1.Biosfera(iš senovės graikų βιος - gyvybė ir σφαῖρα - rutulys, rutulys) - Žemės apvalkalas, apgyvendintas gyvų organizmų, jų įtakoje ir užimtas jų gyvybinės veiklos produktų; „Gyvenimo filmas“; pasaulinė Žemės ekosistema.

Biosfera yra Žemės apvalkalas, apgyvendintas gyvų organizmų ir jų transformuotas. Biosfera pradėjo formuotis ne vėliau kaip prieš 3,8 milijardo metų, kai mūsų planetoje pradėjo atsirasti pirmieji organizmai. Jis prasiskverbia per visą hidrosferą, viršutinę litosferos dalį ir apatinę atmosferos dalį, tai yra, gyvena ekosferoje. Biosfera yra visų gyvų organizmų visuma. Čia gyvena daugiau nei 3 000 000 augalų, gyvūnų, grybų ir bakterijų rūšių. Žmogus taip pat yra biosferos dalis, jo veikla pranoksta daugelį natūralių procesų ir, kaip sakė V. I. Vernadskis: „Žmogus tampa galinga geologine jėga“.

Prancūzų gamtos mokslininkas Jeanas Baptiste'as Lamarkas XIX amžiaus pradžioje. pirmą kartą iš esmės pasiūlė biosferos sąvoką, net neįvesdamas paties termino. Terminą „biosfera“ 1875 m. pasiūlė austrų geologas ir paleontologas Eduardas Suesas.

Holistinę biosferos doktriną sukūrė biogeochemikas ir filosofas V. I. Vernadskis. Pirmą kartą jis gyviems organizmams paskyrė pagrindinės Žemės planetos transformuojančios jėgos vaidmenį, atsižvelgdamas į jų veiklą ne tik dabartiniu, bet ir praeityje.

Yra dar vienas, platesnis apibrėžimas: Biosfera - gyvybės pasiskirstymo kosminiame kūne sritis. Nors gyvybės egzistavimas kituose kosminiuose objektuose, išskyrus Žemę, vis dar nežinomas, manoma, kad biosfera gali išsiplėsti iki jų labiau paslėptose vietose, pavyzdžiui, litosferos ertmėse arba poledyniniuose vandenynuose. Pavyzdžiui, svarstoma gyvybės egzistavimo galimybė Jupiterio palydovo Europa vandenyne.

Pagrindinė ekologijos samprata yra "ekosistema". Šis terminas buvo įvestas A. Tansley 1935 m. Ekosistema – tai bet kuri sistema, susidedanti iš gyvų būtybių ir jų buveinių, sujungtų į vieną funkcinę visumą.

Pagrindinės ekosistemų savybės yra šios: gebėjimas vykdyti medžiagų cirkuliaciją, atlaikyti išorinį poveikį, gaminti biologinius produktus.

Paprastai yra: mikroekosistemos (pavyzdžiui, mažas vandens telkinys), kurios egzistuoja tol, kol jose yra gyvų organizmų, galinčių cirkuliuoti medžiagomis; mezoekosistemos (pavyzdžiui, upė); makroekosistemos (pavyzdžiui, vandenynas), taip pat pasaulinė ekosistema – biosfera

Biosfera kaip pasaulinė ekosistema

Koncepcija "biosfera" 1875 m. į mokslinę literatūrą įtraukė austrų geologas Eduardas Suesas Biosferą jis įvardijo kaip visą atmosferos erdvę, hidrosferą ir litosferą (kietąjį Žemės apvalkalą), kurioje randami gyvi organizmai.

Vladimiras Ivanovičius Vernadskis pavartojo šį terminą ir sukūrė mokslą panašiu pavadinimu. Šiuo atveju biosfera reiškia visą erdvę (Žemės apvalkalą), kurioje egzistuoja arba kada nors egzistavo gyvybė, tai yra, kur randami gyvi organizmai ar jų gyvybinės veiklos produktai. V.I. Vernadskis ne tik patikslino ir nubrėžė gyvybės biosferoje ribas, bet, svarbiausia, visapusiškai atskleidė gyvų organizmų vaidmenį planetos masto procesuose. Jis parodė, kad gamtoje nėra galingesnės aplinką formuojančios jėgos už gyvus organizmus ir jų gyvybinės veiklos produktus. I Vernadskis išvedė pirminį gyvų organizmų transformacinį vaidmenį ir geologinių struktūrų susidarymo ir naikinimo mechanizmus, medžiagų apykaitą ir jų nulemtus kietųjų medžiagų pokyčius. litosfera), vienas ( hidrosfera) ir oras ( atmosfera) Žemės kriauklės. Biosferos dalis, kurioje šiuo metu yra gyvų organizmų, paprastai vadinama šiuolaikine biosfera, neobiosfera), senovės biosferos klasifikuojamos kaip ( paleobiosferos). Kaip pastarojo pavyzdį galime išskirti negyvas organinių medžiagų koncentracijas (anglies, naftos, skalūnų telkinius), kitų junginių atsargas, susidariusias dalyvaujant gyviems organizmams (kalkių, kreidos, rūdos dariniai).

