Биотическая регуляция окружающей среды.

 

Поток энергии в биосфере. Правило 1 %. Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии – 2,5 1024 Дж/год. Только 0,3% ее преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ и 0,1% оказывается заключенной в чистой первичной продукции. В соответствии с законом пирамиды или правилом 10% Линдемана (1942) с каждой ступени на последующую приблизительно 10% энергии. