1.Біосфера(від др.-грец. βιος - життя і σφαῖρα - сфера, куля) - оболонка Землі, заселена живими організмами, що знаходиться під їх впливом і зайнята продуктами їхньої життєдіяльності; "плівка життя"; Світова екосистема Землі.

Біосфера - оболонка Землі, заселена живими організмами та перетворена ними. Біосфера почала формуватися пізніше, як 3,8 млрд. років тому, коли на планеті стали зароджуватися перші організми. Вона проникає на всю гідросферу, верхню частину літосфери і нижню частину атмосфери, тобто населяє екосферу. Біосфера є сукупністю всіх живих організмів. У ній мешкає понад 3 000 000 видів рослин, тварин, грибів та бактерій. Людина теж є частиною біосфери, її діяльність перевершує багато природних процесів і, як сказав В. І. Вернадський: «Людина стає могутньою геологічною силою».

Французький вчений-природознавець Жан Батист Ламарк на початку XIX ст. вперше запропонував по суті концепцію біосфери, ще не ввівши навіть самого терміна. Термін «біосфера» було запропоновано австрійським геологом та палеонтологом Едуардом Зюссом у 1875 році.

Цілісне вчення про біосферу створив біогеохімік та філософ В. І. Вернадський. Він вперше відвів живим організмам роль найголовнішої перетворюючої сили планети Земля, враховуючи їхню діяльність не лише в даний час, а й у минулому.

Існує й інше, ширше визначення: Біосфера - сфера поширення життя на космічному тілі. При тому, що існування життя на інших космічних об'єктах, крім Землі поки невідоме, вважається, що біосфера може поширюватися на них у більш прихованих областях, наприклад, у літосферних порожнинах або підлідних океанах. Так, наприклад, розглядається можливість існування життя в океані супутника Юпітера Європи.

Основним поняттям в екології є «екосистема». Цей термін введений у вжиток А. Тенслів 1935 р. під екосистемою розуміють будь-яку систему, що складається з живих істот та середовища їхнього існування, які об'єднані в єдине функціональне ціле.

Основними властивостями екосистем є:здатність здійснювати кругообіг речовин, протистояння зовнішнім впливам, виробництво біологічної продукції.

Зазвичай виділяють: мікроекосистеми (наприклад, невелике водоймище), які існують, поки в них присутні живі організми, здатні здійснювати кругообіг речовин; мезоекосистеми (наприклад, річка); макроекосистеми (наприклад, океан) і глобальну екосистему – біосферу

Біосфера як глобальна екосистема

Концепція «біосфера»у наукову літературу введено 1875 р. австрійським ученим-геологом Едуардом Зюссом До біосфери він відніс усе те простір атмосфери, гідросфери та літосфери (твердої оболонки Землі), де зустрічаються живі організми.

Володимир Іванович Вернадський використав цей термін та створив науку з аналогічною назвою. У такому разі під біосферою розуміється весь простір (оболонка Землі), де існує або коли-небудь існувало життя, тобто де зустрічаються живі організми або продукти їхньої життєдіяльності. В. І. Вернадський як конкретизував і окреслив межі життя у біосфері, але, найголовніше, всебічно розкрив роль живих організмів у процесах планетарного масштабу. Він показав, що в природі немає більш потужної середоутворюючої сили, ніж живі організми та продукти їхньої життєдіяльності. В І Вернадський вивів першорядну перетворюючу роль живих організмів і обумовлюваних ними механізмів утворення та руйнування геологічних структур, кругообігу речовин, зміни твердої ( літосфери), в одній ( гідросфери) та повітряної ( атмосфери) оболонок Землі. Частина біосфери, де живі організми зустрічаються в даний час, прийнято називати сучасною біосферою ( необіосферою), Давні ж біосфери відносять до ( палеобіосферам). Як приклад останніх можна вказати мляві концентрації органічних речовин (родовища кам'яного вугілля, нафти, горючих сланців), запаси інших сполук, що утворилися за участю живих організмів (вапно, крейда, рудні утворення).

