Роль живого вещества в биосфере Основное внимание в учении о биосфере В. Вернадский уделял роли живого вещества
Функции живого вещества в биосфере разнообразны, но все они служат одной цели — движению химических элементов. Зачем необходимо это движение, и каким образом оно происходило 3,5 млрд. лет назад, то есть до того, как на Земле появилась жизнь? С момента своего появления, роль живого вещества в биосфере стала ключевой. Несмотря на незначительную массу, примерно 10 -6 массы других оболочек Земли, оно является носителем энергии, благодаря которой это движение происходит.
В понятие «живое вещество биосферы» входят все живые организмы на планете. Независимо от того к какому классу, виду, роду и так далее они относятся. Это не только органические вещества, но и неорганические, а также минералы. «Живет» оно во всех слоях биосферы – в литосфере, гидросфере и атмосфере. Если условия существования непригодны, оно либо впадает в состояние анабиоза, то есть замедляет все свои процессы настолько, что видимые проявления жизни практически отсутствуют, либо погибает.
Отличительные черты и роль
Как же отличить живое вещество биосферы от неживого?
В-пятых, существует во всех фазовых состояниях. В-шестых, является индивидуальным организмом и при смене поколений, характеризуется преемственностью или наследственностью.
Живое вещество биосферы обеспечивает миграцию химических элементов как от одного организма к другому, так и между организмом и окружающей средой. Перемещение происходит, когда живые организмы переваривают пищу, развиваются и растут, а также передвигаясь в процессе жизнедеятельности. Первое такое перемещение элементов называется химически или биохимическим, а второе – механическим. Причем деятельность живых организмов стремится к тому, чтобы эта миграция шла максимально быстро, а энергия, получаемая от Солнца, использовалась наиболее эффективно. Для этого они постоянно и непрерывно приспосабливаются, адаптируются и развиваются.
Функции
Роль живых организмов в биосфере заключается в выполнении ими нескольких функций. Основными из них являются: энергетическая, деструктивная, концентрационная и средообразующая.
Энергетическая функция. Она связана со способностью зеленых хлорофилльных организмов к фотосинтезу. С помощью полученной ими солнечной энергии, они преобразовывают простейшие соединения такие как, вода, углекислый газ и минералы, в сложные органические вещества, которые, в свою очередь, являются необходимыми для существования других живых существ. Такой способностью обладают растения. Для процесса фотосинтеза они используют всего лишь 1% солнечной энергии, попадающей на Землю. Ежегодно они производят порядка 145 млрд. тонн кислорода, для чего потребляют около 200 млрд. тонн углекислого газа. Органического вещества при этом вырабатывается более 100 млрд. тонн. Так растения пополняют атмосферу свободным кислородом. Если бы растения не делали это постоянного, то кислород, как активный химический элемент, вступал в реакции и образовывал различные соединения и в итоге совершенно исчез из атмосферы Земли. А с ним прекратила бы существование и жизнь. Кроме растений, органическое вещество в очень небольшом количестве – не более 0,5% от общего количества, производят некоторые бактерии. Этот процесс называется хемосинтез. В нем задействована не солнечная энергия, а энергия, выделяющаяся в процессе реакций окисления серных и азотных соединений.
Синтезированные таким образом органические соединения – белок, сахар и так далее, — вместе с заключенной в них энергией, являются пищей и распространяются по трофической цепи. Кроме того, синтезированная растениями энергия рассеивается как тепло или накапливаться в отмершем органическом веществе, переходя в ископаемое состояние. И в этом следующая функция — деструктивная.
Эта роль живых организмов в биосфере еще носит название минерализация органических веществ. В результате разложения, отмершее органическое вещество преобразовывается в простые неорганические соединения. В этом процессе участвуют живые организмы, выполняющие деструктивную или разрушительную функцию. В трофической цепи они получили название «редуценты». Это грибы, бактерии, черви и микроорганизмы. Результатом разложения являются: углекислый газ, воды, сероводород, метан, аммиак и так далее. Которые, в свою очередь, являются «пищей» для растений. И процесс начинается вновь.
Важную роль играет процесс разложения, проходящий в литосфере. Благодаря ему из горных пород высвобождается такие элементы, как кремний, алюминий, магний и железо.
Редуценты, с помощью имеющихся в их распоряжении кислот, «добывают» и «отправляют» в биотический оборот такие важнейшие химические элементы, как кальций, калий, натрий, фосфор, кремний и различные микроэлементы. Благодаря деструкторам, почва обретает свою плодородность.
Еще одна функция живых организмов – концентрационная. Под нею подразумевается процесс, в ходе когда некоторые их виды извлекают, а затем накапливают у себя определенные химические элементы. В этом случае концентрация таких элементов, как: углерод, водород, азот, натрий, магний, кремний, сера, хлор, калий, кальций и кислород, может быть в сотни и тысячи раз выше, чем в окружающей среде. Например, марганца в 1200000 раз, серебра – 240000, а железа – в 65000. Яркими примерами такого накопления могут быть раковины, панцири и скелеты. С элементами «пригодными» для накопления, некоторые виды накапливают в себе ядовитые, отравляющие и радиоактивные вещества. И попадание их в пищевую цепь явно не носит положительного характера.
