Вещества и энергии в экосистеме
Рис. 2.4. Пример пирамиды пищевой цепи
Энергия и вещество в пределах экосистемы передается с одного трофического уровня на другой. Пищевая цепь— путь однонаправленного потока энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. Наглядным способом отражения связей между организмами разных трофических уровней и организации биоценозов является пищевая пирамида или пирамида энергий (рис. 2.4). Существует закон убывания биомассы на каждом последующем трофическом уровне. С каждого трофического уровня на следующий более высокий уровень по лестнице «продуцент—консумент—редуцент» передается только небольшая часть энергии — примерно 10%. При каждом очередном переходе большая часть энергии (до 90%) теряется, переходя в тепло. Кроме того, при переходе с уровня на уровень часть органического вещества исключается из круговорота и уходит в геологический запас. В результате происходит накопление органических веществ в осадочных породах.
Общее количество солнечной энергии, ежегодно поступающей на Землю, составляет примерно 2∙1024 Дж, из которых аккумулируется растениями — 1,9 1021 Дж. Разлагается фотохимическим путем около 130 млрд т воды и выделяется в окружающую среду 115 млрд. т кислорода. В биотическом круговороте кроме углерода участвуют азот, кремний, кальций, фосфор, сера и многие другие вещества. Всего в биотическом круговороте участвует более 60 химических элементов.
Углеводороды, как и все горючие полезные ископаемые, являются продуктом взаимодействия биоты и геосфер. Вся история их формирования и разрушения является частью общего глобального цикла углерода. Углерод наиболее ярко отражает связь биосферы с глубинными частями Земли. Это один из основных элементов, образующих живое вещество Земли. Его непрерывное поступление в атмосферу балансируется непрерывным удалением из атмосферы в гидросферу и осадочную оболочку планеты. Хранители углерода — живая биомасса, гумус, карбонатные осадочные породы, горючие полезные ископаемые.
За геологический период с момента появления жизни на Земле углерод атмосферы, гидросферы и литосферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение примерно четырех лет растения усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, за это время обновляется углеродный состав атмосферы. Цикл оборота углерода в почве длится около 400 лет. Однако биотический цикл углерода не замкнут: этот элемент выходит из этого малого цикла и на длительное время переходит в большой глобальный цикл — «геологический запас» (рис. 2.5).
Углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза превращается в органическое вещество растений. Органическое вещество в результате дыхания организмов, их разложения и других процессов преобразуется, выделяется в атмосферу, гидросферу и запасается в осадках. Часть углерода на длительный срок выходит из биотического круговорота «в геологию» в виде торфа, сапропелей, гумуса. В водных системах огромное количество углерода консервируется в виде карбонатов.
В настоящее время в процессе фотосинтеза растительностью на суше и фотосинтетиками в океане на протяжении года расщепляется около 0,2 1012 т воды и в органическом веществе связывается примерно 0,035∙1012 т водорода.
Из приведенной выше реакции фотосинтеза видно, что связывание 1 г углерода в органическое вещество сопровождается выделением 2,7 г кислорода в результате расщепления молекул воды. За всю историю фотосинтеза в осадочной оболочке Земли накоплено около 15 1015 т органического углерода С. Следовательно, за это же время при фотосинтезе выделилось 40 1015ткислорода. Из этого количества 1,2∙1015 т кислорода содержится в атмосфере, а остальное количество израсходовано на процессы окисления. Продуктивность растительности Мировой суши по выделению кислорода составляет примерно 165 млрд. т/год. Процессы фотосинтеза в океане поставляют в атмосферу кислорода до 130 млрд. т/год (при продуктивности С до 60 млрд т/год). Таким образом, суммарное выделение кислорода фотосинтетиками суши и океана составляет около 300 109 т/год.
Энергия жизни
Жизнь— это, прежде всего, химические реакции и круговорот биогенов—химических элементов, ею же порожденных. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и приповерхностном слое океана. В количественном отношении преобладают формы живых организмов, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития. Среди животных 96% видов — беспозвоночные и только 4% видов — позвоночные, из которых лишь десятая часть — млекопитающие.