Кордони біосфери.Необіосфера в атмосфері знаходиться приблизно до озонового екрану над більшою частиною поверхні Землі - 20-25 км. Гідросфера майже вся, навіть найглибша Маріанська западина Тихого океану (11 022 м), зайнята життям. У літосферу життя також проникає, але на кілька метрів, обмежуючись лише грунтовим шаром, хоча окремими тріщинами і печерами воно поширюється на сотні метрів. Через війну межі біосфери визначаються присутністю живих організмів чи «слідами» їх життєдіяльності. Екосистеми є основними ланками біосфери. На рівні екосистем основні властивості та закономірності функціонування організмів можна розглянути більш детально та глибоко, ніж це зроблено на прикладі біосфери.

Через збереження елементарних екосистем і вирішується головна проблема сучасності – запобігання чи нейтралізації несприятливих явищ глобальної кризи, збереження біосфери загалом.

2.Жива речовина- вся сукупність тіл живих організмів у біосфері, незалежно від їхньої систематичної приналежності.

Це поняття не слід плутати з поняттям «біомасса», що є частиною біогенної речовини.

Термін введений В. І. Вернадським

Жива речовина розвивається там, де може існувати життя, тобто на перетині атмосфери, літосфери та гідросфери. В умовах, не сприятливих для існування, жива речовина перетворюється на стан анабіозу.

Специфіка живої речовини полягає в наступному:

Жива речовина біосфери характеризується величезною вільною енергією. У неорганічному світі за кількістю вільної енергії з живою речовиною можна порівняти лише недовговічні незастиглі лавові потоки.

Різка відмінність між живою та неживою речовиною біосфери спостерігається у швидкості перебігу хімічних реакцій: у живій речовині реакції йдуть у тисячі та мільйони разів швидше.

Відмінною особливістю живої речовини є те, що складові її індивідуальні хімічні сполуки – білки, ферменти тощо – стійкі лише в живих організмах (значною мірою це характерно і для мінеральних сполук, що входять до складу живої речовини).

Довільний рух живої речовини, значною мірою саморегульований. В. І. Вернадський виділяв дві специфічні форми руху живої речовини: а) пасивну, яка створюється розмноженням та властива як тваринам, так і рослинним організмам; б) активну, що здійснюється за рахунок спрямованого переміщення організмів (вона характерна для тварин та меншою мірою для рослин). Живому речовині також властиве прагнення заповнити собою весь можливий простір.

Жива речовина виявляє значно більшу морфологічну та хімічну різноманітність, ніж неживу. Крім того, на відміну від неживої абіогенної речовини, жива речовина не буває представлена ​​виключно рідкою або газовою фазою. Тіла організмів побудовані у всіх трьох фазових станах.

Жива речовина представлена ​​у біосфері як дисперсних тіл – індивідуальних організмів. Причому, будучи дисперсною, жива речовина ніколи не знаходиться на Землі у морфологічно чистій формі – у вигляді популяцій організмів одного виду: вона завжди представлена ​​біоценозами.

Жива речовина існує у формі безперервного чергування поколінь, завдяки чому сучасна жива речовина генетично пов'язана з живою речовиною минулих епох. При цьому характерною для живої речовини є наявність еволюційного процесу, тобто відтворення живої речовини відбувається не за типом абсолютного копіювання попередніх поколінь, а шляхом морфологічних та біохімічних змін.

Значення живої речовини

Робота живої речовини в біосфері досить різноманітна. За Вернадським, робота живої речовини в біосфері може виявлятися у двох основних формах:

а) хімічної (біохімічної) - І рід геологічної діяльності; б) механічної – ІІ рід транспортної діяльності.

Біогенна міграція атомів I роду проявляється у постійному обміні речовини між організмами та навколишнім середовищем у процесі побудови тіла організмів, перетравлення їжі. Біогенна міграція атомів II роду полягає в переміщенні речовини організмами в ході його життєдіяльності (при будівництві нір, гнізд, при заглибленні організмів у ґрунт), переміщенні живої речовини, а також пропускання неорганічних речовин через шлунковий тракт ґрунтоїдів, ілоєдів, фільтраторів.