Противоположностью концентрационной функции является рассеивающая. Она проявляется при различных выделениях, перемещениях и тому подобное. Например, происходит рассеивание железа из крови, при укусах различных насекомых или кровососущих.
Биосфера — это не только взаимодействие между живыми организмами и обмен между ними энергией. Существенная роль живых организмов в биосфере – это ее преобразование. Живые организмы меняют физико-химические параметры окружающей их среды, а такая их функция получила название «средооразующей». Она, как результат всех ранее рассмотренных функций в совокупности. Извлечение химических элементов, накопление их, а затем, с помощью полученной энергии, «отправление» в путь по биологическому кругообороту, привело к существенным изменениям природной среды. За миллиарды лет изменился газовый состав атмосферы, химический – вод, появились осадочные породы и донные отложения, возник плодородный почвенный покров. И в настоящее время мы сталкиваемся с этим влиянием.
Преобразовывая внешнюю среду, организмы создают оптимальный баланс энергии и «питательного» вещества для своего существования и всей биосферы в целом. Этот баланс в результате многочисленных внутренних и внешних воздействий, всегда находится под угрозой разрушения. И вещество, за счет перечисленных своих качеств, сопротивляется такому влиянию, восстанавливает нарушенное и приводит систему в стабильное состояние.
Рассматриваемые функции живых организмов в биосфере касались двух этапов преобразования органического вещества в неорганическое и наоборот. На этих этапах свою роль играют растения, как продуценты, и бактерии, грибы и микроорганизмы, как редуценты. Какова же роль консументов или потребителей, основными видами которых являются животные?
Животные
Самый насыщенный, с точки зрения количества переходов от одного организма к другому, является этап между тем, как растения произвели кислород и заканчивается тем, когда погибший организм попал «на стол» разрушителей.
Следующий уровень использует не более 1% энергии предыдущего. С гибелью фитофагов и зоофагов, их тела попадают к сапрофагам и бактериям. Сапрофаги – это те же разрушители, редуценты или могильщики. На их «столе» завершает свое путешествие органическое вещество. Круг замкнулся. В процессе этого круговорота количество вещества или химических элементов осталось прежнее. Каким оно и было миллионы лет назад. Израсходовано только энергия. Считается, что роль животных в биосфере в том, что они способствуют перемещению химических веществ, участвуют в их распределении и в обмене энергией. Но их роль представляется несколько шире. Как живая самоорганизующаяся система биосфера стремиться к равновесию и поддержанию своего внутреннего баланса. Масса ее живого вещества должна поддерживаться в определенном объеме и эту функцию выполняют животные. Примером могут быть те биосистемы, где животный мир исчез или на грани того. Объем вещества в результате падает, что неукоснительно приводит к разрушению баланса и гибели системы.
Видео — Биосфера – лик планеты
Вопрос 1. В чем заключается влияние живых организмов на биосферу?
Живые существа способствуют переносу и круговороту веществ в природе. Благодаря деятельности фотосинтетиков в атмосфере снизилось количество углекислого газа, появился кислород и сформировался защитный озоновый слой. Деятельность живых организмов определяет состав и структуру почвы (переработка редуцентами органических остатков), предохраняет ее от эрозии. В значительной мере животные и растения определяют также содержание различных веществ в гидросфере (особенно в небольших по размеру водоемах). Некоторые организмы способны избирательно поглощать и накапливать определенные химические элементы - кремний, кальций, иод, серу и т.д. Результатом активности живых существ являются отложения известняков, железных и марганцевых руд, запасов нефти, угля, газа.
Вопрос 2. Расскажите о круговороте воды в природе.
Под действием энергии Солнца вода испаряется с поверхности водоемов и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород и делает составляющие их минералы доступными для растений, микроорганизмов и животных. Она размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими и неорганическими частицами в моря и океаны. Циркуляция воды между океаном и сушей - важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.
Растения участвуют в круговороте воды двояким способом: извлекают ее из почвы и испаряют в атмосферу; часть воды в клетках растений расщепляется в процессе фотосинтеза. При этом водород фиксируется в виде органических соединений, а кислород поступает в атмосферу.
Животные потребляют воду для поддержания осмотического и солевого равновесия в организме и выделяют ее во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.
Вопрос 3. Какие организмы поглощают диоксид углерода из атмосферы?
Диоксид углерода из атмосферы поглощают фотосинтезирующие организмы, которые усваивают его и запасают в виде органических соединений (в первую очередь глюкозы). Диоксид углерода из атмосферы поглощают фотосинтезирующие организмы, которые усваивают его и запасают в виде органических соединений (в первую очередь глюкозы). Кроме того, часть атмосферного углекислого газа растворяется в воде морей и океанов, а затем в форме ионов угольной кислоты может захватываться животными - моллюсками, кораллами, губками, использующими карбонаты для построения раковин и скелетов. Результатом их активности может быть образование осадочных пород (известняков, мела и др.).
