1.Bioszféra(az ógörögül βιος - élet és σφαῖρα - gömb, labda) - a Föld héja, amelyet élő szervezetek laknak be, befolyásuk alatt és létfontosságú tevékenységük termékei foglalják el; „életfilm”; a Föld globális ökoszisztémája.

A bioszféra a Föld héja, amelyet élő szervezetek laknak be és alakítanak át. A bioszféra legkésőbb 3,8 milliárd évvel ezelőtt kezdett kialakulni, amikor az első organizmusok megjelentek bolygónkon. Behatol az egész hidroszférába, a litoszféra felső részébe és a légkör alsó részébe, vagyis belakja az ökoszférát. A bioszféra az összes élő szervezet összessége. Több mint 3 000 000 növény-, állat-, gomba- és baktériumfaj otthona. Az ember is a bioszféra része, tevékenysége felülmúlja számos természetes folyamatot, és ahogy V. I. Vernadsky mondta: „Az ember hatalmas geológiai erővé válik.

Jean Baptiste Lamarck francia természettudós a 19. század elején. most először vetette fel lényegében a bioszféra fogalmát anélkül, hogy magát a kifejezést bevezette volna. A „bioszféra” kifejezést Eduard Suess osztrák geológus és paleontológus javasolta 1875-ben.

A bioszféra holisztikus tanát V. I. biogeokémikus és filozófus alkotta meg. Első ízben az élő szervezeteket jelölte ki a fő átalakító erő szerepébe a Föld bolygón, figyelembe véve nemcsak a jelenkori, hanem a múltbeli tevékenységüket is.

Van egy másik, szélesebb meghatározás: Bioszféra - az élet eloszlásának területe a kozmikus testen. Míg a Földön kívüli űrobjektumokon élet létezése még mindig ismeretlen, úgy vélik, hogy a bioszféra rejtettebb területeken is kiterjedhet rájuk, például litoszféra üregeiben vagy szubglaciális óceánokban. Például a Jupiter Europa műholdjának óceánjában élet létezésének lehetőségét fontolgatják.

Az ökológia fő fogalma az "ökoszisztéma". Ezt a kifejezést vezették be A. Tansley 1935-ben. Ökoszisztéma minden olyan rendszer, amely élőlényekből és élőhelyeikből áll, amelyek egyetlen funkcionális egésszé egyesülnek.

Az ökoszisztémák főbb tulajdonságai: az anyagok keringésének lebonyolításának, a külső hatásoknak való ellenálló képességnek és a biológiai termékek előállításának képessége.

Általában vannak: mikroökoszisztémák (például egy kis víztömeg), amelyek mindaddig léteznek, amíg az anyagok körforgására képes élő szervezeteket tartalmaznak; mezoökoszisztémák (például folyó); makroökoszisztémák (például az óceán), valamint a globális ökoszisztéma - a bioszféra

A bioszféra mint globális ökoszisztéma

Koncepció "bioszféra" 1875-ben egy osztrák geológus vezette be a tudományos irodalomba Eduard Suess A bioszférának a légkörnek, a hidroszférának és a litoszférának (a Föld szilárd héjának) az összes tereként utalt, ahol élő szervezetek találhatók.

Vlagyimir Ivanovics Vernadszkij használta ezt a kifejezést, és egy hasonló nevű tudományt hozott létre. Ebben az esetben a bioszféra azt a teljes teret (a Föld héját) jelenti, ahol élet létezik vagy valaha is létezett, vagyis ahol élő szervezetek vagy élettevékenységük termékei találhatók. V. I. Vernadsky nemcsak meghatározta és felvázolta az élet határait a bioszférában, de ami a legfontosabb, átfogóan feltárta az élő szervezetek szerepét a bolygószintű folyamatokban. Megmutatta, hogy a természetben nincs erősebb környezetformáló erő, mint az élő szervezetek és élettevékenységük termékei. I.-ben Vernadsky levezette az élő szervezetek elsődleges átalakító szerepét, valamint a geológiai szerkezetek kialakulásának és pusztulási mechanizmusait, az anyagok körforgását és az ezek által meghatározott szilárdtest-változásokat. litoszféra), egy ( hidroszféra) és levegő ( légkör) a Föld héjai. A bioszférának azt a részét, ahol jelenleg élő szervezetek találhatók, modern bioszférának nevezik. neobioszféra), az ősi bioszférákat a következő kategóriába sorolják: paleobioszférák). Utóbbira példaként kiemelhetjük a szerves anyagok élettelen koncentrációit (szén, olaj, olajpala lerakódások), más, élő szervezetek közreműködésével képződött vegyületek készleteit (mész-, kréta-, ércképződmények).

A bioszféra határai. A neobioszféra a légkörben megközelítőleg az ózonképernyőig helyezkedik el a Föld felszínének nagy része felett - 20-25 km-re. Szinte az egész hidroszférát, még a Csendes-óceán legmélyebb Mariana-árkát is (11 022 m), élet foglalja el. Az élet a litoszférába is behatol, de néhány méterre, csak a talajrétegre korlátozódik, bár az egyes repedéseken, barlangokon keresztül több száz méterig terjed. Ennek eredményeként a bioszféra határait az élő szervezetek jelenléte vagy létfontosságú tevékenységük „nyomai” határozzák meg. Az ökoszisztémák a bioszféra fő láncszemei. Ökoszisztéma szinten az élőlények alapvető tulajdonságait és működési mintáit részletesebben és mélyebben át lehet tekinteni, mint a bioszféra példáján keresztül.

Az elemi ökoszisztémák megőrzése révén megoldódik korunk fő problémája - a globális válság kedvezőtlen jelenségeinek megelőzése vagy semlegesítése, a bioszféra egészének megőrzése.

2.Élő anyag- a bioszférában lévő élő szervezetek testeinek teljes halmaza, függetlenül azok szisztematikus hovatartozásától.

Ezt a fogalmat nem szabad összetéveszteni a „biomassza” fogalmával, amely a biogén anyag része.

A kifejezést V. I. Vernadsky vezette be

Az élőanyag ott fejlődik ki, ahol élet létezhet, vagyis a légkör, a litoszféra és a hidroszféra metszéspontjában. A létezés szempontjából kedvezőtlen körülmények között az élő anyag a felfüggesztett animáció állapotába kerül.

Az élő anyag sajátosságai a következők:

A bioszféra élőanyagát óriási szabad energia jellemzi. A szervetlen világban a szabadenergia mennyiségét tekintve csak a rövid élettartamú, meg nem keményedett lávafolyamok hasonlíthatók az élő anyaghoz.

A bioszféra élő és élettelen anyagai között éles különbség figyelhető meg a kémiai reakciók sebességében: az élő anyagban a reakciók ezerszer és milliószor gyorsabban mennek végbe.

Az élőanyag sajátossága, hogy az azt alkotó egyes kémiai vegyületek - fehérjék, enzimek stb. - csak az élő szervezetekben stabilak (ez nagyrészt az élőanyagot alkotó ásványi vegyületekre is jellemző) .

Az élő anyag önkéntes mozgása, nagyrészt önszabályozó. V. I. Vernadsky az élő anyag mozgásának két sajátos formáját azonosította: a) passzív, amely szaporodás útján jön létre, és mind az állati, mind a növényi szervezetekben rejlik; b) aktív, amely az élőlények irányított mozgása miatt valósul meg (jellemző az állatokra és kisebb mértékben a növényekre). Az élő anyagnak is benne rejlik a vágya, hogy minden lehetséges teret betöltsen.

Az élő anyag lényegesen nagyobb morfológiai és kémiai diverzitást mutat, mint az élettelen. Ezenkívül a nem élő abiogén anyagokkal ellentétben az élő anyag nem kizárólag folyékony vagy gázfázisban van jelen. Az élőlények teste mindhárom fázisállapotban épül fel.

Az élő anyag a bioszférában szétszórt testek - egyedi organizmusok - formájában jelenik meg. Sőt, szétszórtan élő anyag soha nem található a Földön morfológiailag tiszta formában - ugyanazon fajhoz tartozó organizmusok populációi formájában: mindig biocenózisok képviselik.

Az élő anyag generációk folyamatos váltakozása formájában létezik, aminek köszönhetően a modern élőanyag genetikailag rokon az elmúlt korok élőanyagával. Ugyanakkor az élőanyagra jellemző az evolúciós folyamat jelenléte, vagyis az élő anyag szaporodása nem a korábbi generációk abszolút másolásának módjával, hanem morfológiai és biokémiai változásokon keresztül történik.

Az élő anyag értelme

Az élő anyag munkája a bioszférában meglehetősen változatos. Vernadsky szerint az élő anyag munkája a bioszférában két fő formában nyilvánulhat meg:

a) kémiai (biokémiai) – I típusú geológiai tevékenység; b) gépészeti – II típusú szállítási tevékenység.

