–40% energiast kulub puhaste toodete loomisele. Seega muundab maismaa taimestik päikeseenergiat kokku (hingamiseks ja puhaste toodete loomiseks) umbes 4,210 18 kJ aastas.

Biomassi teke ja olemasolu on lahutamatult seotud keskkonnast saadava energia ja ainetega. Enamik maakoores leiduvaid aineid läbib elusorganisme ja osaleb biosfääri loonud ja selle stabiilsuse määravas ainete bioloogilises ringluses. Energia osas toetab elu biosfääris pidev Päikesest lähtuv energiavoog ja selle kasutamine fotosünteesi protsessides. Päikeseenergia voog, mida tajuvad elusrakkude molekulid, muundatakse keemiliste sidemete energiaks. Fotosünteesi protsessis kasutavad taimed päikesevalguse kiirgusenergiat madala energiasisaldusega ainete (CO 2 ja H 2 O) muutmiseks keerukamateks orgaanilisteks ühenditeks, kus osa päikeseenergiast salvestub keemiliste sidemete kujul (joonis 4). . 2).

Riis. 2. Energia muundumine biosfääris (tahked nooled – ainete tsükkel, katkendlikud nooled – energia vool)

Fotosünteesi käigus moodustunud orgaanilised ained toimivad taime enda energiaallikana või kanduvad söömise ja järgneva assimilatsiooni käigus ühest organismist teise. Orgaanilistes ühendites sisalduva energia vabanemine toimub ka hingamise või käärimise käigus. Saprofüüdid (heterotroofsed bakterid, seened, mõned loomad ja taimed) lagundavad biomassi jäägid anorgaanilisteks komponentideks (mineraliseerumine), soodustades ühendite ja keemiliste elementide kaasamist bioloogilisse ringlusse, mis tagab orgaanilise aine tootmise regulaarsed tsüklid. Juhime tähelepanu sellele, et toidus sisalduv energia ei ringle, vaid muutub järk-järgult soojusenergiaks. Selle tulemusena naaseb organismide poolt keemiliste sidemete kujul neeldunud päikeseenergia soojuskiirgusena taas kosmosesse. Seetõttu vajab biosfääri elusaine pidevat päikeseenergia voolu. Maale tuleb lühilaine kiirgus (valgus) ja pikalaineline soojuskiirgus sealt lahkub. Samas ei säili nende energiate tasakaal: planeet kiirgab kosmosesse veidi vähem energiat, kui Päikeselt saab. Selle erinevuse (protsentide osad) neelab biosfäär, kogudes energiat järk-järgult, kuid pidevalt. See osutus piisavaks, et ühel päeval planeedile ilmuks Elu, tekiks biosfäär ja jätkaks elusaine arengu toetamist planeedil.

Biosfääri energiabilanss on neeldunud ja emiteeritud energia suhe. Selle määrab Päikeselt saabuva energia ja kosmiliste kiirte saabumine, mille taimed fotosünteesi käigus neelavad, millest osa muundub teist tüüpi energiaks ja teine ​​osa hajub avakosmosesse.

Ainete ringlus biosfääris on teatud edasiliikumisega ainete korduv muundumiste ja ruumiliste liikumiste protsess, mis väljendub üksikute tsüklite kvalitatiivsetes ja kvantitatiivsetes erinevustes.

Tänapäeva mõistes on Maa biosfäär globaalne avatud süsteem, millel on oma "sisend" ja "väljund". Selle sisendiks on kosmosest tulev päikeseenergia voog ja litosfääri keemiline energia, biogeenses tsüklis osalev aine, kättesaadav sisemine teave ja välisteabe voog. Biosfääri väljund hajub ja eraldub, peamiselt soojusenergia, tsüklist väljuv aine, ümberkorraldatud sisemine informatsioon ja väljamineva info voog.