Для розуміння тієї роботи, яку здійснює жива речовина в біосфері, дуже важливими є три основні положення, які В. І. Вернадський назвав біогеохімічними принципами:

Біогенна міграція атомів хімічних елементів у біосфері завжди прагне максимального прояву.

Еволюція видів у ході геологічного часу, що призводить до створення стійких у біосфері форм життя, йде у напрямі, що посилює біогенну міграцію атомів.

Жива речовина знаходиться в безперервному хімічному обміні з космічним середовищем, що його оточує, і створюється і підтримується на нашій планеті променистою енергією Сонця.

Виділяють п'ять основних функцій живої речовини:

Енергетична. Полягає в поглинанні сонячної енергії при фотосинтезі, а хімічної енергії – шляхом розкладання енергонасичених речовин та передачі енергії харчовим ланцюгом різнорідної живої речовини.

Концентраційна. Виборче накопичення під час життєдіяльності певних видів речовини. Виділяють два типи концентрацій хімічних елементів живою речовиною: а) масове підвищення концентрацій елементів у середовищі, насиченому цими елементами, наприклад, сірки та заліза багато в живій речовині в районах вулканізму; б) специфічну концентрацію тієї чи іншої елемента незалежно від середовища.

Деструктивна. Полягає в мінералізації необіогенної органічної речовини, розкладанні неживої неорганічної речовини, залученні речовин, що утворилися в біологічний кругообіг.

Середоутворююча. Перетворення фізико-хімічних параметрів середовища (переважно за рахунок необіогенної речовини).

Транспортна. Харчові взаємодії живої речовини призводять до переміщення величезних мас хімічних елементів і речовин проти сил тяжкості та в горизонтальному напрямку.

Жива речовина охоплює та перебудовує всі хімічні процеси біосфери. Жива речовина є найпотужнішою геологічною силою, що росте з ходом часу. Віддаючи належне пам'яті великого основоположника вчення про біосферу, наступне узагальнення А. І. Перельман запропонував назвати «законом Вернадського»:

3. Енергетика біосфери

В енергетичних процесах у біосфері вирішальна роль (99%) належить радіації Сонця, що визначає тепловий баланс та термічний режим біосфери Землі. З усієї кількості енергії, 5,42 · 10 4 Дж, одержуваної Землею від Сонця, 33% відбивається хмарами та поверхнею суші, а також пилом у верхніх шарах атмосфери. Ця частина складає альбедо Землі, 67% енергії поглинається атмосферою та земною поверхнею (континентами та Світовим океаном) і після низки перетворень йде у космічний простір (рис. 5.2).

В атмосфері нагрівання відбувається знизу, що призводить до утворення потужних конвективних потоків та загальної циркуляції повітряних мас. Океанічні течії, рухомі переважно вітром, перерозподіляють отриману сонячну енергію у горизонтальному напрямі, що впливає постачання атмосфери теплом. Світовий океан та атмосфера є єдиною тепловою системою.

За рахунок випромінювання та конвекції підтримується весь енергетичний баланс нашої планети. Кругообіг води в біосфері також визначається надходженням сонячної енергії.

Незначна частина загального потоку сонячної енергії поглинається зеленими рослинами в процесі здійснення реакції фотосинтезу. Ця енергія становить 1022 Дж на рік (приблизно 0,2% від усієї суми сонячної радіації). Фотосинтез - це сильний природний процес, що втягує в кругообіг величезні маси речовини біосфери і визначає велику кількість кисню в атмосфері. Фотосинтез є хімічною реакцією, що протікає за рахунок сонячної енергії за участю хлорофілу зелених рослин: nСО 2 + n Н 2 О = С nН 2 nПро 2+ nПро 2 . Кругообіг вуглецю в біосфері зображено на рис. 5.3.

