Учебно-методический комплекс дисциплины «происхождение и эволюция биосферы» (стр. 12 )

       3 Глобальный биологический круговорот

Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический (биотический).

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого (геологического) круговорота лежит процесс переноса веществ, в основном минеральных соединений, из одного места в другое в масштабе планеты.

Около 30% падающей на Землю солнечной энергии расходуется на перемещение воздуха, испарение воды, выветривание горных пород, растворение минералов и т. п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии почв и горных пород, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся морские отложения могут возвращаться на поверхность суши, и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность, землетрясения и движение океанических плит в земной коре.

Круговорот воды, включающий ее переход из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В процессе гидрологического цикла происходят значительное перераспределение и существенная очистка планетарных запасов воды. При этом следует отметить, что наибольшей скоростью обновления обладают наиболее важные для существования живой среды суши – пресные воды. Период их оборота составляет в среднем около 11 суток.

На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический (биотический) круговорот.

В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.

В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества затрачивается всего около 1% падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую форму для других.

Все абиотические и биотические планетарные циркуляции веществ тесно переплетены и образуют глобальный системно существующий круговорот, с перераспределением энергии Солнца, с отсутствием противоречий между его отдельными ветвями и практически с нулевым вещественным балансом.

В круговороте элементов различают две части: резервный (недоступный) фонд - большая небиологическая часть медленно движущихся веществ и обменный (доступный) фонд - меньшая, но более подвижная часть, которая быстро обменивается между организмами и окружающей их средой.

Биогеохимические циклы делятся на два типа: газообразные циклы с резервным фондом малоподвижного химического элемента в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете (кроме круговорота воды), являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных макроэлементов.

Биологический круговорот веществ – последовательная, беспрерывная циркуляция химических элементов, которая происходит за счет солнечного излучения и поддерживается совокупностью организмов, объединенных посредством цепей питания. Биологический круговорот веществ состоит из процессов образования органических веществ из элементов, которые содержатся в воздухе, почвах, воде и последующего разложения этих веществ, в результате которого элементы переходят в минеральную форму.

Биологический круговорот веществ обеспечивает необходимые элементы внешней и внутренней среды живых организмов и поддерживает ее устойчивость. Это, прежде всего, круговорот углерода, кислорода азота, фосфора и т. д.

Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в т. ч. в тех их слоях, которые входят в биосферу планеты. Особое значение имеет круговорот биофильных элементов – азота, фосфора серы.

Круговорот биологический – явление непрерывного, циклического, но неравномерного во времени и пространстве и сопровождающегося более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экосистем различного иерархического уровня организации от биогеоценоза до биосферы. Полного круговорота веществ в пределах биогеоценоза не происходит т. к. часть веществ всегда уходит за его пределы.

Круг биотического обмена большой (биосферный) - безостановочный, планетарный процесс закономерного циклического неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии, информации многократно входящих (кроме однонаправленного потока энергии) в непрерывно обновляющееся экологические системы биосферы.

И здесь главный параметр – коэффициент экологической эффективности. Отношение биомассы организмов к количеству потребляемого ими органического вещества иногда называют коэффициентом экологической эффективности. Этот коэффициент, как правило, не превосходит 10-20.

Интенсивность процессов обмена (метаболизм) на единицу веса живого организма обычно тем больше, чем меньше этот организм. Причина этой закономерности – существенная зависимость процесса обмена от скорости диффузии газов через поверхность организмов, которая увеличивается на единицу их биомассы по мере уменьшения размера.

Общая величина биомассы для Земли по оценкам (1969) составляет 310, причем свыше 95% этой величины относится к растениям и 5% к животным. Из всего этого основная масса приходится на леса континентов.

Считая, что суммарная продуктивность растений на континентах составляет 14010 тонн, заключим, что время одного цикла кругооборота органического вещества на континентах составляет около 20 лет (вероятно это относится к лесам). Для других этот цикл короче, еще меньше – для океанов, для фитопланктона – несколько дней). Продолжительность одного цикла кругооборота оргвещества животных составляет несколько лет (общая биомасса животных равна около 10(11) тонн и они осваивают 10% от итоговой продуктивности растений). Согласно данных Хаксли (Нихley,1962) в африканских саваннах биомасса крупных диких животных может достигать 15-25 т./км. кв., в лесах умеренных широт - 1 т/км. кв., в тундре - 0,8 т/км. кв, в полупустыне - 0,35т /км. кв.

Оценка биологической массы людей и расчет потребляемой энергии в ходе их питания рассчитывается точнее. Сейчас (при более 4 млрд. чел, биомасса людей составляет около 0,2.10^19 тонн. Человек ежедневно потребляет 2,5.10^3 ккал энергии, тогда суммарное потребление энергии людьми составляет 1,8.10^15ккал/год. Эта величина приблизительно соответствует современной продуктивности сельскохозяйственного производства, т. е. в современную эпоху человек потребляет около 0,2% первичной продукции органического мира. Несколько тысяч лет назад эта цифра была значительно ниже 0,01%, а еще будет расти.

Поскольку в основе процесса создания органического вещества лежит поглощение автотрофными растениями углекислого газа, часто называемого углекислотой, из атмосферы и гидросферы, то его в первую очередь необходимо анализировать в глобальном биологическом круговороте. Его в атмосфере около 2,3.10^12, т. е. 0,032% всего атмосферного воздуха (объемные %). В гидросфере его больше 130.10^12 тонн. Он мало изменяется в различных географических районах и с высотой. Причина - независимость содержания углекислоты от температуры. Главные компоненты круговорота углекислоты определяются биологическими процессами, и немного - геологическими. Расход на фотосинтез за год 3.10^17 (это карбонатные). Среднее время возобновления углекислоты в атмосфере составляло около 10 лет.

Основные понятия: экосистема, биогеоценоз, экотоп, биоценоз, продуценты, консументы, редуценты, биогеохимические циклы, большой, или геологический (абиотический), малый, или биологический (биотический) круговорот.

       Вопросы для самоконтроля:

1 Охарактеризуйте биогеоценозы как основные структурные элементы биосферы.

2 Покажите взаимосвязь между основными биогеохимическими функциями биосферы и химическими элементами.

3 Укажите основные звенья биологического круговорота.

               Рекомендуемая литература:

1 Химическая экология. – Семипалатинск, 2002. – С. 503-545.

Лекции 10-12 Механизмы устойчивости биосферы

План лекции:

1 Синергетика биосферы (теория  открытых  систем)

       2  Динамика популяций

3 Жизненные стратегии

4  Реализация экологических ниш

       5  Принцип экологической эквивалентности

Краткий конспект лекции

1 Синергетика биосферы (теория  открытых  систем)

Все виды гомеостаза, наблюдаемого в живых организмах и экосистемах, не являются статическими, а достигаются за счет непрерывно протекающих процессов, активно препятствую­щих любой тенденции к нарушению этого постоянства.

Законы развития живой и косной материи описываются двумя противоположными теориями - это классическая термо­динамика и эволюционное учение Ч. Дарвина. Обе теории от­ражают единую физическую реальность, но соответствуют раз­личным ее проявлениям.

Согласно второму началу термодинамики, если рассматривать Вселенную как закрытую систему, она идет к своей не­избежной дезинтеграции, так как запас полезной энергии, при­водящей мировую машину в движение, рано или поздно будет исчерпан. Если запас полезной энергии в системе тает, то ее способность поддерживать организованные структуры ослабе­вает. Высокоорганизованные структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены слу­чайными элементами. Мера внутренней неупорядоченности системы - энтропия - растет. Второе начало термодинамики пред­сказывает все более однородное будущее окружающего мира.