1. Общая характеристика взаимоотношений Человека и Природы, их эволюция после начала «промышленной революции» (1750-2000 г)

Вид материала

Документы

Содержание 13. Трофические цепи. Закон Линдемана и качество энергии, экологические пирамиды. Продуктивность экосистем. Техногенное влияние

Подобный материал:

• Итоги развития советской психологии в предвоенные годы (в конце 30-х гг.) 13 Общая, 1927.8kb.
• Эрик хобсбаум. Век революции. Европа 1789-1848, 5544.43kb.
• Философские аспекты взаимоотношений человека и природы в условиях глобального экологического, 317.37kb.
• 1 Экологическая доктрина Российской Федерации, 739.58kb.
• Экологическая доктрина российской федерации, 271.42kb.
• Власть и мусульмане среднего поволжья: эволюция взаимоотношений. 1945 2000, 896.56kb.
• Преподаватель Титов Владимир Николаевич, 65.81kb.
• Колониальная политика Англии после буржуазной революции, 66.65kb.
• А. В. Чудинов 200 лет Великой французской революции, 301.1kb.
• Общая характеристика работы актуальность темы исследования, 1181.69kb.

11. Круговороты веществ в биосфере. Большой (геологический) и малый (биологический) круговороты, их основа и энергетика. Главные компоненты круговоротов в гидросфере, атмосфере и литосфере, степень замкнутости и техногенное влияние на их балансовые характеристики.

3.3.2. Глобальный круговорот веществ в биосфере.

Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический (биотический).

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого (геологического) круговорота лежит процесс переноса веществ, в основном минеральных соединений, из одного места в другое в масштабе планеты.

Около 30% падающей на Землю солнечной энергии расходуется на перемещение воздуха, испарение воды, выветривание горных пород, растворение минералов и т.п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии почв и горных пород, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся морские отложения могут возвращаться на поверхность суши, и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность, землетрясения и движение океанических плит в земной коре.

Круговорот воды, включающий ее переход из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В процессе гидрологического цикла происходят значительное перераспределение и существенная очистка планетарных запасов воды. При этом следует отметить, что наибольшей скоростью обновления обладают наиболее важные для существования живой среды суши – пресные воды. Период их оборота составляет в среднем около 11 суток.

Малый круговорот. На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический (биотический) круговорот. В 1927 г. советский ученый В. Р. Вильямс писал: «Из большого, абиотического, круговорота веществ на земном шаре вырывается ряд элементов, которые, постоянно увлекаемые в новый, малый, по сравнению с большим, биологический круговорот, надолго, если не навсегда, вырываются из большого круговорота и вращаются непрерывно расширяющейся спиралью в одном направлении в малом, биологическом, круговороте».

В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.

В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества, как уже упоминалось, затрачивается всего около 1% падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую форму для других.

Все абиотические и биотические планетарные циркуляции веществ тесно переплетены и образуют глобальный системно существующий круговорот, с перераспределением энергии Солнца, с отсутствием противоречий между его отдельными ветвями и практически с нулевым вещественным балансом.

В круговороте элементов различают две части: резервный (недоступный) фонд - большая небиологическая часть медленно движущихся веществ и обменный (доступный) фонд - меньшая, но более подвижная часть, которая быстро обменивается между организмами и окружающей их средой. Биогеохимические циклы делятся на два типа: газообразные циклы с резервным фондом малоподвижного химического элемента в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете (кроме круговорота воды), являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных макроэлементов.

Круговорот углерода. У углерода самый интенсивный круговорот из всех биохимических циклов биосферы. Это основной строительный материал молекул органических соединений (углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот и др.). Растения получают его, поглощая СО₂ из атмосферы. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде СО₂ относительно невелики в сравнении с его запасами в океанах и земной коре (в виде ископаемого топлива, известняков и др.). Но твердые формы углерода (резервный фонд) продуценты усваивать не могут. Поэтому в постоянном круговороте участвует лишь 0,2% мобильного за­паса углерода. Скорость его обновления в биомассе 12 лет, а в атмосфе­ре – 8 [ ]. Круговорот углерода формируется в основном углекислым газом СО₂ и незначительно оксидом углерода СО и метаном СН₄.