Таким чином, за рахунок двоокису вуглецю та води синтезується органічна речовина та виділяється вільний кисень. За небагатьом винятком фотосинтез відбувається на всій поверхні Землі і створює величезний геохімічний ефект, який може бути охарактеризований кількістю всієї маси вуглецю, який щорічно залучається до побудови органічної живої речовини біосфери. Щорічно використовується та поглинається CO 2 : на суші 253-10 9 т, в океані - 88-10 9 т, а всього - 341 · 10 9 т. З використанням 135 · 10 12 т води створюється 232 · 10 9 т органічних речовин nН 2 nПро nі 248 · 109 т кисню йде в атмосферу.

зв'язки з фотосинтезом у біосфері в кругообіг залучаються 1 млрд т азоту, 260 млн т фосфору та 200 млн т сірки.

Протягом 6 - 7 років поглинається вся вуглекислота атмосфери, за 3000-4000 років оновлюється весь кисень атмосфери, а протягом 10 млн. років фотосинтез переробляє масу води, що дорівнює всій гідросфері. Якщо врахувати, що біосфера існує на Землі не менше 3,8 - 4 млрд років (а Земля приблизно - 4,5 млрд років), то можна сказати, що води Світового океану пройшли через біогенний цикл, пов'язаний із фотосинтезом, не менше 1 млн разів. Усі ці величини відбивають величезну важливість фотосинтезу історія Землі.

Зауважимо тут, що за загибелі організму відбувається зворотний процес - розкладання органічного речовини шляхом окислення, гниття тощо. з утворенням кінцевих продуктів розкладання. Цей процес у біосфері Землі призводить до того, що кількість біомаси живої речовини набуває тенденції до певної сталості. Кількість біомаси приблизно в 10 разів перевищує кількість органічної речовини (0,232 · 10 12 т), що щорічно виробляється в процесі фотосинтезу. Загальна маса речовини, що пройшла біосферу, у 12 разів перевищує масу Землі. Так працює ця "жива фабрика".

Розгляньте малюнки 230-234. Які хімічні сполуки використовують організми у кругообігах речовин? Яке значення мають процеси фотосинтезу, випаровування води, дихання, азотофіксації для забезпечення кругообігів речовин та потоку енергії в біосфері?

Усі складові біосферу компоненти і процеси, що відбуваються в ній, тісно взаємопов'язані. Стабільність біосфери підтримується постійно обертаються кругообігами речовин і перетворенням енергії. Кругообіги різноманітні за масштабами та якістю явищ, наприклад, кругообіг води, кругообіг вуглецю, кругообіг азоту. Вони здійснюються за участю всіх компонентів біосфери та входять до складу єдиного біогеохімічного круговороту.

Біогеохімічний кругообіг - обмін речовин та перетворення енергії між різними компонентами біосфери, пов'язані з діяльністю її організмів.

Основною рушійною силою біогеохімічного круговороту є потік енергії, що безперервно відбувається в біосфері, пов'язаний з діяльністю живої речовини.

Організми потребують енергії для підтримки своєї життєдіяльності. Енергія в біосфері існує у кількох формах. Відомі механічна, хімічна, теплова, електрична та інші форми енергії. Перехід однієї форми енергії на іншу, званий перетворенням енергії, підпорядковується закону збереження енергії, який свідчить, що енергія може перетворюватися з однієї форми на іншу, але може бути створена чи знищена.

Основне джерело енергії в біосфері – це енергія Сонця (рис. 228). Вона нагріває атмосферу та гідросферу, викликає пересування повітряних мас, океанічних течій, випаровування води, танення снігу. Автотрофні організми, головним чином зелені рослини, внаслідок реакцій фотосинтезу перетворюють сонячну енергію на енергію хімічних зв'язків створених органічних речовин. Значна частина її витрачається самими рослинами на процеси життєдіяльності. Найменша частина хімічної енергії рослин передається далі харчовими ланцюгами гетеротрофним організмам. Гетеротрофні організми, головним чином тварини, перетворюють хімічну енергію на інші її форми, наприклад механічну, електричну, теплову, світлову. Деяка частина акумульованої зеленими рослинами сонячної енергії може накопичуватися в біосфері у вигляді запасів деревини, торфу, вугілля та горючих сланців.

