Тема № 9. Круговорот веществ и энергии в природе.

План лекции:Мировое распределение первичной продукции. Круговорот веществ в биосфере. Биологический и геологический круговорот. Эволюция биосферы. Учение В. Вернадского о ноосфере.

Круговорот веществ и энергии как форма взаимодействии живой и неживой природы.В наши дни вступает в силу, разработанная В.И. Вернадским концепция «ноосфера» (от греческого «noesis» - мышление, разум), в которой ведущее значение приобретает человеческий разум. В.И. Вернадский писал: «человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом встает вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся и есть ноосфера». Это концепция о человеческом разуме, как ведущей силе преобразования биосферы оправдалось лишь частично.

Прогресс разума в виде научных, технических и технологических достижений позволил человеку изменить биосферные процессы, извлекать непосредственные плоды из ресурсов биосферы (добыча, разработка, рубка, посев, космос и т.д.), но у человека не хватает разума при этом использовать ресурсы, не входя в противоречия с естественными законами существование биосфера, как единого целого. В результате человечество обладая огромными возможностями, реализует их не всегда это понимая, против собственных интересов, нарушая сложившиеся за миллионы лет эволюции взаимоотношения, поддерживающие устойчивость биосферы.

Настало время, когда разум надо использовать не только для эксплуатации естественных ресурсов, но и для их сохранения и умножения. Сложившаяся ситуация не может быть изменена естественными эволюционными системами на разных уровнях организации живой материи. Проблему можно решить, вмешиваясь в регулирование биосферных процессов вплоть до контроля численности и биологической активности видов, путем формированием искусственных экосистем с заданными свойствами на основе глубоких и всесторонних знаний естественных законов формирования и функционирования биологических систем различного ранга. Выживание человека возможно лишь при сохранении жизни на Земле. На базе познания фундаментальных экологических закономерностей, с использованием современных научных и технических достижений человек может сконструировать систему гармоничного взаимодействия с живой природой.

В природе осуществляется два вида круговорота веществ: большой, или геологический, и малый или биогеохимический. Большой, или геологический, круговорот основан на взаимодействии солнечной энергии с глубинной энергией Земли. В результате этого взаимодействия происходит перераспределение веществ между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.Биологический круговорот характеризуется следующими показателями:

Емкостью круговорота – количество химических элементов, находящихся одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме

Скоростью круговорота – количество живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части:

I) резервный фонд - это огром­ная масса движущихся веществ, не связанных с организма­ми;

2) обменный фонд - значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным ве­ществом между организмами и их непосредственным окру­жением.

Так, осадочные породы, образованные за счет выветривания магматических пород в подвижных зонах земной коры, вновь погружаются в зону высоких температур и давлений, где они переплавляются в магму и образуют магматические породы. По мере поднятия на земную поверхность магматические породы снова выветриваются и образуют новые осадочные породы. При этом круговорот веществ происходит не по кругу, а по спирали. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, со временем приводящее к существенным изменениям. Примером большого круговорота веществ служит круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Водяной пар, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что тратится почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной радиации) конденсируется в атмосфере и переносится на сушу, где выпадает в виде осадков (дождь, снег, туман, град и т. д.). Часть осадков снова испаряется, часть пополняет реки, увлажняет почву, достигает грунтовые воды и вновь в виде поверхностного и подземного стока поступает в океан.

В круговороте на Земле ежегодно участвует более 500 тысяч км³ воды. Весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.Круговорот воды играет основную роль в формировании природных условии на планете.

Малый круговорот веществ совершается только в пределах биосферы (рис. 24). Суть его – образование живого вещества из простых неорганических соединений в процессе фотосинтеза и превращение его в неорганические соединения, при разложении. И этот круговорот является главным для жизни биосферы и сам является ее порождением. Рождаясь, изменяясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

Рисунок 24 – Общая схема круговорота веществ в природе

Главный источник круговорота - солнечная энергия, порождающая фотосинтез. Эта энергия неравномерно распределяется по поверхности Земли. Так, на экваторе на единицу площади тепла приходится в три раза больше, чем на полюсах. Большая часть солнечной энергии теряется в результате отражения, поглощения почвой, транспирации, на фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще - не более 2-3%.

Биогеохимический круговорот веществ в биосфере представляет собой обмен микро- и макроэлементов и простых неорганических веществ (СО₂, Н₂О) с веществом атмосферы, литосферы и гидросферы.

Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическим циклом. Суть цикла заключается в том, что химические элементы, поглощенные организмом впоследствии покидают его, уходя в абиотическую среду, затем через какое-то время снова попадает в живой организм. Этими циклами и круговоротом обеспечивается важнейшие функции живого вещества в биосфере. В.И.Вернадский выделял пять функции живого вещества биосферы: газовой, концентрационной, окислительно-восстановительной, биохимической (размножение, рост и перемещение в пространстве) и биогеохимической деятельности человека (охватывает все возрастающее количество веществ земной коры, в том числе таких концентратов углерода, как уголь, нефть, газ).

В биогеохимическом круговороте веществ важна роль углерода, кислорода, азота, фосфора, серы, из которых состоит белковая молекула организмов.

В круговороте углерода, наиболее подвижной его формы СО₂, четко прослеживается трофическая цепь (рис. 25): продуценты улавливают углерод из атмосферы при фотосинтезе; консументы поглощают углерод с телами продуцентов и консументов низших порядков; редуценты возвращают углерод вновь в круговорот. Скорость круговорота СО₂ составляет 300 лет.

Рисунок 25 – Схема круговорота углерода (в форме СО₂) в природе

Скорость круговорота кислорода 2 тысячи лет. За это время кислород атмосферы проходит через живое вещество биосферы. Основной его источник на Земле – зеленые растения (автотрофы). Ежегодно растения суши продуцируют 53 х 10⁹т., океанов - 414 х 10⁹т. кислорода. Главные потребители кислорода в природе – животные, почвенные организмы и растения (при дыхании). Ежегодно на промышленные и бытовые нужды расходуется 23% кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза. Предполагают, что в ближайшее время весь продуцируемый кислород будет сгорать в токах ТЭЦ и двигателях космических ракет, сверхзвуковых самолетов, автомобилей и т.д. Для решения этой проблемы необходимо создавать новую технику и технологию (мало потребляющую кислород) и значительно повысить фотосинтез за счёт повышения КПД солнечных лучей и озеленения сбросовых земель.

Круговорот азота охватывает все компоненты биосферы. Хотя на долю свободного азота в атмосфере приходятся 78 %, он абсолютному большинству, за исключением растений сем. Бобовых, не доступен. Растения усваивают азот в форме соединения его с водородом и кислородом. Редуценты (почвенные бактерий) постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают в аммонийные соединения, нитраты и нитриты (рис. 26). Часть нитратов в процессе круговорота попадает в подземные воды и загрязняет их. Опасность заключается в том, что азот в виде нитратов и нитритов усваивается растениями и может передаваться по пищевым цепям.

Азот возвращается в атмосферу с выделенными при гниении газами, поглощается клубеньковыми бактериями – азотофиксаторами и превращается в доступные для растений азотистые соединения. Роль бактерий в круговороте азота настолько велика, что если уничтожит только 12 их видов, то жизнь по данным американских исследователей прекратится.

Рисунок 26 – Схема круговорота азота в природе

Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. Поэтому в биогеохимический круговорот может попасть при подъеме этих парод из глубины земной коры на поверхность суши, в зону выветривания. В результате эрозии фосфор выносится в море в виде минерала - апатита.

Круговорот фосфора в биосфера состоит из двух частей водный и наземной. В водных экосистемах он усваивается фитопланктонами и передается по трофической цепи консументам (до третьего порядка – морским птицам). Мертвые части консументов и их выделения (гуано) поступают в море и участвуют в круговороте. При этом часть фосфора усваивается фитопланктоном, а часть его в составе скелета мертвых морских организмов (рыб, крабов, ежей) достигает морских глубин и образует осадочные породы.В наземных экосистемах растения фосфор извлекают из почвы и передают по трофической цепи. Возвращается фосфор в почву с мертвой органикой растений и животных, их экскрементами.

Теряется фосфор из почвы в результате водной эрозии. Повышенное содержание фосфора в воде вызывает бурное увеличение биомассы, цветение водоемов и их эутрофикацию. Большая часть фосфора уносится в море и входит в состав осадочных пород, что может привести к истощению запасов фосфорсодержащих руд: фосфоритов и апатитов.

Аналогично протекает круговорот серы в природе (рис. 27).

Рисунок 27 – Круговорот серы в природе

Стабильность биосферы зависит от постоянства и цикличности биогеохимического круговорота, а также от высокого разнообразия живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределения энергии.

Закон целостности биосферы.Биогенный ток между компонентами биосферы связывает их в единую материальную систему, в которой изменение одного звена влечет за собой сопряженное изменение всех остальных, таким образом, целостность биосферы обусловлена обменом вещества и энергии между ее составными частями.

Закон биогенной миграции атомов (В.И. Вернадского) имеет важное теоретическое и практическое значение. «Миграция химических элементов на земной поверхности, и в биосфере в целом, осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или она протекает в среде, геохимические особенности которой (кислород, углекислый газ, водород и т.д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферы, так и тем, которое существовало на Земле в течение всей геологической истории».

Б. Коммонер выдвинул ряд предложений, которые сегодня называют «законами» экологии:

1) все связано со всем;

2) все должно куда-то деваться;

3) природа «знает» лучше;

4) ничего не дается даром.

