Биогеохимические круговороты вещества и потоки энергии как основной механизм поддержания организованности и устойчивости биосферы

Известно, что жизнь на Земле зависит в основном от двух процессов: потока солнечной энергии и круговорота веществ. Часть высоко эффективного потока солнечной энергии проходит через живое вещество биосферы и излучается обратно в космическое пространство в виде низкокачественного тепла. Солнечная энергия обеспечивает круговорот веществ на планете. В биологических круговоротах происходит переход питательных элементов, необходимых для живых организмов, от неживой природы к живому веществу и обратно. В этом круговороте веществ, обусловленном воздействиям солнечной энергии, участвуют практически все элементы, распространённые на поверхности планеты. Однако для живого вещества планеты наиболее важное значение имеют круговорот воды, кислорода, углерода, азота, фосфора и серы.

Различают замкнутый и открытый типы круговорота веществ. Пример замкнутого круговорота составляют круговороты воды, кислорода, углерода и др. открытого – круговорот фосфора. Открытый круговорот отличается от замкнутого тем, что например по фосфору, однажды оказавшись смытым с полей, имеет малую вероятность попасть обратно в поле.

Одним из важнейших свойств биосферы является закон биогенной миграции атомов, открытый Вернадским В.И.: миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время насыщает биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение геологической истории.

Закон биогенной миграции атомов имеет важное теоретическое и практическое значение. Согласно ему в пределах биосферы практически все преобразования, развитие происходят с участием живого.

Поскольку люди очень сильно воздействуют на биосферу и прежде всего на ее живое население, они тем самым изменяют условия биогенной миграции атомов, создавая предпосылки для еще более глубоких химических сдвигов в исторической перспективе. Таким образом процесс может стать саморазвивающимся, не зависящим от желания человека и практически при глобальном размахе неуправляемым. Отсюда одна из самых насущных потребностей – сохранение живого покрова земли в относительно неизменяемом состоянии. При любых преобразованиях природы необходимо учесть этот закон.

Круговорот веществ на Земле поддерживается энергией, основным источником которой является солнечная энергия. Продолжительность того или иного цикла оценивается по тому времени, которое было бы необходимо, чтобы вся масса данного вещества могла обернуться один раз на Земле в том или ином процессе.

Роль живых организмов в перемещении и перераспределении вещества на земной поверхности очень велика. Особенно важную роль в этом процессе играют зеленые растения.

Знание круговорота веществ на Земле имеет большое практическое значение, так как он существенно влияет на жизнь человека. В свою очередь человек с развитием технической мощи все сильнее воздействует на биологические циклы веществ.

Солнечная радиация, поступающая на поверхность Земли, составляет около 99,8% в общем балансе энергии планеты. Земля получает всего ½ млрд. часть лучистой энергии Солнца, тем не менее эта энергия поддерживает тепловой баланс Земли, обеспечивает водный обмен организмов, создание и превращение органического вещества автотрофным звеном биосферы. Все это в конечном итоге делает возможным формирование среды, которая способна удовлетворить жизненные потребности организмов.

Излучение Солнца, приходящее к верхней границе литосферы, равно 8,3 Дж/см в мин. Эта величина носит название солнечной постоянной. 19% солнечной энергии поглощается при прохождении через атмосферу (аэрозолями, СО2, водяным паром, озоном, О2). 34% отражается обратно в космическое пространство. Следовательно, лишь 47%ее достигает земной поверхности в виде прямой и рассеянной радиации. Прямая и рассеянная радиация вместе составляют суммарную. Суммарная радиация создает для живых организмов теневой и световой режим. Солнечное суммарное излучение структурно состоит из лучей с разной длиной волны, инфракрасных, видимых и ультрафиолетовых.

На поверхности Земли солнечная энергия распределяется неравномерно прежде всего ввиду шарообразности Земли: приэкваториальный пояс поучает больше всего, к полюсам уменьшается.

В энергетическом отношении жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком энергии Солнца и использованием ее в процессе фотосинтеза. Поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. В процессе фотосинтеза растения используют лучистую энергию солнечного света для превращения веществ с низким содержанием энергии в более сложные органические соединения.

Органические вещества, образующиеся в процессе фотосинтеза, служат источником энергии для самого растения или переходят в процессе поедания и последующего усвоения к травоядным животным, от них плотоядным. В органических соединениях выделение энергии происходит также в процессе дыхания и брожения. В отличие от вещества энергия не совершает круговорота имеет однонаправленный поток.

С.Э --- продуценты --- консументы 1--- консументы 2…. = редуценты

Надо иметь ввиду, что Надо иметь ввиду, что с одного уровня на другой переходит лишь 10 % полученной энергии, действует закон Линдемана.

Земля несколько меньше энергии излучает в космос, чем ее получает от Солнца. Разница идет на поддержание и развитие жизни, в некоторой степени и на депонирование (так образовалось каменный уголь, торф и др. ископаемые виды топлива).

Ввиду шарообразности Земли солнечная энергия распределяется неравномерно, повышаясь от полюсов к экваторам, там же возрастает видовое разнообразие.

Человек еще в первобытнообщинную эпоху стал использовать энергию, накопленную живыми организмами. В настоящее время использование биогенного топлива приобрело колоссальные масштабы, вся хозяйственная деятельность человека строится на использовании ископаемого топлива.