Работа № 1 Биотический круговорот веществ Теоретическая часть

Природные экосистемы (озера, реки, моря, леса и др.) – это единый комплекс, образованный живыми организмами (биотой) и неживыми (абиотическими) компонентами окружающей среды, в котором осуществляется биотический круговорот веществ – непрекращающийся процесс создания и разрушения органических веществ, обеспечивающий непрерывность жизни.

Для осуществления биотического круговорота веществ необходимы автотрофные и гетеротрофные организмы, биогенные элементы и солнечная энергия.

Биогенные элементы – это химические элементы, жизненно необходимые живым организмам и входящие в их состав. Они циркулируют, т.е. совершают круговорот (цикл) из абиотической окружающей среды через живые организмы обратно в окружающую среду. К биогенным элементам относятся такие макроэлементы как углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор, кальций, магний, натрий, калий, хлор, и микроэлементы – железо, медь, цинк, фтор и др.

Автотрофные организмы (продуценты) – это зеленые растения, которые синтезируют органические вещества из неорганических веществ окружающей среды с использованием солнечной энергии (Е_СОЛН) в процессе фотосинтеза:

Е_СОЛН

6СО₂ + 6Н₂О С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

неорганические вещества из окружающей среды

глюкоза – органи-ческое вещество, богатое энергией

Солнечная энергия, проходящая через экосистему, превращается зелеными растениями в другую форму энергии – энергию химических связей (Е_хим) органических соединений (сначала глюкозы, а затем многих других, синтезируемых на основе глюкозы).

Гетеротрофные организмы (консументы, детритофаги, редуценты) потребляют созданные растениями органические вещества и разрушают их до более простых органических и неорганических веществ в процессе клеточного дыхания, возвращая их вновь в окружающую среду. К консументам принадлежат все животные, включая человека. Различают консументов первого порядка, питающихся растительной пищей, а также второго, третьего и последующих порядков, питающихся животной пищей. Детритофаги (черви, личинки, моллюски и др.) и редуценты (грибы и бактерии) – это организмы, потребляющие детрит – мертвые растительные и животные остатки: опавшие листья, трупы животных, экскременты и т.д. В отличие от других гетеротрофов редуценты в ходе жизнедеятельности превращают органические остатки в неорганические вещества, снова используемые растениями, и тем самым замыкают биотический круговорот.

Клеточное дыхание – это процесс окисления созданных продуцентами органических веществ. В целом он противоположен фотосинтезу: в присутствии кислорода на уровне клетки происходит окисление глюкозы (и других органических веществ) с образованием углекислого газа и воды. При этом извлекается запасенная в химических связях этих веществ химическая энергия (Е_хим):

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ 6СО₂ + 6Н₂О + Е_хим

Химическая энергия (Е_хим) используется живыми организмами (и автотрофными, и гетеротрофными) для жизнедеятельности (совершения работы). Однако в соответствии со вторым законом термодинамики не вся Е_хим идет на совершение работы, часть ее превращается в тепловую форму (Е_тепл) и рассеивается в окружающей среде.

Таким образом, путь энергии в экосистеме однонаправлен (от Солнца через зеленые растения к гетеротрофам) и связан с неизбежными потерями в форме теплоты. Значительная часть органических веществ, созданных растениями и потребленных гетеротрофами, разрушается с выделением энергии, обеспечивающей функционирование организма, и лишь небольшая часть органического вещества используется растениями и другими организмами в качестве строительного материала для роста и обновления тканей.

Круговорот углерода осуществляется благодаря четко отлаженному в ходе эволюции механизму функционирования двух фундаментальных процессов – фотосинтеза и клеточного дыхания.

В ходе фотосинтеза атомы углерода, входящие в состав углекислого газа, содержащегося в воздухе и воде, включаются в состав глюкозы и других органических веществ, из которых построены все растительные ткани. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых организмов экосистемы. Однако шансы отдельно взятого атома углерода “побывать” в течение одного цикла в составе многих организмов крайне малы, так как при каждом переходе с одного трофического уровня на другой велика вероятность, что содержащая его органическая молекула будет окислена в процессе клеточного дыхания для получения энергии. При этом атомы углерода вновь поступают в окружающую среду в составе углекислого газа, завершив один цикл и приготовившись начать следующий. Аналогичным образом атомы углерода возвращаются в атмосферу в результате сжигания органики.

Важная особенность круговорота углерода состоит в том, что в далекие геологические эпохи (сотни миллионов лет назад) значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась гетеротрофами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в земле миллионы лет, этот детрит под действием высоких температуры и давления превращался в ископаемое топливо – нефть, природный газ и уголь. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения энергетических потребностей нашего индустриального общества, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Одновременно резко увеличивается концентрация углекислого газа в воздухе: его поступление туда существенно превышает поглощающие возможности современных растений. За последние десятилетия содержание СО₂ в атмосфере увеличилось на 10%. Это обстоятельство привело к серьезным климатическим изменениям. Избыточная концентрация CO₂ в атмосфере порождает так называемый парниковый эффект, так как углекислый газ задерживает тепловое излучение Земли, что способствует общему потеплению климата.