Az első típusú atomok biogén vándorlása az élőlények és a környezet közötti állandó anyagcserében nyilvánul meg az élőlények testének felépítése és az élelmiszer emésztése során. A második típusú atomok biogén vándorlása az élőlények anyagmozgását jelenti élettevékenységük során (odúk, fészkek építése során, amikor az élőlényeket a talajba temetik), magának az élőanyagnak a mozgását, valamint a szervetlen anyagok átjutása a földet evők, iszapevők és szűrőbetegek gyomorcsatornáján.

Az élő anyag bioszférában végzett munkájának megértéséhez nagyon fontos három alapelv, amelyeket V.I. Vernadsky biogeokémiai elveknek nevezett:

A kémiai elemek atomjainak biogén vándorlása a bioszférában mindig a maximális megnyilvánulásra törekszik.

A fajok geológiai időn keresztüli evolúciója, amely a bioszférában stabil életformák létrejöttéhez vezet, olyan irányba halad, amely fokozza az atomok biogén vándorlását.

Az élő anyag folyamatos kémiai cserében van az őt körülvevő kozmikus környezettel, és a Nap sugárzó energiája hozza létre és tartja fenn bolygónkon.

Az élő anyagnak öt fő funkciója van:

Energia. A fotoszintézis során a napenergia elnyelésében, az energiával telített anyagok lebontásán és a heterogén élőanyag táplálékláncán keresztül a kémiai energia elnyelésében áll.

Koncentráció. Bizonyos típusú anyagok szelektív felhalmozódása az élet során. A kémiai elemeknek kétféle koncentrációja létezik az élőanyagban: a) az elemek koncentrációjának masszív növekedése ezekkel az elemekkel telített környezetben, például a vulkanizmus területein sok a kén és a vas az élőanyagban; b) egy adott elem meghatározott koncentrációja, függetlenül a környezettől.

Pusztító. A nem biogén szerves anyagok mineralizációjából, a nem élő szervetlen anyagok lebontásából és a keletkező anyagok biológiai körforgásba való bekapcsolódásából áll.

Környezetformáló. A környezet fizikai és kémiai paramétereinek átalakulása (főleg nem biogén anyag miatt).

Szállítás. Az élő anyagok táplálkozási kölcsönhatásai hatalmas tömegek kémiai elemek és anyagok mozgásához vezetnek a gravitáció ellenében és vízszintes irányban.

Az élő anyag átfogja és átrendezi a bioszféra összes kémiai folyamatát. Az élő anyag a legerősebb geológiai erő, amely az idő múlásával növekszik. A bioszféra tanának nagy megalapítója emléke előtt tisztelegve A. I. Perelman azt javasolta, hogy a következő általánosítást „Vernadszkij törvényének” nevezzék:

3. A bioszféra energiája

A bioszférában zajló energetikai folyamatokban a döntő szerep (99%) a napsugárzásé, amely meghatározza a Föld bioszférájának hőháztartását és hőháztartását. A Föld által a Naptól kapott teljes energiamennyiség 5,42 · 10 4 J 33%-a a felhőkben és a földfelszínen, valamint a felső légkörben lévő porban verődik vissza. Ez a rész alkotja a Föld albedóját, az energia 67%-át a légkör és a földfelszín (kontinensek és a világóceán) nyeli el, majd egy sor átalakulás után a világűrbe kerül (5.2. ábra).

A légkörben a felmelegedés alulról történik, ami erőteljes konvektív áramlások kialakulásához és a légtömegek általános keringéséhez vezet. Az elsősorban szél által vezérelt óceáni áramlatok vízszintes irányban újraosztják a beérkező napenergiát, ami befolyásolja a légkör hőellátását. A világ óceánjai és légköre egyetlen termikus rendszer.

A sugárzás és a konvekció miatt bolygónk teljes energiaegyensúlya megmarad. A bioszférában a víz körforgását a napenergia-ellátás is meghatározza.

A napenergia teljes áramlásának nagyon kis részét a zöld növények a fotoszintézis reakciója során nyelték el. Ez az energia évente 10 22 J (körülbelül a teljes napsugárzás 0,2%-a). A fotoszintézis egy erőteljes természetes folyamat, amely a bioszféra anyagának hatalmas tömegeit vonja be a ciklusba, és nagy mennyiségű oxigént határoz meg a légkörben. A fotoszintézis egy kémiai reakció, amely a napenergia hatására játszódik le a zöld növényekben a klorofill részvételével: n CO 2 + n H 2 O = C n H 2 n O 2+ n O 2. A szén körforgása a bioszférában az ábrán látható. 5.3.

