Живая оболочка планеты непрерывно поглощает не только энергию Солнца, но и идущую из недр Земли; энергия трансформируется и передается от одних организмов к другим и излучается в окружающую среду. Следует четко представлять, куда «текут» энергетические потоки и какова их роль в создании биомассы.
Ежегодно на земную поверхность падает около 2110 23 кДж, из этой величины на участки Земли, покрытые растениями, а также на водоемы с содержащейся в них растительностью приходится только около 40 %. С учетом потери энергии радиации вследствие отражения и других причин, а также энергетического выхода фотосинтеза, не превышающего 2 %, общее количество энергии, запасаемой ежегодно в продуктах фотосинтеза, выразится величиной порядка 2,010 22 кДж. Кроме создания чистой продукции, живой покров суши использует захваченную им энергию Солнца для процесса дыхания: около 30–40 % энергии, расходуемой на создание чистой продукции. Таким образом, растительность суши преобразует суммарно (на дыхание и создание чистой продукции) около 4,210 18 кДж в год солнечной энергии.
Создание и существование биомассы неразрывно связаны с поступлением энергии и веществ из окружающей среды. Большинство веществ земной коры проходит через живые организмы и вовлекается в биологический круговорот веществ, создавший биосферу и определяющий ее устойчивость. В энергетическом отношении жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком энергии от Солнца и использованием ее в процессах фотосинтеза. Поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. В процессе фотосинтеза растения используют лучистую энергию солнечного света для превращения веществ с низким содержанием энергии (СО 2 и Н 2 О) в более сложные органические соединения, где часть солнечной энергии запасена в форме химических связей (рис. 2).
Рис. 2.Превращения энергии в биосфере (сплошные стрелки – круговорот веществ, прерывистые – поток энергии)
Образованные в процессе фотосинтеза органические вещества служат источником энергии для самого растения или переходят в процессе поедания и последующего усвоения от одних организмов к другим. Высвобождение заключенной в органических соединениях энергии происходит также в процессе дыхания или брожения. Сапрофиты (гетеротрофные бактерии, грибы, некоторые животные и растения) разлагают остатки биомассы на неорганические составные части (минерализация), способствуя вовлечению в биологический круговорот соединений и химических элементов, что обеспечивает очередные циклы продуцирования органического вещества. Укажем, что содержащаяся в пище энергия не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию. В итоге поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения. Поэтому живому веществу биосферы требуется постоянный приток солнечной энергии. К Земле приходит коротковолновое излучение (свет), а уходит от нее длинноволновое тепловое излучение. При этом баланс этих энергий не соблюдается: планета излучает в Космос несколько меньше энергии, нежели получает от Солнца. Эту разность (доли процента) и усваивает биосфера, постепенно, но постоянно накапливая энергию. Ее оказалось достаточно и для того, чтобы однажды на планете появилась Жизнь, возникла биосфера, и чтобы и ныне поддерживать развитие живого вещества планеты.
Выше мы видели, что растения улавливают энергию Солнца в форме видимых лучей и переводят ее в результате фотосинтетических процессов в энергию химических связей, затем она переходит в теплоту и излучается через поверхность тела животных в мировое пространство в форме инфракрасных лучей. Получается поток энергии через биосферу. Как видно, с момента прихода в биосферу она испытывает целый ряд превращений. Этот процесс называется трансформацией энергии в биосфере. Энергия именно протекает через биосферу, а не совершает в ней круговорот. Вещество же в отличие от энергии совершает в биосфере непрерывный круговорот. Запомним этот важнейший момент. Только непрерывное поступление энергии Солнца на Землю обеспечивает нормальное функционирование биосферы.
Авторы книги «Рассказы о биосфере» П. П. Второв и Н. Н. Дроздов иллюстрируют роль потока энергии в круговороте веществ очень простым и наглядным примером. Объясняя роль энергии и круговорота веществ в жизненных процессах биосферы, они сравнивают их с водяным колесом и потоком воды. Колесо символизирует запасы вещества в биосфере: оно непрерывно крутится, оставаясь на месте и не изменяясь. То же самое происходит и с веществом биосферы: не изменяясь количественно, оно находится в состоянии непрерывного круговорота. Но колесо само по себе не будет вращаться, необходим постоянный поток воды. Вода, раз совершив работу, уходит и повторно не возвращается к колесу. Стоит прекратиться потоку воды - остановится и колесо. Поток энергии через биосферу играет точно такую же роль. Он «крутит колесо» круговорота веществ и обеспечивает тем самым существование и развитие биосферы. Стоит прекратиться потоку энергии - встанет и «колесо жизни» биосферы.