Биотическая циркуляция углерода в биосфере основана на потреблении СО₂ из атмосферы и его поступлении в атмосферу.

Углекислый газ из воздуха используется главным образом:

1) в процессе фотосинтеза СО₂ + Н₂О  СН₂О + О₂;

2. в реакциях его с карбонатами океане СО₂ + Н₂О +СаСО₃  Са(НСО₃)₂;
   
3. при выветривании горных пород Fе₂S₃ + 6СО₂ + 6Н₂О 
   2Fе(НСО₃)₃ + ЗН₂S.
   

Поступление углекислого газа в атмосферу происходит в результате:

1. дыхания всех организмов;
   
2. минерализации органических веществ;
   
3. выделения по трещинам земной коры из осадочных пород (имеют также биогенное происхождение);
   
4. выделения из мантии Земли при вулканических извержениях (незначительная часть - до 0,01%);
   
5. сжигания древесины и топлива.
   

Круговорот кислорода. В значительной степени это антипод круговорота углекислого газа. Движение веществ одного происходит в направлении противоположном движению другого. Выработка O₂ связана с реакцией фотосинтеза, тогда как выделение СО₂ с дыханием. Общее потребление атмосферного кислорода и его возмещение пер­вичными продуцентами происходит сравнительно быстро. Так, для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется 2000 лет. В наше время фотосинтез и дыхание в природных условиях, без учета деятельности человека, с большой точностью уравновешива­ют друг друга. В связи с этим накопления кислорода в атмосфере не происходит, и его содержание (20,946%) остается постоянным.

Роль кислорода в биосфере сложная, так как с ним в реакцию вступает большое количество органических и неорганических веществ. В результате возникает множество циклов от микроорганизмов до биосферы, происходящих между гидросферой, литосферой и атмосферой, между экосистемами данных сред, а также и внутри экосистем. Помимо обеспечения процессов жизнедеятельности кислород благодаря производному озону (O₃), слой которого сформировался в стратосфере под действием ультрафиолетовой (УФ) радиации, осуществляет защиту живой природы от губительного жесткого УФ-излучения (λ < 280 нм).

Именно с появлением озона в атмосфере планеты (около 500÷600 млн. лет назад) связывается выход жизни из океана на сушу. До этого же момента большая часть кислорода, вырабатываемого в течение длительного гео­логического времени (около 3,0 млрд. лет), не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, окислов железа и т.п. Это полностью исключало образование озона, а также способствовало его накоплению в литосфере, где масса кислорода в 15 раз превышает циркулирующий в биосфере O₂ в виде газа или сульфатов, ра­створенных в континентальных и океанических водах.

Влияние антропогенной деятельности на снижение содержания кислорода в биосфере определяется теми же процессами, которые способствуют росту содержания оксидов углерода. В подтверждение этого достаточно привести лишь один пример – только автомобильным парком США сжигается кислорода в 2 раза больше, чем вырабатывается собственной природой. Учитывая остальные потребности в кислороде, несложно понять размер «экологического долга» американцев только по этой «статье», а также назревающую остроту экологических проблем в промышленно развитых регионах планеты.

Круговорот азота. По общему объему составляет 1/65 от круговорота углерода и используется лишь 1/40 часть его резервного фонда. Крупнейшим резервуаром молекулярного азота N₂ является атмосфера. Все живые организмы нуждаются в азоте, который используют в различных формах для образования белков и нуклеиновых кислот. Но лишь немногие микроорганизмы – азотофиксаторы могут использовать газообразный N₂ из атмосферы. Однако, в процессе круговорота он преобразовывается в растворимые и усвояемые растениями ионы аммония NН₄⁺ (аммонификация), нитрит- и нитрат-ионы NО₂^- и NО₃^- (нитрификация), что и способствует повышению его использования. Сложность круговорота азота заключается в том, что он включает газовую и минеральную фазы, а также абиотическую и биотическую части.

Антропогенное влияние на круговорот азота является разноплановым.