Így a szén-dioxid és a víz hatására szerves anyagok szintetizálódnak és szabad oxigén szabadul fel. A fotoszintézis néhány kivételtől eltekintve a Föld teljes felületén végbemegy, és hatalmas geokémiai hatást vált ki, amely a bioszféra szerves élőanyagainak felépítésében évente részt vevő teljes széntömeg mennyiségével jellemezhető. A CO 2 felhasználása és elnyelése évente: a szárazföldön 253-10 9 tonna, az óceánban - 88-10 9 tonna, és összesen - 341 10 9 tonna víz, 232 10 9 tonna szerves anyag felhasználásával. C jön létre n H 2 n RÓL RŐL nés 248 · 10 9 tonna oxigén kerül a légkörbe.

A bioszférában a fotoszintézissel való kapcsolat, a körforgásban 1 milliárd tonna nitrogén, 260 millió tonna foszfor és 200 millió tonna kén vesz részt.

6-7 éven belül a légkör összes szén-dioxidja felszívódik, 3000-4000 év alatt a légkör összes oxigénje megújul, és 10 millió éven belül a fotoszintézis a teljes hidroszférával megegyező víztömeget dolgoz fel. Ha figyelembe vesszük, hogy a bioszféra legalább 3,8-4 milliárd éve létezik a Földön (a Föld pedig körülbelül 4,5 milliárd éve), akkor azt mondhatjuk, hogy a Világóceán vizei átmentek a vele kapcsolatos biogén cikluson. fotoszintézis legalább 1 millió egyszer. Mindezek az értékek tükrözik a fotoszintézis óriási jelentőségét a Föld történetében.

Itt jegyezzük meg, hogy amikor egy szervezet elpusztul, fordított folyamat megy végbe - a szerves anyagok lebomlása oxidációval, bomlással stb. végső bomlástermékek képződésével. Ez a folyamat a Föld bioszférájában ahhoz a tényhez vezet, hogy az élő anyag biomassza mennyisége egy bizonyos állandóság felé hajlik. A biomassza mennyisége megközelítőleg 10-szerese a fotoszintézis során évente termelődő szerves anyag mennyiségének (0,232 · 10 12 t). A bioszférán áthaladó anyag össztömege 12-szerese a Föld tömegének. Így működik ez az „élő gyár”.

Nézze meg a 230-234. Milyen kémiai vegyületeket használnak az élőlények az anyagciklusokban? Mi a jelentősége a fotoszintézis, a vízpárolgás, a légzés, a nitrogénkötés folyamatainak a bioszférában az anyagciklusok és az energiaáramlás biztosításában?

A bioszféra minden összetevője és a benne zajló folyamatok szorosan összefüggenek egymással. A bioszféra stabilitását a benne folyamatosan előforduló anyag- és energiaátalakítási ciklusok tartják fenn. A ciklusok a jelenségek léptékében és minőségében eltérőek, például a vízciklus, a szénciklus, a nitrogénciklus. Ezeket a bioszféra összes összetevőjének részvételével hajtják végre, és egyetlen biogeokémiai ciklus részét képezik.

Biogeokémiai ciklus - anyagcsere és energiaátalakítás a bioszféra különböző összetevői között, amelyek az élőlények tevékenységéhez kapcsolódnak.

A biogeokémiai körforgás fő mozgatórugója a bioszférában az élőanyag aktivitásával összefüggő, folyamatosan zajló energiaáramlás.

Az élőlényeknek energiára van szükségük létfontosságú funkcióik fenntartásához. Az energia a bioszférában többféle formában létezik. Ismeretesek a mechanikai, kémiai, termikus, elektromos és egyéb energiaformák. Az energia egyik formájáról a másikra való átmenet, az úgynevezett energiaátalakítás, az energiamegmaradás törvénye alá tartozik, amely kimondja, hogy az energia átalakulhat egyik formából a másikba, de nem keletkezhet vagy semmisíthető meg.

A bioszféra fő energiaforrása a Nap energiája (228. ábra). Felmelegíti a légkört és a hidroszférát, légtömegek mozgását, óceáni áramlatokat, víz párolgást, hóolvadást idéz elő. Az autotróf organizmusok, főként zöld növények, fotoszintézis reakciók eredményeként a napenergiát a létrejövő szerves anyagok kémiai kötéseinek energiájává alakítják. Jelentős részét maguk a növények fogyasztják el életfolyamatokhoz. A növények kémiai energiájának kisebb része a tápláléklánc mentén továbbadódik a heterotróf szervezeteknek. A heterotróf organizmusok, főként állatok, a kémiai energiát más formáivá alakítják át, például mechanikai, elektromos, termikus vagy fénnyé. A zöld növények által felhalmozott napenergia egy része felhalmozódhat a bioszférában fa, tőzeg, szén és olajpala készletek formájában.

