Тема № 3 Кругооборот веществ, превращение энергии и информации в биосфере

§ 3.1 Основные положения

Биологические круговороты играют особую роль в биосфере. Перенос вещества и энергии осуществляется в основном по средствам трофических цепей. Из внешней среды химические элементы поступают в тела живых организмов, затем в них происходит превращение элементов в сложные соединения и возвращение их в процессе жизнедеятельности в почву, воду, атмосферу с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав биогеоценозов.

Процессы движения химических элементов, которые осуществляются с помощью живых организмов, называют биохимическими циклами. Ежегодно биохимические циклы приводят в движение приблизительно 480 млрд. т. вещества, исключительно биофильных элементов – углерод, азот, кислород, водород и др. Вследствие фотосинтеза, биосфера имеет огромный энергетический потенциал.

§ 3.2. Круговорот веществ

Круговорот веществ – это многократно повторяющийся процесс совместного, взаимосвязанного превращения и перемещения веществ в природе, который имеет более или менее циклический характер.

Круговорот веществ складывается из отдельных процессов круговорота химических элементов, воды, газов и других веществ. Эти процессы не полностью обратимы, так как происходит рассеивание вещества, изменение его состава, местная концентрация и деконцентрация.

Выделяют два основных круговорота:

• большой (геологический);

• малый (биотический).

Большой круговорот длится сотни тысяч или миллионов лет и основное направление имеет между сушей и водой.

Малый круговорот является частью большого и происходит на уровне биогеоценоза между растениями, животными и почвой. Выделяют в основном круговороты следующих веществ: углерод, азот, фосфор, кислород, сера и вода.

§ 3.2 Превращение энергии

Поток солнечной энергии – это самый главный источник энергии в биосфере, важнейший экологический фактор для фотосинтезирующих зеленых растений, определяющий продуцирование живой материи.

К оптическому излучению (т.е. свету) относят:

• инфракрасные излучения (ИК) (длина волны от 1 мм до 770 нм);

• видимый свет (длина волны 770-380 нм);

• ультрафиолетовое излучение (УФ) (длина волны 380 … 10 нм).

На верхней границе атмосферы энергетический состав оптического излучения таков: УФ – 11%, видимый свет – 32%, ИК – 57%.

До 20% солнечной энергии поглощается в верхних слоях атмосферы (водяными парами, пылевыми частицами), около 30% рассеивается в атмосфере или отражается облаками и поверхностью Земли, 50% достигает суши и поверхности океана и поглощается в форме теплоты. Но лишь всего 0,1-0,2% энергии, получаемой Землей от Солнца, улавливается зелеными растениями и обеспечивает весь биологический круговорот веществ в биосфере.

Объясняется это следующим образом. При прохождении атмосферы в результате процессов рассеивания, отражения и поглощения энергетический спектр оптического излучения меняется и вблизи поверхности Земли составляет:

• на долю УФ примерно 10% (в основном мягкое УФ с длинами волн более 300 нм);

• на ИК – 45%;

• видимый свет – 45%, т.е. фотосинтетически активная реакция (ФАР) составляет почти половину суммарной солнечной радиации, поступающей на Землю. Из всего спектра ФАР растения поглощают в основном красные и синие участки (22%), что составляет всего 0,2 ФАР. Поэтому КПД фотосинтеза примерно 0,1-1,6% и суммарно только 1% лучистой энергии, которая попадает на растения, превращается в потенциальную энергию химических связей органический соединений (пища). Более половины энергии, связанной при фотосинтезе расходуется на дыхание растений, а остальная поступает в пищевые цепи.

В обратный поток (от редуцентов к продуцентам и консументам) поступает не более 0,25% вовлеченной ФАР.

Вывод: энергия в биосфере, переходя из одного трофического уровня на другой, все время расходуется. Энергетические циклы очень слабы, и в биосфере преобладает однонаправленный поток энергии.