Материал: 1679
Основная часть круговорота реализуется в пределах лито- и гидросферы. Огромное значение в этом процессе играют микроорганизмы, осуществляющие обмен серы между растворимыми сульфатами, доступными большинству живых организмов, и сульфидными отложениями в земной коре.
Под действием микроорганизмов в биосфере постоянно идут процессы извлечения серы из глубинных отложений. Часть этой серы окисляется серобактериями до растворимых сульфатов, поступающих к продуцентам. Другая часть превращается бактериями в сероводород и другие газообразные соединения.
Деятельность человека в настоящий момент направлена на извлечение серы из глубинных месторождений и увеличение газообразных соединений серы в атмосфере. Это ведет к существенному уменьшению резерва серы в литосфере и нарушению цикличности круговорота. Выброс в атмосферу огромных количеств оксидов серы обуславливает повсеместное выпадение кислых осадков.
3.ПОТОКИ ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ
3.1.Термодинамика процессов живой природы. Негэнтропия
Одним из основных свойств материи является энергия – способность производить работу. Существование живых организмов невозможно без хорошо организованных энергетических потоков между ними и окружающей средой. При изучении различных экосистем очень важен энергетический подход. Состояние любой природной и общественной системы в конечном счете определяется соотношением энергии, используемой на этой территории и поступающей извне. Устойчивая система формируется только в том случае, если темпы расхода не превышают возможностей среды.
Все природные системы должны подчиняться двум законам термодинамики – науки о превращениях энергии. Первый закон термодинамики является следствием закона сохранения энергии: энергия не создается и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую. Основным источником энергии для биосферы является Солнце. Экология изучает превращение солнечной энергии в экосистемах.
В соответствии с первым законом термодинамики энергия, поступившая в экосистему (Q), разделяется на два потока:
1) используемую часть – энергию, перешедшую в энергию органического вещества живых организмов (qиспольз);
2) рассеянную энергию (qрассеянн) в основном в виде тепла.
Q = qиспольз + qрассеянн .
Превращение солнечной энергии в биосфере показано на рис. 13.
30 % |
~1% |
Отражение атмосферой |
Использование в |
и поверхностью Земли |
процессе фотосинтеза |
46 % |
|
Переход в тепло – |
|
нагрев атмосферы, |
|
воды и суши |
23% |
|
Испарение |
|
воды |
Рис.13. Распределение солнечной энергии в биосфере
Согласно второму закону термодинамики, любой вид энергии в конечном счете превращается в тепло – форму энергии, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеиваемую. Тепловая энергия равномерно распределяется по всему пространству, что ведет к состоянию устойчивого равновесия.
Из второго закона термодинамики следует, что самопроизвольно протекают процессы, сопровождающиеся рассеянием энергии и увеличением беспорядка в системе. Увеличение беспорядка представляет собой деградацию энергии – переход к более низкому уровню организации. Мерой беспорядка служит энтропия (S) – мера количества энергии, недоступной для использования.
Важнейшей особенностью живых организмов является способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией. Отличие живых систем от неживой природы состоит в том, что они способны самостоятельно восстанавливать свою структуру и увеличивать упорядоченность внутри себя, синтезируя сложные органические вещества из простых. Здесь нет противоречия законам термодинамики, так как все процессы в живой природе происходят не самопроизвольно, а лишь при условии постоянного подвода энергии. Сама возможность существования жизни обусловлена их способностью накапливать энергию путем преобразования полученной энергии Солнца в энергию химических связей.
Природные экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой, уменьшая при этом энтропию внутри себя, но увеличивая ее в окружающей среде. Упорядоченность экосистем поддерживается за счет откачивания из нее неупорядоченности в процессе
дыхания. Такие системы, находящиеся в состоянии устойчивого неравновесия с окружающей средой, называются диссипативными структурами.
Живые организмы способны извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию – негэнтропию. Растения получают ее при потреблении солнечной энергии, животные – из пищи. При прекращении потока энергии (например, после гибели организма) происходит разрушение сложных органических соединений, энергия химических связей переходит в тепловую форму и рассеивается.
3.2. Понятие о качестве энергии
Энергия характеризуется не только количеством, но и качеством. Известно много форм и видов энергии: солнечная, химическая, тепловая, механическая, электрическая, атомная и т.д. Причем различные формы отличаются по своему качеству, то есть своей способности производить полезную работу. Концентрированные формы энергии (например, энергия ископаемых видов топлива: угля, нефти, газа) обладают высоким качеством. По сравнению с ними качество энергии солнечного света, слабого ветра, прибоя значительно ниже. Еще ниже рабочий потенциал у рассеянной тепловой энергии.
