Энергетика гидрологического цикла

Облака

Поверхностные

стоки

Озера

Реки

Болота

При испарении воды с поверхности океана или суши происходит значительное потребление солнечной энергии, затрачиваемой на при нагревание, высвобождение же ее при выпадении осадков завершает круговорот гидрологического воды цикла. Таким образом, энергия солнца, как основное движущее начало, осуществляет Большой круговорот веществ в биосфере на основе гидрологического цикла, используя воду как универсальный растворитель.

Малый биологический биотический круговорот веществ

БИОЛОГИЧЕСКИЙ или малый круговорот – это циркуляция химических элементов (веществ) по различными трофическим цепям: между растениями, животным миром, микроорганизмами и почвой.

Трофические цепи – это цепи питания, пищевые цепи ( трофус – питание).

Основа биологического круговорота – фотосинтез, т.е. превращение зелёными растениями, специальными микроорганизмами лучистой энергии солнца в энергию химических связей органических веществ.

ПЕРВИЧНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ

РАСТЕНИЯ

БАКТЕРИИ

ГРИБЫ

ВТОРИЧНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ

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 круговорота, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества затрачивается всего 1% падающей на Землю лучистой энергии.

Нобелевский лауреат А.Сент-Дьердьи писал: «Жизнью движет слабый непрекращающийся поток солнечного света»

Это поразительно, так как в малом круговороте веществ совершается огромная работа по созданию живого вещества. Чтобы жизнь не угасла , химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно.

Газовая оболочка Земли, атмосфера – результат работы малого или биологического круговорота веществ.

Для анализа некоторых результатов малого круговорота веществ:

- 145 млрд. тонн кислорода производится в год;

- 200 млрд. тонн углекислого газа усваивается.

Синтез органических веществ

Образование органических веществ на свету называется ФОТОСИНТЕЗОМ.

ФОТОСИНТЕЗ – необходимое связующее звено между живой и и неживой материей.

ФОТОСИНТЕЗ есть накопление части солнечной энергии солнца путем превращения ее в потенциальную энергию химических связей.

Значение ФОТОСИНТЕЗА не осознавалось долгие годы, например Аристотель и другие ученые древней Греции полагали, что растения добывают свою «пищу» из почвы. И только 350 лет назад голландский естествоиспытатель Ян Батист Ван Гельмонт ( 1579 – 1644) доказал на примере, что не одна почва кормит растения. Он вырастил дерево в глиняном горшке поливая его только водой и за 5 лет дерево увеличилось на 74, 4 кг, а масса почвы уменьшилась только на 57 грамм.

В конце XVIII века Джозеф Пристли открыл, что растения «исправляют» воздух. Свеча гасла под стеклянным колпаком, но когда туда помещали веточку мяты – продолжала гореть. Это позволило объяснить как воздух остается «чистым» несмотря на дыхание многих животных и горение фонарей.

На порогеXIX века голландский врач Ян Ингенхауз обнаружил, что воздух «исправляется» только на свету.

Затем было обнаружено, что в образующихся при фотосинтезе органических веществах соотношение углерода , водорода и кислорода таково, что на 1 атом углерода приходится как бы 1 молекула воды (СН₂О ), отсюда появилось название сахаров – «углеводы».

Простейший углевод – глюкоза имеет формулу:

( СН₂О)₆ или С₆ Н₁₂ О₆

Суммарное уравнение фотосинтеза стали записывать так:

Q _солн.

6 СО₂ + 6 Н₂О С₆ Н₁₂ О₆ + 6 О₂

Синтезированные фотосинтезом органические вещества углеводы( глюкоза, сахароза, крахмал и пр.) – являются главным источником энергии для большинства гетеротрофных организмов нашей планеты.

Разложение органических веществ.

Разложение органических веществ происходит в процессе метаболизма в живых клетках. ( греч. - metabol – изменение )

МЕТАБОЛИЗМ – это совокупность биохимических реакций и превращения энергии в клетках живых организмов, сопровождающихся обменом веществ между организмом и средой.

Сумма реакций, ведущих к распаду или деградации молекул и выделению энергии, называется КАТАБОЛИЗМОМ.

Сумма реакций, ведущих к образованию новых молекул и поглощением энергии, называется АНАБОЛИЗМОМ.

Превращение энергии в биохимических реакциях осуществляется путем переноса электронов с одного энергетического уровня на другой или от одного атома или молекулы – к другим. Вещество отдающее электроны называется ДОНОРОМ, а принимающее электроны -АКЦЕПТОРОМ.

Энергия органических веществ выделяется в метаболических процессах при ДЫХАНИИ организма.

ДЫХАНИЕ – это процесс в результате которого энергия, выделенная при распаде органических веществ, передается на универсальную энергонесущую молекулу аденозинтрифосфорной кислоты ( АТФ), где она хранится в виде высоко энергетических фосфатных связей.

Так например при разложении 1 моля глюкозвыделяется 686 ккал свободной энергии ( 1 ккал = 4,187х 10³ Дж.) Если бы эта энергия выделялась свободно и быстро, то это погубило бы клетку из-за резкого повышения температуры, и энергия бесполезно рассеялась бы в пространстве.

Сложные механизмы живых систем позволяют регулировать химические реакции, замедляя или ускоряя их ход.

В данном случае энергия как бы «консервируется» и хранится для постепенного выделения, расходования и питания клетки, по мере необходимости.