Вопрос 4. Опишите путь возвращения связанного углерода в атмосферу.
Углерод поступает в биосферу в результате фиксации его в процессе фотосинтеза, Количество углерода, ежегодно связываемого растениями, оценивается в 46 млрд т. Часть его поступает в тело животных и освобождается в результате дыхания в виде СО 2 , который вновь поступает в атмосферу. Кроме того, запасы углерода в атмосфере пополняются за счет вулканической деятельности и сжигания человеком горючих ископаемых. Хотя основная часть поступающего в атмосферу диоксида углерода поглощается океаном и откладывается в виде карбонатов, содержание СО 2 в воздухе медленно, но неуклонно повышается.
Вопрос 5. Какие факторы, кроме деятельности живых организмов, влияют на состояние нашей планеты?
Кроме деятельности живых организмов на состояние нашей планеты влияют абиотические факторы: движение литосферных плит, вулканическая активность, реки и морской прибой, климатические явления, засухи, наводнения и другие природные процессы. Некоторые из них действуют очень медленно; другие же способны практически мгновенно изменить состояние большого количества экосистем (масштабное извержение вулкана; сильное землетрясение, сопровождаемое цунами; лесные пожары; падение крупного метеорита).
Вопрос 6. Кто впервые ввел в науку термин «ноосфера»?
Ноосфера (от греч. noos - разум) - это понятие, обозначающее сферу взаимодействия природы и человека; это эволюционно новое состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития. Впервые термин «ноосфера» в 1927 г. ввели в науку французские ученые Эдуард Леруа (1870-1954) и Пьер Тейяр де Шарден (1881-1955).
Вопрос 1. В чем заключается влияние живых организмов на биосферу?
Живые существа способствуют переносу и круговороту веществ в природе. Благодаря де-ятельности фотосинтетиков в атмосфере снизи-лось количество углекислого газа, появился кислород и сформировался защитный озоновый слой. Деятельность живых организмов опреде-ляет состав и структуру почвы (переработка ре-дуцентами органических остатков), предохра-няет ее от эрозии. В значительной мере живот-ные и растения определяют также содержание различных веществ в гидросфере (особенно в небольших по размеру водоемах). Некоторые организмы способны избирательно поглощать и накапливать определенные химические эле-менты — кремний, кальций, иод, серу и т. д. Результатом активности живых существ явля-ются отложения известняков, железных и мар-ганцевых руд, запасов нефти, угля, газа.
Вопрос 2. Расскажите о круговороте воды в природе.
Круговорот воды имеет огромное значение для существования биосферы. Вода испаряет-ся в первую очередь с поверхности океанов. Далее она в качестве водяного пара частично переносится ветрами и выпадает в виде осад-ков над сушей. Обратно в океан вода возвра-щается через реки и грунтовые воды.
В круговороте воды участвуют и живые су-щества. Растения поглощают большое количе-ство воды из почвы и испаряют ее с поверхно-сти листьев. В экваториальных лесах подобное испарение влаги значительно смягчает климат. В северных лесах относительно слабо испаряю-щие воду хвойные деревья (особенно ели), и растущие под ними мхи могут способствовать переувлажнению и заболачиванию почвы.
Вопрос 3. Какие организмы поглощают диок-сид углерода из атмосферы?
Диоксид углерода из атмосферы поглоща-ют фотосинтезирующие организмы, которые усваивают его и запасают в виде органических соединений (в первую очередь глюкозы). Кро-ме того, часть атмосферного углекислого газа растворяется в воде морей и океанов, а затем в форме ионов угольной кислоты может захва-тываться животными — моллюсками, корал-лами, губками, использующими карбонаты для построения раковин и скелетов. Результа-том их активности может быть образование осадочных пород (известняков, мела и др.).
Вопрос 4. Опишите путь возвращения связан-ного углерода в атмосферу.
В процессе дыхания животные, растения и микроорганизмы окисляют органические ве-щества до диоксида углерода и выделяют его в атмосферу. Кроме этого, возвращению углеро-да в атмосферу способствует деятельность че-ловека. Ежегодно в воздух выбрасывается око-ло 5 млрд т углерода в результате сжигания ископаемого топлива и до 2 млрд. т. — при пе-реработке древесины. Возвращение углерода в атмосферу из горных осадочных пород зависит от вулканической деятельности и геохимиче-ских процессов.
Вопрос 5. Какие факторы, кроме деятельности живых организмов, влияют на состояние нашей планеты? Материал с сайта
Кроме деятельности живых организмов на состояние нашей планеты влияют абиотиче-ские факторы: движение литосферных плит, вулканическая активность, реки и морской прибой, климатические явления, засухи, на-воднения и другие природные процессы. Неко-торые из них действуют очень медленно; дру-гие же способны практически мгновенно изме-нить состояние большого количества экосистем (масштабное извержение вулкана; сильное землетрясение, сопровождаемое цунами; лес-ные пожары; падение крупного метеорита).