Первый закон отражает существование сложнейшей сети взаимодействий в экосфере. Он предостерегает человека от необдуманного воздействия на отдельные части экосистем, что может привести к непредвиденным последствиям.

Второй закон вытекает из фундаментального закона сохранения материи. Он позволяет по-новому рассматривать проблему отходов материального производства. Огромное количество веществ извлечено из Земли, преобразовано в новые соединения и рассеяно в окружающей среде без учета того факта, что «все должно куда-то деваться». И, как результат, - большие количества веществ зачастую накапливаются там, где в природе их не должно быть.

Третий закон исходит из того, что «структуры организмов нынешних живых существ или организмов современной природной экосистемы – наилучшие в том смысле, что они были тщательно отобраны из неудачных вариантов и что любой новый вариант, скорее всего, будет хуже существующего ныне». Этот закон призывает к тщательному изучению естественных био- и экосистем, сознательному отношению к преобразующей деятельности. Без точного знания последствий преобразования природы недопустимы никакие ее «улучшения».

Четвертый закон, по мнению Коммонера, объединяет предшествующие 3 закона, потому что биосфера, как глобальная экосистема, представляет собой единое целое, в рамках которой ничего не может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улучшения; все, что было извлечено из нее человеком, должно быть возмещено.

Эволюция биосферы. В сжатом виде идеи В. И. Вернадского об эволюции био­сферы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Вначале сформировалась литосфера - предвестник ок­ружающей среды, а затем после появления жизни на суше – биосфера (рис. 28).

2. В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т. е. лишен­ные жизни). Следовательно, современное живое вещество ге­нетически связано с живым веществом прошлых геологиче­ских эпох.

3. Живые организмы - главный фактор миграции хими­ческих элементов в земной коре, «по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обуслов­лено жизнью» (рис. 29).

4. Грандиозный геологический эффект деятельности ор­ганизмов обусловлен тем, что их количество бесконечно ве­лико и действуют они практически в течение бесконечно боль­шого промежутка времени.

5. Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

Рисунок 28 – Схема эволюции биосферы

Рисунок 29 – Схема развития живых организмов на земле с преоблазованием атмосферы

Венцом творчества В. И. Вернадского стало учение о ноо­сфере, т. е. сфере разума.В целом учение о биосфере В. И. Вернадского заложило основы современных представлений о взаимосвязи и взаимо­действии живой и неживой природы.

Ноосфера(«мыслящая оболочка», сфера разума) — выс­шая стадия развития биосферы. Это «сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человече­ская деятельность становится главным, определяющим фак­тором развития» (закон ноосферы Вернадского).

Признаки ноосферы:

1. Возрастающее количество механически извлекаемого материала литосферы (более 100 млн. тонн в год).

2. Массовое потребление продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох, химическое равновесие смещается в сторону углекислого газа.

3. До появления человека биосфера накапливала энергию, в ноосфере происходит рассеивание энергии.

4. Создаются вещества, которые раньше отсутствовали.

5. Появились новые трансурановые химические элементы.

6. С возникновением космонавтики ноосфера выходит за пределы биосферы.

Антропогенное вмешательство в биосферу.Уничтожено множество видов, огромные площади лесов. За XX век валовой мировой продукт вырос с 60 до 20 000 млрд. долл. в год, а энергетическая мощность, потребляемая цивилизацией, с 1 до более 10 ТВт; на 90% она обеспечивается сжиганием ископаемого топлива. В цикле добычи и переработки сырья и получения конечной продукции возникают от­ходы (на 1 кг потребленного бытового продукта приходится 25 кг отходов). Всего в мире добывается до 300 млрд. тонн сырья в год, не считая воды. Конеч­ные продукты составляют лишь первые проценты от этой величины, поэтому можно считать, что масса отходов имеет такой же порядок. Это в основном твердые отходы, газообразные составляют всего 2,5%, а жидкие - 4% общей массы.

На душу населения в мире добывается ежегодно около 53 т сырья, кото­рое с помощью 800 т воды и энергии мощностью порядка 3 кВт перерабаты­вается в конечные продукты. Проводя эту гигантскую работу, человечество, в конце концов, получает столько же отходов (из которых часть - отложенные отходы), в том числе 0,1 т опасных отходов на каждого жителя планеты, а в развитых странах - 0,5 т на каждого жителя.

Подавляющая часть промышленных отходов локализована, общепла­нетарное значение имеют выбросы парниковых газов (СО₂, метана, диоксида азота и хлорфторуглеродов), смыв с сельскохозяйственных полей азотных и фосфорных удобрений, пестицидов, гербицидов, фунгицидов и прочих про­дуктов сельскохозяйственной химии. Эти виды отходов составляют в сумме не более 5% от общей массы. Остальная часть отходов (твердые отходы) на­капливается в хранилищах, захоронена или затоплена.

В последние годы остро проявился планетарный характер накопления в высших звеньях трофической цепи, в том числе у людей, опасных стойких синтетических химикатов.