Теплота выделяемая при дыхании у большинства млекопитающих, птиц и других позвоночных позволяет поддерживать оптимальную температуру тела.

У растений скорость дыхания невелика и и выделяемая теплота обычно не накапливается.

ДЫХАНИЕ может происходить:

- в АЭРОБНЫХ ( в присутствии кислорода);

- в АНАЭРОБНЫХ ( бескислородных) условиях.

Д Ы Х А Н И Е

АЭРОБНОЕ

+ О₂ ОЩОО

АНАЭРОБНОЕ

- О₂

АЭРОБНОЕ дыхание процесс обратный ФОТОСИНТЕЗУ, акцептором служит кислород:

C₆ H₁₂ O₆ + 6 O₂ 6 CO₂ + 6 H₂ O + Q₁

где Q₁ = Q _пот.

В отсутствии кислорода процесс может происходить не до конца. Незавершенное дыхание образует в результате органические вещества, содержащие некоторое остаточное количество энергии. Которое может потом быть выделено из них другими организмами или при горении.

АНАЭРОБНОЕ дыхание, где акцептором электронов служит не кислород а другое вещество, например уксусная кислота:

C₆ H₁₂ O₆ + CH₃ COOH 4 CO₂ + 4 CH₄ + Q₂

Q₂ < Q_пот.

( образовавшийся метан содержит остаточную энергию)

БРОЖЕНИЕ – анаэробное дыхание где само вещество служит и донором и акцептором.

C₆ H₁₂ O₆ 2C₂ H₅ OH + 2CO₂ + Q₃

Q₃ < Q_пот.

( образовавшийся спирт содержит остаточную энергию)

При разложении органических веществ организмы получают необходимые химические элементы и энергию при преобразовании пищи внутри клеток их тела.

Процессы образования органических веществ и их распад еще называют процесса ПРОДУКЦИИ и ДЕСТРУКЦИИ.

Преобладание ПРОДУКЦИИ над ДЕСТРУКЦИЕЙ в БИОСФЕРЕ позволило накопить в атмосфере кислород, уменьшив содержание углекислого газа.

Именно отставание разложения органики от процессов синтеза, позволило накопить в недрах планеты горючие ископаемые, а в атмосфере кислород.

Соотношение СО₂ и О₂ в атмосфере характеризует и баланс автотрофных и гетеротрофных процессов в атмосфере.

Биогеохимические круговороты

Все абиотические и биотические планетарные циркуляции веществ тесно переплетены и образуют общий глобальный круговорот, перераспределяющий энергию солнца.

В отличие от энергии, которая, будучи использована организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в БИОСФЕРЕ.

Все химические элементы и их соединения участвуют в большом и малом круговоротах веществ, перемещаясь из неживой среды в живую и обратно, образуют БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ.

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ КРУГОВОРОТЫ элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующихся процессов, в которых участвуют.

Эти процессы являются безотходными.

В природе нет ничего бесполезного или вредного. На всех этапах эволюции БИОСФЕРЫ действует ЗАКОН ГЛОБАЛЬНОГО ЗАМЫКАНИЯ БИОГЕОХИМИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА В БИОСФЕРЕ.

Размыкание биогеохимических процессов экосистеме приводит к утере ее устойчивости.

В процессе эволюции биосферы биологический компонент играет всю большую роль в замкнутости биогеохимического круговорота, особую роль в этом играет человек.

Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ и в этом проявляется его геологическая сила, разрушительная по отношению к БИОСФЕРЕ на сегодняшний день.

Когда зарождалась БИОСФЕРА атмосфера состояла из вулканических газов содержащих углекислый газ и не содержащих кислород. Поскольку продукция организмов превосходит дыхание, то за геологический период времени ( 2-3 миллиарда лет) в атмосфере накопился кислород.

Сейчас количество углекислого газа в атмосфере возрастает, а кислорода уменьшается за счет деятельности человека - сжигания горючих ископаемых. При этом поглощение выделяемого углекислого газа сокращается за счет уменьшения «зеленого пояса». Последнее является результатом уменьшения количества самих зеленых растений, а также с тем, что пыль и загрязняющие частицы в атмосфере отражают значительную часть поступающей на Землю лучистой энергии Солнца.

Вопросы к главе 4

1. Какие процессы в биосфере обеспечивают непрерывный круговорот веществ в природе?

2. Чем служит вода в круговоротах веществ?

3. Расскажите об особенностях Гидрологического цикла.

4. Что является основной движущей силой круговоротов веществ в биосфере?

5. Что такое геограмм?

6. Расскажите о малом биологическом круговороте веществ в природе.

7. Изобразите графически схему малого круговорота веществ.

8. Напишите формулу синтеза органического вещества в процессе фотосинеза .

9. Каким образом синтезируется органика с помощью хемоавтотрофных бактерий ( напишите формулу)?

10. Дайте определение метаболизма. Катаболизма и анаболизма.

11. Какие виды дыхания вы знаете?

12. Какой тип дыхания является процессом обратным фотосинтезу (напишите формулу)?

13. Расскажите о анаэробном дыхании и напишите формулу.

14. Какие вещества образуются в результате неполного дыхания?

15. Напишите формулу брожения и расскажите к какому типу дыхания относится этот процесс?

16. Что такое геобиохимические циклы в экосистемах?

17. Поясните в чем суть глобального замыкания геобиохимических циклов.

18. Почему глобальное замыкание геобиохимических циклов -основа устойчивости биосферы?