Мал. 228. Потік енергії у біосфері

Отже, кругообігу енергії в біосфері не відбувається. Цей процес не є замкнутим. У біосфері спостерігається лише потік енергії, пов'язаний із перетворенням однієї її форми на іншу.

Кругообіг води.Вода грає найважливішу роль біогеохімічному кругообігу, оскільки живі тіла загалом на 80% складаються з неї, а Світовий океан займає понад 2/3 поверхні земної кулі (рис. 229).

Мал. 229. Розподіл води Землі

У межах усієї планети кругообіг води здійснюється між морями, океанами і материками (рис. 230). Вода, що випаровується Сонцем із поверхні морів та океанів, переноситься вітрами на материки, де випадає у вигляді атмосферних опадів. Значна частина води при цьому виявляється пов'язаною, наприклад у вигляді снігу та льоду, тобто є тимчасово недоступною для організмів. З річковими та ґрунтовими стоками вода потім поступово повертається до океанів.

Мал. 230. Кругообіг води в біосфері

Значна частина води, що є на суші, поглинається з ґрунту рослинами і потім у вигляді водяної пари випаровується листям для запобігання перегріванню. Частина води рослини витрачають на процес фотосинтезу. Тварини воду отримують з питвом та з їжею. Видаляється із тварин організмів вода у складі видихуваного повітря, поту та інших виділень.

Наземні рослини, головним чином із вологих екваторіальних лісів, випаровуючи воду, зменшують її поверхневий стік та утримують вологу в атмосфері. Це перешкоджає розмиванню ґрунту опадами та руйнуванню його верхнього родючого шару. Скорочення площі екваторіальних лісів внаслідок їх інтенсивної вирубки людиною призводить до посух у прилеглих районах земної кулі.

Мал. 231. Кругообіг вуглецю в біосфері

Кругообіг вуглецю.Вуглець в біосфері переважно представлений двоокисом вуглецю (вуглекислим газом). Основне її первинне джерело – це вулканічна діяльність. Зв'язування вуглекислого газу відбувається двома шляхами (рис. 231). Перший полягає у його поглинанні рослинами в процесі фотосинтезу з утворенням органічних речовин та подальшим відкладенням їх у вигляді торфу, вугілля, горючих сланців (рис. 232). Другий шлях полягає в тому, що вуглекислий газ розчиняється у водоймах, переходячи в карбонат-іони та гідрокарбонат-іони. Потім за допомогою кальцію або магнію відбувається осадження карбонатів на дно водойм у вигляді вапняків. Запаси вуглекислого газу атмосфері постійно поповнюються завдяки дихання організмів, процесам розкладання органічних залишків, і навіть від спалювання палива і викидів промисловості.

Мал. 232. Торф'яні відкладення - одне з вторинних джерел вуглецю в біосфері

Кругообіг азоту.Основним джерелом азоту в біосфері є газоподібний атмосферний азот. У невеликих кількостях атмосферний азот зв'язується з киснем повітря до нітратів при грозових розрядах (рис. 233).

Мал. 233. Газоподібний азот в атмосфері при грозі зв'язується з киснем повітря до нітратів.

Основне зв'язування атмосферного азоту здійснюється азотфіксуючими бактеріями, що мешкають у ґрунті (рис. 234). Вони синтезують нітрити та нітрати, які стають доступними для використання рослинами. У рослинах азот переходить до складу органічних сполук, наприклад, білків, нуклеїнових кислот і АТФ. При розкладанні трупів загиблих організмів або при виділенні сечі у тварин азот надходить у ґрунт у вигляді сполук аміаку. Вони потім окислюються до нітритів та нітратів і знову використовуються рослинами. Частково нітрати грунту відновлюються бактеріями, що денітрифікують, до газоподібного азоту. Так здійснюється поповнення запасів газоподібного азоту в атмосфері. Запас нітратів у ґрунті поповнюється також завдяки внесенню до неї людиною неорганічних азотних та органічних добрив.

