Круговорот веществ в биосфере: Круговорот веществ в биосфере – энергия, сущность и значение биологического круговорота

Рис 6.

X. Круговорот фосфора

Слайд 15

Рис.7

За последние 600 млн лет скорости и характер круговоротов приблизились к современным. Биосфера функционирует как гигантская слаженная экосистема, где организмы не только приспосабливаются к среде, но и сами создают и поддерживают на Земле условия, благоприятные для жизни.

XI. Запись вывода в тетради

1. Биосфера – энергетически открытая система

2. Накопление веществ в биосфере идёт за счёт растений, способных преобразовывать энергию солнечного света.

3. Круговорот веществ — необходимое условие существования жизни на Земле.

4. В процессе эволюции в биосфере установилось равновесие между организмами.

Вопросы для повторения:

1. Какие организмы биосферы участвуют в круговороте веществ?

2. От чего зависит количество биомассы в биосфере?

3. Какова роль фотосинтеза в круговороте веществ?

4. Какова роль круговорота углерода в биосфере?

5. Какие организмы принимают участие в круговороте азота?

Домашнее задание: выучить параграф 76, 77.

Опережающее изучение: подобрать материал об основных экологических проблемах современности.

Ресурсы.

1. Г.И. Лернер Общая биология: подготовка к ЕГЭ. Контрольные и самостоятельные работы – М.: Эксмо, 2007. – 240 с.
2. Е.А. Резчиков Экология: Учебное пособие. 2-е изд. испр. и доп. – М.: МГИУ, 2000 – 96 с.
3. Библиотека интернета: http://allbest.ru/nauch.htm
4. Сайт Экологии: http://www.anriintern.com/ecology/spisok.htm
5. Электронный журнал «Экология и жизнь».: http://www.ecolife.ru/index.shtml

«Круговороты веществ и превращение энергии в биосфере. Антропогенное влияние на круговороты веществ». Урок с использованием ИКТ

Задачи урока:

1. Познакомить учащихся с сущностью круговоротов веществ и превращения энергии в биосфере, с простейшими циклами миграции атомов и веществ.
2. Научить школьников использовать полученные знания о процессах, происходящих в биосфере, для обоснования мероприятий по охране природы.
3. Продолжить формирование у учащихся отрицательного отношения к деятельности человека, наносящей ущерб природной среде.

Ход урока

На доске эпиграф:

“Ах, эта среда обитания!
Все связаны между собой
Обменом, цепями питания,
Составом, структурой, судьбой”.

1. Актуализация знаний: учитель обращает внимание учащихся на эпиграф и организует фронтальную беседу о биосфере как среде обитания живых организмов, основных свойствах живого вещества, роли живых организмов в биосфере, функциях живого вещества в ней (содержание беседы зависит от пройденного в данной теме материала).

2. Изучение новой темы на основе обобщения материала (рассказ учителя):

Учитель: Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами. В природе существует теснейшая взаимосвязь между всеми живыми организмами: зелеными растениями, животными, бактериями, грибами. Эта взаимосвязь реализуется через потоки вещества и энергии и может быть представлена в виде схемы (учитель демонстрирует слайд №2 приложения 1).

Круговорот веществ в биосфере поддерживается постоянным потоком энергии. Единственный источник внешней энергии на Земле – это излучение Солнца. Энергия, проходящая через биосферу нашей планеты, образует именно поток, а не круговорот!

Каждый живой организм получает энергию Солнца в прямом или измененном виде, а затем выделяет ее в окружающую среду или передает другим живым организмам. В обобщенной схеме энергия проходит сквозь живую оболочку и выделяется в среду в уже “отработанном” виде, в виде тепла, которое не может быть вновь усвоено живыми организмами.

Основную роль потребителей солнечной энергии выполняют зеленые растения, которые способны непосредственно усваивать световую энергию Солнца.

Если для круговорота веществ достаточно того запаса вещества, который имеется в биосфере, то поток энергии требует непрерывного поступления энергии извне – наша биосфера – открытая система.

Чтобы нагляднее представить себе роль энергии и вещества в жизненных процессах, сравним их с колесом мельницы, которое вращается под напором падающей с плотины воды. Колесо крутится, оставаясь на месте, и символизирует собой запас вещества в биосфере: его столько же сегодня, сколько было вчера, и завтра, не убавится и не прибавится. Но чтобы колесо вертелось, необходим постоянный приток нового количества воды. Поток воды бежит мимо колеса, вращая его. Так и поток энергии “крутит” колесо жизни на нашей планете, и его движение дает стимул “вращательному” движению вещества в биосфере.

Вместе с круговоротом веществ в биосфере осуществляется и круговорот (миграция) атомов конкретных химических элементов. Они переходят из организма в организм, затем — в неживую природу и снова в организм (учитель демонстрирует слайд №3 приложения 1).

Главенствующую роль в этом процессе играет вся масса живых организмов Земли (учитель демонстрирует слайд №4 приложения 1).“Живое вещество, – писал В.И. Вернадский, – охватывает и перестраивает химические процессы биосферы. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени”.

Положение о круговороте атомов является одним из основных законов геохимии биосферы. Этот закон сводится к следующему: в сфере атомы участвуют в биологических круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду. ( Выделенные жирным шрифтом фразы ребята конспектируют).

В целом за определенный промежуток времени одно то же количество вещества биосферы совершает множество циклов. При этом различают два основных типа круговорота веществ: большой (геологический) и малый (биологический) (учитель демонстрирует слайд №6 приложения 1). Мы подробнее рассмотрим биологический круговорот наиболее типичных биофильных химических элементов.

3. Самостоятельная работа в группах.

Учитель предлагает классу разбиться на малые группы, каждая из которых получает задание для самостоятельной работы: в памяти компьютеров сохранена папка с файлами, содержащими список терминов (приложение 2) и заготовки схем круговоротов веществ (приложение 3, приложение 4) для задания (см. слайд №7 приложения 1).

C помощью программы Paint учащимся необходимо восстановить схемы круговоротов данных элементов, вписав необходимые термины из списка приложения 2, стрелками показать последовательность происходящих процессов и оформить получившиеся схемы рисунками.

Учитель знакомит учащихся с критериями оценки работы:

• Правильность выбора компонентов круговорота;
• Правильная последовательность происходящих процессов;
• Творческий подход к оформлению работы;

Учитель демонстрирует через проектор модели круговоротов азота и углерода с компакт-диска Открытая биология. Версия 2,5. При необходимости производится повтор демонстраций.

Правильность выполнения работ проверяется во время обсуждения, при сравнении полученных схем со слайдами презентации (учитель демонстрирует слайды № 8 и 9 приложения 1).

Затем учащиеся формируют новые группы, в ходе работы которых происходит взаимообмен полученной информацией.

4. Изучение нового на основе обобщения изученного ранее материала (беседа):

Учитель: Все процессы природы находятся в закономерной связи и развитии. Любое нарушение этих связей, разрыв их порождают негативные явления, с которыми сталкивается как отдельный человек, так и все общество в целом.

С появлением человечества возникло сложное взаимодействие общества и природы, одним из проявлений которого является сдвиг в биосфере в сторону возникновения особых биогеоценозов антропогенного характера.

С помощью проектора демонстрируется видеофрагмент, посвященный прерыванию круговоротов при сборе урожая в агроценозе – одной из причин неустойчивости этого сообщества. Учитель обращает внимание на то, что возврат биогенных элементов приходится компенсировать внесением минеральных или органических удобрений.

Изменения, которые ранее производил человек, сводились к тому, что он брал (часто хищнически) у биосферы средства к существованию, но возвращал то, что могло быть использовано другими организмами в цепях питания. Биологические круговороты тотчас же включали результаты деятельности человека в свои циклы.

В настоящее время в связи с ростом народонаселения и технической революцией воздействие человека на биосферу стало необычайно сильным, качественно отличным от прежнего. Е.Б.Новиком это воздействие названо антибиогенным комплексом.

С помощью проектора демонстрируется видеофрагмент, посвященный аварии на Чернобыльской АЭС.

Антропогенное воздействие явилось причиной колоссальных сдвигов в биосфере.

(Учитель демонстрирует слайд №10 приложения 1, глядя на схему, учащиеся дополняют её конкретными примерами. Возможны выступления ребят с подготовленными сообщениями, например о влиянии человека на круговорот углерода и т.п.).

Учитель: Назовите термины, которыми можно описать последствия негативного воздействия человека на глобальные биогенные круговороты.

Предполагаемые ответы: кислотные дожди, глобальное потепление, эвтрофикация водоемов и т.д.

5. Общие выводы урока (формулируются учащимися).

(Возможен вариант задания, который имеет смысл применить при недостатке времени – заполнение пропусков в тексте, который содержится в кейсе задания (приложение 5)):

1. Количество вещества, вовлекаемого в биосферные процессы, остается постоянным на протяжении целых геологических периодов.
2. В биосфере совершается многократный круговорот входящих в состав живых организмов веществ, атомов химических элементов и превращение энергии.
3. .В биосферу извне постоянно вливается поток солнечной энергии.
4. Биосферные круговороты возможны, так как живое вещество в биосфере постоянно выполняет следующие биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную.
5. В глобальном круговороте веществ непосредственное участие принимают зеленые растения, животные, грибы, бактерии.
6. Круговорот веществ и атомов химических элементов, превращение энергии осуществляются за счет таких процессов, как фотосинтез, дыхание, горение, брожение.
7. Влияние человека на процессы, протекающие в биосфере, все время возрастает, что требует регуляции его взаимоотношений с окружающей природой. Охрана природы – насущная потребность современности.

Учитель: (демонстрируя слайд № 11 приложения 1, под звучащую тревожную музыку).

Биосфера функционирует как гигантская хорошо отлаженная экосистема, где организмы не только приспосабливаются к среде, но и сами создают и поддерживают на Земле условия, благоприятные для жизни. Совершая гигантский биологический круговорот веществ в биосфере, жизнь поддерживает стабильные условия для своего существования и существования в ней человека. Это обязывает человека иначе, более разумно относится к своей деятельности в биосфере.

Домашнее задание:

1. Учебник А.А.Каменского “Биология. Введение в общую биологию и экологию” § 6.3, записи в тетради, ответы на вопросы в конце параграфа.
2. Мини-сочинение рассуждение (по желанию учащихся):?

Верите ли вы в то, что человечеству удастся сохранить биосферу для будущих поколений? Если “да”, то в каком виде она будет сохранена? Почему вы так думаете? Если “нет”, то почему и каковы перспективы будущего человечества?

Использованные материалы.

Литература:

1. Кулев А.В. Общая биология. 11 класс. Метод. пособие. – СПб.: Паритет, 2004.
2. Пепеляева О. А., Сунцова И.В. Поурочные разработки по общей биологии: 9 класс.- М.:ВАКО, 2006.
3. Пономарева И.Н. Экология – М.: Вентана-Графф, 2001.

Электронные носители:

1. Биология, химия, экология. Электронное учебное издание. ООО “Физикон” 2005,ООО “Дрофа” 2005.CD-ROM.
2. Открытая биология. Версия 2,5.Полный интерактивный курс биологии. “Физикон”. “Новый Диск”. CD-ROM.
3. 1С: Школа. Экология .10-11 классы. Учебное пособие. ЗАО “1С”, 2004 ООО “Дрофа”, 2004. CD-ROM.
4. Экология. Учебное электронное издание. МИЭМ,2004. CD-ROM.
5. Учитель биологии и экологии МОУ “Селковская СОШ” Сергиево-Посадского района Московской области Ерёмина Л.А.

углерода, азота, воды, кислорода, фосфора, серы

Содержание:

• 1 Понятие и краткое описание
• 2 Пищевая цепь, резервный и обменный фонд
• 3 Кислород
• 4 Азот
• 5 Углерод
• 6 Фосфор
• 7 Сера
• 8 Вода
• 9 Видео — Круговорот веществ в биосфере

Понятие и краткое описание

Круговорот веществ в биосфере – это «путешествие» определённых химических элементов по пищевой цепи живых организмов, благодаря энергии Солнца. В процессе «путешествия» некоторые элемент, по разным причинам, выпадают и остаются как правила, в земле. Их место занимают такие же, которые, обычно, попадают из атмосферы. Это максимально упрощенное описание того, что является гарантией жизни на планете Земля. Если такое путешествие почему-то прервется, то и существование всего живого прекратится.

Чтобы описать кратко круговорот веществ в биосфере необходимо поставить несколько отправных точек. Во-первых, из более чем девяноста химических элементов, известных и встречающихся в природе, для живых организмов, необходимо около сорока. Во-вторых, количество этих веществ ограничено. В-третьих, речь идет только о биосфере, то есть о жизнь содержащей оболочке земли, а, значит, о взаимодействиях между живыми организмами. В-четвертых, энергией, которая способствует круговороту, является энергия, поступающая от Солнца. Энергия, рождающаяся в недрах Земли в результате различных реакций, в рассматриваемом процессе участия не принимает. И последнее. Необходимо опередить точку отсчета этого «путешествия». Она условна, так как не может быть конца и начала у круга, но это необходимо для того, чтобы с чего-то начать описывать процесс. Начнем с самого нижнего звена трофической цепи – с редуцентов или могильщиков.

Ракообразные, черви, личинки, микроорганизмы, бактерии и прочие могильщики, потребляя кислород и используя энергию, перерабатывают неорганические химические элементы в органическую субстанцию, пригодную для питания живыми организмами и дальнейшего ее движения по пищевой цепи. Далее эти, уже органические вещества, едят консументы или потребители, к которым относятся не только животные, птицы, рыбы и тому подобное, но и растения. Последние являются продуцентами или производителями. Они, используя эти питательные вещества и энергию, вырабатывают кислород, который является основным элементом, пригодным для дыхания всего живого на планете. Консументы, продуценты и, даже редуценты погибают. Их останки, вместе с органическими веществами, находящимися в них, «падают» в распоряжение могильщиков.

И все повторяется вновь. Например, весь кислород, существующий в биосфере, делает свой оборот за 2000 лет, а углекислый газ за 300. Такой кругооборот принято называть биогеохимическим циклом.

Пищевая цепь, резервный и обменный фонд

Некоторые органические вещества в процессе своего «путешествия» вступают в реакции и взаимодействия с другими веществами. В результате образуются смеси, которые в том виде, в каком они есть, не могут быть переработаны редуцентами. Такие смеси остаются «храниться» в земле. Не все органические вещества, попадающие на «стол» могильщиков, не могут ими переработаться. Не все могут перегнить при помощи бактерий. Такие неперегнившие остатки попадают на хранение. Все, что остается на хранении или в резерве, выбывает из процесса и в круговорот веществ в биосфере не входят.