Biosferos ribos. Neobiosfera atmosferoje išsidėsčiusi maždaug iki ozono ekrano didžiojoje Žemės paviršiaus dalyje – 20-25 km. Beveik visa hidrosfera, net giliausia Ramiojo vandenyno Marianų įduba (11 022 m), yra užimta gyvybės. Gyvybė prasiskverbia ir į litosferą, bet iki kelių metrų, apsiribodama tik dirvožemio sluoksniu, nors per atskirus plyšius ir urvus plinta į šimtus metrų. Dėl to biosferos ribas lemia gyvų organizmų buvimas arba jų gyvybinės veiklos „pėdsakai“. Ekosistemos yra pagrindinės biosferos grandys. Ekosistemos lygmeniu pagrindines organizmų savybes ir veikimo modelius galima nagrinėti išsamiau ir giliau, nei buvo daroma naudojant biosferos pavyzdį.

Išsaugant elementarias ekosistemas, sprendžiama pagrindinė mūsų laikų problema – nepalankių pasaulinės krizės reiškinių prevencija arba neutralizavimas, visos biosferos išsaugojimas.

2.Gyva materija- visas gyvų organizmų kūnų rinkinys biosferoje, nepaisant jų sisteminės priklausomybės.

Šios sąvokos nereikėtų painioti su sąvoka „biomasė“, kuri yra biogeninės medžiagos dalis.

Terminą įvedė V. I. Vernadskis

Gyvoji medžiaga vystosi ten, kur gali egzistuoti gyvybė, tai yra atmosferos, litosferos ir hidrosferos sankirtoje. Nepalankiomis egzistavimui sąlygomis gyvoji medžiaga pereina į sustabdytos animacijos būseną.

Gyvosios medžiagos specifika yra tokia:

Biosferos gyvajai medžiagai būdinga didžiulė laisva energija. Neorganiniame pasaulyje su gyvąja medžiaga pagal laisvos energijos kiekį galima palyginti tik trumpalaikius, nesukietėjusius lavos srautus.

Ryškus skirtumas tarp gyvosios ir negyvosios biosferoje pastebimas cheminių reakcijų greičiu: gyvoje medžiagoje reakcijos vyksta tūkstančius ir milijonus kartų greičiau.

Išskirtinis gyvosios medžiagos bruožas yra tas, kad atskiri ją sudarantys cheminiai junginiai - baltymai, fermentai ir kt. - yra stabilūs tik gyvuose organizmuose (daugeliu atvejų tai būdinga ir mineraliniams junginiams, sudarantiems gyvąją medžiagą) .

Savanoriškas gyvosios medžiagos judėjimas, daugiausia savireguliuojantis. V.I. Vernadskis išskyrė dvi specifines gyvosios medžiagos judėjimo formas: a) pasyvią, kuri susidaro dauginant ir būdinga tiek gyvūnų, tiek augalų organizmams; b) aktyvus, kuris vyksta dėl kryptingo organizmų judėjimo (tai būdinga gyvūnams, o kiek mažiau – augalams). Gyvai medžiagai taip pat būdingas noras užpildyti visą įmanomą erdvę.

Gyva medžiaga pasižymi žymiai didesne morfologine ir chemine įvairove nei negyva. Be to, skirtingai nuo negyvosios abiogeninės medžiagos, gyvoji medžiaga nėra vien tik skystoje ar dujinėje fazėje. Organizmų kūnai yra sukurti visose trijose fazėse.

Gyvoji medžiaga biosferoje pateikiama išsklaidytų kūnų – atskirų organizmų – pavidalu. Be to, išsklaidyta gyvoji medžiaga Žemėje niekada nerandama morfologiškai gryna forma - tos pačios rūšies organizmų populiacijų pavidalu: ją visada vaizduoja biocenozės.

Gyvoji medžiaga egzistuoja nuolatinės kartų kaitos forma, dėl kurios šiuolaikinė gyvoji medžiaga yra genetiškai susijusi su praėjusių epochų gyvąja medžiaga. Tuo pačiu metu gyvajai medžiagai būdingas evoliucinis procesas, t.

Gyvos materijos prasmė

Gyvosios medžiagos darbas biosferoje yra gana įvairus. Pasak Vernadskio, gyvosios medžiagos darbas biosferoje gali pasireikšti dviem pagrindinėmis formomis:

a) cheminė (biocheminė) – I geologinės veiklos rūšis; b) mechaninė – II transporto veiklos rūšis.