Мал. 234. Кругообіг азоту в біосфері

Отже, кругообіги води, вуглецю, азоту і перетворення енергії, що безперервно відбуваються в біосфері, утворюють єдиний біогеохімічний кругообіг. Речовини та елементи у ньому використовуються організмами багаторазово. Енергія, на відміну від них, використовується організмами лише один раз. Біогеохімічний кругообіг не має повної циклічності. Частина речовин із нього виключається і може накопичуватися у природі.

Вправи з пройденого матеріалу

1. Що таке біогеохімічний кругообіг? Якими процесами він забезпечується?
2. Опишіть, як відбувається кругообіг води в біосфері. Яка роль у ньому рослин та тварин?
3. Як здійснюється кругообіг вуглецю в біосфері? У якому вигляді вуглець може накопичуватися у природі?
4. Опишіть, як відбувається кругообіг азоту в біосфері. Яка роль у ньому азотфіксуючих та денітрифікуючих бактерій?
5. Поясніть, чому правильно говорити про кругообіг речовин і елементів, що відбувається в біосфері, але неправильно говорити про кругообіг енергії в біосфері?

Вище ми бачили, що рослини вловлюють енергію Сонця у формі видимих ​​променів і переводять її в результаті фотосинтетичних процесів в енергію хімічних зв'язків, потім вона переходить у теплоту та випромінюється через поверхню тіла тварин у світовий простір у формі інфрачервоних променів. Виходить потік енергії через біосферу. Як видно, з моменту приходу в біосферу вона зазнає цілого ряду перетворень. Цей процес називається трансформацією енергії у біосфері. Енергія саме протікає через біосферу, а не робить у ній кругообіг. Речовина ж на відміну енергії робить у біосфері безперервний кругообіг. Запам'ятаймо цей найважливіший момент. Тільки безперервне надходження енергії Сонця Землю забезпечує нормальне функціонування біосфери.

Автори книги «Оповідання про біосферу» П. П. Второв та М. М. Дроздов ілюструють роль потоку енергії у кругообігу речовин дуже простим і наочним прикладом. Пояснюючи роль енергії та круговороту речовин у життєвих процесах біосфери, вони порівнюють їх з водяним колесом та потоком води. Колесо символізує запаси речовини в біосфері: воно безперервно крутиться, залишаючись дома і не змінюючись. Те саме відбувається і з речовиною біосфери: не змінюючись кількісно, ​​воно перебуває у стані безперервного круговороту. Але колесо само по собі не обертатиметься, необхідний постійний потік води. Вода, коли зробив роботу, йде і повторно не повертається до колеса. Варто припинитися потоку води – зупиниться і колесо. Потік енергії через біосферу грає таку саму роль. Він «крутить колесо» кругообігу речовин і забезпечує тим самим існування та розвиток біосфери. Варто припинитися потоку енергії – встане і «колесо життя» біосфери.

Кількість енергії, що надходить на різних широтах через кулястість Землі неоднакова. Воно максимально у низьких широтах та мінімально у високих. У субтропічних і тропічних поясах щорічно поверхню Землі отримує 220 ккал/см 2 або 924 кДж/см 2 , тепла, а в полярних районах - близько 70 ккал/см 2 або 294 кДж/см 2 . З цієї кількості лише 0,5% енергії запасається рослинністю суші у віце чистої первинної продукції. Ось ці 0,5% акумульованої енергії та забезпечують існування життя на Землі, у тому числі й нас з вами. Рослинний покрив - це величезний акумулятор, який безперебійно постачає всі організми, що живуть на Землі, енергією. А як передається ця енергія в біосфері, ми бачили, коли розглядали харчові ланцюги. Вище було зазначено, що у природі може бути занадто довгих харчових ланцюгів. Чому ж? Виявляється, занадто довгі харчові ланцюги невигідні щодо енергетичної точки зору. Оскільки лише 10 % енергії, отриманої зі з'їденою їжею, використовується за «прямим призначенням», тобто йде на синтез органічних речовин у тілі тварини, то кількість енергії, що передається, стрімко скорочується при переході від нижчих ланок ланцюга до вищих:

Таким чином, тварина, що знаходиться в кінці ланцюга, що включає п'ять ланок, отримає лише 0,0001 частина енергії, акумульованої рослинами, і для підтримки його нормальної життєдіяльності потрібно витратити величезну кількість біомаси рослин. Ось це і унеможливлює існування в природі екосистем з дуже довгими харчовими ланцюгами.