Вопрос 6. Кто впервые ввел в науку термин «ноосфера»?
Ноосфера (от греч. noos — разум) — это понятие, обозначающее сферу взаимодейст-вия природы и человека; это эволюционно но-вое состояние биосферы, при котором разум-ная деятельность человека становится решаю-щим фактором ее развития. Впервые термин «ноосфера» в 1927 г. ввели в науку француз-ские ученые Эдуард Лepya (1870-1954) и Пьер Тейяр де Шарден (1881-1955).
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском
На этой странице материал по темам:
- тест по теме роль живых организмов в биосфере
- абиотические факторы среды кратко
- роль дивых организмов в биосфере
- сочинение как моя семья влияет на биосферу
- роль живих організмів у біосфері доповідь
Жизнь – это связующее звено между Космосом и Землей. Живые организмы создают почву, изменяют состав атмосферы, произвели запасы нефти, угля, газа, торфа. Общая биомасса живого вещества 2420 млрд. тонн, причем 98% - это биомасса наземных растений.
Функции живого вещества
1.Энергетическая – поглощение энергии Солнца, тепла Земли и перераспределение этой энергии в биосфере.
2.Средообразующая – растения в процессе роста и разложения вырабатывает кислород, углекислый газ, метан.
3. Концентрационная – живые существа собирают из окружающей среды различные химические элементы, в живых существах концентрация в тысячу раз больше, чем в окружающей среде.
4. Деструктивная – поглощение солей из почвы, вовлечение их в биологический круговорот.
5. Окислительно– восстановительная- изменяют валентность железа, марганца, что дает начало новым химическим реакциям.
6. Транспортная – переносят вещества в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Окислительно–восстановительную реакцию фотосинтеза с участием энергии Солнца можно представить следующим уравнением:
nCO2 +2nH2O--------(CH2O)n + nO2.
углеводы
На производство 1грамма сухого вещества (листья, стебли) зеленым растениям необходимо от 0,4 до 1 литра воды.
С участием серобактерий фотосинтез идет по следующему уравнению:
CO2 + H2O---------(CH2O)n + S
углеводы
Свойства живого вещества
Связывает звенья биосферы.
Улавливает энергию Космоса и преобразует ее в химическую, тепловую и другие виды энергии.
Способно к самовоспроизведению.
Способно к неограниченному развитию (по Вернадскому «напор жизни»).
Контрольные вопросы
Сформулируйте понятие « Экология» и Экологический фактор».
Охарактеризуйте свойства экологических систем.
Раскройте структуру экосистемы.
Классифицируйте экологические факторы.
Проанализируйте уравнения фотосинтеза и объясните их значение.
Назовите составляющие биосферы.
Объясните свойства и функции живого вещества.
Лекция 3 Круговорот вещества и превращения энергии
Домашнее задание (9) с. 75 – 93 (8) с. 93 – 152
Круговорот вещества – постоянный процесс изменения и перемещения веществ на Земле, который имеет направление и цикличность.
Превращение энергии – энергия Солнца поглощается растениями, их поедают растительноядные животные, и их плотоядные, остатки биомассы разлагаются грибами, бактериями. Поглощенная энергия Солнца возвращается в пространство в виде тепловой, механической энергии, частично запасается в недрах Земли (торф, уголь, нефть).
Большой круговорот – связан с превращением горных пород на Земле (выветривание, растворение, образование осадков, поднятие и опускание земной коры).
Биологический круговорот (малый)- часть большого круговорота – питательные вещества из почвы поглощаются растениями, которые поедаются животными, после гибели которых микроорганизмы вновь возвращают питательные вещества в почву.
Биогеохимические круговороты – подразделяются на круговороты газового типа (водяной пар, азот, двуокись углерода и т.д.), на круговороты осадочного типа (фосфор, кальций, железо).
Техносфера – это область проявления технической деятельности человека.
Техномасса (техновещество) – вещество, вырабатываемое в результате промышленного производства и в сельском хозяйстве. Техногенная энергия – энергия, вырабатываемая из потенциальной энергии биосферы с помощью технических средств, что приводит к уничтожению биосферы.
Техносфера – это комфорт и угроза жизни.
Ноосфера – сфера разума – сфера взаимодействия природы и общества, где разумная деятельность становится определяющим фактором развития, миром разумных действий человека. Человек должен взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию биосферы. Действия человека в настоящее время по отношению к биосфере не всегда разумны, а исправление ошибок требует много времени и средств.
Реферат на тему:
Введение
Круговорот биологический – явление непрерывного характера, циклического, закономерного, но не равномерного во времени и пространстве перераспределения веществ, энергии и информации в пределах экологических систем различного иерархического уровня организации – от биогеоценоза до биосферы. Круговорот веществ в масштабах всей биосферы называют большим кругом, а в пределах конкретного биогеоценоза – малым кругом биотического обмена.