Pirmosios rūšies atomų biogeninė migracija pasireiškia nuolatiniu medžiagų apykaita tarp organizmų ir aplinkos kuriant organizmų kūną ir virškinant maistą. Antrosios rūšies atomų biogeninė migracija – tai materijos judėjimas organizmams jų gyvenimo metu (statant urvus, lizdus, ​​kai organizmai įkasami į žemę), pačios gyvosios medžiagos judėjimas, taip pat neorganinių medžiagų patekimas per žemės valgytojų, dumblo valgytojų ir filtrų tiekėjų skrandžio traktą.

Norint suprasti, kokį darbą atlieka gyvoji medžiaga biosferoje, labai svarbūs trys pagrindiniai principai, kuriuos V. I. Vernadskis pavadino biogeocheminiais principais:

Biogeninė cheminių elementų atomų migracija biosferoje visada siekia maksimalaus jos pasireiškimo.

Rūšių raida per geologinį laiką, vedanti į stabilių biosferoje gyvybės formų kūrimą, eina ta kryptimi, kuri didina biogeninę atomų migraciją.

Gyvoji medžiaga nuolat vyksta cheminiuose mainuose su ją supančia kosmine aplinka, kurią mūsų planetoje sukuria ir palaiko spinduliuojanti Saulės energija.

Yra penkios pagrindinės gyvosios medžiagos funkcijos:

Energija. Jį sudaro saulės energijos absorbcija fotosintezės metu, o cheminė energija skaidant energija prisotintas medžiagas ir energijos perdavimas per nevienalytės gyvos medžiagos maisto grandinę.

Koncentracija. Atrankinis tam tikrų rūšių medžiagų kaupimasis per gyvenimą. Cheminių elementų koncentracijos gyvojoje medžiagoje yra dviejų tipų: a) masiškai didėja šių elementų prisotintoje aplinkoje elementų koncentracijos, pavyzdžiui, vulkanizmo zonose gyvojoje medžiagoje yra daug sieros ir geležies; b) tam tikra konkretaus elemento koncentracija, neatsižvelgiant į aplinką.

Destruktyvus. Jį sudaro nebiogeninių organinių medžiagų mineralizacija, negyvų neorganinių medžiagų skilimas ir susidariusių medžiagų įtraukimas į biologinį ciklą.

Aplinką formuojantis. Aplinkos fizikinių ir cheminių parametrų transformacija (daugiausia dėl nebiogeninės medžiagos).

Transportas. Gyvų medžiagų mitybos sąveika lemia didžiulių cheminių elementų ir medžiagų masių judėjimą prieš gravitaciją ir horizontalia kryptimi.

Gyvoji medžiaga apima ir pertvarko visus cheminius biosferos procesus. Gyva medžiaga yra galingiausia geologinė jėga, kuri laikui bėgant auga. Gerbdamas didžiojo biosferos doktrinos įkūrėjo atminimą, A. I. Perelmanas pasiūlė tokį apibendrinimą pavadinti „Vernadskio dėsniu“:

3. Biosferos energija

Energetiniuose procesuose biosferoje lemiamas vaidmuo (99%) tenka saulės spinduliuotei, kuri lemia Žemės biosferos šilumos balansą ir šiluminį režimą. Iš viso energijos kiekio, 5,42 · 10 4 J, Žemė gauna iš Saulės, 33% atsispindi debesyse ir žemės paviršiuje, taip pat dulkėse viršutiniuose atmosferos sluoksniuose. Ši dalis sudaro Žemės albedą, 67% energijos sugeria atmosfera ir žemės paviršius (žemynai ir Pasaulio vandenynas) ir po virtinės transformacijų patenka į kosmosą (5.2 pav.).

Atmosferoje kaitinimas vyksta iš apačios, todėl susidaro galingi konvekciniai srautai ir bendra oro masių cirkuliacija. Vandenyno srovės, pirmiausia varomos vėjo, perskirsto gaunamą saulės energiją horizontalia kryptimi, o tai turi įtakos šilumos tiekimui į atmosferą. Pasaulio vandenynai ir atmosfera yra viena šiluminė sistema.

Dėl radiacijos ir konvekcijos išlaikomas visas mūsų planetos energijos balansas. Vandens ciklą biosferoje lemia ir saulės energijos tiekimas.

Labai mažą viso saulės energijos srauto dalį fotosintezės reakcijos metu sugeria žalieji augalai. Ši energija siekia 10 22 J per metus (apie 0,2 % viso saulės spinduliuotės kiekio). Fotosintezė yra galingas natūralus procesas, kurio ciklas apima didžiules biosferos medžiagų mases ir lemia didelį deguonies kiekį atmosferoje. Fotosintezė yra cheminė reakcija, atsirandanti dėl saulės energijos, dalyvaujant chlorofilui žaliuosiuose augaluose: n CO 2 + n H 2 O = C n H 2 n O2+ n O 2. Anglies ciklas biosferoje parodytas Fig. 5.3.