Как было сказано выше, одной из субстанций, определяющих жизнь, является энергия — количественная мера движения и превращения материи. Человек, как и все материальное, существует в энергоинформационном пространстве. Все формы жизни от слона до вируса основаны на небольшом наборе главных органических соединений. Жизнь во всех ее проявлениях основана на двух десятках аминокислот, входящих в нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и жиры, и некоторых соединениях. Различные молекулы аминокислот образуют полимерные цепочки — полипептиды, которые объединяясь, образуют множество белковых молекул.
Отличием живой материи от неживой является конечное время существования каждой особи. Так, некоторые насекомые живут всего несколько часов, мыши — два года, собаки — 12 лет, лошадь — 30 лет, черепахи живут до 200 лет. Долго живут деревья: сосна — 300 лет, дуб — 1500 лет. Человеку природой отпущено около ста лет.
Суточный рацион одного взрослого человека составляет 2900…3300 ккал. Минимальное количество энергии, необходимое для поддержания жизни одного человека, можно получить с площади 0,12 га. Для обеспечения полноценным питанием (мясом, овощами и фруктами) человека требуется около 0,6 га площади земли. Для производства тканей и других необходимых изделий, а также создания инфраструктуры нужно еще 0,6 га/чел.
Ключевые процессы, определяющие разницу между живой и неживой природой, происходят на клеточном уровне. Непременным условием жизни является связь живой клетки с окружающей средой. Обмен веществ (метаболизм) — это фундаментальное свойство живых организмов. Энергия поступает в клетку извне, а трансформацию и перенос энергии внутри растительной и живой клетки выполняет движение электронов и протонов.
Клетка — основная единица жизни, которая непрерывно работает для поддержания своей структуры, а потому нуждается в постоянном притоке свободной энергии. Растения и живые организмы представляют собой незамкнутые системы: каждая живая клетка непрерывно пополняет свои энергетические запасы. Вселенная наполнена энергией, но для растений и живых организмов подходят лишь немногие ее виды. Основной источник энергии для большинства биологических процессов на нашей планете — это солнечный свет. Технологически эта задача решается непросто, поскольку живая клетка должна использовать энергию при довольно низкой температуре в разбавленной водной среде. В ходе эволюции сформировались совершенные молекулярные механизмы преобразования солнечной энергии: КПД клеточной энергетики намного выше, чем у любых инженерных устройств.
Движение вещества через клетки и организмы легко измеряется и определяется потребностью в пище, воде, воздухе и удалении отходов жизнедеятельности. Движение энергии в живом организме практически неощутимо. На клеточном уровне поток вещества и поток энергии согласованно взаимодействуют в сложной сети химических реакций, которая составляет клеточный обмен веществ.
Клеточные трансформаторы энергии - это комплекс специальных белков, встроенных в биологические мембраны. Свободная энергия поступает в клетку извне в результате окисления пищевых продуктов в процессе дыхания. Эта энергия запускает движение электронов — возбуждение и направленный перенос электронов в макромолекулярных комплексах внутриклеточного реакционного центра. В результате переноса «возбужденных» электронов производятся молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) и увеличивается разность электрохимических потенциалов на биологических мембранах. АТФ и мембранный потенциал—два источника энергии для всех видов внутриклеточной работы и механической работы, которую может совершать человек.
Энергию первоисточника-Солнца могут использовать только растения-фотосинтетики. Все остальные организмы получают солнечную энергию опосредованно, то есть через пищу содержащую энергию химических связей. Неспособные к фотосинтезу клетки живых организмов (например, клетки человека) получают энергию из пищи, которой служит или биомасса растений, или биомасса других живых существ, питающихся растениями. Питательные вещества (белки, жиры, углеводы) преобразуются животной клеткой в набор низкомолекулярных соединений — органических кислот, построенных из атомов углерода, которые окисляются до углекислоты и воды.
У аэробных организмов окисление углеродных атомов органических кислот до углекислого газа и воды называется внутриклеточным дыханием. Трансформация энергии окисления осуществляется ферментами, расположенными в строгом порядке в мембранах специализированных частиц—митохондрий. Ферменты дыхательной цепи упорядоченно переносят электроны от одного компонента к другому (в конечном счете — на кислород), постепенно понижая потенциал водорода. Освобождаемая при этом энергия так же, как и в растительной клетке, аккумулируется в форме электрохимической разности потенциалов на мембранах и используется для синтеза АТФ или напрямую для совершения работы. Митохондрии взрослого человека перекачивают через свои мембраны около 500 г ионов водорода в сутки.