Академик В.И. Вернадский первым постулировал тезис о важнейшей роли живых организмов в формировании и поддержании основных физико-химических свойств оболочек Земли. В его концепции биосфера рассматривается не просто как пространство, занятое жизнью, а как целостная функциональная система, на уровне которой реализуется неразрывная связь геологических и биологических процессов. Основные свойства жизни, обеспечивающие эту связь, - высокая химическая активность живых организмов, их подвижность и способность к самовоспроизведению и эволюции. В поддержании жизни как планетарного явления важнейшие значение имеет разнообразие ее форм, отличающихся набором потребляемых веществ и выделяемых в окружающую среду продуктов жизнедеятельности. Биологическое разнообразие – основа формирования устойчивых биогеохимических циклов вещества и энергии в биосфере Земле.
Вопросы о роли живых организмов в малом круговороте рассматривали такие ученые, педагоги как Николайкин Н.И., Шилов И.А., МелеховаО.П. и др.
1. Роль живых организмов в биологическом круговороте
Специфическое свойство жизни – обмен веществ со средой. Любой организм должен получать из внешней среды определенные вещества как источники энергии и материал для построения собственного тела. Продукты метаболизма, уже непригодные для дальнейшего использования, выводят наружу. Таким образом, каждый организм или множество одинаковых организмов в процессе своей жизнедеятельности ухудшают условия своего обитания. Возможность обратного процесса – поддержания жизненных условий или даже их улучшения, - определяется тем, что биосферу населяют разные организмы с разным типом обмена веществ.
В простейшем виде набор качественных форм жизни представлен продуцентами, консументами и редуцентами, совместная деятельность которых обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их трансформацию на разных уровнях трофических цепей и минерализацию органического вещества до составляющих, доступных для очередного включения в круговорот (основные элементы, мигрирующие по цепям биологического круговорота, - углерод, водород, кислород, калий. Фосфор, сера и т.д.).
Продуценты - это живые организмы, которые способны синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних источников энергии. (Отметим, что получение энергии извне - общее условие жизнедеятельности всех организмов; по энергии все биологические системы - открытые) их называют также автотрофами, поскольку они сами снабжают себя органическим веществом. В природных сообществах продуценты выполняют функцию производителей органического вещества, накапливаемого в тканях этих организмов. Органическое вещество служит и источником энергии для процессов жизнедеятельности; внешняя энергия используется лишь для первичного синтеза.
Все продуценты по характеру источника энергии для синтеза органических веществ подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Первые используют для синтеза энергию солнечного излучения в части спектра с длиной волны 380-710 нм. Эго главным образом зеленые растения, но к фотосинтезу способны и представители некоторых других царств органического мира. Среди них особое значение имеют цианобактерии (сине-зеленые «водоросли»), которые, по-видимому, были первыми фотосинтетиками в эволюции жизни на Земле. Способны к фотосинтезу также многие бактерии, которые, правда, используют особый пигмент - бактериохлорин - и не выделяют при фотосинтезе кислород. Основные исходные вещества, используемые для фотосинтеза,- диоксид углерода и вода (основа для синтеза углеводов), а также азот, фосфор, калий и другие элементы минерального питания.
Создавая органические вещества на основе фотосинтеза, фотоавтотрофы, таким образом, связывают использованную солнечную энергию, как бы запасая ее. Последующее разрушение химических связей ведет к высвобождению такой «запасенной» энергии. Это относятся не только к использованию органического топлива; «запасенная» в тканях растений энергия передается в виде пищи по трофическим цепям и служит основой потоков энергии, сопровождающих биогенный круговорот веществ.
Хемоавтотрофы в процессах синтеза органического вещества используют энергию химических связей. К этой группе относятся только прокариоты: бактерии, архебактерии и отчасти сине-зеленные. Химическая энергия высвобождается в процессах окисления минеральных веществ. Экзотермические окислительные процессы используются нитрифицирующими бактериями (окисляют аммиак до нитритов, а затем до нитратов), железобактериями (окисление закисного железа до окисного), серобактериями (сероводород до сульфатов). Как субстрат для окисления используется также метан, СО и некоторые другие вещества.
При всем многообразия конкретных форм продуцентов-автотрофов их общая биосферная функция едина и заключается в вовлечении элементов неживой природы в состав тканей организмов и таким образом в общий биологический круговорот. Суммарная масса автотрофов-продуцентов составляет более 95 % массы всех живых организмов в биосфере.