Organismide elutegevuse ja ainete ringluse säilitamine ökosüsteemides on võimalik ainult tänu pidevale päikeseenergia juurdevoolule. Seda energiat raisatakse tohututes kogustes atmosfääris, hüdrosfääris ja litosfääris toimuvatele füüsikalistele ja keemilistele protsessidele: õhuvoolude ja veemasside segunemisele, aurustumisele, ainete ümberjaotumisele, mineraalide lahustumisele, gaaside neeldumisele ja eraldumisele.

Maa pinnale jõuab vaid 1/2 000 000 päikeseenergiast, samas kui taimed omastavad sellest 1–2%.

Maal toimub üksainus protsess, mille käigus päikesekiirguse energiat mitte ainult ei kulutata ja jaotatakse ümber, vaid ka seotakse ja talletatakse väga pikka aega.

See protsess on orgaanilise aine loomine fotosünteesi teel. Ahjudes sütt põletades vabastame ja kasutame päikeseenergiat, mida taimed on salvestanud sadu miljoneid aastaid tagasi.

Taimede (autotroofide) peamine planetaarne funktsioon on siduda ja salvestada päikeseenergiat, mis seejärel kulub biosfääris toimuvate biokeemiliste protsesside alalhoidmiseks. Heterotroofid saavad energiat toidust. Kõik elusolendid on teistele toiduobjektid, s.t. omavahel seotud energiasuhetega. Toiduühendused biotsenoosides on mehhanism energia ülekandmiseks ühelt organismilt teisele. Mis tahes liigi organismid on potentsiaalseks energiaallikaks teisele liigile. Igas kogukonnas moodustavad troofilised ühendused keeruka võrgu.

Tarbijate energiabilanss on järgmine. Imendunud toit ei imendu tavaliselt täielikult. Seeduvuse protsent sõltub toidu koostisest ja seedeensüümide olemasolust organismis. Loomadel omastatakse ainevahetuse käigus 12–75% toidust. Toidu seedimata osa suunatakse tagasi väliskeskkonda (väljaheidete kujul) ja võib osaleda teistes toiduahelates.

Suurem osa toitainete lagunemise tulemusena saadavast energiast kulub organismis toimuvatele füsioloogilistele protsessidele, väiksem osa muundub organismi enda kudedeks, s.o. kulutatakse kasvule, kehakaalu suurendamisele ja varutoitainete säilitamisele.

Energia ülekandmine kehas toimuvates keemilistes reaktsioonides toimub vastavalt termodünaamika teisele seadusele, kusjuures osa sellest kaob soojuse kujul. Need kaod on eriti suured loomade lihasrakkude töö ajal, mille efektiivsus on väga madal.

Kulutused hingamisele on samuti kordades suuremad kui energiakulu kehakaalu suurendamisel. Konkreetsed suhted sõltuvad indiviidide arenguastmest ja füsioloogilisest seisundist. Noored isendid kulutavad rohkem kasvule, samas kui täiskasvanud isendid kasutavad energiat peaaegu eranditult ainevahetuse ja füsioloogiliste protsesside säilitamiseks.

Seega läheb suurem osa energiast kaotsi üleminekul ühelt toiduahela lülilt teisele, sest teine, järgmine link saab kasutada ainult eelmise lingi biomassis sisalduvat energiat. Hinnanguliselt on need kaod umbes 90%, s.o. vaid 10% tarbitavast energiast salvestub biomassis.

Kooskõlas sellega hakkab taimsesse biomassi toiduahelates kogunenud energiavaru kiiresti ammenduma. Kaotatud energiat saab täiendada ainult Päikese energiaga. Sellega seoses ei saa biosfääris toimuda energiaringet, mis on sarnane ainete tsükliga. Biosfäär toimib ainult tänu ühesuunalisele energiavoolule, selle pidevale tarnimisele väljastpoolt päikesekiirguse näol.

Seega jaguneb energiavoog biosfääris kaheks põhikanaliks, mis jõuab tarbijateni läbi elusate taimekudede või surnud orgaanilise aine reservide, mille allikaks on samuti fotosüntees.