Антропогенная денитрификация (превращение избыточных нитритов и нитратов в газообразный N₂) и стремление к сокращению производства нитратных удобрений соответствуют природным процессам поступления потока N₂ в атмосферу, компенсируя тем самым его антропогенную фиксацию из атмосферы в сельском хозяйстве и промышленности. ?

В последнее время содержание N₂ в атмосфере не менялось. Можно думать, что поступление его в атмосферу (денитрификация) и отток из атмосферы (азотфиксация) уравновешены, хотя фиксация слегка преобладает вследствие деятельности человека. ?

Следовательно, хотя человек и влияет как на потребление N₂, так и на поступление его в атмосферу, эти потоки в целом сбалансированы и не меняют его концентрацию в воздухе, в отличие от потоков СО₂. ?

Круговорот фосфора. Круговорот фосфора в биосфере свя­зан с процессами обмена веществ в растениях и животных. Этот важный и необходимый элемент протоплазмы, содержа­щийся в наземных растениях и водорослях (0,01÷0,1%) и у живот­ных (от 0,1 % до нескольких процентов), циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в фосфаты, которые сно­ва могут использоваться растениями (рис. ).

Однако фосфор в отличие от других биофильных элементов в процессе миграции не образует газовой формы. Резервуаром фос­фора является не атмосфера, как у азота, а минеральная часть литосферы.

Ресурсы неорганического фосфора обеспечиваются ископаемыми изверженных (апатиты) или осадочных пород (фосфориты). Из материнской породы неорганический фосфор вовлекается в цир­куляцию выщелачиванием и растворением в континентальных во­дах. Попадая в экосистемы суши, почву, фосфор поглощается рас­тениями из водного раствора в виде неорганического фосфат-иона (РО₄^3-) и включается в состав различных органических соедине­ний, где он выступает в форме органического фосфата. По пище­вым цепям фосфор переходит от растений к другим организмам экосистемы. Химически связанный фосфор попадает с остатками растений и животных в почву, где вновь подвергается воздействию микроорганизмов и превращается в минеральные ортофосфаты, а в дальнейшем происходит повторение цикла.

В водные экосистемы фосфор попадает благодаря поверхностному и грунтовому стоку. В пресных водоемах фосфаты вызывают бурный рост сине-зеленой растительности и деградацию водных экосистем. В соленых морских водах фосфор переходит в состав фитопланктона, слу­жащего пищей другим организмам моря, в последующем накап­ливаясь в тканях морских животных, например, рыб. Отмершие остатки организмов приводят к накоплению фосфора на разных глубинах. Отсюда следует, что фосфор, попа­дая в водоемы тем или иным путем, насыщает, а нередко и пере­насыщает их экосистемы.

Поэтому при рассмотрении круговорота фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период можно отметить, что он полнос­тью не замкнут. Механизм возвращения фосфора из океанов на сушу в естественных условиях совершенно не способен компенсировать его встречный поток. В связи с тем, что запасы фосфора на Земле малы (содержание не превышает 1% в земной коре), то любые воздействия человека на биогеохимический круго­ворот фосфора несут опасность потери фосфора, что делает его менее замкнутым. П. Дювиньо (1967) подчеркивал, что «положение однажды окажется весьма угрожающим… фос­фор — наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обес­печивает существование человека». А возрастающее антропогенное потребление фосфора существенно, если не угрожающе, усиливает опасную тенденцию быстрого истощения его запасов.

Круговорот серы. Существуют многочисленные газообраз­ные соединения серы, такие, как сероводород H₂S и сернистый ангидрид SO_2., но преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и воде.

Основной источник серы, доступный живым организмам, — сульфаты (SO₄^2-). Доступ неорганической серы в экосистеме об­легчает хорошая растворимость многих сульфатов в воде. Расте­ния, поглощая сульфаты, восстанавливают их и вырабатывают серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин, цистин), играющие важную роль в выработке протеинов.

В целом, по сравнению с азотом и фосфором сера реже является лимитирую­щим фактором для растений и животных. Вместе с тем круго­ворот серы относится к ключевым в общем процессе продук­ции и разложения биомассы. К примеру, при образовании в осадках сульфидов железа фосфор из нерастворимой формы переводится в растворимую и становится доступным для орга­низмов. Это подтверждение того, как один круговорот регули­руется другим.