Таким образом, в биосфере круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов, можно разделить на две составляющие. Одна – резервный фонд – это часть вещества, которая не связана с деятельностью живых организмов и до времени в обороте не участвует. И вторая – это оборотный фонд. Он представляет собой лишь небольшую часть вещества, которая активно используется живыми организмами.

Атомы каких основных химических элементов столь необходимы для жизни на Земле? Это: кислород, углерод, азот, фосфор и некоторые другие. Из соединений, основным в кругообороте, можно назвать воду.

Кислород

Круговорот кислорода в биосфере следует начать с процесса фотосинтеза, в результате которого миллиарды лет назад он и появился. Он выделяется растениями из молекул воды под воздействием солнечной энергии. Кислород образуется также в верхних слоях атмосферы в ходе химических реакций в парах воды, где химические соединения разлагаются под воздействие электромагнитного излучения. Но это незначительный источник кислорода. Основным является фотосинтез. Кислород содержится и в воде. Хотя его там, в 21 раз меньше, чем в атмосфере.

Образовавшийся кислород используется живыми организмами для дыхания. Он также является окислителем для различных минеральных солей.

И человек является потребителем кислорода. Но с началом научно-технической революции, это потребление многократно возросло, так как кислород сжигается или связывается при работе многочисленных промышленных производств, транспорта, для удовлетворения бытовых и иных нужд в ходе жизнедеятельности людей. Существовавший до этого так называемый обменный фонд кислорода в атмосфере в размере 5% общего его объема, то есть вырабатывалось в процессе фотосинтеза столько кислорода, сколько его потреблялось. То теперь этого объема становиться катастрофически мало. Происходит потребление кислорода, так сказать, из неприкосновенного запаса. Оттуда, куда его уже некому добавить.

Незначительно смягчает эту проблему, что некоторая часть органических отходов не перерабатывается и не попадает под воздействие гнилостных бактерий, а остается в осадочных породах, образуя торф, уголь и тому подобные ископаемые.

Если результатом фотосинтеза является кислород, то его сырьем – углерод.

Азот

Круговорот азота в биосфере связан с образованием таких важнейших органических соединений, как: белки, нуклеиновые кислоты, липопротеиды, АТФ, хлорофилл и другие. Азот, в молекулярной форме, содержится в атмосфере. Вместе с живыми организмами — это всего около 2% всего, имеющего на Земле азота. В таком виде он может употребляться только бактериями и сине-зелёными водорослями. Для остального растительного мира в молекулярной форме азот не может служить питанием, а может перерабатываться лишь в виде неорганических соединений. Некоторые виды таких соединений образуются во время гроз и с дождевыми осадками попадают в воду и почву.

Самыми активными «переработчиками» азота или азотофиксаторами являются клубеньковые бактерии. Они поселяются в клетках корней бобовых и преобразовывают молекулярный азот в его соединения, пригодные для растений. После их отмирания, азотом обогащается и почва.

Гнилостные бактерии расщепляют азотосодержащие органические соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, а другая иными видами бактерий окисляется до нитритов и нитратов. Те, в свою очередь, поступают в качестве питания для растений и нитрифицирующими бактериями восстанавливаются до оксидов и молекулярного азота. Которые вновь попадают в атмосферу.

Таким образом, видно, что основную роль в кругообороте азота, играют различные виды бактерий. И если уничтожить хотя бы 20 таких видов, то жизнь на планете прекратится.

И опять установленный кругооборот был разорван человеком. Он для целей увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, стал активно применять азотосодержащие удобрения.

Содержание азота в различных веществах сопоставляют с содержанием там углерода. Оборотные циклы этих двух элементов крепко связаны.

Углерод

Круговорот углерода в биосфере неразрывно связан с кругооборотом кислорода и азота.

В биосфере схема круговорота углерода базируется на жизнедеятельности зеленых растений и их способности к превращению углекислого газа в кислород, то есть фотосинтезе.

Углерод взаимодействует с другими элементами различными способами и входит в состав практически всех классов органических соединений. Например, он входит в состав углекислого газа, метана. Он растворен в воде, где его содержание значительно больше чем в атмосфере.

Хотя по распространённости углерод не входит в десятку, но в живых организмах он составляет от 18 до 45% сухой массы.

Мировой океан служит регулятором содержания углекислого газа. Как только его доля в воздухе повышается, вода выравнивает положения, поглощая углекислый газ. Еще одним потребителем углерода в океане являются морские организмы, которые используют его для строительства раковин.

Круговорот углерода в биосфере основывается на наличии в атмосфере и гидросфере углекислого газа, который является своеобразным обменным фондом. Пополняется он за счет дыхания живых организмов. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, принимающие участие в процессе разложения органических остатков в почве, также участвуют в пополнении углекислым газом атмосферы.Углерод «консервируется» в минерализованных неперегнивших органических остатках. В каменном и буром угле, торфе, горючих сланцах и тому подобных отложениях. Но основным резервным фондом углерода являются известняки и доломиты. Содержащийся в них углерод «надежно спрятан» в глубине планеты и высвобождается лишь при тектонических сдвигах и выбросах вулканических газов при извержениях.

Благодаря тому, что процесс дыхания с выделение углерода и процесс фотосинтеза с его поглощением проходит через живые организмы очень быстро, в кругообороте участвует лишь незначительная доля всего углерода планеты. Если бы этот процесс был невзаимным, то растения только суши использовали весь углерод всего в течение 4-5 лет.

В настоящее время, благодаря деятельности человека, растительный мир не имеет недостатка с углекислым газом. Он пополняется сразу и одновременно из двух источников. Путем сжигания кислорода при работе промышленности производств и транспорта, а также в связи с использованием для работы этих видов человеческой деятельности тех «консервов» — угля, торфа, сланцев и так далее. Отчего содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25%.

Фосфор

Круговорот фосфора в биосфере неразрывно связан с синтезом таких органических веществ, как: АТФ, ДНК, РНК и другие.

В почве и воде содержание фосфора очень мало. Основные его запасы в горных породах, образовавшихся в далеком прошлом. С выветриванием этих пород начинается кругооборот фосфора.

Растениями фосфор усваивается лишь в виде ионов ортофосфорной кислоты. В основном это продукт переработки могильщиками органических остатков. Но если почвы имеют повышенный щелочной или кислотный фактор, то фосфаты практически в них не растворяются.

Фосфор является прекрасным питательным веществом для различного вида бактерий. Особенно сине-зеленой водоросли, которая при увеличенном содержании фосфора бурно развивается.

Тем не менее большая часть фосфора уносится с речными и другими водами в океан. Там он активно поедается фитопланктоном, а с ним морским птицам и другим видам животных. Впоследствии фосфор попадает на океаническое дно и формирует осадочные породы. То есть возвращается в землю, лишь под слоем морской воды.

Как видно кругооборот фосфора специфичен. Его трудно и назвать кругооборотом, так как он не замкнут.

Сера

В биосфере круговорот серы необходим для образования аминокислот. Он создает трехмерную структуру белков. В нем участвуют бактерии и организмы, потребляющие кислород для синтеза энергии. Они окисляют серу до сульфатов, а одноклеточные доядерные живые организмы, восстанавливают сульфаты до сероводорода. Кроме них, целые группы серобактерий, окисляют сероводород до серы и далее до сульфатов. Растения могут потреблять из почвы лишь ион серы — SO^2-_4. Таким образом, одни микроорганизмы являются окислителями, а другие восстановителями.

Местами накопления серы и ее производных в биосфере является океан и атмосфера. В атмосферу сера поступает с выделением сероводорода из воды. Кроме того, сера попадает в атмосферу в виде диоксида при сжигании на производствах и в бытовых нуждах горючего ископаемого топлива. В первую очередь угля. Там она окисляется и, превращаясь в серную кислоту в дождевой воде, с ней же выпадает на землю. Кислотные дожди сами по себе наносят существенный вред всему растительному и животному миру, а кроме этого, с ливневыми и талыми водами, попадают в реки. Реки несут ионы сульфатов серы в океан.

Содержится сера также в горных породах в виде сульфидов, в газообразном виде — сероводород и сернистый газ. На дне морей имеются залежи самородной серы. Но это все «резерв».

Вода

В биосфере нет более распространенного вещества. Его запасы в основном в солено-горьком виде вод морей и океанов – это около 97%. Остальное пресные воды, ледники и подземные и грунтовые воды.

Круговорот воды в биосфере условно начинается с ее испарения с поверхности водоемов и листьев растений и составляет примерно 500 000 куб. км. Обратно она возвращается в виде осадков, которые попадают либо непосредственно обратно в водоемы, либо, пройдя через почву и подземные воды.

Роль воды в биосфере и истории ее эволюции такова, что вся жизнь с момента своего появления, была полностью зависима от воды. В биосфере вода многократно через живые организмы прошла циклы разложения и рождения.

Кругооборот воды имеет под собой в большей степени физический процесс. Однако, животный и, особенно, растительный мир принимает в этом немаловажное участие. Испарения воды с поверхностных участков листьев деревьев таков, что, например, гектар леса испаряет в сутки до 50 тонн воды.

Если испарение воды с поверхностей водоемов естественно для ее кругооборота, то для континентов с их лесными зонами, такой процесс – единственный и главный способ его сохранения. Здесь кругооборот идет как бы в замкнутом цикле. Осадки образуются из испарений с поверхностей почвы и растений.

В процессе фотосинтеза растения используют водород, содержащийся в молекуле воды, для создания нового органического соединения и выделения кислорода. И, наоборот, в процессе дыхания, живые организмы, происходит процесс окисления и вода образуется снова.

Описывая кругооборот различный видов химических веществ, мы сталкиваемся с более активным влиянием человека на эти процессы. В настоящее время природа, за счет многомиллиардной истории своего выживания, справляется с регулированием и восстановлением нарушенных балансов. Но первые симптомы «болезни» уже есть. И это «парниковый эффект». Когда две энергии: солнечная и отраженная Землей, не защищают живые организмы, а, наоборот, усиливают одна другую. В результате чего повышается температура окружающей среды. Какие последствия такого повышения могут быть, кроме ускоренного таяния ледников, испарения воды с поверхностей океана, суши и растений?

Видео — Круговорот веществ в биосфере

И всё-таки он вертится!..

Круговорот веществ на Земле – это повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе. Общий круговорот веществ складывается из нескольких процессов, в том числе круговорота азота, углерода, кислорода, воды.

Перед человечеством может возникнуть проблема создания искусственной биосферы. Какие сложности могут возникнуть на этом пути? Возможно ли создать среду обитания, которая могла бы полноценно заменить человеку земную биосферу?

Предлагаем вашему вниманию методические материалы классного часа «И всё-таки он вертится…!», на котором обсуждаются эти вопросы.

Авторы: С. В. Наседкина, В. Е. Никитин.

Рекомендации по работе с презентацией тематического занятия (классного часа) «И всё-таки он вертится!..»

Вариант проведения занятия [PDF] [DOCX]

Презентация [PDF] [PPTX]

Цель: формирование целостного мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки и общественной практики.

Задачи:

• формирование умений устанавливать связи между реально наблюдаемыми явлениями и процессами на примере круговоротов азота, углерода, кислорода, фосфора и воды;
• формирование представлений о значении химической науки в решении современных экологических проблем;
• развитие коммуникативной и информационной компетенции учеников.

В зависимости от возраста и уровня подготовки обучающихся учитель выбирает вариант подбора материалов для классного часа. Для работы в группах обучающиеся могут использовать компьютеры или планшеты с выходом в Интернет.

Вопросы:

1. Что такое круговорот веществ в природе?

2. Является ли круговорот веществ в природе необходимым условием существования жизни на Земле?

В начале 90-х годов прошлого столетия мир стал свидетелем научного эксперимента под названием «Биосфера-2». Цифра 2 в названии призвана была подчеркнуть, что «Биосферой-1» является Земля.

Главной задачей «Биосферы-2» было выяснить, сможет ли человек жить и работать в замкнутой среде. В отдалённом будущем такие системы могут быть полезны и как автономные поселения в космосе, и в случае крайнего ухудшения условий жизни на Земле. Эксперимент был проведён в два этапа: первый — с 26 сентября 1991 года по 26 сентября 1993 года и второй — с 6 марта по 6 сентября 1994 года.

Восемь человек (четыре женщины и четверо мужчин) пробыли в «Биосфере-2» около двух лет, поддерживая связь с внешним миром только через компьютер. Вместе с ними туда же были доставлены 3000 видов растений и животных.

Внутреннее пространство «Биосферы-2» было разделено на 7 блоков, среди которых — тропический лес, миниатюрный океан с необычным химическим составом, пустыня, саванна и мангровый эстуарий. Гигантские «лёгкие» регулировали внутреннее давление таким образом, чтобы оно соответствовало наружному — это сводит к минимуму утечки воздуха.

Примерно через неделю эксперимента появились странные и неприятные новости. Ежедневные измерения состояния воздуха показали, что проектировщики купола ошиблись в расчётах. В атмосфере постепенно сокращалось количество кислорода и увеличивалось количество углекислого газа. С этого дня райская жизнь бионавтов закончилась, началась напряжённая борьба за воздух, которым они дышали.

Вопрос: Какие способы увеличения количества кислорода вы можете предложить?

Во-первых, было решено интенсивнее наращивать зелёную биомассу. Всё свободное время бионавты посвящали посадкам и уходу за растениями.

Вопрос: Какие способы уменьшения количества углекислого газа вы можете предложить?

Во-вторых, они запустили на полную мощность резервный поглотитель углекислого газа.

В-третьих, неожиданным помощником стал океан, где оседало некоторое количество CO₂, превращаясь в угольную кислоту. При этом кислотность океана от этого постоянно росла. Воздух под куполом становился всё более разреженным.

26 сентября 1993 года, когда шлюз был торжественно разгерметизирован и люди вышли наружу, по их лицам можно было понять, что эксперимент провалился. Биосфера оказалась непригодной для жизни.

Вопросы:

1. Почему эксперимент не принёс ожидаемых результатов?

2. Как решить проблему питания человека в искусственной биосфере?

3. Предложите решение проблемы сохранения неизменного состава воздуха. 

Как вы считаете, какие химические элементы участвуют в круговороте веществ?

1. Азот.

2. Кислород.

3. Фосфор.

4. Углерод.

Вопрос: О каких химических элементах идёт речь?

Работа со схемой «Круговорот воды»

Прокомментируйте схему круговорота воды в природе.

Вода — необходимое вещество в составе любых живых организмов. Так же как и биогенные элементы, вода в биосфере находится в процессе постоянной циркуляции. Круговорот воды происходит по следующей схеме.

Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана, переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока.

«В этом мире случайностей не бывает. На всё есть причина, всему есть следствие. Любая, даже самая незначительная перемена вызывает цепную реакцию живого вещества. Живое вещество, состоящее из химических элементов, является движущей силой круговорота веществ на нашей планете» В. И. Вернадский

Вопрос: Что вы знаете о В. И. Вернадском?

Естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель. Основоположник комплекса современных наук о Земле — геохимии, биогеохимии, радиогеологии, гидрогеологии и др. Создатель многих научных школ. Академик АН СССР (1925; академик Петербургской АН с 1912; академик Российской АН с 1917). Создатель теоретических основ учения о биосфере.

Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих растений, так и других организмов (как правило, животных), которые поедают их. Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки.

Вследствие непрерывного круговорота веществ в биосфере атомы основных химических элементов регулярно мигрируют из одного живого организма в другой, а также из организмов растений и животных — в атмосферу, почвенный покров литосферы, гидросферу и в обратном направлении. Данные процессы происходят бесчисленное множество раз. Так, установлено, что весь запас кислорода атмосферы проходит через живое вещество за два тысячелетия, а весь углекислый газ — за два-три столетия.

Замкнутые круги постоянной циркуляции химических элементов в биосфере называются биогеохимическими циклами. Значение такой циркуляции состоит в том, что запасы минеральных веществ на Земле ограничены. Для обеспечения бесконечности жизни химические элементы совершают круговорот в биосфере. Круговорот каждого конкретно взятого химического элемента находится в тесной взаимосвязи с циркуляциями других элементов.

Так же как и все процессы, осуществляющиеся в природе, круговорот веществ требует определённых энергетических затрат. Приток энергии обеспечивается за счёт солнечной радиации. Именно солнечная энергия лежит в основе биогенного круговорота веществ. В различных звеньях пищевых цепочек количество связанной в органических веществах энергии уменьшается в связи с её расходованием при отдаче тепла в окружающее пространство и при осуществлении процессов жизнедеятельности в живых организмах. Так, в биосфере поток энергии преобразуется и перемещается.

Биосфера может быть устойчивой целостной системой при условии непрерывного круговорота веществ и постоянного притока энергии Солнца.

Обсуждение проблемных вопросов

1. Возможно ли создание искусственной биосферы и сможет ли человек жить и работать в ней?

2. Какова дальнейшая судьба «Биосферы-2»?

«И всё-таки он вертится!..»

Биосфера может быть устойчивой целостной системой при условии непрерывного круговорота веществ и постоянного притока энергии Солнца.

Итоговое задание:

составьте коллаж с использованием ИКТ-технологий «Круговорот веществ в природе».

Круговорот веществ в биосфере

Биосферный и биологический круговороты

Все вещества на нашей планете находятся в состоянии постоянного круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ: один, большой, охватывающий всю биосферу, называется биосферным, а другой — малый — протекает внутри экосистемы и называется биологическим.

Биосферному круговороту веществ предшествует геологический, который обусловливает разрушение, миграцию и аккумуляцию химических соединений и веществ. В такой миграции ведущая роль принадлежит солнечной энергии, от которой зависят скорость и масштабность развития экзогенных процессов. В них главенствующая роль принадлежит гравитационным и особенно термическим свойствам поверхности суши и водной оболочки, которые поглощают и отражают солнечные лучи, обладают теплопроводностью и теплоемкостью. Неустойчивый гидротермический режим Земли вместе с планетарной системой циркуляции атмосферы обусловил геологический круговорот веществ, который вместе с эндогенными процессами — спредингом, субдукцией, вулканизмом, тектоническими движениями — вызывает формирование и развитие океанов и континентов. Продукты выветривания транспортируются воздушными массами и водными потоками. С появлением биосферы в большой круговорот веществ включились продукты жизнедеятельности организмов, и, таким образом, геологический круговорот приобрел совершенно новые черты. Он становится поставщиком живым организмам питательных веществ, во многом определяет условия их существования и при этом наряду с механической и химической дифференциацией и аккумуляцией вещества стала осуществляться биологическая дезинтеграция и биологическая аккумуляция вещества.

Большой круговорот веществ в биосфере характеризуется двумя важными особенностями. Во-первых, он осуществляется на протяжении всей истории существования биосферы, т. е. начиная по крайней мере с 3,8—4,0 млрд. лет назад. Во-вторых, он представляет собой современный планетарный процесс, играющий важную роль в дальнейшем существовании и развитии биосферы.

Перемещающееся в геологическом круговороте неорганическое вещество является своеобразным резервным фондом для биологической ветви биосферного круговорота. Этот резервный фонд сосредоточен в атмосфере в виде газов и термодинамически активных веществ, в воде — в виде растворенных химических элементов и их соединений, в литосфере — в виде минеральных и органоминеральных веществ, часть из которых находится в верхних горизонтах и почвах. С атмосферой и гидросферой связан в основном транзитный цикл круговорота, а с литосферой и частично с гидросферой — аккумулятивный, или осадочный.

Малый, или биологический, круговорот веществ развивается на фоне геологического, охватывающего всю биосферу. Хотя он происходит внутри отдельных экосистем, он не замкнут, а это вызвано тем, что в экосистему вещество и энергия поступают извне.

Растения, животные и почвенный покров на суше образуют сложную глобальную систему, которая формирует биомассу, связывает и перераспределяет солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, азот, фосфор, серу, кальций и другие элементы, участвующие в жизнедеятельности организмов, которые называются биогенными элементами. Растения, животные и микроорганизмы водной среды, которые выполняют ту же функцию связывания и перераспределения солнечной энергии и биологического круговорота веществ, образуют другую глобальную систему.

Особенность биологического круговорота заключается в течении трех противоположных, но взаимосвязанных процессов: формирование органического вещества, его разрушение и перераспределение. Начальный этап возникновения органического вещества обусловлен жизнедеятельностью продуцентов и связан с фотосинтезом растений, т. е. с образованием органического вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных веществ с использованием солнечной энергии. Растения извлекают из почвы в растворенном виде серу, фосфор, кальций, калий, магний, марганец, кремний, алюминий, медь, цинк и другие жизненно необходимые элементы и микроэлементы. Консументы первого порядка, т. е. растительноядные животные, поглощают созданное органическое вещество и вместе с пищей растительного происхождения усваивают необходимые для жизнедеятельности биогенные элементы. Консументы второго порядка — хищники— питаются растительноядными животными и таким образом употребляют в пищу органические вещества более сложного состава, включая белки, жиры, аминокислоты, а вместе с ними также необходимые для последующей жизнедеятельности микроэлементы.

В процессе разрушения микроорганизмами органического вещества растительного или животного происхождения в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения растениями. Таким образом, начинается новый цикл биологического круговорота.

В отличие от большого малый круговорот имеет несомненно меньшую, но неодинаковую продолжительность. Различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты. При рассмотрении биологического круговорота веществ основное внимание уделяют годовому ритму, определяемому годичной динамикой развития растительного покрова.

Обмен веществом и энергией, осуществляющийся между различными структурными частями биосферы и определяющийся жизнедеятельностью микроорганизмов, называется биогеохимическим циклом. Это понятие ввел в мировую науку В. И. Вернадский, и только после этого перестало существовать представление о круговороте веществ как о замкнутой системе. Все биогеохимические циклы составляют современную динамическую основу существования жизни. Они взаимосвязаны между собой, и в то же время каждый из них играет свою неповторимую роль в эволюции биосферы.

Отдельные циклические процессы вместе с тем не являются полностью обратимыми. Одна часть элементов и соединений в процессе миграции и превращения рассеивается или связывается в новых системах и, следовательно, выпадает из круговорота. Другая часть веществ способна возвратиться в круговорот, но довольно часто он приобретает новые качества, и при этом изменяется количественный состав веществ, участвующих в круговороте. Часть веществ вследствие геологических процессов, в частности субдукции, может извлекаться из круговорота и, перемещаясь в нижние горизонты литосферы, видоизменяться, а часть, в основном в газообразном состоянии, — удаляться из атмосферы в космическое пространство.

Продолжительность круговоротов тех или иных веществ в разных системах чрезвычайно различна. Установлено, что полный оборот углекислого газа в атмосфере через фотосинтез составляет около 300 лет, кислорода атмосферы и тоже через фотосинтез — 2000-2500 лет, азота атмосферы через биологическую фиксацию и фотохимическим путем — примерно 100 млн. лет, а воды через испарение — около 1 млн. лет.

В биосферном и биологическом круговоротах участвует огромное количество химических элементов и соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы, азота и фосфора. Оксиды первых трех являются главными загрязнителями атмосферы, а фосфаты — загрязнителями водных бассейнов. Большое значение имеет знание круговоротов ряда токсичных элементов и, в частности, ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина, который выступает как загрязнитель почвы и атмосферы). В круговороты вовлекаются многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.), которые наносят вред биоте и здоровью человека.

Круговорот углерода

Этот круговорот — один из важнейших круговоротов веществ в биосфере. Изменения глобального масштаба круговорота углерода, вызванные антропогенной деятельностью, приводят к неблагоприятным для биосферы последствиям. С процессом круговорота углерода напрямую связаны содержание кислорода в атмосфере и его круговорот в биосфере, изменения климата и погодных условий на земной поверхности и т. д.

Углерод участвует в большом и малом круговоротах вещества. Его соединения в биосфере постоянно возникают, испытывают превращения и разлагаются. Основной путь миграции углерода — от углекислого газа в атмосфере в живое вещество и из живого вещества в атмосферную углекислоту. При этом часть углерода выходит из круговорота, растворяясь в гидросфере и осаждаясь в форме карбонатных пород, а часть остается в почве.

В биологическом круговороте углерода выделяют три стадии. На первой стадии зеленые растения поглощают углекислый газ из воздуха, создают органическое вещество, главной составной частью которого является углерод. В дальнейшем животные, питаясь растениями, из содержащихся в органическом веществе соединений, в том числе соединений углерода, продуцируют другие соединения. На конечной стадии после отмирания организмов растительного или животного происхождения их мертвые ткани разрушаются микроорганизмами, которые освобождают углерод. Он снова попадает в атмосферу в форме углекислого газа. Кроме того, источником углерода является углекислый газ, поступающий в атмосферу при дыхании растений в темное время суток, выделяемый при дыхании животных и человека, а также поступающий в атмосферу в результате вулканических извержений и при выветривании горных пород, содержащих углерод в связанном виде.

Часть углерода накапливается в виде омертвевших органических веществ и там, где отсутствуют условия для их разложения, т. е. в восстановительных условиях. В этом случае органический углерод переходит в ископаемое состояние и накапливается в виде торфа, нефти и газа и в дальнейшем перерабатывается в каменный уголь и горючие сланцы, а при метаморфизме переходит в графит.

Рассматривая глобальное преобразование органического углерода и интенсивное его захоронение в болотах, пойменно-старичных условиях, лагунах, манграх, морских бассейнах и пресноводных водоемах, надо признать, что данный процесс осуществлялся на Земле в период всей биологической эволюции биосферы, причем этот процесс в течение длительного геологического времени протекал с большой интенсивностью, но с различной скоростью. В геологическом прошлом, когда существовала ландшафтно-климатическая обстановка, благоприятствующая развитию растительного покрова, а в атмосфере концентрация углекислого газа почти на порядок превышала современную, избыток органического углерода захоронялся в недрах Земли, образовав месторождения полезных ископаемых. Общая масса углерода, которая захоронена в форме горючих полезных ископаемых, оценивается более чем в 100 000 трлн. т.

Современная растительность, включая водоросли, ежегодно продуцирует около 1,5 трлн. Т. углерода. Согласно расчетам М. И. Будыко, весь запас углекислого газа в атмосфере, если бы он не возобновлялся, был бы исчерпан растениями за восемь лет.

Кроме биосферы углекислый газ продуцируется косными системами, в частности вулканическими извержениями. Весьма существенным источником и потребителем углекислоты выступают водные массы гидросферы. Углекислый газ представлен в ней в виде разбавленных растворов угольной кислоты и главным образом в форме гидрокарбонатов металлов. Существует глобальный обмен между атмосферой и гидросферой не только энергией, но и веществом в форме газов. Повышение концентрации и парциального давления СO₂ в атмосфере, региональное или сезонное охлаждение вод — все это сопровождается немедленным увеличением концентрации углекислого газа в воде и растворов гидрокарбоната кальция. Необходимые количества углекислоты изымаются из атмосферы.

Известно, что многие гидробионты, поглощая углекислый кальций, строят свои скелеты, а после смерти формируют донные известковые отложения, в дальнейшем преобразуемые в процессе литогенеза в толщи органогенных известняков. Осаждаясь, карбонат кальция связывает часть углекислого газа в форме известковых осадков на дне Мирового океана и пресноводных водоемов, но при этом часть углекислоты вновь возвращается в атмосферу.

Между атмосферным углекислым газом и углекислым газом, растворенным в Мировом океане, существует равновесие. Уменьшение углекислого газа в атмосфере неизбежно вызывает дегазацию вод океана и приводит к поступлению углекислого газа в атмосферу. В качестве нарушителя равновесного процесса нередко выступает температурный фактор.

Постоянно действующим фактором поглощения углекислого газа из атмосферы, а также газов, растворенных в водной среде, выступает фотосинтез в гидросфере. Причем этот процесс протекает с соответствующим освобождением кислорода.

Таким образом, Мировой океан и атмосфера представляют собой единую систему, которая регулирует взаимное распределение диоксида углерода. Ряд исследователей считают, что в современную эпоху, несмотря на повышение концентрации углекислого газа в атмосфере, Мировой океан продолжает эффективно выполнять функцию захвата и связывания избыточного количества углекислого газа, переводя его в растворимые бикарбонаты и осаждая в виде карбоната кальция, а также путем образования биомассы живого вещества с карбонатным скелетом.

Круговорот углерода продолжает контролировать содержание кислорода в атмосфере. При этом общую массу кислорода М. И. Будыко и А. Б. Ронов оценивают в 1,2*10⁶ млрд. т. Общепланетарный расход кислорода на сжигание органического топлива составляет около 15 млрд. т ежегодно. Это почти на порядок меньше, чем ежегодное поступление в атмосферу кислорода, освобожденного при фотосинтезе (140—200 млрд. т.). Выделяемый кислород почти полностью используется при дыхании организмов и минерализации отмершей органической массы, а также частично консервируется в литосфере в виде оксидов металлов и соединений.

На сжигание минерального топлива используется кислород, уже накопленный атмосферой, и ежегодное его уменьшение составляет примерно одну десятитысячную часть его массы в атмосфере. Полное сжигание углеродного топлива уменьшает содержание кислорода в атмосфере только на доли процента. Значительные изменения массы кислорода могут проявиться за очень длительные промежутки времени, исчисляемые миллионами лет. Исходя из этого считают, что наибольшую опасность для биосферы представляет нарушение круговорота углерода.

В современную эпоху, в отличие от прошлых геологических периодов, поток углерода в атмосферу увеличился за счет антропогенных выбросов, а растительность полностью его усвоить оказалась не в состоянии. Вследствие этого снизилось самоочищение атмосферы от оксида углерода, т.е. от угарного газа.

