Поток энергии и продуктивность экосистемы. Источники и потоки энергии в биологических системах. Организованность биосферы. Производство

4. Саргасовые сгущения -- поля плавающих на поверхности бурых и багрянниковых водорослей с множеством воздушных пузырьков. Распространены в Саргассовом и Черном морях.

5. Абиссальные рифтовые придонные сгущения формируются на глубине до 3 км вокруг горячих источников на разломах океанической коры (рифтах). В этих местах выносится из земных недр сероводород, ионы железа и марганца, соединения азота (аммиак, оксиды), питающие хемотрофные бактерии -- продуценты, потребляемые более сложными организмами -- моллюсками, крабами, раками, рыбами и огромными сидячими червеобразными животными рифтиями. Эти организмы не нуждаются в солнечном свете. В рифтовых зонах существа растут примерно в 500 раз быстрее и достигают внушительных размеров. Двустворчатые моллюски вырастают до 30 см в диаметре, бактерии -- до 0,11 мм! Известны галапагосские рифтовые сгущения, а также у острова Пасхи.

В море преобладает разнообразие животных, а на суше -- растений. Только покрытосеменные составляют 50% видов, а морские водоросли -- всего 5%. Общая биомасса на суше представлена на 92% зелеными растениями, а в океане 94% составляют животные и микроорганизмы. Биомасса планеты обновляется в среднем каждые 8 лет, растения суши -- за 14 лет, океана -- за 33 дня (фитопланктон -- ежедневно). Вся вода проходит через живые организмы за 3 тыс. лет, кислород -- за 2-5 тыс. лет, а углекислый газ атмосферы -- всего за 6 лет. Существенно более длительны циклы углерода, азота и фосфора. Биологический круговорот не замкнут, около 10% вещества уходит в виде осадочных отложений и захоронений в литосферу. Масса биосферы составляет всего 0,05% массы Земли, а ее объем -- около 0,4%. Общая масса живого вещества составляет 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, но роль живых организмов в геохимических процессах весьма значительна. Ежегодная продукция живого вещества составляет около 200 млрд. т сухого веса органики, в процессе фотосинтеза 70 млрд. т воды реагирует с 170 млрд. т углекислого газа. Ежегодно жизнедеятельность организмов вовлекает в биогенный круговорот 6 млрд. тонн азота, 2 млрд. тонн фосфора, железо, серу, магний, кальций, калий и др. элементы. Человечество, используя многочисленную технику, добывает около 100 млрд. тонн полезных ископаемых в год.

 

1.4.Производство  энергии человеком как процесс  в биосфере.

Окружающий нас мир обладает поистине неиссякаемым источником различных видов энергии, некоторые из них человечество научилось использовать уже с давних времен:

• Энергия движения воды в реках,
• Энергия ветра,
• Энергия, заключенная в топливе)

Некоторые еще в полной мере не используются: энергия Солнца, энергия взаимодействия Земли и Луны, энергия термоядерного синтеза, энергия тепла Земли. Но надо отметить, что основным энергетическим источником жизни на Земле является Солнце. Под действием солнечных лучей хлорофилл растений разлагает углекислоту, поглощаемую из воздуха, на кислород и углерод. Последний накапливается в растениях. Уголь, газ, торф и т. д. - это запасы лучистой энергии Солнца. Энергия воды, ветра - также, в конечном счете, результаты солнечной активности: ветры возникают при неодинаковом нагревании Земли Солнцем, а вода, отдающая потенциальную энергию при падении, получает ее при испарении озер и океанов под действием солнечного света и ветра. Растительная и животная жизнь образует цикл, который начинается с солнечного света, воды и углекислого газа и заканчивается водой, углекислым газом, теплом и механической энергией животных и человека. Все машины, работающие на нефтепродуктах, угле, ветре, движущейся воде, все животные и человек, потребляющие пищу, в конечном счете, получают свое “топливо” от Солнца. К сожалению, большинство энергии, потребляемой человеком, превращается в бесполезное тепло из-за низкой эффективности использования имеющихся энергетических ресурсов. На бытовые нужды расходуется около 800 Мт, на общественное производство — 1000 Мт. Таким образом, из годового потребления, составляющего 7500 Мт, полезно используется 2200 Мт, остальное растрачивается в виде теплоты. Но даже эффективностью 2200/7500 Мт человечество не может похвастаться, так как не учтено падающее на Землю солнечное излучение, составляющее 10 000 000 Мт в год. Энергия сыграла решающую роль в развитии цивилизации. Потребление энергии и накопление информации имеет примерно одинаковый характер изменения во времени, тесна связь, между расходом энергии и объемом выпускаемой продукции. Рост потребления энергии поразительно высок. Но именно благодаря ему человек значительную часть своей жизни может посвятить досугу, образованию, созидательной деятельности, добился теперешней высокой продолжительности жизни. Мы считаем энергию чем-то нужным, способным работать на нас. Снабжение общества энергией необходимо для: обогрева помещений, обеспечения передвижения, выпуска необходимых нам товаров, поддержания работоспособности различных машин, механизмов, приборов, приготовления пищи, освещения, поддержания жизнедеятельности и много другого.