Количество поступающей энергии на разных широтах из-за шарообразности Земли неодинаково. Оно максимально в низких широтах и минимально в высоких. В субтропических и тропических поясах ежегодно поверхность Земли получает 220 ккал/см 2 , или 924 кДж/см 2 , тепла, а в полярных районах - около 70 ккал/см 2 , или 294 кДж/см 2 . Из этого количества только 0,5 % энергии запасается растительностью суши в вице чистой первичной продукции. Вот эти-то 0,5 % аккумулированной энергии и обеспечивают существование жизни на Земле, в том числе и нас с вами. Растительный покров - это огромный аккумулятор, который бесперебойно снабжает все организмы, живущие на Земле, энергией. А каким образом передается эта энергия в биосфере, мы видели, когда рассматривали пищевые цепи. Выше уже было отмечено, что в природе не может быть слишком длинных пищевых цепей. Почему же? Оказывается, слишком длинные пищевые цепи невыгодны о энергетической точки зрения. Поскольку только 10 % энергии, полученной со съеденной пищей, используется по «прямому назначению», т. е. идет на синтез органических веществ в теле животного, то количество передаваемой энергии стремительно сокращается при переходе от низших звеньев цепи к высшим:
Таким образом, животное, находящееся в конце цепи, включающей пять звеньев, получит только 0,0001 часть энергии, аккумулированной растениями, и для поддержания его нормальной жизнедеятельности потребуется затратить громадное количество биомассы растений. Вот это и делает невозможным существование в природе экосистем с очень длинными пищевыми цепями.
Что такое Поток энергии в биосфере?? и получил лучший ответ
Ответ от Ђаня Сарбаш(Остривная)[гуру]
ПОТОК ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ – процессы передачи и использования энергии в различных компонентах биосферы (см.) . Общее число живых организмов в каждом биоценозе, скорость их развития и воспроизводства зависят в конечном счете от количества энергии, поступающей в экосистему, от скорости ее движения через нее и, наконец, от интенсивности циркуляции веществ в ней. В отличие от циклического движения веществ, превращения энергии идут в одном направлении. Единственный источник энергии для биосферы - солнечный свет (лишь небольшие локальные экосистемы используют энергию химических реакций) . Часть солнечной энергии (0,1-1,6% от общего количества, достигающего поверхности Земли) преобразуется сообществами организмов и переходит на качественно более высокую ступень, трансформируясь в органическое вещество, представляющее более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет. Но большая часть энергии деградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низкокачественной тепловой энергии (тепловой сток) . Эффективность преобразования энергии в экосистемах отражается в пирамиде энергии, которая строится подсчетом количества энергии (в килокалориях - ккал) , аккумулированной единицей поверхности за единицу времени и используемой организмами на каждом трофическом уровне. Только небольшая часть всей этой энергии остается в организмах и сохраняется в биомассе, остальная часть используется для удовлетворения метаболических потребностей живых существ (см. экологическая эффективность сообществ) .
Поток энергии в экосистемах часто изображается в виде блоковой функциональной модели экосистемы либо упрощенной диаграммы передачи энергии в пищевой цепи (см.) . В первом случае (рис. 1) каждому блоку модели придана определенная форма, которая указывает на его общую функцию: кругом обозначен источник энергии, фигурами U-образной формы с крышечкой - хранилища энергии, U-образной фигурой - автотрофы (зеленые растения, способные переводить солнечную энергию в органические вещества) , а шестиугольниками - гетеротрофы (организмы, нуждающиеся в готовой пище) . Вторая диаграмма (рис. 2) представляет собой совокупность прямоугольников, площадь которых пропорциональна количеству энергии, сосредоточенной в биомассе каждого трофического уровня (см.) . Фигуры соединены линиями, ширина которых пропорциональна величине передаваемой вдоль цепи энергии. Принципы организации пищевых цепей отражают действие двух законов термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, приток энергии уравновешивается ее оттоком, и каждый перенос энергии сопровождается ее рассеиванием в форме, недоступной для использования тепловой энергии (при дыхании) , как того требует второй закон. Подобные диаграммы показывают, что общее количество энергии, поступающее за единицу времени в экосистему, либо деградирует, либо экспортируется, либо накапливается. Сумма энергии, потерянной при дыхании, накопленной в экосистеме и ушедшей, равна энергии, зафиксированной в процессе фотосинтеза. Вместо одноканальной схемы передачи энергии в пищевой цепи чаще используется Y-образная, или двухканальная диаграмма (рис. 3), когда поток энергии от продуцентов разделяется на детритную и пастбищную цепи. Она более реалистична, так как: 1) она соответствует основной ярусной структуре экосистемы, 2) прямое потребление живых растений и использование мертвого органического вещества обычно разделены в пространстве и времени, 3) макроконсументы (фаготрофные животные) и микроконсументы (сапрофитные бактерии и грибы) сильно различаются отношениями интенсивности обмена к размерам, и для их изучения требуются разные методы. Величины тех частей энергии чистой продукции, которые текут по двум путям, различны в экосистемах разного типа и часто варьируют по сезонам или по годам в одной и той же экосистеме. Во всех экосистемах пастбищная и детритная пищевые цепи взаимосвязаны, так что в ответ на энергетические воз
Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот веществ в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. Более 99% энергии, поступающей на поверхность Земли, составляет излучение Солнца. Эта энергия в огромном количестве растрачивается на физические и химические процессы в атмосфере, гидросфере и литосфере: перемешивание воздушных потоков и водных масс, испарение, перераспределение веществ, растворение минералов, поглощение и выделение газов.[ ...]