Самоочищение воздуха от оксида углерода происходит в результате миграции СО в верхние слои атмосферы, где в присутствии диоксида азота и озона он окисляется до СO₂. Установлено, что если бы прекратилось постоянное поступление в атмосферу техногенного оксида углерода, то она бы очистилась от него в течение нескольких лет.

Круговорот азота

Азот, как и углерод, участвует в большом и малом круговоротах. Источником азота в биологическом круговороте являются нитраты и нитриты, которые поглощаются растениями из почвы и воды. У растений отсутствует возможность извлекать азот непосредственно из атмосферы. Растительноядные животные создают из аминокислот растительных белков протоплазму своих клеток. Гнилостные бактерии переводят соединения азота в отмерших остатках растений и животных в аммиак. Затем нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в нитриты и нитраты. Часть азота благодаря денитрифицирующимся бактериям вновь поступает в атмосферу. Если бы отсутствовал дополнительный источник пополнения запасов азота в почве, то произошло бы азотное голодание растений и как следствие — разрушение биосферы, так как в процессе денитрификации свободный азот выводится из биологического цикла.

Существуют два пути вовлечения азота атмосферы в биологический круговорот. Один из них связан с атмосферными осадками, а второй — с биологической фиксацией азота прокариотными организмами.

В результате вулканических извержений, а также происходящих фотохимических реакций и возникающего при грозовых разрядах и ионизации электрического окисления азота в атмосфере всегда присутствуют оксиды азота, которые вместе с атмосферными осадками попадают в почвенные слои. Кроме того, в атмосферном воздухе всегда содержится аммиак. В нормальном состоянии он составляет 0,02—0,04 мг/м³, но его количество возрастает при грозовых разрядах. Подсчитано, что суммарное поступление азота в почву таким путем составляет 10—15 кг/га.

Биологическая фиксация азота связана с деятельностью прокариот. Они способны превращать биологически бесполезный газообразный азот в соединения, необходимые для корневого питания растений. Фиксация азота требует больших затрат энергии, которая расходуется в основном на разрыв тройной связи в молекуле азота, чтобы затем с добавлением водорода из воды превратить ее в две молекулы аммиака.

Азот фиксируется свободно живущими аэробными (Asotobacter) и анаэробными (Clostridium) бактериями, некоторыми сине-зелеными водорослями (Anabaena, Nostos), симбиотическими клубеньковыми бактериями бобовых растений (Rhizobium) и другими микроорганизмами. Особенно активны клубеньковые бактерии бобовых культур. Общее количество азота, фиксированного ими, может достигать 350 кг/га, а это в 100 раз выше показателя у свободно живущих азотфиксирующих организмов.

Основная часть фиксированного азота почвы поглощается растениями, но часть его соединений выносится в реки и поступает в водоемы, в том числе в моря. Больше всего солей аммония, нитратов и нитритов находится в водах устьев рек и у берегов морей, в глубинных частях водоемов суши, куда они поступают в процессе гниения органического вещества. Находящийся в поверхностных водах азот потребляется растительными микроорганизмами. Потеря азота непрерывно восполняется поступлением его с суши, в результате постоянного перемешивания вод, выпадения аммиака из атмосферы и разложения остатков растений и животных в поверхностных частях водоемов.

Антропогенные нарушения круговорота азота в биосфере связаны со сжиганием минерального топлива в наземном и воздушном транспорте, на тепловых электростанциях и с производством азотных удобрений. Поступление в атмосферу азота антропогенного происхождения в 70-е годы XX в. было в 15 раз, а в 80-е годы — в 12 раз меньше, чем от естественных источников. Однако в связи с развитием промышленности и транспорта количество техногенного азота в атмосфере имеет тенденцию к увеличению.

При сжигании топлива в атмосферу поступает дополнительное количество оксидов азота, которые участвуют в фотохимических реакциях. Одна из таких реакций приводит к возникновению фотохимического смога, содержащего формальдегид и другие токсичные компоненты.

Загрязнение стратосферы оксидами азотами в результате полетов самолетов, космических и простых ракет нарушает естественный круговорот азота и приводит к нарастающему разрушению озонового экрана. В тропосфере оксиды азота, контактируя с парами воды, образуют аэрозоли азотной кислоты, которая вместе с аэрозолями серной кислоты выпадает в форме кислотных дождей.

Существенные изменения в круговорот азота вносят производство и применение азотных удобрений. В XX в. химический синтез азотных удобрений на основе связывания азота атмосферы стал главным источником питания культурных растений. В мире ежегодно вносится свыше 40 млн. т. азота в виде минеральных удобрений. Кроме того, в почвенный покров и водные системы поступает трудно учитываемое количество азота с животноводческих комплексов и фермерских хозяйств.

Круговорот фосфора

Биологическое значение фосфора в жизнедеятельности организмов исключительно велико. Его соединения входят в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии, в состав мозга и костной ткани. Содержание фосфора в тканях растений составляет 250—350, морских животных — 400—1800, наземных животных — 170—4400, бактерий — около 3000 мг на 100 г сухого вещества. Как и углерод, фосфор участвует в биологическом и геологическом круговороте вещества.

Резервуаром фосфора в биологическом круговороте служит литосфера, в частности фосфорсодержащие горные породы, какими являются фосфориты, апатиты, нефелиновые сиениты. В процессе выветривания соединения фосфора попадают в почвенный покров, выносятся поверхностными водами в конечные бассейны стока, где они или медленно оседают на дно и литифицируются, или рассеиваются глубинными водами.

Из почвы фосфор извлекается растениями в виде растворимых фосфатов, которые поглощаются с почвенными растворами и превращаются в ионы РO₄^-2. Скорость усвоения растениями фосфора зависит от кислотности почвенного раствора. В щелочной среде фосфаты кальция и натрия практически нерастворимы, а в нейтральной — малорастворимы. По мере повышения кислотности они превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту. Находящийся в растительности фосфор переходит к животным, потребляющим растительную пищу.

Органический фосфор, находящийся в растительном опаде, отмерших растительных и животных остатках в результате бактериальных преобразований в почве, трансформируется в фосфаты. Воздействующие на них фосфаторазрушающие бактерии продолжают биологический круговорот фосфора, переводя его в растворимую форму, которая, попадая в водную среду, принимает участие в геологическом круговороте.

Круговорот фосфора в биосфере не замкнут, так как часть его поступает в литосферу. Лишь небольшое количество фосфора безвозвратно теряется при геологических процессах, а часть — аккумулируется вместе с осадками. С речными стоками, согласно сделанным подсчетам, в Мировой океан поступает ежегодно около 3-4 млн. т. фосфора, который исключается из круговорота.

В морях и океанах фосфор концентрируется в виде фосфатных конкреций, которые в процессе седиментогенеза с течением времени превращаются в фосфориты. В зоне апвеллинга, когда происходит подъем глубинных вод, фосфор вместе с другими биогенными элементами и питательными веществами выносится на поверхность и поэтому зоны апвеллинга необычайно богаты организмами.

В почве и природных водах фосфор всегда находится в дефиците. Соотношение фосфора и азота в природных водах составляет в среднем 1:23 (в реках и ручьях 1:28), в биомассе 1:16. Это определенным образом тормозит биологическую продуктивность Земли. Хотя часть фосфора из Мирового океана естественным путем возвращается на сушу птицами и с выловленной рыбой, общий объем возврата фосфора явно меньше количества выноса его в гидросферу.

В течение XX в. в результате хозяйственной деятельности человека цепочка круговорота фосфора в биосфере оказалась нарушенной. Этому способствовали производство фосфорных удобрений и широкое их применение в сельском хозяйстве, получение в промышленных масштабах различных фосфорсодержащих препаратов, производство продовольствия и кормов, развитие рыбного промысла, добыча морских моллюсков и водорослей. Эти действия прямым образом отразились на круговороте фосфора и привели к перераспределению содержания фосфатов на суше и в гидросфере. Наблюдается также крайне неравномерная концентрация фосфора на земной поверхности. Его больше в местах развития сельского хозяйства, где происходит малообратимая аккумуляция органических соединений фосфора. Эрозия почв, смыв удобрений, органических отходов и экскрементов поверхностными водами, сбросы канализационных стоков приводят к сильнейшему фосфорному загрязнению рек, озер и прибрежных областей Мирового океана. Происходит фосфатизация почв, рек, водоемов суши, прибрежных участков морей, особенно в области дельт, заливов и эстуариев.

Круговорот серы

Сера имеет важное биологическое значение, так как она входит в состав аминокислот, белков и других сложных органических соединений. В пересчете на сухое вещество в наземных растениях содержание серы составляет 0,3%, у наземных животных — 0,5, в морских растениях — 1,2, у морских животных — до 2%.

В большом, геологическом, круговороте сера переносится с океана на материки атмосферными осадками и возвращается с речным стоком обратно в Мировой океан. Одновременно ее запасы пополняются за счет вулканической деятельности и при процессах выветривания. Вулканы выбрасывают серу в виде триоксида (серного ангидрида SO₃), диоксида (сернистого газа SO₂), сероводорода Н₂S и элементарной серы. В литосфере имеются в большом количестве сульфиды различных металлов: железа, цинка, свинца, меди и др. В биосфере сульфидная сера с участием многочисленных микроорганизмов окисляется до сульфатной серы SO₄^-2, которая находится в почве и водоемах. В малом круговороте сульфаты поглощаются растениями. Растительноядные животные получают необходимую для жизнедеятельности серу. В результате сложных превращений и видоизменений при разрушении остатков организмов, растительного опада сера попадает в почвенные воды и в илы водоемов суши, морей и океанов. При разрушении белков с участием микроорганизмов образуется сероводород, который в дальнейшем окисляется или до элементарной серы, или до сульфатов. В первом случае формируются залежи чистой серы, а во втором — залежи гипса. При разрушении последних во время добычи или выветривания сера вновь вовлекается в круговорот.

Сероводородное заражение вод Черного моря — это результат жизнедеятельности серо-разлагающих бактерий в анаэробных условиях. Сероводород нередко возникает в пресноводных водоемах, загрязненных промышленными стоками. На заключительном этапе геологического круговорота сера выпадает в осадок в анаэробных условиях в присутствии железа и других металлов и медленно накапливается в виде конкреций или тонкораспыленного вещества в земных недрах.

Промышленное загрязнение приводит к нарушению круговорота серы, так же как и других вышеперечисленных элементов, участвующих в других круговоротах. Дополнительным поставщиком серы в большой круговорот являются теплоэнергетические установки, которые при сжигании минерального топлива выбрасывают сернистый газ.

Атмосфера Земли способна самоочищаться от сернистого ангидрида при выпадении атмосферных осадков: он преобразуется газовыми выделениями растительности или осаждается в форме сульфатных аэрозолей.

Экологическая опасность сернистого ангидрида заключается в том, что при фотохимическом окислении в присутствии диоксида азота и углеводородов сначала образуется серный ангидрид SO₃, который соединяясь с водяными парами, превращается в аэрозоли серной кислоты Н₂SO₄. Продолжительность всего цикла от момента естественных или техногенных выбросов SO₂ до удаления из атмосферы паров серной кислоты составляет до 14 суток. С воздушными потоками аэрозоли серной кислоты разносятся на значительные расстояния от источника выброса и выпадают в виде кислотных дождей. Об этом подробнее изложено в разделах, касающих асидификации атмосферы и гидросферы.

Круговорот ртути

Этот редко встречаемый химический элемент очень токсичен. Сильной токсичностью обладают и соединения ртути. В природе ртуть рассеяна в земной коре и очень редко встречается в таких минералах, как киноварь, где она содержится в концентрированном виде. Ртуть участвует в круговороте веществ, мигрируя в газообразном состоянии и в водных растворах.

В атмосферу ртуть поступает из гидросферы при испарении, вместе с вулканическими газами и газами из термальных источников. Часть газообразной ртути переходит в твердую фазу и удаляется из воздушной среды. Выпавшая вместе с атмосферными осадками ртуть поглощается почвенными растворами и глинистыми породами. Ртуть в небольших количествах содержится в нефти и каменном угле (до 1 мг/кг). В водной массе океанов ее количество составляет около 1,6 млрд. т., в донных осадках заключено около 500 млрд. т., а в планктонных организмах находится до 2 млн. т. ртути и ее соединений. Речными водами ежегодно с суши выносится около 40 тыс. т. ртути, что на порядок меньше, чем поступает в атмосферу при испарении.

В результате усилившихся техногенных выбросов в атмосферу и гидросферу ртуть из естественного компонента природной среды, участвующего во всех круговоротах, превратилась в весьма опасный компонент для здоровья человека и живого вещества. Ртуть применяют в металлургической, химической, электротехнической, электронной, целлюлозно-бумажной и фармацевтической промышленности, используют для производства взрывчатых веществ, люминесцентных ламп, лаков и красок. Промышленные стоки и атмосферные выбросы, горно-обогатительные фабрики при ртутных рудниках, теплоэнергетические установки, использующие минеральное топливо, являются главными источниками загрязнения биосферы этим токсичным компонентом. Кроме того, ртуть входит в состав некоторых пестицидов, которые используют в сельском хозяйстве для протравливания семян и защиты их от вредителей. В организм человека ртуть и ее соединения поступают вместе с пищей.

Круговорот свинца

Несмотря на то что свинца в земной коре содержится всего 0,0016%, он присутствует во всех компонентах природной среды. Важнейшим в круговороте свинца является его атмосферно-гидросферный перенос. Находящийся в атмосфере свинец вместе с пылью осаждается атмосферными осадками и начинает концентрироваться в почвах. Растения получают свинец из почв, природных вод и атмосферных выпадений, а животные — при потреблении растений и воды. В организм человека свинец попадает вместе с пищей, водой и пылью.

Основными источниками загрязнения биосферы свинцом являются разнообразные двигатели, выхлопные газы которых содержат тетраэтилсвинец, теплоэнергетические установки, сжигающие каменный уголь, горнодобывающая, металлургическая и химическая промышленность. Значительное количество свинца вносится в почву сточными водами.

У жителей промышленно развитых стран содержание свинца в организме в несколько раз больше, чем у жителей аграрных стран, а у горожан выше, чем у сельских жителей. Увеличение концентрации свинца в природных средах приводит к необратимым процессам в костях и печени людей.

Биосфера — это область распространения живого вещества. В ее истории имеются важнейшие рубежи, свидетельствующие о влиянии на ее развитие и эволюцию различных геосферных факторов. Живое вещество обладает весьма своеобразными экологическими функциями. Важное геоэкологическое значение имеют энергетическая, газовая, почвенно-элювиальная, водоочистная, водорегулирующая, концентрационная, транспортная и деструктивная функции. Биосфера многолика в результате исключительно огромного таксономического разнообразия. Каждый организм или группа организмов в силу своих физиологических особенностей и условий существования способны служить инструментом индикации загрязненности природной среды. В биосфере существует круговорот веществ, которому предшествует геологический круговорот, подготовляющий вещества для жизнедеятельности организмов. Более низкий уровень биосферного круговорота составляет биологический круговорот. В природе существуют круговороты углерода, азота, фосфора, серы, ртути, свинца и других химических элементов и соединений.

