Розглянемо два основних кругообігу речовин в природі: великий (геологічний) і малий (біогеохімічний).

Геологічний кругообіг обумовлений взаємодією сонячної енергії з глибинної енергією Землі. Він здійснює перерозподіл речовини між поверхневим шаром і більш глибокими горизонтами Землі. На превеликий кругообороту можна віднести круговорот води між сушею і океаном через атмосферу.

Биогеохимический круговорот відбувається лише в межах біосфери. Сутність цього кругообігу в освіті живого речовини з неорганічних сполук в процесі фотосинтезу і в перетворенні органічної речовини при розкладанні знову в неорганічні сполуки.

Рушійною силою цих кругообігів служить енергія Сонця: фотосинтезуючі організми безпосередньо використовують енергію сонячного світла і потім передають її іншим представникам біотичного компонента. В результаті створюється потік енергії і поживних речовин через екосистему.

Енергія може існувати у вигляді різних взаімопре-обертаються форм, таких як механічна, хімічна, теплова або електрична енергія. Перехід однієї форми в іншу, званий перетворенням енергії, підкоряється законам термодинаміки.

Перший закон термодинаміки (закон збереження енергії) говорить, що енергія може перетворюватися з однієї форми в іншу, але не може бути створена або знищена.

Другий закон стверджує, що при здійсненні роботи енергія не може бути використана на всі 100% і частина її неминуче перетворюється в тепло. Тепло є результат випадкового руху молекул, тоді як робота завжди означає невипадкове, впорядковане використання енергії. Поняття роботи можна застосувати до будь-якого процесу, що протікає в живій системі зі споживанням енергії, починаючи від процесів на клітинному рівні і закінчуючи процесами на рівні цілого організму (зростання, розвиток, розмноження та ін.).

Таким чином, живі організми - це перетворювачі енергії, і кожен раз, коли відбувається перетворення енергії, частина її втрачається у вигляді тепла.

У підсумку вся енергія, яка надходить в биотический компонент екосистеми, розсіюється у вигляді тепла. Однак процес, що виробляє тепло, вимагає більше енергії, ніж може бути повернуто шляхом вторинного використання цього тепла. Тому в цілому відбувається втрата енергії в системі.

Фактично живі організми не використовують тепло як джерело енергії. Для здійснення роботи їм необхідні світло і хімічна енергія.

Першоджерелом енергії для екосистем служить Сонце. Сонце - зірка, яка випромінює в космос величезна кількість енергії. Енергія поширюється в космічному просторі у вигляді електромагнітних хвиль, і невелика частина її, що становить приблизно 10, 5 • 106 кДж / м2 на рік, захоплюється Землею. Близько 40% цієї кількості відразу відбивається від хмар, атмосферного пилу та поверхні Землі без якого б то не було теплового ефекту. Ще 15% поглинається атмосферою (зокрема, озоновим шаром в її верхніх частинах) і перетворюється в теплову енергію або витрачається на випаровування води. Лише залишилися 45% поглинаються рослинами або земною поверхнею. Велика частина енергії повторно випромінюється земною поверхнею і нагріває атмосферу. Приблизно дві третини енергії надходить в атмосферу цим шляхом. І тільки невелика частина прийшла від Сонця енергії засвоюється біотичних компонентом екосистеми в процесі фотосинтезу.

Фотосинтез - єдиний процес у біосфері, що веде до збільшення вільної енергії біосфери за рахунок зовнішнього джерела (Сонця) і забезпечує існування як рослин, так і всіх гетеротрофних організмів, в тому числі і людини.

Процес фотосинтезу полягає в тому, що сонячні промені поглинаються пігментом рослин - хлорофілом (він і надає листю зелений колір), а потім рослини, використовуючи воду з грунту і вуглекислий газ з атмосфери, утворюють вуглеводні - цукор (глюкозу), крохмаль і целюлозу, виділяючи при цьому кисень:

6СО2 + 6Н2О + Енергія світла → С6Н12О6 + 6О2

(Вуглекислий газ + Вода + Сонячна енергія → Глюкоза + Кисень)

Щорічно в результаті фотосинтезу на Землі утворюється 150 млрд т органічної речовини і виділяється близько 200 млрд т вільного кисню.

Хімічна енергія, накопичена в глюкозі і інших вуглеводах, використовується продуцентами, консументами і редуцентами для підтримки життєдіяльності, що є частиною одностороннього руху енергії через організм в екосистемі. Аеробні (кіслородопотребляющіе) організми перетворюють частину глюкози і інші складні органічні сполуки, які вони синтезують (продуценти), використовують в якості їжі (консументи) і розкладають (редуценти) на вуглекислий газ і воду з виділенням енергії. Ці процеси відбуваються зі споживанням кисню і називаються клітинним диханням:

С6Н, 2О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + Енергія

(Глюкоза + Кисень → Вуглекислий газ + Вода)

Найбільш досконалі біогеохімічні цикли вуглецю, азоту, кисню. Кругообіг кисню, вуглецю та інших елементів, що втягуються в фотосинтез, створив і підтримує сучасний склад атмосфери, необхідний для життя на Землі. Фотосинтез перешкоджає збільшенню концентрації вуглекислого газу в атмосфері, запобігаючи перегрів Землі (внаслідок так званого парникового ефекту). Кисень фотосинтезу необхідний не тільки для життєдіяльності організмів, але і для захисту органічного життя від згубного короткохвильового ультрафіолетового випромінювання (киснево-озоновий екран атмосфери).

Кругообіг азоту представлений на рис. 1. Поглинання азоту рослинами обмежено, хоча зміст його в атмосфері велика (близько 78%). Редуценти розкладають органічну речовину померлих організмів і перетворюють їх в амонійні сполуки, нітрати і нітрити. Азот повертається в атмосферу разом з виділяються при гнитті органічних залишків газами. Биогеохимический круговорот в біосфері крім кисню, азоту, вуглецю здійснюють і інші елементи, що входять до складу органічних речовин, - сірка, фосфор, залізо та ін.

Запасена в продуктах фотосинтезу енергія (у вигляді різних видів палива) є основним джерелом енергії для людства. Передбачається, що в енергетиці майбутнього фотосинтез може зайняти одне з перших місць в якості невичерпного і не забруднює середовище джерела енергії (створення «енергетичних плантацій» швидкозростаючих рослин з подальшим використанням рослинної маси для отримання теплової енергії або переробки в високоякісне паливо - спирт).

Мал. 1. Схема кругообігу азоту

Не менш важлива роль фотосинтезу як основи отримання продовольства, кормів, технічної сировини. Незважаючи на високу ефективність початкових фотофізичних і фотохімічних стадій (близько 95%), в урожай переходить лише менше 1-2% сонячної енергії. Втрати обумовлені неповним поглинанням світла.

Принципова відмінність між потоками речовини та енергії в екосистемі полягає в тому, що біогенні елементи, складові органічна речовина, можуть багаторазово брати участь в круговороті речовин, тоді як потік енергії однонаправлені і незворотній. Кожна порція енергії використовується тільки одноразово. Згідно з другим законом термодинаміки на кожному етапі трансформації енергії значна її частина неминуче втрачається, розсіюється у вигляді теплоти.

Використана література: Графкіна М. В., Михайлов В. Л., Іванов К. С.
Екологія та екологічна безпека автомобіля: підручник / М. В. Графкіна, В. А. Михайлов, К. С. Іванов. - М.:
ФОРУМ, 2009. - 320 с. - (Вища освіта).

Завантажити реферат: У вас немає доступу до завантаження файлів з нашого сервера. ЯК ТУТ скачували