|
Таблица 1 |
Сравнение качества различных видов энергии |
|
|
|
Вид энергии |
Качество энергии |
Тепловая энергия |
0,0001 |
Солнечная энергия |
0,0005 |
Энергия древесины |
0,5 |
Энергия ископаемых видов топлива |
1 |
Электроэнергия |
4 |
Величиной, позволяющей оценить качество данного вида энергии, является эксергия – полезная доля участвующей в каком-либо процессе энергии. Чем выше эксергия какого-либо вида энергии, тем большую полезную работу можно совершить при тех же энергетических затратах. Но для создания энергии более высокого качества необходимо затратить энергию низкого качества. Так, солнечная энергия вовлекается в биосфере
вцепь превращений, переходя в энергию органического вещества, а затем
вэнергию ископаемых видов топлива. Причем на каждом этапе уменьшается количество энергии (за счет рассеивания в окружающую среду), но повышается ее качество. Качество энергии в биосфере во многом определяется длиной пути, пройденной ею от Солнца. В табл. 1
приведено сравнение качества различных видов энергии. За единицу принято качество энергии ископаемых видов топлива (нефти, угля).
Из табл. 1 видно, что качество энергии ископаемых видов топлива в 2000 раз выше качества солнечной энергии, но в 4 раза ниже качества электроэнергии. Данные таблицы объясняют трудность использования солнечной энергии: для того, чтобы при помощи солнечного света получить энергию, эквивалентную выделяющейся при сгорании угля, его необходимо сконцентрировать в 2000 раз. В настоящее время недостаточно разработаны технологии концентрирования энергии. Но можно использовать энергию низкого качества для выполнения низкокачественных работ (например, обогрева зданий). Согласно принципам рационального природопользования качество используемой энергии должно соответствовать качеству выполняемой работы.
3.3. Процессы фотосинтеза и хемосинтеза
Живые организмы способны создавать сложные органические вещества, увеличивая собственную упорядоченность. Первичное органическое вещество биосферы создается растениями и некоторыми микроорганизмами из простых неорганических соединений в процессе реакций фотосинтеза и хемосинтеза.
Фотосинтез – это процесс образования органического вещества и свободного кислорода из простых неорганических веществ под воздействием энергии Солнца. В ходе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей в органическом веществе.
Реакция фотосинтеза идет за счет солнечной энергии и хлорофилла – органического вещества зеленого цвета, содержащегося в клетках зеленых растений. Молекула хлорофилла под воздействием солнечного света способна высвобождать свободный электрон. Выделившиеся электроны приводят к двум процессам: образованию свободного кислорода, а также молекулы АТФ (аденозинтрифосфата) из АДФ (аденозиндифосфата). Оба этих процесса вместе составляют световую фазу фотосинтеза. Молекула АТФ обеспечивает сохранение энергии в живом веществе. При ее образовании энергия запасается, а при разложении – выделяется. Далее идет темновая фаза фотосинтеза, в ходе которой вода и углекислый газ под воздействием энергии АТФ превращаются в органическое вещество. АТФ отдает электрон и снова превращается в АДФ (рис. 14).
Итоговый процесс:
Солнечное излучение + 6Н2О + 6СО2 = С6Н12О6 + 6О2 . Образующаяся молекула углевода служит основой для построения
всех органических веществ в клетке.
Световая фаза
Солнечное излучение + хлорофилл
Темновая фаза
1)разложение воды с образованием свободного кислорода;
2)образование АТФ из АДФ
1)разложение АТФ до АДФ;
2)образование органического
вещества (С Н О )
Рис.14. Схема процесса фотосинтеза
Организмы, способные к фотосинтезу, называются фотосинтетиками. Некоторые виды фотосинтетиков вместо воды используют другие неорганические вещества. Например, серные бактерии в процессе фотосинтеза переводят сероводород в свободную серу:
Солнечное излучение + CO2 + H2S = органическое вещество + H2O + S. Значение фотосинтеза для биосферы состоит в следующем:
–аккумуляция энергии (накопление энергии в органическом веществе, ее концентрирование и повышение качества);
–образование первичного органического вещества, служащего пищей другим живым организмам биосферы; часть образующегося вещества может откладываться в запас;
–насыщение воздуха свободным кислородом.
Именно благодаря деятельности первых фотосинтетиков изменился состав первичной атмосферы: из нее исчезли большая часть аммиака, метана, появились кислород и озон.
Кроме фотосинтеза, в биосфере существует еще одна реакция получения первичного органического вещества из неорганики. При этом в качестве источника энергии используется не солнечное излучение, а химическая энергия реакции окисления. Соответствующий процесс получил название хемосинтез, а использующего его организмы (бактерии) – хемосинтетики.
В ходе хемосинтеза происходит превращение химической энергии одних веществ в химическую энергию других веществ, входящих в состав живых организмов.
Примером хемосинтетиков могут быть нитрифицирующие бактерии (окисляющие аммиак до оксидов азота и нитратов), железобактерии (переводящие двухвалентное железо в трехвалентное). Хемосинтетиками были одни из первых живых организмов на Земле.
Механизмы фотосинтеза и хемосинтеза очень сложны, включают много промежуточных стадий и еще полностью нераскрыты. В настоящее время ведутся работы по созданию искусственного фотосинтеза.
3.4. Процесс дыхания