Консументы. Живые существа, не способные строить свое тело на базе использования неорганических веществ, требующие поступления органического вещества извне, в составе пищи, относятся к группе гетеротрофных организмов, живущих за счет продуктов, синтезированных фото- или хемоситетиками. Пища, извлекаемая тем или иным способом из внешней среды, используется гетеротрофами на построение собственного тела и как источник энергии для различных форм жизнедеятельности. Таким образом, гетеротрофы используют энергию, запасенную автотрофами в виде химических связей синтезированных ими органических веществ. В потоке веществ по ходу круговорота они занимают уровень потребителей, облигатно связанных с автотрофами организмами (консументы 1 порядка) или с другими гетеротрофами, которыми они питаются (консументы II порядка).
Общее значение консументов в круговороте веществ своеобразно и неоднозначно. Они не обязательны в прямом процессе круговорота: искусственные замкнутые модельные системы, составленные из зеленых растений и почвенных микроорганизмов, при наличии влаги и минеральных солей могут существовать неопределенно долгое время за счет фотосинтеза, деструкции растительных остатков и вовлечения высвобожденных элементов в новый круговорот. Но это возможно лишь в стабильных лабораторных условиях. В природной обстановке возрастает вероятность гибели таких простых систем от многих причин. «Гарантами» устойчивости круговорота и оказываются в первую очередь консументы.
В процессе собственного метаболизма гетеротрофы разлагают полученные в составе пищи органические вещества и на этой основе строят вещества собственного тела. Трансформация первично продуцированных автотрофами веществ в организмах консументов ведет к увеличению разнообразия живого вещества. Разнообразие же необходимое условие устойчивости любой кибернетической системы на фоне внешних и внутренних возмущений. Живые системы - от организма до биосферы в целом - функционируют по кибернетическому принципу обратных связей.
Животные, составляющие основную часть организмов-консументов, отличаются подвижностью, способностью к активному перемещению в пространстве. Этим они эффективно участвуют в миграции живого вещества, дисперсии его по поверхности планеты, что, с одной стороны, стимулирует пространственное расселение жизни, а с другой служит своеобразным «гарантийным Механизмом» на случай уничтожения жизни в каком-либо месте в силу тех или иных причин.
Примером такой «пространственной гарантии может служить широко известная катастрофа на о. Кракатау: в результате извержения вулкана в 1883 г. жизнь на острове была полностью уничтожена, но в течение всего 50 лет восстановилась - было зарегистрировано порядка 1200 видов. Заселение шло главным образом за счет не затронутых извержением Явы, Суматры и соседних островов, откуда разными путями растения и животные вновь заселили покрытый пеплом и застывшими потоками лавы остров. При этом первыми (уже через 3 года) на вулканическом туфе и пепле появились пленки цианобактерий. Процесс становления устойчивых сообществ на острове продолжается; лесные ценозы еще находятся на ранних стадиях сукцессии и сильно упрощены по структуре.
Наконец, чрезвычайно важна роль консументов, в первую очередь животных, как регуляторов интенсивности потоков вещества и энергии по трофическим цепям. Способность к активной авторегуляции био- массы и темпов ее изменения на уровне экосистем и популяций отдельных видов в конечном итоге реализуется в виде поддержания соответствия темпов создания и разрушения органического вещества в глобальных системах круговорота. Участвуют в такой регуляторной системе не только консументы, но последние (особенно животные) отличаются наиболее активной и быстрой реакцией на любые возмущении баланса биомассы смежных трофических уровней.
В принципе система регулирования потоков вещества в биогенном круговороте, основанная на комплементарности составляющих эту систему экологических категорий живых организмов, работает по принципу безотходного производства. Однако в идеале этот принцип соблюден быть не может в силу большой сложности взаимодействующих процессов и влияющих на них факторов. Результатом нарушения полноты круговорота явились отложения нефти, каменного угля, торфа, сапропелей. Все эти вещества несут в себе энергию, первоначально запасенную в процессе фотосинтеза. Использование их человеком - как бы «отставленное во времени» завершение циклов биологического круговорота.
Редуценты. К этой экологической категории относятся организмы-гетеротрофы, которые, используя в качестве пищи мертвое органическое вещество (трупы, фекалия, растительный опад и пр.), в процессе метаболизма разлагают его до неорганических составляющих.
Частично минерализация органических веществ идет у всех живых организмов. Так, в процессе дыхания выделяется СО2, из организма выводятся вода, минеральные соли, аммиак и т.д. Истинными редуцентами, завершающий цикл разрушения органических веществ, следует поэтому считать лишь такие организмы, которые выделяют во внешнюю среду только неорганические вещества, готовые к вовлечению в новый цикл.
В категорию редуцентов входят многие виды бактерий и грибов. По характеру метаболизма это организмы-восстановители. Так, девитрифицирующие бактерии восстанавливают азот до элементарного состояния, сулъфатредуцирующие бактерия - серу до сероводорода. Конечные продукты разложения органических веществ - диоксид углерода, вода, аммиак, минеральные соли. В анаэробных условиях разложение идет дальше - до водорода; образуются также углеводороды.
Полный цикл редукции органического вещества более сложен и вовлекает большее число участников. Он состоит из ряда последовательных звеньев, в череде которых разные организмы-разрушители поэтапно превращают органические вещества сначала в более простые формы и только после этого в неорганические составляющие действием бактерий и грибов.