Круговорот веществ в биосфере

Понятие о круговороте веществ

Круговорот веществ в биосфере — цикличный, многократно повторяющийся процесс совместного, взаимосвязанного превращения и перемещения веществ. Наличие круговорота веществ является необходимым условием существования биосферы. После использования одними организмами вещества должны переходить в доступную для других организмов форму. Такой переход веществ от одного звена к другому требует энергетических затрат, поэтому возможен только при участии энергии Солнца. С использованием солнечной энергии на планете протекают два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический (биотический).

Геологический круговорот веществ — процесс миграции веществ, осуществляемый под влиянием абиотических факторов: выветривания, эрозии, движения вод и т. д. Живые организмы участия в нем не принимают.

С возникновением на планете живого вещества появился биологический (биотический) круговорот. В нем принимают участие все живые организмы, поглощающие из окружающей среды одни вещества и выделяющие другие. Например, растения в процессе жизнедеятельности потребляют из окружающей среды углекислый газ, воду, минеральные вещества и выделяют кислород. Животные используют выделенный растениями кислород для дыхания. Они поедают растения и в результате пищеварения усваивают образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические вещества. Выделяют углекислый газ и непереваренные остатки пищи. После отмирания растения и животные образуют массу мертвого органического вещества (детрит). Детрит доступен для разложения (минерализации) микроскопическими грибами и бактериями. В результате их жизнедеятельности в биосферу поступает дополнительное количество углекислого газа. А органические вещества превращаются в исходные неорганические компоненты — биогены. Образовавшиеся минеральные соединения, попадая в водоемы и почву, снова становятся доступны растениям для фиксации посредством фотосинтеза. Такой процесс повторяется бесконечно и носит замкнутый характер (круговорот). Например, весь атмосферный кислород проходит по этому пути примерно за 2 тыс. лет, а углекислому газу для этого требуется около 300 лет.

Энергия, заключенная в органических веществах, по мере перемещения в пищевых цепях уменьшается. Большая часть ее рассеивается в окружающей среде в виде тепла или расходуется на поддержание процессов жизнедеятельности организмов. Например, на дыхание животных и растений, транспорт веществ у растений, а также на процессы биосинтеза живых организмов. К тому же образовавшиеся в результате деятельности редуцентов биогены не содержат доступной для организмов энергии. В данном случае можно говорить лишь о потоке энергии в биосфере, но не о круговороте. Поэтому условием устойчивого существования биосферы является постоянно протекающий в биогеоценозах круговорот веществ и поток энергии.

Геологический и биологический круговороты в совокупности формируют общий биогеохимический круговорот веществ, основу которого составляют циклы азота, воды, углерода и кислорода.

Круговорот азота

Азот — один из самых распространенных элементов в биосфере. Основная часть биосферного азота находится в атмосфере в газообразной форме. Как известно из курса химии, химические связи между атомами в молекулярном азоте (N₂) очень прочные. Поэтому большинство живых организмов не способны использовать его непосредственно. Отсюда важным этапом в круговороте азота является его фиксация и перевод в доступную для организмов форму. Различают три пути фиксации азота.

Атмосферная фиксация. Под воздействием атмосферных электрических разрядов (молний) азот может взаимодействовать с кислородом с образованием оксида (NO) и диоксида (NO₂) азота. Оксид азота (NO) при этом очень быстро окисляется кислородом и превращается в диоксид азота. Диоксид азота растворяется в парах воды и в виде азотистой (HNO₂) и азотной (HNO₃) кислот с осадками попадает в почву. В почве в результате диссоциации этих кислот образуются нитрит- (NO₂^–) и нитрат-ионы (NO₃^–). Нитрит- и нитрат-ионы уже могут поглощаться растениями и включаться в биологический круговорот. На долю атмосферной фиксации азота приходится около 10 млн т азота в год, что составляет около 3 % ежегодной азотфиксации в биосфере.

Биологическая фиксация. Она осуществляется азотфиксирующими бактериями, которые переводят азот в доступные для растений формы. Благодаря микроорганизмам связывается около половины всего азота. Наиболее известны бактерии, фиксирующие азот в клубеньках бобовых растений. Они поставляют растениям азот в виде аммиака (NH₃). Аммиак хорошо растворим в воде с образованием иона аммония (NH₄⁺), который и усваивается растениями. Поэтому бобовые — лучшие предшественники культурных растений в севообороте. После отмирания животных и растений и разложения их остатков почва обогащается органическими и минеральными соединениями азота. Далее гнилостные (аммонифицирующие) бактерии расщепляют азотсодержащие вещества (белки, мочевину, нуклеиновые кислоты) растений и животных до аммиака. Этот процесс называется аммонификацией. Большая часть аммиака впоследствии подвергается окислению нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, которые вновь используются растениями. Возвращение азота в атмосферу происходит путем денитрификации, которую осуществляет группа денитрифицирующих бактерий. В результате происходит восстановление азотистых соединений до молекулярного азота. Часть азота в нитратной и аммонийной формах с поверхностным стоком попадает в водные экосистемы. Здесь азот усваивается водными организмами или поступает в донные органические отложения.

Промышленная фиксация. Большое количество азота ежегодно связывается промышленным путем при производстве минеральных азотных удобрений. Азот из таких удобрений усваивается растениями в аммонийной и нитратной формах. Объем выпускаемых азотных удобрений в Беларуси в настоящее время составляет около 900 тыс. т в год. Крупнейшим производителем является ОАО «ГродноАзот». На данном предприятии выпускают карбамид, аммиачную селитру, сульфат аммония и другие азотные удобрения.

Примерно 1/10 искусственно внесенного азота используется растениями. Остальное с поверхностным стоком и грунтовыми водами переходит в водные экосистемы. Это приводит к накоплению в воде больших количеств соединений азота, доступных для усвоения фитопланктоном. В результате возможно бурное размножение водорослей (эвтрофикация) и, как следствие, заморы в водных экосистемах.

Круговорот воды

Вода — основной компонент биосферы. Она является средой для растворения практически всех элементов при осуществлении круговорота. Большая часть биосферной воды представлена жидкой водой и водой вечных льдов (более 99 % всех запасов воды в биосфере). Незначительная часть воды находится в газообразном состоянии — это атмосферные водяные пары. Биосферный круговорот воды основывается на том, что ее испарение с поверх ности Земли компенсируется выпадением осадков. Попадая на поверхность суши в виде осадков, вода способствует разрушению горных пород. Это делает составляющие их минералы доступными для живых организмов. Именно испарение воды с поверхности планеты обусловливает ее геологический круговорот. На него расходуется около половины падающей солнечной энергии. Испарение воды с поверхности морей и океанов происходит с большей скоростью, чем возвращение ее с осадками. Эта разница компенсируется за счет поверхностного и глубинного стоков благодаря тому, что на континентах осадки преобладают над испарением.

Увеличение интенсивности испарения воды на суше во многом обусловлено жизнедеятельностью растений. Растения извлекают воду из почвы и активно транспирируют ее в атмосферу. Часть воды в клетках растений расщепляется в процессе фотосинтеза. При этом водород фиксируется в виде органических соединений, а кислород выделяется в атмосферу.

Животные используют воду для поддержания осмотического и солевого равновесия в организме и выделяют ее во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.

Круговорот углерода

Углерод как химический элемент присутствует в атмосфере в составе углекислого газа. Это и обусловливает обязательное участие живых организмов в круговороте этого элемента на планете Земля. Основной путь, по которому углерод из неорганических соединений переходит в состав органических веществ, где он является обязательным химическим элементом, — это процесс фотосинтеза. Часть углерода выделяется в атмосферу в составе углекислого газа при дыхании живых организмов и при разложении бактериями мертвого органического вещества. Усвоенный растениями углерод потребляется животными. Кроме того, коралловые полипы, моллюски используют соединения углерода для построения скелетных образований и раковин. После их отмирания и оседания на дне формируются отложения известняков. Таким образом, углерод может исключаться из круговорота. Выведение углерода из круговорота на длительный срок достигается путем формирования полезных ископаемых: каменного угля, нефти, торфа.

На протяжении существования нашей планеты выведенный из круговорота углерод компенсировался углекислым газом, поступающим в атмосферу при вулканических извержениях и в ходе других естественных процессов. В настоящее время к природным процессам пополнения углерода в атмосфере добавилось значительное антропогенное воздействие. Например, при сжигании углеводородного топлива. Это нарушает отрегулированный веками круговорот углерода на Земле.

Увеличение концентрации углекислого газа за столетие всего на 0,01 % привело к заметному проявлению парникового эффекта. Среднегодовая температура на планете повысилась на 0,5 °С, а уровень Мирового океана поднялся почти на 15 см. По прогнозам ученых, если среднегодовая температура увеличится еще на 3-4 °С, начнется таяние вечных льдов. При этом уровень Мирового океана поднимется на 50-60 см, что приведет к затоплению значительной части суши. Это расценивается как глобальная экологическая катастрофа, ведь на этих территориях проживает около 40 % населения Земли.

Круговорот кислорода

В функционировании биосферы кислород играет исключительно важную роль в процессах обмена веществ и дыхании живых организмов. Уменьшение количества кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, сжигания топлива и гниения компенсируется кислородом, выделяемым растениями при фотосинтезе.

Кислород образовывался в первичной атмосфере Земли при ее остывании. В силу своей высокой реакционной способности он переходил из газообразного состояния в состав различных неорганических соединений (карбонатов, сульфатов, оксидов железа и др.). Сегодняшняя кислородсодержащая атмосфера планеты образовалась исключительно за счет осуществляемого живыми организмами фотосинтеза. Содержание кислорода в атмосфере повышалось до нынешних значений в течение длительного времени. Поддержание его количества на постоянном уровне в настоящее время возможно только благодаря фотосинтезирующим организмам.

К сожалению, в последние десятилетия деятельность человека, приводящая к вырубке лесов, эрозии почв, снижает интенсивность фотосинтеза. А это, в свою очередь, нарушает естественный ход круговорота кислорода на значительных территориях Земли.

Небольшая часть кислорода атмосферы участвует в процессах образования и разрушения озонового экрана при действии ультрафиолетового излучения Солнца.

Основой биогенного круговорота веществ является солнечная энергия. Главным условием устойчивого существования биосферы являются постоянно протекающий в биогеоценозах круговорот веществ и поток энергии. В круговоротах азота, углерода и кислорода основная роль принадлежит живым организмам. Основу же глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы.

трофический каскад | Определение, важность и примеры

желтый окунь

Смотреть все СМИ

Похожие темы:

экосистема пищевая цепочка хищничество

Просмотреть весь связанный контент →

трофический каскад , экологическое явление, вызванное добавлением или удалением высших хищников и включающее взаимные изменения в относительных популяциях хищников и жертв через пищевую цепь, что часто приводит к резким изменениям в структуре экосистемы. и круговорот питательных веществ.

В трехуровневой пищевой цепи увеличение (или уменьшение) количества плотоядных вызывает уменьшение (или увеличение) количества травоядных и увеличение (или уменьшение) первичных продуцентов, таких как растения и фитопланктон. Например, в восточной части Северной Америки удаление волков ( Canis lupus ) было связано с увеличением численности белохвостого оленя ( Odocoileus virginianus ) и сокращением количества растений, поедаемых оленями. Американский зоолог Роберт Пейн ввел термин трофический каскад 9.0020 в 1980 году для описания взаимных изменений в пищевых цепях, вызванных экспериментальными манипуляциями высших хищников. В 1980-х годах другие использовали этот термин для описания изменений в водных экосистемах, вызванных такими факторами, как внезапное увеличение популяций хищных рыб в результате зарыбления или резкое сокращение численности хищных рыб, вызванное переловом.

В течение 1980-х и 90-х годов серия экспериментов продемонстрировала трофические каскады путем добавления или удаления высших хищников, таких как окунь ( Micropterus ) и желтого окуня ( Perca flavescens ) в пресноводные озера или из них. Эти эксперименты показали, что трофические каскады контролируют биомассу и производство фитопланктона, скорость переработки питательных веществ, соотношение азота и фосфора, доступного для фитопланктона, активность бактерий и скорость осаждения. Поскольку трофические каскады влияли на скорость первичной продукции и дыхания озера в целом, они влияли на скорость обмена углекислого газа и кислорода между озером и атмосферой.

Исследования в различных наземных и водных средах показали, что трофические каскады контролируют видовой состав, биомассу и продуктивность травоядных и растений. Например, чрезмерный вылов трески ( Gadus morhua ) и других промысловых рыб, таких как пикша ( Melanogrammus ) и хек ( Urophycis , Raniceps и Phycis ) в Северной Атлантике привел к увеличению в мелкой пелагической (открытый океан) рыбе, потребляемой треской, крабом-стригутом ( Chionoecetes opilio ), и креветки. В результате сократились популяции крупного растительноядного зоопланктона, поедаемого мелкими пелагическими рыбами, что, в свою очередь, привело к увеличению фитопланктона. Восстановление волков в долине Боу в Альберте, Канада, уменьшило популяцию лосей ( Cervus elaphus ) и увеличило рост осины ( Populus ) и ивы ( Salix ). В другом примере коммерческая добыча каланов ( Enhydra lutris ) для торговли мехом у западного побережья Северной Америки вызвало увеличение численности морских ежей и сокращение лесов водорослей из-за потребления водорослей ежами в близлежащих морских средах.

Традиционно считалось, что производство растений и круговорот питательных веществ контролируются физическими или химическими факторами, такими как солнечная радиация, климат и снабжение питательными веществами. Хотя физические и химические факторы важны, трофические каскады также влияют на сообщества производителей и скорость их метаболизма.