«Электростанцией» клетки служит митохондрия, мембраны которой представляют собой скопление ферментов, необходимых для усвоения пищевых веществ и производства высокоэнергетических фосфатных связей. В митохондриях свободная энергия окисления продуктов питания превращается в свободную энергию АТФ (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Структура (а) и гидролиз (б)
аденозинтрифосфата (АТФ) [13]: Ф — фосфатная группа
В обоих случаях: и для фотосинтетического каскада, и для дыхательной цепи (набор белков, которые осуществляют окисление субстратов кислородом) — генерируется ток протонов через мембрану, в которую погружены белки. При движении электрона от субстрата к кислороду протоны перемещаются с внутренней поверхности мембраны наружу. В результате выкачивания протонов на мембране генерируется разность потенциалов. Токи обеспечивают энергией синтез АТФ, а также служат источником энергии для некоторых видов работы. В биоэнергетике принято считать АТФ и протонный ток альтернативными и взаимно конвертируемыми энергетическими валютами.
Когда АТФ соединяется с водой, выделяется свободная энергия в количестве 36,6 кДж/моль. Выделение энергии, необходимой для жизнедеятельности клетки, происходит при отщеплении от АТФ одной фосфатной группы с образованием аденозиндифосфата (АДФ):
АТФ + Н20 → АДФ + Фосфат + 36,6 кДж
При отщеплении от АДФ еще одной фосфатной группы образуется аденозинмонофосфат (АМФ) и выделяется такая же порция энергии. Таким образом, основными энергетическими станциями клеток живых организмов служат митохондрии. У живой клетки есть не только молекулярные генераторы, но и молекулярные насосы и молекулярные моторы. Эволюция создала несколько классов белков, способных преобразовывать химическую энергию в механическую.
Энергетический обмен клетки в живом организме осуществляется в три этапа.На первом этапе сложные органические соединения, входящие в состав пищи, распадаются на более простые: белки на аминокислоты, полисахариды на моносахариды. На втором этапе в процессе брожения аминокислоты, жирные кислоты, глюкоза подвергаются неполному окислению. Здесь основным источником энергии является глюкоза, и для нужд клетки извлекается около 10% энергии. На третьем этапе в процессе аэробного дыхания происходит полное расщепление поступивших органических соединений. Здесь в условиях полного окисления происходит фосфорилирование АДФ до АТФ, то есть энергия химических связей аккумулируется в АТФ.
Запаса энергии в АТФ мышцы хватает на 20…30 сокращений. Для обеспечения длительной работы мышцы необходим непрерывный синтез АТФ. Человек более половины получаемой энергии расходует на совершение мышечной работы. Запас углеводов может удовлетворить энергетические потребности нашего организма в течение примерно 12 ч. Последовательность расходования запасов питательных веществ в организме человека следующая: прежде всего углеводы, затем жиры и в последнюю очередь белки.
Такова примерная картина преобразования энергии живыми клетками. Развитие представлений в области энергетики живых систем важно для понимания механизма появления месторождений углеводородов, но самое главное — важно для понимания человеком своего места во Вселенной.
Элементарные процессы, происходящие в живой природе, по существу, те же самые, что и в неживой. Это—перенос электронов и протонов. И тут и там происходит поглощение и отражение света, воздействие гравитационного, магнитного и электрического полей. Жизнь начинается с электронов и атомов, в которых реализуются процессы возбуждения и взаимодействия. В ходе эволюции элементы простейшей жизни усложнились до совершенства, заложенного в Человеке.
Поскольку источником энергии для любого организма служит среда обитания, а отходы жизнедеятельности выводятся обратно в среду обитания, то любой организм, включая человека, неизбежно изменяет внешнюю среду истощая ее ресурсы и перегружая ее отходами.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕСУРСОВ ПЛАНЕТЫ
Самое прекрасное в природе — это отсутствие человека.