Жива оболонка нашої планети (біосфера) безперервно поглинає сонячну енергію, і навіть ту енергію, що з надр Землі. Вся енергія передається у зміненому вигляді від одних живих організмів до інших і надходить у довкілля. Ці потоки енергії перебувають у постійному стані течії і відіграють важливу роль у створенні біомаси.

На земну поверхню щорічно падає приблизно 21х1023 кДж енергії. З цієї кількості на ділянки Землі, вкриті рослинами, та водойми з рослинністю, що міститься в них, припадає лише близько 40%. Враховуючи втрати енергії радіації в результаті відображення та інших причин, енергетичний вихід фотосинтезу, що не перевищує 2%, сумарна кількість енергії, що запасається в продуктах фотосинтезу щорічно, може виразитися величиною, що наближається до 2,0 x 1022 кДж.

Окрім утворення чистої продукції, живий покрив сухої частини планети застосовує для дихання сонячну енергію, що потрапляє в біосферу: близько 30-40% енергії, необхідної для утворення чистої продукції. Таким чином, рослинність суші сумарно перетворює (на створення чистої продукції та дихання) близько 4,2 х1018 кДж сонячної енергії щорічно.

Існування та створення біомаси пов'язані з безперервним надходженням енергії та речовин з навколишнього простору. Більшість речовин земної кори проходить крізь живі організми і потрапляє в біологічний кругообіг речовин, що створює біосферу і визначає її стійкість. Життя в біосферів енергетичному відношенні підтримується завдяки постійному припливу сонячної енергіїта застосування її у процесах фотосинтезу.

Вступаючи в молекули живих клітин, потік енергії від Сонця перетворюється на енергію хімічних зв'язків. У ході фотосинтезу рослини застосовують променисту енергію сонця для перетворення речовин з низьким вмістом енергії (Н2О та СО2) у складніші органічні сполуки, де деяка частина енергії сонця збережена у вигляді хімічних зв'язків. Органічні речовини, отримані в результаті фотосинтезу, є джерелом енергії для самої рослини, або переходять у ході поїдання та подальшого засвоєння від одних до інших організмів.

Вивільнення енергії, укладеної в органічних сполуках, також відбувається у процесі бродіння чи дихання. Сапрофіти (гриби, гетеротрофні бактерії, деякі рослини та тварини) розкладають залишки біомаси на складові неорганічні частини (мінералізація), сприяючи залученню в кругообіг хімічних елементів та сполук, що забезпечує чергові цикли виробництва органічної речовини.

Біосфера - це відкрита термодинамічна система, яка отримує енергію у вигляді променистої енергії Сонця та теплової енергії процесів радіоактивного розпаду речовин у земній корі та ядрі планети. Радіоактивна енергія, частка якої в енергетичному балансі планети була значною на абіотичних фазах, зараз не відіграє помітної ролі в житті біосфери, і основне джерело енергії сьогодні – це сонячне випромінювання. Щорічно Земля отримує від Сонця енергію, що становить близько 10,5*1020 кДж. Велика частина цієї енергії відбивається від хмар, пилу та земної поверхні (близько 34%), нагріває атмосферу, літосферу та Світовий океан, після чого розсіюється в космічному просторі у вигляді інфрачервоного випромінювання (42%), витрачається на випаровування води та утворення хмар (23) %), на переміщення повітряних мас – утворення вітру (близько 1%). І лише 0,023% сонячної енергії, що потрапляє на Землю, уловлюється продуцентами – вищими рослинами, водоростями та фототрофними бактеріями – та запасається у процесі фотосинтезу у вигляді енергії хімічних зв'язків органічних сполук. За рік у результаті фотосинтезу утворюється близько 100 млрд. т органічних речовин, у яких запасається не менше 1,8*1017 кДж енергії.