Экосистемы без высших хищников

Во многих случаях трофические каскады были инициированы преследованием человеком и добычей высших хищников, таких как волки и большие кошки в наземных экосистемах и акулы, тунцы и промысловые рыбы в водных экосистемах. Удаление высших хищников оказывает значительное влияние на популяции жертв, первичных производителей и экосистемные процессы. Поэтому сохранение высших хищников способствует сохранению структуры и процессов экосистем, в которых обитают эти хищники. Нормальное функционирование экосистем обеспечивает многие услуги, используемые людьми, в том числе продукты питания, волокна и запасы пресной воды, а также процессы, поддерживающие качество воздуха, воды и почвы. Однако сохранение или восстановление высших хищников иногда вызывает споры из-за риска, который такие хищники представляют для людей, домашнего скота или домашних животных.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Высвобождение мезохищников, явление, при котором популяции хищников среднего размера быстро увеличиваются и играют более важную роль в экосистемах, в которых они обитают, вызвано удалением высших хищников. Мезохищники плохо конкурируют с высшими хищниками и могут быть съедены ими, поэтому стремятся их избегать. Систематическое сокращение числа пум ( Puma concolor ) и волков на территории Соединенных Штатов и других частях Северной Америки в течение 20-го века привело к появлению популяций мезохищников, таких как койоты (9). 0019 Canis latrans ), рыжих лисиц ( Vulpes vulpes ) и енотов ( Procyon lotor ) увеличиваться по мере того, как становятся доступными источники пищи, охотничьи угодья, логова и другие ресурсы, которые когда-то контролировались высшими хищниками. Сокращение численности леопардов ( Panthera pardus ) в некоторых частях Африки привело к увеличению популяций бабуинов ( Papio ). Исчезновение крупных акул в океанах привело к увеличению количества мелких акул и скатов. В каждом случае высвобождение мезохищника вызывало снижение количества видов, потребляемых мезохищником.

Кроме того, некоторые мезохищники стали досаждающими видами. Еноты-фуражировщики грабят мусорные баки и сады во многих городских районах и являются известными переносчиками вируса бешенства. Бабуины могут вторгаться в дома, взламывать автомобили, чтобы украсть еду, а в некоторых случаях представлять угрозу для детей.

Биоманипуляции в озерах

В озерах трофические каскады используются для улучшения качества воды посредством биоманипуляций, практики управления, при которой люди преднамеренно удаляют целые виды из экосистем. Целью биоманипуляций является снижение концентрации вредного фитопланктона, например, токсичных сине-зеленых водорослей. Самый прямой метод борьбы с вредным цветением фитопланктона — это сокращение поступления питательных веществ, таких как фосфор, которые стимулируют их рост. В тех случаях, когда поступление питательных веществ в экосистему задерживается или медленно развивается, можно использовать биоманипуляции для ускорения сокращения вредоносного фитопланктона. Зарыбление промысловых рыб (или защита их от добычи с помощью специальных правил) запускает трофический каскад с уменьшением биомассы более мелких рыб, увеличением биомассы растительноядных зоопланктона и уменьшением биомассы вредоносного фитопланктона. В некоторых случаях рыбу, питающуюся планктоном, вылавливают непосредственно управляющие озером. Кроме того, удаление донных рыб из мелководных озер приводит к увеличению укоренившейся растительности и повышению прозрачности воды, поскольку укоренившиеся растения стабилизируют отложения. Этот переход включает в себя трофический каскад, поскольку растительноядный зоопланктон увеличивает биомассу и потребляет фитопланктон, но также включает прямое влияние корневой растительности на стабильность отложений и круговорот питательных веществ.

сток | гидрология | Британика

Словарь викторины Один хороший факт

Подписывайся

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• В этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.

• Руководство по покупке
  Консультация эксперта по покупке. От техники до товаров для дома и здоровья.
• Студенческий портал
  Britannica — лучший ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Britannica Beyond
  Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Спросить. Мы не будем возражать.
• Спасение Земли
  Британика представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые питают наше любопытство к космосу!

• Введение

Краткие факты

• Факты и сопутствующий контент
• викторины

биосфера | Определение, ресурсы, циклы, примеры и факты

Экологические сферы Земли

Смотреть все СМИ

Похожие темы:

Население биогеографический регион биоразнообразие трофическая пирамида микробиом

Просмотреть весь связанный контент →

Популярные вопросы

Что такое биосфера?

Биосфера представляет собой тонкий поддерживающий жизнь слой поверхности Земли, простирающийся от нескольких километров вглубь атмосферы до глубоководных жерл океана. Он состоит из живых организмов и неживых факторов, из которых организмы получают энергию и питательные вещества.

Какова роль биосферы?

Биосфера поддерживает всю жизнь на Земле, от 3 до 30 миллионов видов растений, животных, грибов, одноклеточных прокариот, таких как бактерии, и одноклеточных эукариот, таких как простейшие.

Что такое абиотические и биотические компоненты биосферы?

Два компонента биосферы называются абиотическим и биотическим. Абиотическая или неживая часть каждой экосистемы включает поток энергии, питательных веществ, воды и газов, а также концентрации органических и неорганических веществ в окружающей среде. Второй компонент — это биотическая часть, или часть живых организмов, в которую входят производители, консументы и редуценты.

Какие основные циклы происходят в биосфере?

Основными циклами, происходящими в биосфере, являются цикл углерода, цикл азота, цикл серы, цикл фосфора и гидрологический (водный) цикл.

Сводка

Прочтите краткий обзор этой темы

биосфера , относительно тонкий поддерживающий жизнь слой поверхности Земли, простирающийся от нескольких километров вглубь атмосферы до глубоководных жерл океана. Биосфера представляет собой глобальную экосистему, состоящую из живых организмов (биоты) и абиотических (неживых) факторов, из которых они получают энергию и питательные вещества.

До появления жизни Земля была унылым местом, каменистым шаром с мелководными морями и тонкой полосой газов, в основном двуокиси углерода, монооксида углерода, молекулярного азота, сероводорода и водяного пара. Это была враждебная и бесплодная планета. Это строго неорганическое состояние Земли называется геосферой; она состоит из литосферы (горная порода и почва), гидросферы (вода) и атмосферы (воздух). Энергия Солнца безжалостно бомбардировала поверхность первобытной Земли, и со временем — миллионы лет — химические и физические действия привели к появлению первых признаков жизни: бесформенных желеобразных сгустков, которые могли собирать энергию из окружающей среды и производить больше себе подобных. . Это зарождение жизни в тонком внешнем слое геосферы создало так называемую биосферу, «зону жизни», отводящую энергию оболочку, которая использует материю Земли для создания живого вещества.

Биосфера представляет собой систему, характеризующуюся непрерывным круговоротом вещества и сопровождающим его потоком солнечной энергии, в котором некоторые крупные молекулы и клетки самовоспроизводятся. Вода является основным предрасполагающим фактором, поскольку от нее зависит вся жизнь. Элементы углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера в сочетании с белками, липидами, углеводами и нуклеиновыми кислотами обеспечивают строительные блоки, топливо и направление для создания жизни. Поток энергии необходим для поддержания структуры организмов путем образования и расщепления фосфатных связей. Организмы являются клеточными по своей природе и всегда содержат какую-то закрывающую мембранную структуру, и все они имеют нуклеиновые кислоты, которые хранят и передают генетическую информацию.

Вся жизнь на Земле в конечном счете зависит от зеленых растений, а также от воды. Растения используют солнечный свет в процессе, называемом фотосинтезом, для производства пищи, которой питаются животные, и для производства в качестве побочного продукта кислорода, необходимого большинству животных для дыхания. Сначала океаны и суша кишели большим количеством нескольких видов простых одноклеточных организмов, но постепенно эволюционировали все более сложные растения и животные. Взаимоотношения развивались таким образом, что определенные растения росли в ассоциации с некоторыми другими растениями, а животные, связанные с растениями и друг с другом, образовывали сообщества организмов, включая сообщества лесов, лугов, пустынь, дюн, болот, рек и озер. Живые сообщества и их неживая среда неразрывно взаимосвязаны и постоянно взаимодействуют друг с другом. Для удобства любой сегмент ландшафта, включающий биотические и абиотические компоненты, называется экосистемой. Озеро является экосистемой, когда оно рассматривается в совокупности не только как вода, но и как питательные вещества, климат и вся жизнь, содержащаяся в нем. Данный лес, луг или река также являются экосистемой. Одна экосистема переходит в другую вдоль зон, называемых экотонами, где встречается смесь видов растений и животных из двух экосистем. Лес, рассматриваемый как экосистема, представляет собой не просто древостой, а совокупность почвы, воздуха и воды, климата и минералов, бактерий, вирусов, грибов, трав, трав и деревьев, насекомых, рептилий, амфибий. , птиц и млекопитающих.

Другими словами, абиотическая, или неживая, часть каждой экосистемы в биосфере включает потоки энергии, питательных веществ, воды и газов, а также концентрации органических и неорганических веществ в окружающей среде. Биотическая, или живая, часть включает три основные категории организмов в зависимости от их способов получения энергии: первичные производители, в основном зеленые растения; потребители, к которым относятся все животные; и редуценты, к которым относятся микроорганизмы, расщепляющие остатки растений и животных на более простые компоненты для повторного использования в биосфере. Водные экосистемы включают морскую среду и пресноводную среду на суше. Наземные экосистемы основаны на основных типах растительности, таких как леса, пастбища, пустыни и тундра. С каждой такой растительной провинцией связаны определенные виды животных.

Экосистемы могут быть далее подразделены на более мелкие биотические единицы, называемые сообществами. Примеры сообществ включают организмы в зарослях сосен, на коралловом рифе и в пещере, долине, озере или ручье. Основное внимание в сообществе уделяется живому компоненту, организмам; исключаются абиотические факторы внешней среды.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Сообщество представляет собой совокупность популяций видов. В сосновом насаждении может быть много видов насекомых, птиц, млекопитающих, каждый из которых является отдельной единицей размножения, но каждый зависит от других в своем дальнейшем существовании. Кроме того, вид состоит из индивидуумов, отдельных функциональных единиц, идентифицируемых как организмы. За пределами этого уровня единицами биосферы являются единицы организма: системы органов, состоящие из органов, органов из тканей, тканей из клеток, клеток из молекул и молекул из атомарных элементов и энергии. Таким образом, прогрессия, идущая вверх от атомов и энергии, идет к меньшему количеству единиц, более крупных и сложных по структуре на каждом последующем уровне.

Эта статья посвящена составу биосферы и исследует отношения между ее основными компонентами, включая человека. Рассматриваются характеристики и динамика биологических популяций и сообществ, а также взаимодействия, составляющие первичные стабилизирующие связи между составляющими организмами. Должное внимание также уделяется моделям распределения этих биотических единиц и процессам, которые привели к таким моделям. Подробно рассматриваются основные водные и наземные экосистемы Земли. Другие моменты включают в себя преобразования энергии и переносы внутри биосферы и циклический поток материалов, необходимых для жизни. За разработку, методологию и приложения изучения взаимоотношений организмов с окружающей средой и друг с другом см. экология. Дальнейшая обработка различных водных и наземных сред осуществляется в океане, озере, реке, континентальной форме рельефа, Арктике и Антарктиде. Для обсуждения происхождения жизни на Земле, разновидностей и общих черт между организмами см. жизнь и Земля, догеологическая история. Характеристики и классификации живых организмов подробно описаны для водорослей, амфибий, покрытосеменных, животных, кольчатых червей, паукообразных, членистоногих, ашельминтов, бактерий, птиц, мохообразных, хордовых, книдарий, ракообразных, динозавров, иглокожих, папоротников, рыб, плоских червей, грибок, голосеменные, насекомое, панцирь лампы, млекопитающее, моллюск, мох, растение, протист, простейшие, рептилия, губка и вирус.

Дэвид М. Гейтс. Редакторы Британской энциклопедии

Естественная история — естественные циклы

Круговорот питательных веществ — биогеохимические циклы

9030

Рисунок 2. 24: Четыре сферы. Источник: Тодд Бергет

Циклы питательных веществ — это системы, посредством которых вещества (химические элементы или молекулы) перемещаются через биотический (живой) компартмент Земли — или биосферу — а также через три абиотических (неживых) компонента Земли: литосферу (земная кора и верхняя мантия), атмосфера (газы, окружающие землю) и гидросфера (земная вода). Благодаря этому биогеохимическому циклу используются и перерабатываются питательные вещества, такие как кислород, углерод, азот, фосфор и сера. Каждый из этих циклов сложен. Эти краткие описания и диаграммы дадут общее представление о том, как работают эти системы и почему они важны.

Четыре сферы
Ученые классифицируют живое и неживое вещество земли на четыре сферы (рис. 2.24).

Литосфера включает в себя всю земную кору. «Лито» в переводе с греческого означает «камень». От самой высокой вершины в Национальном парке Уотертон до богатой почвы Долины Миссии — все это часть литосферы.

Гидросфера включает в себя всю воду земли. «Гидро» в переводе с греческого означает вода. Ледники Национального парка Глейшер, озера, реки и ручьи — и даже влага в воздухе являются частью гидросферы.

атмосфера это воздух вокруг нас. «Атмо» в переводе с греческого означает воздух. Атмосфера состоит из 79 % азота и почти 21 % кислорода, остальное — углекислый газ и другие газы.

Биосфера состоит из живых организмов. «Био» в переводе с греческого означает жизнь. Биосфера включает в себя всю жизнь, от одноклеточных организмов в пруду до могучего медведя гризли и от крошечных лишайников до пихт Дугласа.

Эти четыре сферы взаимосвязаны. Например, форель (часть биосферы) плывет вверх по течению (часть гидросферы) для нереста. Некоторое количество воды из ручья (гидросфера) просачивается сквозь скалы и почву (часть литосферы).

Изменения сфер могут быть естественными (землетрясение) или антропогенными (загрязнение воздуха), и изменения в одной сфере часто приводят к изменениям в другой. Изменения могут быть локальными (наводнение может распространиться всего на несколько миль) или обширными (изменение океанских течений в результате явления Эль-Ниньо может изменить погоду на всем континенте). Четыре сферы работают вместе, чтобы создать нашу среду и поддерживать жизнь на Земле. В окружающей среде есть более мелкие системы, называемые экосистемами .

Кислородный цикл
Большая часть земного кислорода содержится в горных породах земной коры и мантии. В биосфере или атмосфере существует очень небольшое количество свободного кислорода. Крупнейшим источником атмосферного кислорода является фотосинтез растений, который производит сахара и кислород из углекислого газа и воды. К фотосинтезирующим организмам относятся растения на суше и в воде. Фотосинтез поддерживает уровень кислорода в атмосфере и обеспечивает энергией все формы жизни — либо напрямую (для самих растений), либо косвенно (в качестве источника пищи для организмов, потребляющих растения, и, в конечном счете, для организмов, потребляющих их). Дополнительный атмосферный кислород является результатом фотолиз , расщепление под действием ультрафиолетового излучения атмосферной воды и нитрита на составные атомы. Атмосфера теряет кислород, когда организмы дышат и разлагаются, то есть методы, с помощью которых бактерии и животные потребляют кислород и выделяют углекислый газ.

Углеродный цикл
Один из самых важных циклов на Земле, углеродный цикл — это процесс, посредством которого организмы биосферы перерабатывают и повторно используют углерод. Углерод движется через четыре взаимосвязанных резервуара: атмосферу, земную биосферу (включая неживые органические материалы и пресноводные системы), океаны и отложения (включая ископаемое топливо). Углерод перемещается между этими резервуарами в результате биологических, химических, физических и геологических процессов. Океан содержит крупнейший активный резервуар углерода у поверхности земли. Леса хранят 86% надземного углерода и 73% почвенного углерода. Углерод выделяется в атмосферу через дыхание растений и животных; разложение растительного и животного материала; сжигание ископаемого топлива, такого как уголь, нефть и природный газ; извержения вулканов; и в реакциях на поверхности океанов.