Влияние антропогенной деятельности на вещественный баланс серы в биосфере незначительно и проявляется в основном в возникновении локальных опасностей, связанных с высокой токсичностью вырабатываемых серосодержащих веществ (газы, кислоты и соли).

12. Энергия в биосфере. Законы термодинамики и регуляторы энтропии в экосистемах. Потоки энергии в экосистеме

Потоки энергии в биосфере.

Энергия – источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами, а также одно из основных свойств материи – способность производить работу.

Все, что происходит внутри и вокруг нас, основано на работе, в процессе которой одни виды энергии переходят в другие согласно фундаментальным законам физики (термодинамики).

Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза, происходящего в зеленом листе, иллюстрирует действие двух законов термодинамики, которые справедливы и для любых других систем.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии – гласит: энергия не создается и не исчезает, она превращается из одной формы в другую.

Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: нельзя из ничего получить нечто. Однако на выходе из системы энергия преобразуется в иные формы.

Второй закон термодинамики утверждает: при любых превращениях энергия переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.

Действительно, солнечная энергия Q_солн, получаемая поверхностью зеленого листа, уравнивается рассеянной и концентрированной формами энергии в соответствии с первым законом термодинамики: Q_солн = q_расс + q_конц. Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованной зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (q_конц < Q_солн). Большая часть энергии превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему, и биосферу, в соответствии со вторым законом термодинамики (рис.) Пища, созданная в результате фотосинтезирующей деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы. Животные, поглощая пищу, также меньшую ее часть превращают в потенциальную химическую энергию синтезируемой ими протоплазмы, а большую часть переводят в теплоту, которая рассеивается в окружающем пространстве. Уровень рассеиваемой теплоты есть показатель энергетического беспорядка любых систем и данная неупорядоченность характеризуется энтропией – мерой количества связанной (рассеянной) потенциальной энергии, недоступной для использования. Однако, наряду с рассеянием в экосистемах происходит концентрация и качественное преобразование энергии в сторону ее более высокой эксергии, т.е. создаются структуры, обладающие низкой энтропией, что на первый взгляд противоречит второму закону термодинамики. Совместимость второго начала термодинамики со способностью живых систем создавать высокоорганизованные структуры и поддерживать в них порядок обосновал нобелевский лауреат И. Пригожин (1962, 1986, 1994). Он показал, что способность к самоорганизации может встречаться в системах, далеких от равновесных, но обладающих хорошо развитыми «диссипативными структурами» (рассеивающими структурами), откачивающими неупорядоченность. Упорядоченность природной экосистемы, т.е. структура биоценоза, поддерживается за счет дыхания всего сообщества организмов, которое постоянно «откачивает» из нее неупорядоченность, т.е. рассеивает лишнее тепло. Таким образом, биосфера, с уникальными функциями преобразования солнечной энергии в концентрированную энергию органических веществ в растениях и системой обратных связей является структурой энергетического упорядочивания. В противоположность этому, чем больше развита цивилизация, тем больше ее потребности в концентрированной энергии, запасаемой в природе. Три четверти энергии, потребляемой в современном мире, поступает от сжигания невозобновляемого ископаемого топлива: нефти, угля, природного газа. Следовательно, современная техносфера повышает энтропию окружающей среды, рассеивая упорядоченно концентрированную (в настоящем и прошлом) энергию. Итогом подобной «деятельности» может быть только разрушение биосферы и в гораздо больших масштабах, чем на любом предыдущем этапе человеческой истории.

13. Трофические цепи. Закон Линдемана и качество энергии, экологические пирамиды. Продуктивность экосистем. Техногенное влияние на энергопотребление в биосфере.

Потоки энергии в пищевых цепях. В естественных природных экосистемах не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, являются пищей для других организмов. Перенос энергии пищи в процессе питания (основной источник жизнедеятельности в экосистемах) от ее источника через последовательный ряд живых организмов называется пищевой, или трофической цепью.

Трофические цепи – это путь однонаправленного потока солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду, где неиспользованная часть ее рассеивается в виде низкотемпературной тепловой энергии.