Rizs. 228. Energiaáramlás a bioszférában

Következésképpen a bioszférában nincs energiaciklus. Ez a folyamat nincs lezárva. A bioszférában csak az egyik formájának a másikba való átalakulásával kapcsolatos energiaáramlás van.

A víz körforgása. A víz létfontosságú szerepet játszik a biogeokémiai körforgásban, mivel az élő testek átlagosan 80%-át teszik ki, és a Világóceán a földgömb felszínének több mint 2/3-át foglalja el (229. ábra).

Rizs. 229. A víz eloszlása ​​a Földön

Az egész bolygón belül a víz körforgása tengerek, óceánok és kontinensek között megy végbe (230. ábra). A Nap által a tengerek és óceánok felszínéről elpárologtatott vizet a szelek a kontinensekre szállítják, ahol csapadék formájában lehullanak. Ebben az esetben a víz jelentős része megkötöttnek bizonyul, például hó és jég formájában, vagyis átmenetileg hozzáférhetetlen az élőlények számára. A folyók és a talajvíz lefolyásán keresztül a víz fokozatosan visszatér az óceánokba.

Rizs. 230. Víz körforgása a bioszférában

A szárazföldön elérhető víz nagy részét a növények felszívják a talajból, majd a levelek vízgőzként elpárologtatják, hogy megakadályozzák a túlmelegedést. A növények a víz egy részét a fotoszintézis folyamatához használják fel. Az állatok vizet ivással és táplálékkal kapnak. A vizet a kilélegzett levegőben, izzadságban és egyéb váladékokban távolítják el az állati szervezetekből.

A főként nedves egyenlítői erdőkből származó szárazföldi növények elpárologtatják a vizet, csökkentik annak felszíni lefolyását és megtartják a nedvességet a légkörben. Ez megakadályozza, hogy a talaj elmosódjon a csapadéktól és a felső termékeny réteg tönkremenetelétől. Az egyenlítői erdők területének csökkenése az erdők ember általi intenzív kiirtása következtében a földkerekség környező területein szárazsághoz vezet.

Rizs. 231. Szénciklus a bioszférában

Szénciklus. A bioszférában a szén főként a szén-dioxid (szén-dioxid) képviseli. Fő forrása a vulkáni tevékenység. A szén-dioxid megkötése kétféleképpen történik (231. ábra). Az első abból áll, hogy a növények a fotoszintézis folyamata során felszívják a szerves anyagok képződésével, majd lerakódnak tőzeg, szén és olajpala formájában (232. ábra). A második út az, hogy a szén-dioxid feloldódik a víztestekben, és karbonátionokká és bikarbonátionokká alakul. Ezután kalcium vagy magnézium segítségével karbonátok rakódnak le a tározók alján mészkő formájában. A légkörben lévő szén-dioxid-tartalékok folyamatosan feltöltődnek az élőlények légzése, a szerves maradványok bomlási folyamatai, valamint az üzemanyagok elégetése és az ipari kibocsátások miatt.

Rizs. 232. A tőzegtelepek a bioszféra egyik másodlagos szénforrása

Nitrogén ciklus. A bioszférában a nitrogén fő forrása a légköri nitrogén gáz. Kis mennyiségben a légköri nitrogén a légköri oxigénnel egyesülve nitrátokat képez a villámkisülések során (233. ábra).

Rizs. 233. A zivatar idején a légkörben lévő nitrogéngáz a levegő oxigénjével egyesül, és nitrátokat képez

A légköri nitrogén fő megkötését a talajban élő nitrogénmegkötő baktériumok végzik (234. ábra). Nitriteket és nitrátokat szintetizálnak, amelyek a növények számára elérhetővé válnak. A növényekben a nitrogén szerves vegyületekké, például fehérjékké, nukleinsavakká és ATP-vé alakul. Amikor az elhalt élőlények tetemei lebomlanak, vagy az állatok vizeletet választanak ki, a nitrogén ammóniavegyületek formájában kerül a talajba. Ezután nitritté és nitráttá oxidálják, és a növények újra felhasználják. A talaj nitrátjait a baktériumok denitrifikálják részlegesen nitrogéngázzá redukálják. Így pótolják a légkörben lévő nitrogéngáz készleteket. A talaj nitrátkészlete is pótolódik, mivel az ember szervetlen nitrogént és szerves trágyát juttat be a talajba.