Taigi dėl anglies dioksido ir vandens sintetinama organinė medžiaga ir išsiskiria laisvasis deguonis. Fotosintezė, išskyrus keletą išimčių, vyksta visame Žemės paviršiuje ir sukuria didžiulį geocheminį efektą, kurį galima apibūdinti visos anglies masės, kuri kasmet dalyvauja kuriant biosferos organines gyvąsias medžiagas, kiekiu. Kasmet sunaudojama ir sugeriama CO 2: sausumoje 253-10 9 t, vandenyne - 88-10 9 t, o iš viso - 341 10 9 t. Sunaudojama 135 10 12 t vandens, 232 10 9 t organinių medžiagų. C yra sukurti n H 2 n APIE n ir 248 · 10 9 tonos deguonies patenka į atmosferą.

ryšiai su fotosinteze biosferoje, cikle dalyvauja 1 mlrd. tonų azoto, 260 mln. tonų fosforo ir 200 mln. tonų sieros.

Per 6 - 7 metus sugeriamas visas atmosferoje esantis anglies dioksidas, per 3000-4000 metų atmosferoje atsinaujina visas deguonis, o per 10 milijonų metų fotosintezė apdoroja vandens masę, lygią visai hidrosferai. Jei atsižvelgsime į tai, kad biosfera Žemėje egzistavo mažiausiai 3,8–4 milijardus metų (o Žemė – maždaug 4,5 milijardo metų), galime teigti, kad Pasaulio vandenyno vandenys praėjo biogeninį ciklą, susijusį su vieną kartą fotosintezė bent 1 mln. Visos šios vertybės atspindi didžiulę fotosintezės svarbą Žemės istorijoje.

Atkreipkime dėmesį į tai, kad kai organizmas miršta, vyksta atvirkštinis procesas – organinių medžiagų skilimas oksidacijos, irimo ir kt. susidarant galutiniams skilimo produktams. Šis procesas Žemės biosferoje lemia tai, kad gyvosios medžiagos biomasės kiekis linkęs į tam tikrą pastovumą. Biomasės kiekis yra maždaug 10 kartų didesnis nei kasmet fotosintezės metu pagaminamos organinės medžiagos kiekis (0,232 · 10 12 t). Bendra medžiagos, einančios per biosferą, masė yra 12 kartų didesnė už Žemės masę. Taip veikia ši „gyva gamykla“.

Pažvelkite į 230-234 paveikslus. Kokius cheminius junginius organizmai naudoja medžiagų ciklus? Kokią reikšmę medžiagų ciklams ir energijos tekėjimui biosferoje turi fotosintezės, vandens garavimo, kvėpavimo, azoto fiksavimo procesai?

Visi biosferos komponentai ir joje vykstantys procesai yra glaudžiai tarpusavyje susiję. Biosferos stabilumą palaiko nuolat joje vykstantys medžiagų ir energijos konversijos ciklai. Ciklai skiriasi reiškinių mastu ir kokybe, pavyzdžiui, vandens ciklas, anglies ciklas, azoto ciklas. Jie atliekami dalyvaujant visiems biosferos komponentams ir yra vieno biogeocheminio ciklo dalis.

Biogeocheminis ciklas – medžiagų apykaita ir energijos konversija tarp įvairių biosferos komponentų, susijusių su jos organizmų veikla.

Pagrindinė biogeocheminio ciklo varomoji jėga yra nuolat vykstantis energijos srautas biosferoje, susijęs su gyvosios medžiagos veikla.

Organizmams reikia energijos, kad išlaikytų savo gyvybines funkcijas. Energija biosferoje egzistuoja keliomis formomis. Žinomos mechaninės, cheminės, šiluminės, elektros ir kitos energijos rūšys. Perėjimas iš vienos energijos formos į kitą, vadinamas energijos keitimu, priklauso nuo energijos tvermės dėsnio, kuris teigia, kad energija gali būti transformuojama iš vienos formos į kitą, bet negali būti sukurta ar sunaikinta.

Pagrindinis energijos šaltinis biosferoje yra Saulės energija (228 pav.). Jis šildo atmosferą ir hidrosferą, sukelia oro masių judėjimą, vandenyno sroves, vandens garavimą, sniego tirpimą. Autotrofiniai organizmai, daugiausia žalieji augalai, dėl fotosintezės reakcijų saulės energiją paverčia sukurtų organinių medžiagų cheminių ryšių energija. Nemažą jo dalį sunaudoja patys augalai gyvybiniams procesams. Mažesnė augalų cheminės energijos dalis maisto grandine toliau perduodama heterotrofiniams organizmams. Heterotrofiniai organizmai, daugiausia gyvūnai, paverčia cheminę energiją kitomis formomis, pavyzdžiui, mechanine, elektrine, šilumine, šviesa. Dalis žaliųjų augalų sukauptos saulės energijos gali kauptis biosferoje medienos, durpių, anglies ir naftingųjų skalūnų atsargų pavidalu.