Уровни организации живой материи. Совместная деятельность продуцентов, консументов и редуцентов определяет непрерывное поддержание глобального биологического круговорота веществ в биосфере Земли. Этот процесс поддерживается закономерными взаимоотношениями составляющих биосферу пространственно-функциональных частей и обеспечивается особой системой связей, выступающих как механизм гомеостазирования биосферы - поддержания ее устойчивого функционирования на фоне изменчивых внешних и внутренних факторов. Поэтому биосферу можно рассматривать как глобальную экологическую систему, обеспечивающую устойчивое поддержание жизни в ее планетарном проявлении.
Любая биологическая (в том числе и экологическая) система характеризуется специфической функцией, упорядоченными взаимоотношениями составляющих систему частей (субсистем) и основывающимися на этих взаимодействиях регуляторными механизмами, определяющими целостность и устойчивость системы на фоне колеблющихся внешних условий. Из сказанного выше ясно, что биосфера в ее структуре и функции соответствует понятию биологической (экологической) системы.
На уровне биосферы как целого осуществляется всеобщая функциональная связь живого вещества с неживой природой. Ее структурно-функциональными составляющими (подсистемами), на уровне которых осуществляются конкретные циклы биологического круговорота, являются биогеоценозы (экосистемы).
2. Малый круговорот веществ в биосфере
Биологический (биогеохимический) круговорот (малый круговорот веществ в биосфере) – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. Биогеохимический круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. В экосистеме органические вещества синтезируют автотрофами из неорганических веществ. Затем он потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов органические вещества подвергаются минерализации, т.е. превращению в неорганические вещества. Эти неорганические могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ.
В биогеохимических круговоротах следует различать две части:
1. резервный фонд – это часть вещества, не связанная с живыми организмами;
2. обменный фонд – значительно меньшая часть вещества, которая связана прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением.
В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты можно разделить на два типа:
1. круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота);
2. круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и д.р.).
Круговороты газового типа совершенны, т.к. обладают большим обменным фондом, а значит способы к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, т.к. основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коре в «недоступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом. Однако извлечь нужные живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.
Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Так, например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре. Кроме того, в тундре биологические процессы протекают только в теплое время года.
Продуценты, консументы, детритофаги и редуценты экосистемы, поглощая и выделяя различные вещества, взаимодействуют между собой четко и согласованно. Органические вещества и кислород, образуемые фотосинтезирующими растениями, - важнейшие продукты питания и дыхания консументов. В то же время выделяемые консументами диоксид углерода и минеральные вещества навоза и мочи являются биогенами, столь необходимыми продуцентами. Поэтому вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, попадая сначала в живые организмы, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь в живое. Вот один из основных принципов функционирования экосистем: получение ресурсов и переработка отходов происходят в процессе круговорота всех элементов.
Рассмотрим круговороты наиболее значимых для живых организмов веществ и элементов. К малому биогеохимическому круговороту биогенных элементов относятся: углерод, азот, фосфор, сера и др.
2.1 Круговорот углерода
Углерод существует в природе во многих формах, в том числе в составе органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе биогенного круговорота этого элемента, - диоксид углерода (СО 2). В природе СО 2 входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном состоянии в гидросфере. Включение углерода в состав органических веществ происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе СО 2 и Н 2 О образуются сахара. В дальнейшем другие процессы биосинтеза преобразуют эти углероды в более сложные, а также в протеиды, липиды. Все эти соединения не только формируют ткани фотосинтезирующих организмов, но и служат источником органических веществ для животных и незеленных растений.
В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества; конечный продукт этого процесса, СО 2 , выводится во внешнюю среду, где вновь может вовлекаться в процесс фотосинтеза.
При определенных условиях в почве разложение накапливающихся мертвых остатков идет замедленным темпом – через образование сапрофагами гумуса, минерализация которого воздействием грибов и бактерий может идти с различной, в том числе и с низкой, скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность сапрофагов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Аналогичные ситуации возникали и в прошлые геологические эпохи, о чем свидетельствуют отложения каменного угля и нефти.
В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО 2 в состав СаСО 3 в виде известняков, мела, кораллов. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи. Лишь поднятие органогенных пород над уровнем моря приводит к возобновлению круговорота через выщелачивание известняков атмосферными осадками. А также биогенным путем – действием лишайников, корней растений.
Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд тонн этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит в возрастанию содержания СО 2 в атмосфере и развитию парникового эффекта.
Скорость круговорота СО 2 , т.е. время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.
2.2 Круговорот азота
Главный источник азота органических соединений – молекулярный азот в составе атмосферы. Переход его в доступные живым организмам соединения может осуществляться разными путями. Так, электрические разряды при грозах синтезируют из азота и кислорода воздуха оксида азота, которые с дождевыми водами попадают в почву в форме селитры или азотной кислоты. Имеет место и фотохимическая фиксация азота.