Rizs. 234. Nitrogén körforgása a bioszférában

Tehát a bioszférában folyamatosan előforduló víz-, szén-, nitrogén- és energiaátalakítási ciklusok egyetlen biogeokémiai ciklust alkotnak. A benne lévő anyagokat és elemeket az élőlények sokszor felhasználják. Ezzel szemben az energiát az élőlények csak egyszer használják fel. A biogeokémiai ciklus nem teljesen ciklikus. Egyes anyagok ki vannak zárva belőle, és felhalmozódhatnak a természetben.

Gyakorlatok a tárgyalt anyag alapján

1. Mi az a biogeokémiai ciklus? Milyen folyamatok biztosítják ezt?
2. Mutassa be, hogyan megy végbe a víz körforgása a bioszférában! Mi a szerepe a növényeknek és állatoknak ebben?
3. Hogyan megy végbe a szénciklus a bioszférában? Milyen formában halmozódhat fel a szén a természetben?
4. Mutassa be, hogyan megy végbe a nitrogénciklus a bioszférában! Mi a szerepe benne a nitrogénmegkötő és denitrifikáló baktériumoknak?
5. Magyarázza meg, miért helyes a bioszférában előforduló anyagok és elemek körforgásáról beszélni, de nem helyes a bioszférában zajló energiakörforgásról beszélni?

Fentebb láttuk, hogy a növények látható sugarak formájában felfogják a Nap energiáját, és a fotoszintetikus folyamatok eredményeként kémiai kötések energiájává alakítják, majd hővé alakul, és az állatok testének felületén át sugározzák. a világűr infravörös sugarak formájában. Ez energiaáramlást eredményez a bioszférán keresztül. Amint látható, attól a pillanattól kezdve, hogy belép a bioszférába, számos átalakuláson megy keresztül. Ezt a folyamatot energia átalakulásnak nevezik a bioszférában. Az energia átáramlik a bioszférán, és nem kering benne. Az anyag, az energiával ellentétben, folyamatos körforgáson megy keresztül a bioszférában. Emlékezzünk erre a legfontosabb pontra. Csak a Föld folyamatos napenergia-ellátása biztosítja a bioszféra normális működését.

A „Történetek a bioszféráról” című könyv szerzői P. P. Vtorov és N. N. Drozdov egy nagyon egyszerű és világos példával illusztrálják az energiaáramlás szerepét az anyagok körforgásában. Kifejtve az energia szerepét és az anyagok körforgását a bioszféra életfolyamataiban, összehasonlítják a vízikerékkel és a víz áramlásával. A kerék a bioszférában lévő anyagtartalékokat szimbolizálja: folyamatosan forog, a helyén marad és nem változik. Ugyanez történik a bioszféra anyagával is: anélkül, hogy mennyiségileg változna, folyamatos keringésben van. De a kerék nem forog magától, állandó vízáramlásra van szükség. A víz, miután elvégezte a munkát, elmegy, és többé nem tér vissza a kerékbe. Amint a víz áramlása leáll, a kerék is leáll. A bioszférán keresztüli energiaáramlás pontosan ugyanezt a szerepet tölti be. „Forgatja” az anyagok körforgását, és ezáltal biztosítja a bioszféra létét és fejlődését. Amint az energiaáramlás leáll, a bioszféra „életkereke” leáll.

A különböző szélességi fokokon a beérkező energia mennyisége a Föld gömbszerűsége miatt nem azonos. Alacsony szélességi fokon maximum, magas szélességi körökön minimális. A szubtrópusi és trópusi övezetekben a Föld felszíne évente 220 kcal/cm2, vagyis 924 kJ/cm2, a sarki régiókban pedig körülbelül 70 kcal/cm2 vagy 294 kJ/cm2 hőt kap. Ennek a mennyiségnek az energiának csak 0,5%-át tárolja a szárazföldi növényzet az elsődleges termelésben. Ez a felhalmozott energia 0,5%-a biztosítja az élet létezését a Földön, beleértve téged és engem is. A növénytakaró egy hatalmas akkumulátor, amely megszakítás nélkül ellátja energiával a Földön élő összes szervezetet. Láttuk, hogy ez az energia hogyan továbbítódik a bioszférában, amikor megvizsgáltuk a táplálékláncokat. Fentebb már megjegyeztük, hogy a természetben nem lehetnek túl hosszú táplálékláncok. Miért? Kiderült, hogy a túl hosszú táplálékláncok energetikai szempontból hátrányosak. Mivel az elfogyasztott táplálékból beérkező energia mindössze 10%-a kerül felhasználásra „közvetlen célra”, vagyis az állat szervezetében a szerves anyagok szintézisére megy el, az átvitt energia mennyisége gyorsan csökken, amikor elmozdulunk az állat alsó láncszemeiről. a lánc a magasabbakhoz:

Így egy öt láncszemet tartalmazó lánc végén elhelyezkedő állat a növények által felhalmozott energiából mindössze 0,0001-et kap, normál élettevékenységének fenntartásához pedig hatalmas mennyiségű növényi biomasszát kell elköltenie. Ez az, ami lehetetlenné teszi a nagyon hosszú tápláléklánccal rendelkező ökoszisztémák létezését a természetben.