Б. Карман
Ресурсы Земли
Развитие цивилизации сопровождается постоянным расширением использования природных ресурсов. Ресурсы Земли существуют независимо от человека и используются им как средства существования, как средство труда и источник материального производства. Существует несколько классификаций ресурсов. Например, по происхождению и по принадлежности к элементам природы они делятся на земельные, водные, растительные, минеральные, климатические и ресурсы животного мира. По видам хозяйственного использования выделяют ресурсы горнопромышленные, сельско-, водо-, лесохозяйственные, селитебные и рекреационные.
Ресурсы промышленного производства подразделяют на энергетические и неэнергетические. Последняя группа очень разнообразна—это рудные и нерудные полезные ископаемые, лесные ресурсы как сырье, рыбные ресурсы и др. Ресурсы сельскохозяйственного производства делятся на агроклиматические, почвенно-земельные, кормовые и водные.
Существуют ресурсы исчерпаемые и возобновляемые. К последним относят атмосферный воздух, осадки, солнечную радиацию, энергию ветра, морских приливов, геотермальную энергию и водных ресурсов. В некоторых странах такие возобновляемые ресурсы как древесина, пресная вода, гидравлическая энергия уже используются полностью. За вторую половину XX в. природного сырья добыто больше, чем за всю предыдущую историю человечества.
Предметом труда в освоении недр являются несколько следующих групп георесурсов:
• месторождения твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых;
• породы вскрыши, которые могут быть использованы для получения стройматериалов;
• отходы горно-обогатительного и металлургического производства, которые являются техногенными месторождениями, содержащими полезные компоненты;
• глубинные источники пресных, минеральных и термальных вод;
• глубинное тепло Земли и полости в земных недрах. Первая позиция в этом перечне является главной частью природного богатства недр (табл. 3.1). При этом рудные и топливные ресурсы являются ограниченными и не возобновляемыми. Их медленное естественное воспроизводство в процессе геологической эволюции примерно в тысячи раз отстает от современных темпов их добычи и потребления.
| Таблица 3.1. Мировые запасы некоторых видов природного сырья на начало XXI в. | |||
| Вещество | Запасы, т | Ресурс, годы | |
| Алюминий | 1,2. 109 | ||
| Железо | 1,4-10й | ||
| Медь | 3- 108 | ||
| Уголь | 10- 1012 | ||
| Хром | 1,7- 108 | ||
| Свинец | 1108 | ||
| Нефть | 2,5-1011 | ||
| Природный газ | 1 3-1013м3 | ||
| Горючие сланцы | 4,5- 1014 | ||
| Леса | 42-106 | ||
Вся история развития и распада мировых цивилизаций основана на возможности обладания и использования минерального сырья. На протяжении тысячелетий люди добывали только твердые полезные ископаемые. Во второй половине XIX в. начинает развиваться добыча нефти, в начале XX в. — природного газа. Запасов основных видов природного сырья на Земле хватит на несколько десятилетий (млрд т): железо — 141; алюминий — 1,2; марганец — 0,45; медь — 0,3; цинк — 0,14. В XX в. мировое население увеличивалось на 2% в год, а добыча полезных ископаемых на каждого жителя Земли увеличивалась на 10% в год.
История последних лет ознаменовалась беспрецедентной борьбой за энергетические ресурсы, так как энергия является составляющей любого продукта, будь то хлеб или самолет. Практически энергия могла бы выступать единым эталоном цен вместо золота. Основой современной мировой энергетики являются нефть, газ, уголь и электроэнергия.
Научно-технический прогресс создал возможности для использования природных ресурсов Мирового океана: углеводородов, металлоносных конкреций, золота, оловоносных песков и др. В связи с этим остро встала проблема правового статуса территориальных вод и национальной принадлежности недр.
К суше примыкает мелководная часть океана—континентальный шельф. Это прибрежная часть морского дна до глубины 200 м. Обычно уклоны дна в пределах шельфа не превышают два градуса, а геологическое строение не отличается от строения материков. По этой причине донное пространство шельфа рассматривается как продолжение земного массива прибрежного государства. На этом основании на шельф распространяется суверенитет прибрежного государства и исключительное право на разработку природных ресурсов. Но при этом суверенная власть прибрежной страны на воды ограничена зоной до 12 км за пределами сухопутных территорий. Граница шельфа проходит по крутому перегибу дна (бровке склона) , за которым начинается материковый склон в сторону больших глубин. За ним находится ложе океана, где действует принцип «общего достояния человечества».