Эти примеры применения энергии можно разделить на три большие группы:

А) энергия питания, она дороже других видов энергии: пшеница в перерасчете на Джоули гораздо дороже, чем уголь. Питание дает тепло для поддержания температуры тела, энергию для его движения, для осуществления умственного и физического труда;

Б) энергия в виде тепла для обогрева домов и приготовления пищи, она дает возможность жить в различных климатических условиях и разнообразить пищевой рацион человека;

В) энергия для обеспечения функционирования общественного производства, это энергия для производства товаров и услуг, физического перемещения людей и грузов в пространстве, для поддержания работоспособности всех систем коммуникаций. Затраты этой энергии на душу населения значительно выше, чем затраты энергии на питание.

Энергия, которая содержится в природных источниках и может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую, названа первичной. К традиционным видам первичной энергии относят: органическое топливо (уголь, нефть и т. д.), гидроэнергию рек и ядерное топливо (уран, торий и др.). Энергия, полученная после преобразования первичной на специальных установках, называется вторичной.

Человек, безусловно, оказывает влияние на окружающую его среду, однако производство энергии в биосфере, и использование природных источников природы еще не до конца усовершенствовано. Если бы человек производил энергию в биосфере, брал энергию ветра, Солнца, приливов, отливов, Земли и других природных источников, то во многих случаях хозяйственная деятельность человека не нарушала бы равновесие, создаваемое этими механизмами, что сейчас приводит к быстрым изменениям условий окружающей среды, с которыми ни человек, ни природа не могут успешно справиться.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть вторая. Глава 2. Понятие круговорота энергии в биосфере. Виды энергии. Потоки экзогенной и эндогенной энергии.

2.1.Понятие круговорота  энергии в биосфере.

Все живые организмы находятся во взаимосвязи с неживой природой и включаются в непрерывный круговорот веществ и энергии. В результате происходит биогенная миграция атомов. Необходимы для жизни химические элементы переходят из внешней среды в организм. При расписании органических веществ эти элементы опять возвращаются в окружающую среду.

Круговорот веществ проявляется в многократном участия веществ в процессах, происходящих в атмосфере, гидросфере, литосфере и в том числе в тех их слоях, входящих в состав биосферы.

Различают два основных круговороты веществ: большой (геологический) и малый (биологический, или биотический), которые охватывают всю планету.

Геологический (большой) круговорот - это обмен веществами между сушей и Мировым океаном. Прежде происходит глобальная циркуляция воды, т.е. сначала выпадения атмосферных осадков, затем - поверхностный и подземный сток, инфильтрация, испарение и наконец - конденсация, затем снова выпадают осадки. На круговорот воды расходуется почти треть всей солнечной энергии, поступающей к Земле. С водой движутся огромные массы растворенных в ней химических веществ, которые в океане оседают на дно в виде делювиальных отложений или осадка. Вода - основной элемент, необходимый для жизни, количественно - это наиболее распространенная неорганическая составляющая живой материи. Например, у человека вода занимает 70% массы тела, у грибов - 80%, у некоторых видов медуз - 98%. Гидросфера охватывает около 75% поверхности земного шара (363 млн км2) и предполагают, что суммарное испарение уравновешивается выпадением осадков. Из океана испаряется больше воды, чем попадает в него с осадками, на суше наоборот, меньше. Итак, круговорот воды между океаном и сушей является обязательным обменом веществ между органической и неорганической частью природы. Таким образом, особое внимание следует уделить двум главным аспектам круговорота воды:

Во-первых, море теряет из-за испарения больше воды, чем получает с осадками, на суше, во-вторых, разница между количеством осадков в год и годовым стоком составляет 0,8 мг. (1011 т), это и есть величина годового поступления воды в подпочвенные водоносные горизонты. В настоящее время в результате деятельности человека сток увеличивается, поэтому пополнение очень важного фонда грунтовых вод сокращается. Воздухообмен между всеми широтами и обоими полушариями Земли происходит в среднем за два года, активно перемещается течениями океаническая вода, в океане нет таких зон, где бы она длительное время находилась вода в застойном состоянии. Большой круговорот веществ не является замкнутым: определенное количество веществ изымается из круговорота и сохраняется в осадочных породах в виде известняков, торфа, нефти и других пород, и минералов. Согласно концепции великого круговорота веществ и энергии в биосфере, изверженные глубинные породы мантийного происхождения (например, базальты) тектонические ими процессами выводятся из недр Земли в биосферу, под влиянием солнечной энергии и живого вещества они выветриваются, переносятся, вновь откладываются, превращаясь при этом в разнообразные осадочные породы. В осадочных породах концентрируется и запасается солнечная энергия (например, из изверженных минералов образуются глины, а вулканические газы переходят в уголь, нефть). Далее за счет тектонических движений осадочные породы попадают в зоны высоких давлений и температур Земли, где из них высвобождается солнечная энергия, происходят процессы метаморфоза и переплавки, что приводит к образованию гранитных пор. Кристаллизованные изверженные породы опять за счет восходящих тектонических движений попадают в биосферу, таким образом цикл завершается, но уже на новом уровне, ведь из исходных базальтов образовались породы гранитного состава. Итак, великий круговорот веществ и энергии в биосфере можно определить, как эволюцию земной коры от океанического типа (базальтовой) до материкового типа (гранитной).

Малым, или биологическим, круговоротом веществ называют обмен химических элементов между живыми организмами и неживыми (косного) компонентами биосферы - атмосферой, гидросферой и литосферой. Этот круговорот характеризуется тем, что сначала живое вещество заряжается энергией, а затем в процессе разложения органических процессов энергия возвращается в окружающую среду. Биологический круговорот - это циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. Эта циркуляция происходит в такой последовательности: сначала минеральные вещества и энергия поглощаются из окружающей среды и включаются в состав растительных организмов, затем от растений через трофические цепи они переходят в организм к животных и другим консументам и далее через звено редуцентов возвращаются обратно в почву или атмосферу. Биологический круговорот веществ и энергии характерен для экосистем любого уровня организации - от отдельного комплекса живых организмов до биосферы в целом.

 

 

 

 

 

 

 

2.1.1. Понятие «организованности» по В.И. Вернадскому как устойчивой динамической системы.