Трофические цепи делятся на два основных типа: пастбищные и детритные (лат. detrytys – продукт распада).

Пастбищная цепь тянется от зеленых растений к консументам: растительноядным животным и затем к плотоядным животным (хищникам).

Детритная цепь начинается с мертвого органического вещества – детрита, который разрушается детритофагами ( лат. phagos – пожиратель), поедаемыми мелкими хищниками, и заканчивается работой редуцентов, минерализующих органические остатки.

Все организмы экосистем вовлечены в сложную сеть пищевых взаимоотношений. Пищевые цепи тесно переплетаются друг с другом, образуя пищевые, или трофические сети.

Организмы, получающие энергию Солнца через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню.

Так, зеленые растения – продуценты – занимают первый трофический уровень; травоядные животные – первичные консументы – второй; хищники – вторичные консументы – третий. Могут присутствовать хищники, поедающие первых хищников – третичные консументы, расположенные на четвертом уровне, и т.д. Но обычно наблюдается не более пяти уровней, так как на каждом уровне количество аккумулированной энергии резко падает (табл. ).

Данную особенность отражают экологические пирамиды, показывающие распределения количества энергии в пищевых цепях – на каждом предыдущем трофическом уровне количество энергии, аккумулированной в единицу времени, больше, чем на последующем. Они графически изображаются в виде поставленных друг на друга прямоугольников равной высоты, длина которых соответствует масштабам продукции на соответствующих трофических уровнях. Эта закономерность справедлива не только для энергии, но и для численности, и биомассы организмов.

На первом трофическом уровне в энергию пищи превращается лишь около 1% солнечного света. Вторичная продукция на каждом последующем трофическом уровне консументов составляет около 10% от предыдущей.

Эта закономерность носит название закона Линдемана, открытого им в 1942 г., или «правила 10%». Согласно этому закону в среднем только 10% от количества энергии, поступившей на трофический уровень, передается организмам, находящимся на последующем трофическом уровне. Так, количество энергии, которое доходит до третичных консументов, составляет около 10^-4 энергии, поглощенной продуцентами. Это объясняет ограниченное число звеньев в пищевой цепи – редко до пяти-шести.

Продуктивность экосистем - это скорость, с которой живые организмы экосистемы производят полезную химическую энергию, заключенную в их биомассе. Продуктивность рассчитывается как количество энергии, аккумулированной организмами за единицу времени на единице площади [для наземных экосистем) или в единице объема (для водных экосистем).

Продуктивность экосистем характеризует их способность концентрировать солнечную энергию в продукцию органических веществ (биомассу) растений и организмов. Различают следующие виды продукции:

Валовая первичная продукция - органическое вещество, которое синтезируется растениями в единицу времени на единице площади или объема, включая ту его часть, которая расходуется на дыхание растений.

Чистая первичная продукция - органическое вещество, накопленное в растительных тканях в единицу времени на единице площади или объема, за вычетом той части, которая израсходована на дыхание растений за то же время.

Население Земли составляет около 6,0 млрд человек, каждому требуется ежегодно почти 1 млн ккал пищи, т.е. человечеству необходимо только на питание 610¹⁵ ккал энергии. В мире ежегодно собирается около 7·10¹⁵ ккал первичного органического вещества, но из-за неравномерного распределения, потерь и низкого качества части урожая этого количества энергии оказывается недостаточно. Кроме того, человек использует первичную продукцию не только как пищу, но и в виде волокон (хлопок, лен), и в качестве топлива (древесина и др.). В некоторых странах деревья сжигают гораздо быстрее, чем они могут расти, и леса превращаются в пустыни.

Описание потоков энергии является фундаментом экологического анализа для прогнозирования выхода полезных для человека продуктов.

Первичная продукция агроценозов и природных сообществ - основной источник пищи для человечества. Важна и вторичная продукция, так как животные белки включают ряд незаменимых аминокислот, которых нет в растительной пище. Пользуясь расчетами продуктивности экосистем, можно регулировать в них круговорот веществ, добиваясь выхода выгодной для человека продукции. Но необходимо хорошо представлять допустимые пределы изъятия растительной и животной биомассы (до 50÷60%), чтобы не разрушить экосистемы.