Концентрация элементов периодической системы в водах Мирового океана равна 48- 1015т. Например, в 1 км3 океанской воды содержится 1,3 млн т магния. В Японии подводная разработка угольных месторождений обеспечивает более 25% всей добычи угля. Железо-марганцевые конкреции залегают в виде россыпей на дне Тихого, Индийского и Атлантического океанов на слабых «вязко-текучих» осадочных породах. Их масса только в Тихом океане определена в 1500 млрд т, а запасы меди, никеля и кобальта составляют 25 млрд т. Запасы конкреций возобновимы — в Тихом океане их ежегодно образуется до 6 млн т. Разведанные запасы конкреций содержат кобальта, никеля и марганца в десятки раз больше, чем в известных месторождениях суши.
Кроме железо-марганцевых конкреций интерес представляют фосфоритовые конкреции, залегающие на глубинах до 2500 м у берегов США, Чили, Японии, Австралии. В Красном море обнаружены впадины с температурой воды до 62°С и содержанием солей до 26%. В такой воде локализуются илы с высоким содержанием железа, марганца, меди, цинка, серебра и золота. В зоне разломов, в которых находятся так называемые «курильщики» с высокотемпературными гидротермами, формируются сульфидные руды с высоким содержанием меди, цинка и других металлов. При подъеме таких вод по трубам будет образовываться пар, который при управляемом движении будет отдавать свою энергию.
Физико-химическая геотехнология переводит твердое полезное ископаемое в подвижное состояние с помощью тепловых, химических, гидродинамических процессов, что позволяет извлекать его через скважины:
• подземное растворение: соли;
• подземное выщелачивание: медь, уран, золото; подземная газификация: уголь;
• скважинная гидродобыча: фосфориты, железо, золото;
• добыча из подземных вод: бор, уран, стронций.
Нефть и газ в рассеянном виде размещены в осадочной оболочке Земли повсеместно, а в концентрированном виде встречаются реже. До 90% всех запасов углеводородных месторождений залегают на глубине 1…3 км. В большинстве случаев мигрирующие нефть и газ залегают не там, где они образовались. Ресурсы нефти России составляют 13% от мировых, разведанные запасы газа — 33% от мировых. По степени разведанности российских запасов углеводородов первое место принадлежит Урало-Поволжью, далее следует Тимано-Печорский регион, Западная Сибирь и Восточная Сибирь. В текущем столетии три последних бассейна будут играть главную роль в российской нефте-газодобыче.
Мировым центром газоносности является Баренцево-Западносибирский регион, где выделяется несколько центров прогибания. Высокий темп погружения и гумусовый состав исходного ОВ определили подавляющую генерацию газа в районах Баренцева и Карского морей. В Западно-Сибирском бассейне располагаются газовые и газоконденсатные гиганты: Уренгойское месторождение с начальными запасами 10_трлн м3; Бованенковское — 8 трлн м3; Ленинградское и Русановское с запасами около 4 трлн м3; Штокмановское — 3 трлн м3 газа.
Среди наиболее крупных выделяются бассейны нефти и газа Персидского залива, Мексиканского залива, Западной Сибири, Северного моря, Северной и Западной Африки, Индонезийского архипелага и Каспийский бассейн. Многие бассейны еще не разведаны, прежде всего, это относится к бассейнам в акваториях российского арктического шельфа.