Bolygónk élő héja (bioszféra) folyamatosan nyeli el a napenergiát, valamint azt az energiát, amely a Föld bélrendszeréből származik. Minden energia módosított formában kerül át egyik élő szervezetből a másikba, és bekerül a környezetbe. Ezek az energiaáramok állandó "áramlási" állapotban vannak, és fontos szerepet játszanak a biomassza létrehozásában.

Évente megközelítőleg 21x1023 kJ energia esik a Föld felszínére. Ennek a mennyiségnek a Föld növényekkel borított területei és víztestek a bennük található növényzettel csak mintegy 40%-át teszik ki. Figyelembe véve a reflexiós és egyéb okok miatti sugárzási energiaveszteséget, a fotoszintézis 2%-ot meg nem haladó energiahozama a fotoszintetikus termékekben évente tárolt összes energia mennyisége 2,0x1022 kJ-t megközelítő értékkel fejezhető ki. .

A bolygó száraz részének élőtakarója a tiszta termékek képződése mellett a bioszférába jutó napenergiát használja fel légzésre: a tiszta termékek kialakulásához szükséges energia mintegy 30-40%-át. Így a szárazföldi növényzet évente összesen mintegy 4,2x1018 kJ napenergiát konvertál (a tiszta termékek és a légzés létrehozása érdekében).

A biomassza léte és keletkezése a környező térből való folyamatos energia- és anyagellátáshoz kapcsolódik. A földkéregben található anyagok többsége az élő szervezeteken áthaladva belép az anyagok biológiai körforgásába, amely létrehozza a bioszférát és meghatározza annak stabilitását. Él bioszféra energikusan karbantartott az állandó beáramlásnak köszönhetően napenergiaés felhasználása a fotoszintézis folyamatokban.

Az élő sejtek molekuláiba belépve a Napból érkező energia kémiai kötések energiájává alakul. A fotoszintézis során a növények a nap sugárzó energiáját arra használják, hogy az alacsony energiájú anyagokat (H2O és CO2) bonyolultabb szerves vegyületekké alakítsák, ahol a napenergia egy része kémiai kötések formájában raktározódik el. A fotoszintézis eredményeként kapott szerves anyagok magának a növénynek az energiaforrása, vagy a fogyasztás és az azt követő asszimiláció során átkerülnek egyik szervezetből a másikba.

A szerves vegyületekben lévő energia felszabadulása az erjedés vagy a légzés folyamatában is megtörténik. A szaprofiták (gombák, heterotróf baktériumok, egyes növények és állatok) a biomassza-maradványokat alkotó szervetlen részekre bontják (mineralizáció), elősegítve a kémiai elemek és vegyületek bevonását a körforgásba, ami biztosítja a szervesanyag-termelés szabályos ciklusait.

A bioszféra egy nyitott termodinamikai rendszer, amely energiát kap a Napból sugárzó energia formájában és hőenergiát a földkéregben és a bolygó magjában lévő anyagok radioaktív bomlási folyamataiból. A radioaktív energia, amelynek részesedése a bolygó energiamérlegében az abiotikus fázisokban jelentős volt, ma már nem játszik észrevehető szerepet a bioszféra életében, a fő energiaforrás ma a napsugárzás. A Föld minden évben energiát kap a Naptól, ami körülbelül 10,5 * 1020 kJ. Ennek az energiának a nagy része a felhőkről, a porról és a földfelszínről visszaverődik (kb. 34%), felmelegíti a légkört, a litoszférát és az óceánokat, majd infravörös sugárzás formájában (42%) szétszóródik a világűrben. a víz párolgása és a felhőképződés (23%), a légtömegek mozgásán - a szélképződés (kb. 1%). És a Földre eső napenergia mindössze 0,023%-át veszik fel a termelők - magasabb rendű növények, algák és fototróf baktériumok -, és tárolják a fotoszintézis folyamatában a szerves vegyületek kémiai kötéseiből származó energia formájában. Az év során a fotoszintézis eredményeként mintegy 100 milliárd tonna szerves anyag keletkezik, amelyek legalább 1,8 * 1017 kJ energiát tárolnak.