Ryžiai. 228. Energijos srautas biosferoje

Vadinasi, biosferoje nėra energijos ciklo. Šis procesas nėra uždarytas. Biosferoje yra tik energijos srautas, susijęs su vienos iš jos formų pavertimu kita.

Vandens ciklas. Vanduo atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį biogeocheminiame cikle, nes gyvi kūnai vidutiniškai sudaro 80% jo, o Pasaulio vandenynas užima daugiau nei 2/3 Žemės rutulio paviršiaus (229 pav.).

Ryžiai. 229. Vandens pasiskirstymas Žemėje

Visoje planetoje vandens ciklas vyksta tarp jūrų, vandenynų ir žemynų (230 pav.). Saulės išgarintas vanduo nuo jūrų ir vandenynų paviršiaus vėjais nunešamas į žemynus, kur iškrenta kritulių pavidalu. Tokiu atveju didelė vandens dalis pasirodo esanti surišta, pavyzdžiui, sniego ir ledo pavidalu, t.y., organizmams jis laikinai nepasiekiamas. Dėl upių ir požeminio vandens nuotėkio vanduo palaipsniui grįžta į vandenynus.

Ryžiai. 230. Vandens ciklas biosferoje

Didelę dalį sausumoje esančio vandens augalai sugeria iš dirvožemio, o po to lapai išgaruoja vandens garų pavidalu, kad būtų išvengta perkaitimo. Augalai dalį vandens naudoja fotosintezės procesui. Gyvūnai vandenį gauna per gėrimą ir maistą. Vanduo iš gyvūnų organizmų pasišalina iškvepiamu oru, prakaitu ir kitomis išskyromis.

Sausumos augalai, daugiausia iš drėgnų pusiaujo miškų, išgarina vandenį, mažina jo paviršinį nuotėkį ir sulaiko drėgmę atmosferoje. Tai neleidžia dirvožemiui nuplauti kritulių ir sunaikinti viršutinį derlingą jo sluoksnį. Pusiaujo miškų ploto sumažėjimas dėl žmonių intensyvaus miškų kirtimo sukelia sausras aplinkinėse Žemės rutulio vietose.

Ryžiai. 231. Anglies ciklas biosferoje

Anglies ciklas. Anglies biosferoje daugiausia sudaro anglies dioksidas (anglies dioksidas). Pagrindinis jo šaltinis yra vulkaninė veikla. Anglies dvideginio surišimas vyksta dviem būdais (231 pav.). Pirmoji yra augalų absorbcija fotosintezės metu, kai susidaro organinės medžiagos, o vėliau jų nusėdimas durpių, anglių ir naftingųjų skalūnų pavidalu (232 pav.). Antrasis būdas – anglies dioksidas ištirpsta vandens telkiniuose, virsdamas karbonato jonais ir bikarbonato jonais. Tada, naudojant kalcį arba magnį, karbonatai nusėda ant rezervuarų dugno kalkakmenio pavidalu. Anglies dioksido atsargos atmosferoje nuolat pildomos dėl organizmų kvėpavimo, organinių liekanų irimo procesų, taip pat deginant kurą ir pramoninių išmetamųjų teršalų.

Ryžiai. 232. Durpių telkiniai yra vienas iš antrinių anglies šaltinių biosferoje

Azoto ciklas. Pagrindinis azoto šaltinis biosferoje yra dujinis atmosferos azotas. Nedideliais kiekiais atmosferos azotas jungiasi su atmosferos deguonimi ir susidaro nitratai žaibo išlydžių metu (233 pav.).

Ryžiai. 233. Azoto dujos atmosferoje per perkūniją jungiasi su ore esančiu deguonimi ir susidaro nitratai

Pagrindinį atmosferos azoto surišimą vykdo dirvoje gyvenančios azotą fiksuojančios bakterijos (234 pav.). Jie sintetina nitritus ir nitratus, kuriuos augalai gali naudoti. Augaluose azotas paverčiamas organiniais junginiais, tokiais kaip baltymai, nukleino rūgštys ir ATP. Kai negyvų organizmų lavonai suyra arba gyvūnams išskiria šlapimą, azotas į dirvą patenka amoniako junginių pavidalu. Tada jie oksiduojami iki nitritų ir nitratų ir vėl naudojami augalų. Dirvožemio nitratus iš dalies sumažina denitrifikuojančios bakterijos į azoto dujas. Taip atmosferoje pasipildo azoto dujų atsargos. Nitratų atsargos dirvožemyje taip pat pasipildo dėl to, kad žmonės į ją įneša neorganinio azoto ir organinių trąšų.

Ryžiai. 234. Azoto ciklas biosferoje

Taigi, vandens, anglies, azoto ir energijos konversijos ciklai, nuolat vykstantys biosferoje, sudaro vieną biogeocheminį ciklą. Jame esančias medžiagas ir elementus organizmai naudoja daug kartų. Priešingai, energiją organizmai naudoja tik vieną kartą. Biogeocheminis ciklas nėra visiškai cikliškas. Kai kurios medžiagos iš jos neįtrauktos ir gali kauptis gamtoje.

Pratimai pagal apimtą medžiagą

1. Kas yra biogeocheminis ciklas? Kokie procesai tai užtikrina?
2. Apibūdinkite, kaip vyksta vandens ciklas biosferoje. Koks augalų ir gyvūnų vaidmuo joje?
3. Kaip vyksta anglies ciklas biosferoje? Kokia forma anglis gali kauptis gamtoje?
4. Apibūdinkite, kaip biosferoje vyksta azoto ciklas. Kokį vaidmenį jame atlieka azotą fiksuojančios ir denitrifikuojančios bakterijos?
5. Paaiškinkite, kodėl yra teisinga kalbėti apie medžiagų ir elementų ciklą, vykstantį biosferoje, bet neteisinga kalbėti apie energijos ciklą biosferoje?

Aukščiau matėme, kad augalai fiksuoja Saulės energiją matomų spindulių pavidalu ir fotosintezės procesų metu paverčia ją cheminių ryšių energija, tada ji virsta šiluma ir išspinduliuojama per gyvūnų kūno paviršių. kosminė erdvė infraraudonųjų spindulių pavidalu. Tai lemia energijos srautą per biosferą. Kaip matyti, nuo patekimo į biosferą ji patiria daugybę transformacijų. Šis procesas vadinamas energijos transformacija biosferoje. Energija teka per biosferą ir joje necirkuliuoja. Medžiaga, skirtingai nei energija, biosferoje vyksta nuolatiniu ciklu. Prisiminkime šį svarbiausią dalyką. Tik nuolatinis saulės energijos tiekimas į Žemę užtikrina normalų biosferos funkcionavimą.

Knygos „Istorijos apie biosferą“ autoriai P. P. Vtorovas ir N. N. Drozdovas iliustruoja energijos srauto vaidmenį medžiagų cikle labai paprastu ir aiškiu pavyzdžiu. Aiškindami energijos vaidmenį ir medžiagų ciklą biosferos gyvybės procesuose, jie lygina juos su vandens ratu ir vandens tėkme. Ratas simbolizuoja materijos atsargas biosferoje: jis nuolat sukasi, išlikdamas vietoje ir nesikeisdamas. Tas pats vyksta ir su biosferos materija: kiekybiškai nesikeičiant, ji yra nuolatinės cirkuliacijos būsenoje. Bet ratas pats nesisuks, reikalingas nuolatinis vandens srautas. Vanduo, atlikęs darbą, nueina ir į ratą daugiau negrįžta. Kai tik vanduo sustos, sustos ir ratas. Lygiai tą patį vaidmenį atlieka energijos srautas per biosferą. Jis „suka ratą“ medžiagų cikle ir taip užtikrina biosferos egzistavimą ir vystymąsi. Kai tik energijos srautas sustos, biosferos „gyvybės ratas“ sustos.

Skirtingose ​​platumose gaunamos energijos kiekis dėl Žemės sferiškumo nėra vienodas. Jis yra didžiausias žemose platumose ir minimalus didelėse platumose. Subtropinėse ir atogrąžų zonose Žemės paviršius kasmet gauna 220 kcal/cm2, arba 924 kJ/cm2, o poliariniuose regionuose – apie 70 kcal/cm2, arba 294 kJ/cm2. Iš šio kiekio tik 0,5 % energijos sukaupia sausumos augmenija grynojoje pirminėje gamyboje. Būtent šie 0,5% sukauptos energijos užtikrina gyvybės egzistavimą Žemėje, įskaitant tave ir mane. Augalinė danga – tai didžiulė baterija, kuri nenutrūkstamai aprūpina energija visus Žemėje gyvenančius organizmus. Pamatėme, kaip ši energija perduodama biosferoje, kai pažvelgėme į maisto grandines. Jau buvo pažymėta aukščiau, kad gamtoje negali būti per ilgų mitybos grandinių. Kodėl? Pasirodo, kad per ilgos maisto grandinės yra nepalankios energijos požiūriu. Kadangi tik 10% energijos, gaunamos iš suvalgyto maisto, sunaudojama „tiesioginei paskirčiai“, tai yra, patenka į organinių medžiagų sintezę gyvūno kūne, perkeliamos energijos kiekis greitai mažėja, kai juda iš apatinių kūno grandžių. grandinė į aukštesnes:

Taigi gyvūnas, esantis grandinės, apimančios penkias grandis, gale gaus tik 0,0001 augalų sukauptos energijos, o normaliai gyvenimo veiklai palaikyti reikės išleisti didžiulį kiekį augalų biomasės. Dėl to gamtoje neįmanoma egzistuoti ekosistemoms su labai ilgomis mitybos grandinėmis.

Gyvas mūsų planetos apvalkalas (biosfera) nuolat sugeria saulės energiją, taip pat energiją, kuri ateina iš Žemės žarnų. Visa energija modifikuotu pavidalu perduodama iš vieno gyvo organizmo į kitą ir patenka į aplinką. Šie energijos srautai yra nuolatinio „tekėjimo“ būsenoje ir atlieka svarbų vaidmenį kuriant biomasę.

Kasmet ant žemės paviršiaus patenka apie 21x1023 kJ energijos. Iš šio kiekio augalais padengti Žemės plotai ir vandens telkiniai su juose esančia augmenija sudaro tik apie 40 proc. Atsižvelgiant į spinduliuotės energijos praradimą dėl atspindžio ir kitų priežasčių, fotosintezės energijos išeiga, kuri neviršija 2%, bendras kasmet fotosintezės gaminiuose sukauptas energijos kiekis gali būti išreikštas dydžiu, artėjančiu prie 2,0x1022 kJ. .

Be švarių produktų susidarymo, gyvoji sausosios planetos dalies danga kvėpavimui naudoja į biosferą patenkančią saulės energiją: apie 30-40 % energijos, reikalingos švariems produktams susidaryti. Taigi žemės augmenija iš viso (švariems produktams ir kvėpavimui sukurti) paverčia apie 4,2x1018 kJ saulės energijos per metus.

Biomasės egzistavimas ir kūrimas yra susijęs su nuolatiniu energijos ir medžiagų tiekimu iš supančios erdvės. Dauguma žemės plutoje esančių medžiagų pereina per gyvus organizmus ir patenka į biologinį medžiagų ciklą, kuris sukuria biosferą ir lemia jos stabilumą. Gyventi biosfera energingai palaikomas dėl nuolatinio antplūdžio saulės energija ir jo panaudojimas fotosintezės procesuose.

Patekusi į gyvų ląstelių molekules, energijos srautas iš Saulės paverčiamas cheminių ryšių energija. Fotosintezės metu augalai naudoja saulės spinduliavimo energiją, kad paverstų mažai energijos turinčias medžiagas (H2O ir CO2) sudėtingesniais organiniais junginiais, kuriuose dalis saulės energijos kaupiasi cheminių ryšių pavidalu. Organinės medžiagos, gautos vykstant fotosintezei, yra energijos šaltinis pačiam augalui arba pernešamos vartojant ir vėliau asimiliuojant iš vieno organizmo į kitą.

Energijos, esančios organiniuose junginiuose, išsiskyrimas taip pat vyksta fermentacijos ar kvėpavimo proceso metu. Saprofitai (grybai, heterotrofinės bakterijos, kai kurie augalai ir gyvūnai) skaido biomasės likučius į jų sudedamąsias neorganines dalis (mineralizacija), skatindami cheminių elementų ir junginių įsitraukimą į ciklą, o tai užtikrina reguliarius organinių medžiagų gamybos ciklus.

Biosfera yra atvira termodinaminė sistema, kuri energiją gauna saulės spinduliavimo energijos pavidalu ir šiluminę energiją iš radioaktyvaus medžiagų skilimo procesų žemės plutoje ir planetos šerdyje. Radioaktyvioji energija, kurios dalis planetos energijos balanse abiotinėse fazėse buvo reikšminga, dabar nevaidina pastebimo vaidmens biosferos gyvenime, o pagrindinis energijos šaltinis šiandien yra saulės spinduliuotė. Kiekvienais metais Žemė iš Saulės gauna energijos, kuri yra apie 10,5 * 1020 kJ. Didžioji šios energijos dalis atsispindi nuo debesų, dulkių ir žemės paviršiaus (apie 34%), šildo atmosferą, litosferą ir vandenynus, po to išsklaidoma kosmose infraraudonosios spinduliuotės pavidalu (42%), išleidžiama vandens garavimas ir debesų susidarymas (23%), oro masių judėjimui - vėjo susidarymas (apie 1%). Ir tik 0,023% Saulės energijos, patenkančios į Žemę, sugauna gamintojai – aukštesni augalai, dumbliai ir fototrofinės bakterijos – ir fotosintezės procese susaugoma energijos pavidalu iš cheminių organinių junginių ryšių. Per metus dėl fotosintezės susidaro apie 100 milijardų tonų organinių medžiagų, kurios sukaupia ne mažiau kaip 1,8 * 1017 kJ energijos.