Азотный цикл
Азот, самый распространенный элемент в атмосфере, необходим для всей жизни. Он необходим для многочисленных биологических процессов и является критическим компонентом дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), генетических инструкций для всех живых существ, и рибонуклеиновой кислоты (РНК), биологически важных молекул. Азот в изобилии содержится в земной атмосфере, но не в той форме, в которой его могут использовать растения. Азот должен быть преобразован из газообразной формы («фиксирован» в соединения азота, такие как нитраты), чтобы его можно было использовать живыми организмами. Количество связанного азота определяет, сколько пищи можно вырастить в наземной среде, поэтому он, наряду с комбинацией других питательных веществ, является критическим фактором при производстве продуктов питания.

Фосфорный цикл
Фосфор является важным питательным веществом для растений и животных, но не очень распространен в биосфере. Это питательное вещество содержится в почве и горных породах, но не попадает в атмосферу. Геологические процессы выносят насыщенные фосфором океанские отложения на сушу, а выветривание распространяет их по земной среде. Растения поглощают фосфаты из почвы и превращают их в органические соединения, которые потребляются через пищевую цепь. Разложившиеся растения и животные возвращают фосфаты в почву или горные породы, а выветривание также возвращает их в океан. Круговорот фосфора — один из самых медленных биогеохимических циклов.

Цикл серы
Сера является важным компонентом белков и ферментов растений и животных, которые ими питаются. Большая часть земной серы находится в океанских отложениях. Он также содержится в атмосфере в результате испарения, распада организмов, извержений вулканов и как продукт промышленных процессов. Сера возвращается в землю в виде твердых частиц или кислотных отложений, которые поглощаются растениями и возвращаются в круговорот.

Гидрологический цикл
Гидрологический цикл описывает движение воды над, на и под поверхностью Земли. Вода может быть жидкостью, паром или льдом в различных точках круговорота воды. Большая часть обмена в круговороте воды происходит за счет испарения из океанов и выпадения осадков обратно в океаны. Около одной десятой воды, испаряющейся из океанов, падает на сушу, повторно используется в наземных системах и стекает по рекам обратно в океаны. Солнечная энергия испаряет воду, а ветер распространяет водяной пар по земле. Вода конденсируется и выпадает в виде осадков (дождя и снега), поддерживая все наземные экосистемы. Живые организмы возвращают влагу — посредством дыхания или пота — обратно в атмосферу или в озера и реки, через которые она в конечном итоге возвращается в океаны. Вода отвечает за метаболические процессы внутри клеток, за поддержание потока основных питательных веществ через экосистемы и бесчисленное множество других важных функций поддержания жизни.

Биогеохимический цикл | Encyclopedia.com

шторм

просмотров обновлено 14 мая 2018

Введение

Биогеохимический цикл описывает превращения, которые происходят в веществе, имеющем фундаментальное значение для окружающей среды, по мере его прохождения через литосферу Земли (верхнюю мантию), биосферу, биогеохимический цикл. (области жизнеобеспечения), гидросфера (вода и водяной пар) и атмосфера (слой газов). К веществам, наиболее часто изучаемым в биогеохимическом круговороте, относятся углерод, азот, фосфор, водород, кислород и сера.

Историческая справка и научные основы

Биогеохимические циклы характеризуются резервуарами, также называемыми поглотителями, и трансформациями. Вещество может оставаться захваченным или фиксированным в резервуаре в течение некоторого периода времени. Примерами резервуаров являются горные породы для фосфора, океаны для водорода и кислорода и леса для углерода. В конце концов, с резервуаром произойдет что-то, что вызовет трансформацию вещества. В некоторых случаях эти преобразования представляют собой изменения состояния, например, когда вода в океане испаряется и превращается в пар в атмосфере. В других случаях преобразование может включать разрыв и образование химических связей, например, когда фотосинтез растений превращает углекислый газ в атмосфере в углеводы.

Например, в биогеохимическом цикле углерода атмосфера служит резервуаром двуокиси углерода. Атмосферный углекислый газ удаляется в результате фотосинтеза растений на суше и водорослей в воде, которые представляют собой значительные поглотители углерода. Когда растения и водоросли закапывают, они могут окаменеть, а углерод превратиться в ископаемое топливо. Этот резервуар является еще одним значительным поглотителем углерода. Когда ископаемое топливо или леса сжигаются, углерод снова превращается в углекислый газ и возвращается в атмосферу.

Различия в биогеохимических циклах являются результатом различий в химических свойствах различных веществ. Эти различия влияют на типы резервуаров, время пребывания в разных резервуарах, а также на скорость трансформации.

Воздействия и проблемы

По мере того, как глобальный климат претерпевает изменения, затрагиваются как резервуары, так и преобразования между резервуарами всех биогеохимических циклов. В частности, зависимость от нефтепродуктов вызывает широкомасштабные изменения биогеохимического цикла углерода. Огромный резервуар углерода, связанного с окаменевшим растительным материалом, быстро расходуется за счет сжигания нефтепродуктов. Это сгорание добавляет углерод в виде углекислого газа в атмосферу. Размер атмосферного резервуара углерода значительно увеличился с начала промышленной революции в конце 1700-х годов. Кроме того, многие леса, составляющие еще один большой резервуар углерода, были вырублены без повторной посадки, что привело к переносу в атмосферу части углерода, который был связан деревьями. Дополнительный углерод в атмосфере из-за истощения углерода в ископаемом топливе и лесах является основной предполагаемой причиной глобального изменения климата.

Круговорот углерода — не единственное, на что повлияла деятельность человека со времен промышленной революции. Изменение климата влияет на биогеохимические циклы кислорода и водорода из-за их роли в гидрологическом цикле. Глобальное потепление вызвало быстрое таяние ледяных щитов на полюсах. Круговорот азота и серы связан с кислотными дождями, возникающими в результате сжигания ископаемого топлива. Как фосфорный, так и азотный циклы также существенно зависят от распространения удобрений на сельскохозяйственных полях, способствуя высокому стоку питательных веществ и эвтрофикации (чрезмерному обогащению минералами и питательными веществами) озер и рек.

СЛОВА, КОТОРЫЕ НУЖНО ЗНАТЬ

: Форма осадков, которая значительно более кислая, чем нейтральная вода, часто образующаяся в результате промышленных процессов.

: Сумма всех форм жизни на Земле и взаимодействие между этими формами жизни.

: Резервуары углерода, такие как леса или океаны, которые поглощают и хранят больше углерода (депонирование углерода), чем выделяют. Поглотители углерода могут частично компенсировать выбросы парниковых газов.

: Процесс, при котором водоем обогащается растворенными питательными веществами в результате естественных или искусственных процессов. Это часто приводит к дефициту растворенного кислорода, создавая среду, которая благоприятствует жизни растений, а не животных.

: Процесс испарения, вертикального и горизонтального переноса пара, конденсации, осадков и потока воды с континентов в океаны. Это главный фактор, определяющий климат благодаря его влиянию на поверхностную растительность, облака, снег и лед, а также влажность почвы. На гидрологический цикл приходится от 25 до 30% переноса тепла в средних широтах из экваториальных регионов в полярные.

: Совокупность воды, окружающей Землю, включая все массы воды, льда и водяного пара в атмосфере.

: Период, начавшийся примерно в середине восемнадцатого века, когда люди начали использовать паровые двигатели в качестве основного источника энергии.

: Жесткая, самая верхняя часть мантии Земли, особенно внешняя кора.

: естественный или искусственный резервуар, в котором хранится определенное вещество в течение определенного периода времени

: процессы, связанные с переносом вещества из одного резервуара в другой.

См. также Кислотный дождь ; Атмосферная циркуляция ; Углеродный цикл ; Вопросы связывания углерода ; Угольные раковины ; Леса и обезлесение ; Парниковые газы ; Гидрологический цикл ; Плавка ; Циркуляция и течения океана ; Осадки ; Повышение уровня моря ; Секвестрация ; Раковина ; Водяной пар.

БИБЛИОГРАФИЯ

Книги

Рэйвен, Питер Х. и Линда Р. Берг. Окружающая среда. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley and Sons, 2006.

Веб-сайты

«Биогеохимические циклы». Совет по экологической грамотности, 30 октября 2006 г. (по состоянию на 17 октября 2007 г.).

«Глобальные биогеохимические циклы и физическая климатическая система». Университетская корпорация атмосферных исследований. (по состоянию на 17 октября 2007 г.).

Джули М. Бервальд

Биогеохимические циклы и поток энергии в земной системе

Цели обучения

В этом модуле будут рассмотрены следующие темы: 1) биогеохимический цикл, 2) естественные циклы углерода, воды и азота и 3) важные способы нарушения этих циклов деятельностью человека.

После прочтения этого модуля учащиеся должны уметь:

• объяснять концепцию биогеохимического цикла, используя термины «бассейн» и «поток»
• описывают естественные циклы углерода, воды и азота
• назовите некоторые из важных способов, которыми человеческая деятельность нарушает эти циклы

Введение

Если люди хотят жить устойчиво, им необходимо понимать процессы, которые контролируют доступность и стабильность экосистемных услуг, от которых зависит их благополучие. Главными среди этих процессов являются биогеохимические циклы, которые описывают, как химические элементы (например, азот, углерод) или молекулы (например, вода) преобразуются и сохраняются как физическими, так и биологическими компонентами земной системы. Хранение происходит в пулах, которые представляют собой количества материала, которые имеют некоторые общие характеристики и относительно однородны по своей природе, т.е. пул углерода, обнаруженный в виде двуокиси углерода (CO ₂ ) в атмосфере. Преобразования или потоки материалов из одного пула в другой в цикле описываются как потоки; например, движение воды из почвы в атмосферу в результате испарения является потоком. Физическими компонентами земной системы являются неживые факторы, такие как горные породы, полезные ископаемые, вода, климат, воздух и энергия. Биологические компоненты земной системы включают все живые организмы, т.е. растения, животные и микробы. И физические, и биологические компоненты земной системы менялись в течение геологического времени. Некоторые важные изменения включают колонизацию земли растениями (~ 400 миллионов лет назад), эволюцию млекопитающих (~ 200 миллионов лет назад), эволюцию современного человека (~ 200 тысяч лет назад) и конец последнего льда. возраст (~10 тыс. лет назад). Земная система и ее биогеохимические циклы были относительно стабильными с конца последнего ледникового периода до тех пор, пока промышленная революция восемнадцатого и девятнадцатого веков не вызвала значительный и непрерывный рост населения и активности человека. Сегодня антропогенная (человеческая) деятельность изменяет все основные экосистемы и биогеохимические циклы, которые они определяют. Многие химические элементы и молекулы имеют решающее значение для жизни на Земле, но биогеохимический круговорот углерода, воды и азота наиболее важен для благополучия человека и мира природы.

Естественный углеродный цикл

Большая часть углерода на Земле хранится в осадочных породах и не играет существенной роли в углеродном цикле во временных масштабах от десятилетий до столетий. Атмосферный пул CO ₂ меньше [содержит 800 GtC (гигатонн углерода) = 800 000 000 000 тонн], но очень важен, потому что это парниковый газ. Солнце излучает коротковолновое излучение, которое проходит через атмосферу, поглощается Землей и переизлучается в виде длинноволнового излучения. Парниковые газы в атмосфере поглощают это длинноволновое излучение, заставляя их и атмосферу нагреваться. Сохранение тепла в атмосфере увеличивает и стабилизирует среднюю температуру, делая Землю пригодной для жизни. Более четверти атмосферного CO ₂ пул ежегодно поглощается в процессе фотосинтеза растениями на суше (120 ГтС) и в море (90 ГтС). Фотосинтез — это процесс, в котором растения используют энергию солнечного света для объединения CO ₂ из атмосферы с водой для производства сахаров и, в свою очередь, для создания биомассы. В биомассе наземных растений (550 ГтС) хранится почти столько же углерода, сколько в атмосферном резервуаре CO ₂ . На суше биомасса, включенная в почву, образует относительно большой пул (2300 ГтС). В море фитопланктон, осуществляющий фотосинтез, тонет после своей смерти, перенося органический углерод в более глубокие слои, которые затем либо сохраняются в океанских отложениях, либо разлагаются в очень большой пул растворенного неорганического углерода (37 000 ГтС). Растения называют первичными продуцентами, потому что они являются основной точкой входа углерода в биосферу. Другими словами, почти все животные и микробы прямо или косвенно зависят от растений как источника углерода для энергии и роста. Все организмы, включая растения, выделяют CO ₂ в атмосферу как побочный продукт производства энергии и синтеза биомассы в процессе дыхания. Естественный углеродный цикл сбалансирован как на суше, так и в море, при дыхании растений и микробном дыхании (большая часть которого связана с разложением или гниением мертвых организмов) высвобождается такое же количество CO ₂ , которое удаляется из атмосферы посредством фотосинтеза. .

Круговорот углерода . На рисунке показан круговорот углерода на, над и под поверхностью Земли. Источник: Программа геномных исследований Министерства энергетики США .

Взаимодействие человека с углеродным циклом

Глобальный углеродный цикл вносит существенный вклад в предоставление экосистемных услуг, от которых зависят люди. Мы собираем около 25% всей растительной биомассы, которая ежегодно производится на поверхности земли, чтобы поставлять продукты питания, топливную древесину и волокно с пахотных земель, пастбищ и лесов. Кроме того, глобальный углеродный цикл играет ключевую роль в регулировании экосистемных услуг, поскольку он оказывает значительное влияние на климат посредством воздействия на атмосферный CO 9 .0372 2 концентрации. Концентрация CO ₂ в атмосфере увеличилась с 280 частей на миллион (частей на миллион) до 390 частей на миллион между началом промышленной революции в конце восемнадцатого века и 2010 годом. Это отражало новый поток в глобальном углеродном цикле — антропогенные выбросы CO2 — , люди выделяют CO ₂ в атмосферу в результате сжигания ископаемого топлива и изменения характера землепользования. Сжигание ископаемого топлива берет углерод из запасов угля, газа и нефти, где он в противном случае хранился бы в течение очень длительного времени, и вводит его в активный углеродный цикл. Изменения в землепользовании приводят к высвобождению углерода из почвенной и растительной биомассы в атмосферу, особенно в процессе обезлесения для добычи древесины или преобразования земель в сельскохозяйственные угодья. В 2009, дополнительный поток углерода в атмосферу из антропогенных источников оценивается в 9 ГтС — значительное нарушение естественного углеродного цикла, который находился в равновесии несколько тысяч лет назад. Чуть более половины этого антропогенного CO ₂ в настоящее время поглощается растениями на суше и в море в результате фотосинтеза (5 ГтС). Однако это означает, что каждый год в атмосферный бассейн добавляется 4 ГтС, и хотя общие выбросы увеличиваются, доля, поглощаемая в результате фотосинтеза и хранящаяся на суше и в океанах, снижается (Le Quere et al., 2009). ). Повышение концентрации CO ₂ в атмосфере в двадцатом веке вызвало повышение температуры и начало изменять другие аспекты глобальной окружающей среды. Глобальные экологические изменения уже привели к заметному сокращению глобального урожая некоторых культур. Прогнозируется, что масштабы и диапазон воздействия глобальных экологических изменений на природные и сельскохозяйственные экосистемы возрастут в XXI веке и создадут серьезную проблему для благосостояния людей.