Ezt a kötött energiát a fogyasztók és a lebontók tovább hasznosítják a táplálékláncokban, és ennek köszönhetően az élő anyag munkát végez - koncentrálja, átalakítja, felhalmozza és újra elosztja a kémiai elemeket a földkéregben, összetöri és aggregálja az élettelen anyagokat. Az élő anyag munkája a fotoszintézis során tárolt szinte teljes napenergia hő formájában történő disszipációjával jár. Ennek a „fotoszintetikus” energiának csak egy százaléka nem jut be a táplálékláncba, és üledékes kőzetekben őrződik meg szerves anyag, tőzeg, szén, olaj és földgáz formájában.

Tehát a bioszféra által végzett munka során a befogott napenergia átalakul, vagyis az úgynevezett hasznos munka elvégzésére megy, és eloszlik. Ez a két folyamat két alapvető természeti törvénynek engedelmeskedik - a termodinamika első és második törvényének. A termodinamika első törvényét gyakran energiamegmaradás törvényének nevezik. Ez azt jelenti, hogy energiát nem lehet sem létrehozni, sem elpusztítani, csak egyik formából a másikba lehet átalakítani. Az energia mennyisége nem változik.

Az ökológiai rendszerekben számos energiaátalakulás megy végbe: a Nap sugárzó energiája a fotoszintézisnek köszönhetően a termelők szerves anyagainak kémiai kötéseinek energiájává alakul át, a termelők által tárolt energia - a termelők szerves anyagában felhalmozódott energiává. különböző szintű fogyasztók stb. A modern emberi társadalom hatalmas mennyiségű energiát alakít át a másikba. A termodinamika második főtétele határozza meg az energia minőségi változásának irányát az egyik formából a másikba való átalakulás során. A törvény leírja a hasznos és haszontalan munka arányát az energia egyik formából a másikba való átmenete során, és képet ad magának az energia minőségéről.

Úgy gondolom, hogy a termodinamika második főtétele a természet törvényei között uralkodik. És ha a hipotézise ellentmond ennek a törvénynek, nem tudok segíteni. (A. Eddington, angol csillagász.

Ne felejtsük el, hogy az energia egy rendszer munkavégző képességére utal. De az energia bármilyen átalakítása esetén csak egy részét fordítják hasznos munkára. A többi visszahozhatatlanul eloszlik hő formájában, azaz. üres munkát végeznek a részecskék véletlenszerű mozgásának sebességének növekedésével. Minél nagyobb a hasznos munka elvégzésére fordított energia százalékos aránya, és ennek megfelelően minél kisebb százalékban disszipálódik hő formájában, annál jobb az eredeti energia minősége. A jó minőségű energiát több másfajta energiává lehet alakítani többletköltségek nélkül, mint az alacsony minőségű energiát.

Az alacsony minőségű energia a véletlenszerű Brown-mozgás energiája, vagyis termikus. nem használható hasznos munkára. Entrópiának nevezzük azt a rossz minőségű energiát, amely alkalmatlan a hasznos munka elvégzésére. Egyszerűen fogalmazva, az entrópia a rendszerek és folyamatok rendezetlenségének, rendezetlenségének és véletlenszerűségének mértéke.

Tehát a termodinamika második főtétele szerint minden munkát a jó minőségű energia egyre gyengébb minőségű energiává - hővé - történő átalakulása kísér, és az entrópia növekedéséhez vezet.

Lehetetlen csökkenteni az entrópiát egy termodinamikailag zárt rendszerben, amely nem kap energiát kívülről - elvégre egy ilyen rendszer összes jó minőségű energiája végül rossz minőségű energiává alakul, és hővé bomlik. Egy nyitott termodinamikai rendszerben azonban lehetőség van az entrópia növekedésének ellensúlyozására a kívülről érkező jó minőségű energia felhasználásával és a rossz minőségű energia rendszeren kívüli eltávolításával.

Az Univerzum zárt rendszer, és benne az entrópia folyamatosan növekszik. A bioszféra azonban egy nyitott rendszer, amely fenntartja saját alacsony entrópiájának szintjét, a kiváló minőségű sugárzó energia külső forrását - a Napot - használva, és az alacsony minőségű hőenergiát a világűrbe disszipálja. Ezért a fizikai entrópia (a zárt rendszer entrópiája) mellett az ökológiában az „ökológiai entrópia” fogalmát használják - a térben visszafordíthatatlanul szétszórt hőenergia mennyiségét, amelyet azonban egy külső átalakított energiája kompenzál. forrás - a Nap.