Ця пов'язана енергія далі використовується консументами та редуцентами в ланцюгах живлення, і за його рахунок жива речовина виконує роботу – концентрує, трансформує, акумулює та перерозподіляє хімічні елементи у земній корі, роздроблює та агрегує неживу речовину. Робота живої речовини супроводжується розсіюванням у вигляді тепла майже всієї запасеної в процесі фотосинтезу сонячної енергії. Лише частки відсотка цієї «фотосинтетичної» енергії не потрапляють у ланцюги живлення та консервуються в осадових породах у вигляді органічної речовини торфу, вугілля, нафти та природного газу.

Отже, в процесі роботи, яку здійснює біосфера, уловлене сонячна енергія трансформується, тобто йде на виконання так званої корисної роботи, і розсіюється. Ці два процеси підпорядковуються двом фундаментальним природним законам – першим та другим законам термодинаміки. Перший закон термодинаміки часто називають законом збереження енергії. Це означає, що енергія не може бути ні народжена, ні знищена, вона може бути лише трансформована з однієї форми в іншу. Кількість енергії у своїй не змінюється.

В екологічних системах відбувається багато перетворень енергії: промениста енергія Сонця завдяки фотосинтезу перетворюється на енергію хімічних зв'язків органічної речовини продуцентів, енергія, запасена продуцентами, - на енергію, акумульовану в органічній речовині консументів різних рівнів, і т.д. кількості однієї енергії іншу. Другий закон термодинаміки визначає напрямок якісних змін енергії у процесі її трансформації з однієї форми в іншу. Закон визначає співвідношення корисної і марної роботи при переході енергії з однієї форми в іншу і дає уявлення про якість самої енергії.

Другий закон термодинаміки, я вважаю, панує серед законів Природи. І якщо ваша гіпотеза суперечить закону, я нічим не можу вам допомогти. (А. Еддінгтон, англійський астроном.

Згадаємо, що у енергією розуміють здатність організації виконувати роботу. Але за будь-якої трансформації енергії лише частина її витрачається виконання корисної роботи. Інші ж безповоротно розсіюється як тепла, тобто. здійснюється порожня робота, пов'язана із збільшенням швидкості безладного руху частинок. Чим більший відсоток енергії витрачається виконання корисної роботи і, що менше відсоток у своїй розсіюється як тепла, то вище вважається якість вихідної енергії. Високоякісна енергія може бути без додаткових енергетичних витрат трансформована у більшу кількість інших видів енергії, ніж низькоякісна.

Енергією низької якості є енергія безладного броунівського руху, тобто теплова. її не можна використовувати для виконання корисної роботи. Кількість енергії низької якості, непридатною для здійснення корисної роботи, називають ентропією. Спрощено ентропія - це міра дезорганізації, безладдя, випадковості систем та процесів.

Отже, за другим законом термодинаміки, будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної енергії в енергію нижчої та низької якості – тепло – і призводить до зростання ентропії.

Зменшити ентропію в термодинамічно закритій системі, яка не отримує енергії ззовні, неможливо – адже вся якісна енергія такої системи врешті-решт перетворюється на низькоякісну, деградує до тепла. Однак у відкритій термодинамічній системі можливо протидіяти зростанню ентропії, використовуючи для цього високоякісну енергію, що надходить ззовні, і відводячи низькоякісну енергію за межі системи.

Всесвіт є закритою системою, і в ньому ентропія постійно зростає. Проте біосфера є відкритою системою, яка підтримує власний низький рівень ентропії, використовуючи для цього зовнішнє джерело якісної променистої енергії - Сонце - і розсіюючи в космічний простір низькоякісну теплову енергію. Тому, крім ентропії фізичної (ентропії замкнутої системи), в екології використовують поняття «ентропія екологічна» - кількість незворотно розсіяної в просторі теплової енергії, яка, однак, компенсується енергією зовнішнього джерела, що трансформується, - Сонця.