Круговорот воды в природе

Подавляющее большинство воды на Земле является соленой (соленой) и хранится в океанах. Между тем, большая часть пресной воды в мире находится в виде льда, снега и грунтовых вод. Это означает, что значительная часть водного бассейна в значительной степени изолирована от круговорота воды. Основные долгосрочные запасы пресной воды включают ледяные щиты в Антарктиде и Гренландии, а также бассейны подземных вод, которые заполнялись в более влажные периоды прошлой геологической истории. Напротив, вода, хранящаяся в реках, озерах и на поверхности океана, относительно быстро циркулирует, поскольку она испаряется в атмосферу, а затем выпадает обратно на поверхность в виде осадков. Атмосферный бассейн с водой обновляется наиболее быстро, потому что он мал по сравнению с другими бассейнами (например, <15% бассейна пресноводного озера). Испарение — это процесс, при котором вода превращается из жидкости в пар в результате поглощения энергии (обычно солнечной радиации). Испарение с земли, покрытой растительностью, называется эвапотранспирацией, поскольку оно включает воду, испаряемую растениями, то есть воду, поглощаемую корнями из почвы, транспортируемую к листьям и испаряющуюся с поверхности листьев в атмосферу через устьичные поры. Осадки — это превращение атмосферной воды из пара в жидкие (дождь) или твердые формы (снег, град), которые затем выпадают на поверхность Земли. Часть воды из осадков перемещается по поверхности земли поверхностным стоком и речным стоком, в то время как другая вода из осадков проникает в почву и перемещается под поверхность в виде стока подземных вод. Водяной пар в атмосфере обычно перемещается от источника испарения ветром и движением воздушных масс. Следовательно, большая часть воды, выпадающей в виде осадков, поступает из источника испарения, расположенного с наветренной стороны. Тем не менее, местные источники испарения могут давать до 25-33% воды в осадках.

Круговорот воды. На рисунке показан круговорот воды на, над и под поверхностью Земли. Источник: Министерство внутренних дел США и Геологическая служба США, Круговорот воды .

Взаимодействие человека с круговоротом воды

Обеспечение пресной водой является одной из важнейших обеспечивающих экосистемных услуг, от которой зависит благополучие человека. К 2000 году скорость забора воды из рек и водоносных горизонтов возросла почти до 4000 кубических километров в год. Наибольшее использование этой воды для орошения в сельском хозяйстве, но значительное количество воды также извлекается для общественных и муниципальных нужд, а также для промышленных целей и производства электроэнергии. Другие крупные вмешательства человека в круговорот воды связаны с изменением растительного покрова и развитием инфраструктуры речных сетей. Поскольку мы обезлесили территории для производства древесины и развития сельского хозяйства, мы сократили количество растительности, которая естественным образом улавливает падающие осадки и замедляет скорость их проникновения в землю. В связи с этим увеличился поверхностный сток. Это, в свою очередь, означает, что пики наводнений больше, а эрозия увеличивается. Эрозия снижает качество почвы и откладывает отложения в руслах рек, где они могут блокировать судоходство и наносить вред водным растениям и животным. Там, где сельскохозяйственные земли также осушаются, эти эффекты могут усиливаться. Урбанизация также ускоряет речной сток, предотвращая попадание осадков в почву и направляя их в дренажные системы. К речным сетям была добавлена ​​дополнительная физическая инфраструктура с целью изменения объема, времени и направления потоков воды в интересах человека. Это достигается с помощью резервуаров, водосливов и отводных каналов. Например, из реки Колорадо на западе США изымается или перенаправляется так много воды, что, несмотря на ее значительные размеры, в некоторые годы она пересыхает, не доходя до моря в Мексике. Мы также используем водные пути для судоходства, отдыха, производства гидроэлектроэнергии и удаления отходов. Эти виды деятельности, особенно удаление отходов, не обязательно связаны с удалением воды, но оказывают воздействие на качество воды и сток воды, что имеет негативные последствия для физических и биологических свойств водных экосистем.

Круговорот воды является ключевым элементом экосистемной услуги по регулированию климата, а также важной вспомогательной услугой, влияющей на функционирование всех экосистем. Рассмотрите масштабные воздействия на различные природные и антропогенные системы, когда происходят сильные засухи или наводнения. Следовательно, нарушение человеком естественного круговорота воды имеет много нежелательных последствий и ставит под угрозу устойчивое развитие. Есть две основные проблемы. Во-первых, необходимость сбалансировать растущий человеческий спрос с необходимостью сделать наше водопользование устойчивым, обратив вспять ущерб экосистеме от избыточного удаления и загрязнения воды. Традиционно значительное внимание уделялось поиску и доступу к большему количеству воды, но теперь признано негативное воздействие этого подхода на окружающую среду, и повышение эффективности использования воды теперь является главной целью. Во-вторых, во многих частях мира существует потребность в безопасном водоснабжении, которое зависит от снижения загрязнения воды и улучшения водоочистных сооружений.

Цикл природного азота

Подавляющее большинство азота на Земле содержится в горных породах и играет незначительную роль в круговороте азота. Второй по величине резервуар азота находится в атмосфере. Большая часть атмосферного азота находится в форме газа N ₂ , и большинство организмов не имеют к нему доступа. Это важно, потому что азот является важным компонентом всех клеток, например, в белке, РНК и ДНК, а доступность азота часто ограничивает продуктивность сельскохозяйственных культур и естественной растительности. Атмосферный азот поступает в растения двумя способами. Некоторые микробы способны к биологической фиксации азота, благодаря чему N ₂ превращается в аммоний, форму азота, доступную растениям. Многие из этих микробов сформировали симбиотические отношения с растениями — они живут в тканях растения и используют углерод, поставляемый растением, в качестве источника энергии, а взамен делят аммиак, образующийся в результате фиксации азота. Хорошо известными примерами растений, которые делают это, являются горох и бобы. Некоторые микробы, живущие в почве, также способны фиксировать азот, но многие из них находятся в зоне, очень близкой к корням, где из растения выделяются значительные источники углерода. Вместе эти биологические процессы фиксации азота на суше в сочетании с другими процессами, происходящими в море, создают ежегодный поток из атмосферы примерно в 200 Мт N (мегатонны азота или 200 000 000 тонн азота). Молния вызывает реакцию азота и кислорода в атмосфере с образованием оксидов азота, которые падают или вымываются из атмосферы дождем и попадают в почву, но этот поток намного меньше (максимум 30 МтН в год), чем биологическая фиксация азота.

Хотя поступления азота из атмосферы в биосферу важны, большая часть (90%) азота, ежегодно используемого растениями для роста, поступает в результате аммонификации органического материала. Органический материал — это вещество, которое происходит от когда-то живых организмов. Аммонификация (или минерализация) — это выделение аммиака редуцентами (бактериями и грибами) при расщеплении сложных соединений азота в органическом материале. Растения способны поглощать (ассимилировать) этот аммиак, а также нитраты, которые становятся доступными в результате бактериальной нитрификации. Цикл включения азота в растущие ткани растений и выделения азота бактериями из разлагающихся тканей растений является доминирующей чертой круговорота азота и протекает очень эффективно. Азот может быть потерян из системы тремя основными способами. Сначала денитрифицирующие бактерии превращают нитраты в закись азота или N9.0372 2 газы, выбрасываемые обратно в атмосферу. Денитрификация происходит, когда бактерии растут в условиях обеднения кислородом, и поэтому ей благоприятствуют влажные и заболоченные почвы. Скорость денитрификации почти соответствует биологической скорости фиксации азота, при этом наибольший вклад вносят водно-болотные угодья. Во-вторых, нитраты вымываются из почвы дренажными водами (выщелачиванием) и попадают в реки и океан. В-третьих, азот также возвращается в атмосферу при горении органического материала.

Цикл азота. На рисунке показан круговорот азота на, над и под поверхностью Земли. Источник: Электронная книга по основам физической географии .

Взаимодействие человека с азотным циклом

Люди в первую очередь зависят от азотного цикла как поддерживающей экосистемной услуги для продуктивности сельскохозяйственных культур и лесов. Азотные удобрения добавляются для улучшения роста многих сельскохозяйственных культур и плантаций. Более широкое использование удобрений в сельском хозяйстве было ключевой особенностью «зеленой революции», которая повысила мировые урожаи сельскохозяйственных культур в XIX веке. 70-е годы. Промышленное производство богатых азотом удобрений значительно увеличилось с течением времени и в настоящее время составляет более половины поступления в землю от биологической фиксации азота (90 Мт N каждый год). Если учесть фиксацию азота бобовыми культурами (например, фасолью, люцерной), то антропогенный поток азота из атмосферы на сушу превышает естественные потоки на сушу. Как описано выше, большинство экосистем естественным образом сохраняют и перерабатывают почти весь свой азот. Относительно небольшое количество азота, которое поступает или теряется за счет потоков в атмосферу и круговорот воды, также почти уравновешивается. Когда люди вносят большие количества азота в экосистемы, часто возникают утечки с негативными последствиями для окружающей среды. Когда количество нитратов в почве превышает поглощение растениями, излишки нитратов либо выщелачиваются дренажными водами в ручьи, реки и океан, либо денитрифицируются бактериями и выбрасываются в атмосферу. Один из основных газов, производимых денитрифицирующими бактериями (закись азота), является важным парниковым газом, который способствует глобальному потеплению, вызванному деятельностью человека. Другие газы, выбрасываемые в атмосферу денитрифицирующими бактериями, а также аммиак, выбрасываемый домашним скотом и осадком сточных вод, позже оседают из атмосферы в экосистемы. Дополнительный азот из этого отложения, наряду с выщелачиванием азота в водные пути, вызывает эвтрофикацию. Эвтрофикация происходит, когда рост растений, а затем их гниение ускоряется из-за необычно большого количества азота, и имеет побочные эффекты, в том числе следующие: некоторые виды растений вытесняют другие виды, что приводит к утрате биоразнообразия и изменению функций экосистемы; цветение водорослей, блокирующее свет и убивающее водные растения в реках, озерах и морях; истощение запасов кислорода в воде, вызванное быстрым микробным разложением в конце цветения водорослей, что приводит к гибели многих водных организмов. Избыток нитратов в водоснабжении также связан с проблемами со здоровьем человека. Усилия по сокращению загрязнения азотом сосредоточены на повышении эффективности использования синтетических удобрений, изменении кормления животных для снижения содержания азота в их экскрементах и ​​улучшении переработки отходов животноводства и осадка сточных вод для сокращения выбросов аммиака. В то же время растущий спрос на производство продуктов питания со стороны растущего населения мира с большим аппетитом к мясу приводит к увеличению общего использования удобрений, поэтому нет гарантии, что более эффективные методы приведут к снижению общего количества загрязнения азотом.

Контрольные вопросы

В реках по всему миру содержится около 2000 кубических километров воды. Используя термины круговорот воды , поток и бассейн , опишите, при каких условиях удаление 1000 кубических километров в год из рек для нужд человека может быть устойчивым.

Ежегодно около четверти углекислого газа, содержащегося в атмосфере, превращается в растительные вещества посредством фотосинтеза. Означает ли это, что при отсутствии деятельности человека весь углекислый газ будет удален из атмосферы примерно за четыре года? Поясните свой ответ.

Циклы воды, углерода и азота зависят от деятельности человека. Можете ли вы описать человеческую деятельность, которая влияет на все три цикла? В вашем примере какой из циклов изменен наиболее существенно?

Каталожные номера

Le Quere, C. , Raupach, M.R., Canadell, J.G., Marland, G., Bopp, L., Ciais, P., et al. (2009, декабрь). Тенденции в источниках и поглотителях углекислого газа. Nature Geoscience, 2 , 831-836. дои: 10.1038/ngeo689

Оценка экосистем на пороге тысячелетия (2005 г.). Экосистемы и благополучие человека: синтез. Вашингтон. Получено с http://www.maweb.org/en/Reports.aspx

Глоссарий

Аммонификация

Выделение аммиака разлагателями при разложении сложных соединений азота в органическом материале

Антропогенный CO ₂ Выбросы

Человеческий выброс CO ₂ в атмосферу в результате сжигания ископаемого топлива и изменения характера землепользования.

Ассимиляция

Приобретение и включение питательных веществ или ресурсов растениями азот или углерод.

Биогеохимические циклы

Концепция, описывающая, как химические элементы (например, азот, углерод) или молекулы (например, вода) преобразуются и сохраняются как физическими, так и биологическими компонентами земной системы.

Биологические компоненты системы Земля

Все живые организмы, включая растения, животных и микробы.

Биологическая азотфиксация

Где микробы превращают газ N ₂ в атмосфере в аммоний, который может поглощаться растениями.

Разлагатели

Бактерии и грибы, которые разлагают гниющий органический материал, высвобождая при этом составные элементы.

Денитрифицирующие бактерии

Микробы, превращающие нитраты в закись азота или N ₂ газы, которые выбрасываются обратно в атмосферу.

Эвтрофикация

Ускоренный рост и увядание растений, вызванные загрязнением азотом.

Испарение

Процесс, при котором вода превращается из жидкости в пар в результате поглощения энергии (обычно солнечной радиации).

Эвапотранспирация

Испарение с земли, покрытой растительностью, включая воду, испаряемую растениями, а также испарение с открытой воды и почвы.

Флюсы

Преобразования или поток материалов из одного пула в другой в биогеохимическом цикле.

Парниковые газы

Газы в атмосфере Земли, поглощающие длинноволновое излучение и сохраняющие тепло.

Сброс подземных вод

Поток воды из-под земли в реки, озера или океан.

Инфильтрация

Поток воды с поверхности земли в почвы и горные породы.

Изменение землепользования

Человеческое изменение в использовании земли, т.е. вырубка лесов или урбанизация.

Выщелачивание

Потери нитратов из почвы с дренажными водами

Нитрификация

Превращение аммиака в нитраты микробами.

Фотосинтез

Процесс, в котором растения используют энергию солнечного света для объединения CO ₂ из атмосферы с водой для производства сахаров и, в свою очередь, для создания биомассы.