Только 1/2000000 часть солнечной энергии достигает поверхности Земли, при этом 1- 2% ее ассимилируется растениями. На Земле существует единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается на очень длительное время. Этот процесс - создание органического вещества в ходе фотосинтеза. Сжигая в топках каменный уголь, мы освобождаем и используем солнечную энергию, запасенную растениями сотни миллионов лет назад.[ ...]
Основная планетарная функция растений (аутотрофов) заключается в связывании и запасании солнечной энергии, которая затем расходуется на поддержание биохимических процессов в биосфере.[ ...]
Первый трофический уровень - это продуценты, создатели растительной биомассы; растительноядные животные (консументы 1-го порядка) относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные животные, живущие за счет растительноядных форм - это консументы 2-го порядка; плотоядные, поедающие других плотоядных - консументы 3-го порядка и т.д.[ ...]
Энергетический баланс консументов складывается следующим образом. Поглощенная пища обычно усваивается не полностью. Процент усвояемости зависит от состава пищи и наличия пищеварительных ферментов организма. У животных ассимилируется в процессе обмена веществ от 12 до 75% пищи. Неусвоенная часть пищи вновь возвращается во внешнюю среду (в виде экскрементов) и может быть вовлечена в другие цепи питания. Большая часть энергии, полученной в результате расщепления пищевых веществ, расходуется на физиологические процессы в организме, меньшая часть - трансформируется в ткани самого организма, т.е. расходуется на рост, увеличение массы тела, откладывание запасных питательных веществ.[ ...]
Передача энергии в химических реакциях в организме происходит, согласно второму закону термодинамики, с потерей части ее в виде тепла. Особенно велики эти потери при работе мышечных клеток животных, коэффициент полезного действия которых очень низок.[ ...]
Траты на дыхание также во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы организма. Конкретные соотношения зависят от стадии развития и физиологиче-ского состояния особей. У молодых особей траты на рост больше, тогда как зрелые особи используют энергию практически исключительно на поддержание обмена веществ и физиологических процессов.[ ...]
Таким образом, большая часть энергии при переходе от одного звена пищевой цепи к другому теряется, т.к. использована другим, следующим звеном может быть только энергия, заключенная в биомассе предыдущего звена. Подсчитано, что эти потери составляют около 90%, т.е. только 10% потребленной энергии аккумулируется в биомассе.[ ...]
В соответствии с этим, запас энергии, накопленный в растительной биомассе, в цепях питания стремительно иссякает. Потерянная энергия может быть восполнена только за счет энергии Солнца. В связи с этим, в биосфере не может быть круговорота энергии, подобного круговороту веществ. Биосфера функционирует только за счет однонаправленного потока энергии, постоянного поступления ее извне в виде солнечного излучения.[ ...]
Трофические цепи, которые начинаются с фотосинтезирующих организмов, называются цепями потребления, а цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных - детритными цепями разложения.
Биосфера - открытая система. Ее существование невозможно без поступления энергии извне. Основная доля приходится на энергию Солнца. В отличие от количества солнечной энергии, количество атомов вещества на Земле ограничено. Круговорот веществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов химических элементов. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной «строительный материал» живого - углерод.
Биосфера Земли характеризуется определенным образом сложившимся круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ - многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном потоке солнечной энергии.
В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два.
Геологический круговорот - круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Геологический круговорот веществ осуществляется без участия живых организмов.
Биологический круговорот - круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. С появлением человека возник антропогенный круговорот, или обмен веществ.
Антропогенный круговорот (обмен) - круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологическую , связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую , связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот (обмен).
В отличие от геологического и биологического круговоротов веществ, антропогенный круговорот веществ в большинстве случаев является незамкнутым. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды. Именно они и являются основной причиной всех экологических проблем человечества.
Рассмотрим круговороты наиболее значимых для живых организмов веществ и элементов (рис. 27-30).
Рис. 27.
Рис. 29.
Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту. Вода испаряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км 3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет.
Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом океане круговорот углерода усложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ.
Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2 /з его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания С0 2 в атмосфере и развитию парникового эффекта.
Скорость круговорота С0 2 , то есть время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.
Круговорот кислорода. Главным образом круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (0 2) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами и при минерализации органических остатков. Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т.д. Основная доля кислорода продуцируется растениями суши - почти 3 / 4 , остальная часть - фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота - около 2 тыс. лет.
Установлено, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который образуется в процессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.
Круговорот азота. Запас азота (N2) в атмосфере огромен (78% от ее объема). Однако растения поглощать свободный азот не могут, а только в связанной форме, в основном в виде МН 4 + или N03". Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступные растениям формы. В растениях азот закрепляется в органическом веществе (в белках, нуклеиновых кислотах и пр.) и передается по цепям питания. После отмирания живых организмов редуценты минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу.
Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут мигрировать в подземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям. Если их количество излишне велико, что часто наблюдается при неправильном применении азотных удобрений, то происходит загрязнение вод и продуктов питания, что вызывает заболевания человека.