Более важной формой усвоения азота является деятельность азот-фиксирующих микроорганизмов, синтезирующих сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом, который быстро минерализируются. Таким путем в почву ежегодно поступает около 25 кг азота на 1 га.
Наиболее эффективная фиксация азота осуществляется бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. Образуемый ими органический азот диффундирует в ризосферу, а также включается в наземные органы растения-хозяина. Таким путем в наземных и подземных органах растений на 1 га накапливается за год 150-400 кг азота.
Существуют азотфиксирующие микроорганизмы, образующие симбиоз и другими растениями. В водной среде и на очень влажной почве непосредственную фиксацию атмосферного азота осуществляют цианобактерии. Во всех этих случаях азот попадает в растения в форме нитратов. Эти соединения через корни и проводящие пути доставляются в листья, где используются для синтеза протеинов; последние служат основой для азотного питания животных.
Экскреты и мертвые организмы составляют базу цепей питания организмов-сапрофагов, разлагающих органические соединения с постепенным превращением органических азотсодержащих веществ в неорганические. Конечным звеном этой редукционной цепи оказываются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак, который затем может войти в цикл нитрификации. Таким образом цикл азота может быть продолжен.
В то же время происходит постоянное возвращение азота в атмосферу действием бактерий-денитрификаторов, которые разлагают нитраты до N 2 . Эти бактерии активны в почвах, богатых азотом и углеродом. Благодаря их деятельности ежегодно с 1 га почвы улетучиваются до 50-60 кг азота.
Азот может выключаться из круговорота путем аккумуляции в глубоководных осадках океана. В известной мере это компенсируется выделением молекулярного N 2 в составе вулканических газов.
2.3 Круговорот фосфора
Из всех макроэлементов (элементов, необходимых для всего живого в больших количествах) фосфор – один из самых редких в доступных резервуарах на поверхности Земли. В природе фосфор в больших количествах содержится в ряде горных пород. В процессе разрушения этих пород он попадает в наземные экосистемы или выщелачивается осадками и в конце концов оказывается в гидросфере. В обоих случаях этот элемент вступает в пищевые цепи. В большинстве случаев организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и таким образом снова вовлекаются в круговорот.
В океане часть фосфатов с отмершими органическими остатками попадает в глубинные осадки и накапливается там, выключаясь из круговорота. Процесс естественного круговорота фосфора в современных условиях интенсифицируется применением в сельском хозяйстве фосфорных удобрений, источником которых служат залежи минеральных фосфатов. Это может быть поводом для тревоги, поскольку соли фосфора при таком использовании быстро выщелачиваются, а масштабы эксплуатации минеральных ресурсов все время растут. Составляя в настоящее время около 2 млн. тонн в год.
2.4 Круговорот серы
Основной резерв фонд серы находится в отложении и почве, но в отличие от фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечение серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмами. Одни из них восстановители, другие – окислители.
В горных породах сера встречается в виде сульфидов, в растворах – в форме иона, в газообразной фазе в виде сероводорода или сернистого газа. В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.
В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до HS, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводорода улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками.
Сжигание человеком ископаемого топлива, а также выбросы химической промышленности, приводит к накоплению в атмосфере сернистого газа (SO), который реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.
Биогеохимические циклы в значительной степени подвержены влиянию человека. Хозяйственная деятельность нарушает их замкнутость, они становятся ацикличными.
Заключение
Сложные взаимоотношения, поддерживающие устойчивый круговорот веществ, а с ним и существование жизни как глобального явления нашей планеты, сформировались на протяжении длительной истории Земли.
Совместная деятельность различных живых организмов определяет закономерный круговорот отдельных элементов и химических соединений, включающий введение их в состав живых клеток, преобразования химических веществ в процессах метаболизма, выделение в окружающую среду и деструкцию органических веществ, в результате которой высвобождаются минеральные вещества, вновь включающиеся в биологические циклы.
Таким образом, процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде биогеохимические циклы реализуются лишь на уровне биосферы в целом. А совместная деятельность качественных форм жизни обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их трансформацию на разных уровнях трофических цепей и минерализацию органического вещества до составляющих, доступных для очередного включения в круговорот (основные элементы, мигрирующие по цепям биологического круговорота, - углерод, водород, азот, калий, кальций и др.).
Список литературы
1. Колесников С.И. Экология. – Ростов на Дону: «Феникс», 2003.
2. Петров К.М. Общая экология: Взаимодействие общества и природы: Учебн. пособие. 2-е изд.- СПб.; Химия, 1998.
3. Николайкин Н.И. Экология.: Учеб. для вузов/ Николайкин Н.Н., Николайкина Н.Е., Мелехина О.П. – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Дрофа, 2003.
4. Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2002.
5. Шилов И.А. Экология: Учеб. для биол. и мед. спец. вузов И.А. Шилов.-4-е изд., испр.- М.: Высшая школа, 2003.