В западном полушарии гигантским является бассейн Мексиканского залива. В его пределах расположены нефтяные месторождения США и Мексики. На шельфах арктических морей протянулись Евразийский и Северо-Американский пояса. Прикаспийский бассейн представляет одну из крупнейших на планете впадин с гигантскими запасами углеводородов. К настоящему времени в мире открыто более 43 тыс. нефтяных месторождений. В табл. 3.2 приведены данные о запасах наиболее богатых нефтью и газом стран.
| Таблица 3.2. Мировые запасы нефти и газа на начало XXI в. | ||||
| Страна | Нефть, млн т | Страна | Газ, млрд м3 | |
| Саудовская Аравия | 35 605 | Россия | 48 140 | |
| Россия | 11 100 | Иран | 23 000 | |
| Ирак | 15 306 | Катар | 11 150 | |
| ОАЭ | 13 306 | Саудовская Аравия | ||
| Кувейт | 13 103 | ОАЭ | ||
| Иран | 12 104 | Алжир | ||
| Венесуэла | 10 465 | США | ||
| США | Венесуэла | |||
| Мексика | Ирак | |||
| Китай | Туркмения | |||
| Нигерия | Малайзия | |||
| Норвегия | Индонезия | |||
| Алжир | Узбекистан | |||
| Бразилия | Казахстан | |||
| Казахстан | Нидерланды | |||
| Азербайджан | Кувейт | |||
| Канада | Китай | |||
| Ангола | Ливия | |||
| Великобритания | Австралия | |||
| Индонезия | Норвегия | |||
| Индия | Украина | |||
| Другие страны | Другие страны | 15 570 |
По целому ряду показателей последние годы стали пиком в развитии нефтегазовой промышленности на шельфе. Мексиканский залив — один из старейших и наиболее освоенных районов морской добычи нефти и газа. Первая платформа здесь была установлена в 1942 г. Здесь открыто около 700 промышленных залежей углеводородного сырья, что составляет половину всех шельфовых месторождений в Мировом океане. Современный уровень производства в регионе достиг 2,5 млн баррелей нефти в сутки, годовая добыча природного газа в 2007 г. составила 103 млрд м3. В настоящее время в Мексиканском заливе работают около 4800 платформ и ежегодно здесь размещаются около 100 платформ.
На Атлантическом шельфе Бразилии было открыто более 60 месторождений углеводородов. В 2007 г. здесь добывалось 1,7 млн барр. / сут. Ангола и Нигерия — ведущие африканские страны-экспортеры нефти и газа. На глубоководном шельфе Гвинейского залива обнаружено около 20 перспективных блоков. Извлекаемые запасы углеводородов на атлантическом шельфе Африки оцениваются в 5,1 млрд т. Значительное увеличение морских разработок, связанных с применением технологий по подводному закачиванию скважин, ожидается в Индии, Индонезии и Австралии.
Сейчас сдерживающим фактором развития человеческой цивилизации являются природные ресурсы, которые распределены очень неравномерно (табл. 3.3). Технические возможности человека все более возрастают, а возможности экосистем уменьшаются и естественным образом ограничивают развитие экономики. Пытаясь сохранить современную модель развития в неизменном виде при стремительно растущем населении Земли, человек стремительно истощает природные ресурсы планеты. В результате биосфера отступает и разрушается, приближаясь к точке невозврата. Сегодня вопрос упирается в то, что произойдет быстрее: или ускоренное и полное исчерпание ресурсов биосферы семью миллиардами представителей «человека разумного», или человек успеет создать новую экономику—сферу разума, которая естественным образом впишется в границы перенаселенной биосферы.
| Таблица 3.3. Распределение запасов некоторых минерально-сырьевых ресурсов на планете | |||
| Виды сырья | Число стран | Доля населения от мирового, % | Доля запасов от мирового, % |
| Нефть | |||
| Газ | 9,0 | ||
| Уран | 5,0 | ||
| Уголь | |||
| Железная руда | |||
| Марганцевые руды | 7,5 | ||
| Медь | |||
| Никель | 4,0 | ||
| Свинец | |||
| Цинк | |||
| Вольфрам | |||
| Молибден | |||
| Фосфатное сырье | 9,0 |
Земельные ресурсы
«…почва — это основа биосферы, а плодородие почвы — это основа благополучия человеческого»
Никита Николаевич Моисеев
«Экология человечества глазами математика»
«…92% генетического разнообразия видов растительного и животного мира в своей жизни так или иначе связано с почвой, и, следовательно, все разговоры о сохранении биоразнообразия в мире без сохранения разнообразия почв просто беспочвенны.»
Дата добавления: 2015-12-26; просмотров: 1970;