Одним из выдающихся естествоиспытателей, который посвятил себя изучению протекающих в биосфере процессов, был академик В.И.Вернадский. Он стал основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере. До появления работ В. И. Вернадского роль живых организмов на Земле представлялась ученым очень скромной. Действительно, казалось бы, какое может быть сравнение последствий их жизнедеятельности с мощью внутренних сил планеты, вздымающих высочайшие горы, разверзающих океанские пучины, перемещающих целые континенты. В. И. Вернадский доказал, что, как бы слаб ни был каждый организм в отдельности, все они, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий существенную роль в жизни нашей планеты. В. И. Вернадский, рассматривая биосферу как геологическую оболочку, ясно понимал, что структура этой оболочки не отражает всей сложности идущих в ней процессов. Поэтому он ввел понятие об организованности биосферы. Еще в 1931 году в работе «Об условиях появления жизни на Земле» Вернадский определил организованность биосферы как устойчивость динамической системы, равновесие. Организованность биосферы в геологическом времени подтверждается тем, что вся биосфера охватывается и тропосферой, и гидросферой, и литосферой, и живым веществом. Эти части ее взаимопроникают и взаимодействуют между собой, образуя единое целое. Таким образом, понятие «организованность» подразумевает, что окружающая природа не есть хаос разрозненных элементов, но представляет собой единое и связное целое. Организованность природы не есть только внешний эмпирический факт, но это — ее основное свойство. Оно наиболее ярко выступает в явлении живого, где каждая крупица может рассматриваться как своеобразный микрокосм. Таким образом, организованность биосферы подразумевает единство, равноценность и связь ее частей. Организованность биосферы проявляется на разных уровнях. Различают термодинамический, физический, химический, биологический, парагенетический, энергетический, планетный уровни организованности биосферы.

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Организованность биосферы на термодинамическом, физическом, биологическом, парагенетическом и энергетическом уровнях.

В. И. Вернадский рассматривал биосферу как геологическую оболочку и чтобы отразить в полной мере всю сложность идущих в ней процессов, проявлений жизни и отличить их от механических структур ввел понятие «организованность». В труде «Живое вещество» В. И. Вернадский объясняет, что организованность — это «существование в пространстве-времени соотношения, научно точно количественно и качественно определяемого, между организмами и той средой, в которой они живут. Организованность обозначает, что эта среда — биосфера — не случайна, имеет определенное строение, сопряженное с явлениями жизни». «Организованность биосферы — организованность живого вещества — должна рассматриваться как равновесия подвижные, все время колеблющиеся в историческом и геологическом времени около точно выражаемого среднего. Смещения или колебания этого среднего непрерывно проявляются не в историческом, а в геологическом времени. В течение геологического времени в круговых процессах, которые характерны для биогеохимической организованности, никогда какая-нибудь точка (например, атом или химический элемент) не возвращаются в зоны веков тождественно к прежнему положению». Организованность биосферы в геологическом времени подтверждается, прежде всего, тем, что вся биосфера охватывается и тропосферой, и гидросферой, и литосферой, и живым веществом. Эти её части взаимопроникают и взаимодействуют между собой, образуя единое целое. Касаясь этих равновесий, существующих в биосфере, В. И. Вернадский писал: «…океан и тропосфера как два тела, раздельно существующие, есть фикция. Мы в действительности имеем дело со своеобразной организованностью биосферы, с естественным планетным телом, которое мы не можем разделить без его уничтожения».

Ученый выделил различные уровни организованности биосферы: термодинамический, физический, биологический, парагенетический.

• Прежде всего термодинамический уровень организованности биосферы проявляется, например, в специфике градиентов температуры в гидросфере, атмосфере, литосфере.
• Физический или агрегатный уровень организованности проявляется в наличии разных фазовых состояний вещества (твердого, жидкого, газообразного), одновременно характеризующих и его разное химическое состояние.
• На химическом уровне организованности биосфера рассматривается как сложное химическое тело, имеющее свою пространственную и временную структуру.
• Парагенетическом уровень связан общностью своего происхождения. (От гр. para - возле, находящийся рядом и лат; genesis - рождение)

 

 

2.3. Виды энергии. Потоки экзогенной и эндогенной энергии.

Энергия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется в этой системе на протяжении времени, в течение которого система будет являться замкнутой. Это утверждение носит название закона сохранения энергии. Понятие введено Аристотелем в трактате «Физика».

Из данного определения вытекает:

• Энергия — это нечто, что проявляется лишь при изменении состояния (положения) различных объектов окружающего нас мира;
• Энергия — это нечто, способное переходить из одной формы в другую Энергия характеризуется способностью производить полезную для человека работу;
• Энергия — это нечто, что можно объективно определить, количественно измерить.
• Энергия в форме А - переход - энергия в форме В

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды:

Механическая энергия — проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании.

Энергия сжатия упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах — транспортных и технологических.

Тепловая энергия — энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ. Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т. д.).