Šią surištą energiją maisto grandinėse toliau naudoja vartotojai ir skaidytojai, o dėl jos gyvoji medžiaga atlieka darbą – koncentruojasi, transformuojasi, kaupia ir perskirsto cheminius elementus žemės plutoje, trupina ir agreguoja negyvąsias medžiagas. Gyvosios medžiagos darbą lydi beveik visos fotosintezės metu sukauptos saulės energijos išsklaidymas šilumos pavidalu. Tik dalis procento šios „fotosintezės“ energijos nepatenka į maisto grandinę ir išsaugoma nuosėdinėse uolienose organinių durpių, anglių, naftos ir gamtinių dujų pavidalu.

Taigi biosferos atliekamo darbo metu sugauta saulės energija transformuojama, tai yra, ji eina atlikti vadinamojo naudingo darbo ir išsisklaido. Šie du procesai paklūsta dviems pagrindiniams gamtos dėsniams – pirmajam ir antrajam termodinamikos dėsniams. Pirmasis termodinamikos dėsnis dažnai vadinamas energijos tvermės dėsniu. Tai reiškia, kad energijos negalima nei sukurti, nei sunaikinti, ją galima tik transformuoti iš vienos formos į kitą. Energijos kiekis nesikeičia.

Ekologinėse sistemose įvyksta daug energijos virsmų: saulės spinduliavimo energija fotosintezės dėka paverčiama gamintojų organinės medžiagos cheminių ryšių energija, gamintojų sukaupta energija - į energiją, sukauptą organinėje medžiagoje. įvairaus lygio vartotojai ir tt Šiuolaikinė žmonių visuomenė taip pat paverčia didžiulį kiekį vienos energijos į kitą. Antrasis termodinamikos dėsnis lemia energijos kokybinių pokyčių kryptį jos virsmo iš vienos formos į kitą procese. Įstatymas aprašo naudingo ir nenaudingo darbo santykį pereinant energijai iš vienos formos į kitą ir leidžia suprasti pačios energijos kokybę.

Antrasis termodinamikos dėsnis, manau, karaliauja tarp gamtos dėsnių. Ir jei jūsų hipotezė prieštarauja šiam dėsniui, aš negaliu jums padėti. (A. Eddington, anglų astronomas.

Prisiminkime, kad energija reiškia sistemos gebėjimą atlikti darbą. Tačiau bet kokiu būdu transformuojant energiją tik dalis jos išleidžiama naudingam darbui atlikti. Likusi dalis negrįžtamai išsisklaido šilumos pavidalu, t.y. atliekamas tuščias darbas, susijęs su atsitiktinio dalelių judėjimo greičio padidėjimu. Kuo didesnis procentas energijos išleidžiamas naudingam darbui atlikti ir, atitinkamai, kuo mažesnis procentas išsisklaido šilumos pavidalu, tuo geresnė pirminės energijos kokybė. Aukštos kokybės energija be papildomų energijos sąnaudų gali būti paversta daugiau kitų rūšių energija nei žemos kokybės energija.

Žemos kokybės energija yra atsitiktinio Brauno judėjimo energija, tai yra šiluminė. jo negalima panaudoti naudingam darbui atlikti. Žemos kokybės energijos kiekis, netinkamas atlikti naudingą darbą, vadinamas entropija. Paprasčiau tariant, entropija yra sistemų ir procesų netvarkingumo, netvarkingumo ir atsitiktinumo matas.

Taigi, pagal antrąjį termodinamikos dėsnį, bet kokį darbą lydi aukštos kokybės energijos pavertimas vis prastesnės kokybės energija – šiluma – ir dėl to didėja entropija.

Sumažinti entropijos termodinamiškai uždaroje sistemoje, kuri negauna energijos iš išorės, neįmanoma – juk visa kokybiška tokios sistemos energija galiausiai virsta nekokybiška energija ir suyra iki šilumos. Tačiau atviroje termodinaminėje sistemoje galima neutralizuoti entropijos padidėjimą naudojant aukštos kokybės energiją, gaunamą iš išorės, ir pašalinant žemos kokybės energiją už sistemos ribų.

Visata yra uždara sistema, o entropija joje nuolat auga. Tačiau biosfera yra atvira sistema, kuri išlaiko savo žemą entropijos lygį, naudodama išorinį aukštos kokybės spindulinės energijos šaltinį – Saulę – ir prastos kokybės šiluminę energiją išsklaidanti į kosmosą. Todėl, be fizinės entropijos (uždaros sistemos entropijos), ekologijoje jie vartoja „ekologinės entropijos“ sąvoką - šiluminės energijos kiekį, negrįžtamai išsklaidytą erdvėje, kurį kompensuoja transformuota išorinės energijos energija. šaltinis – Saulė.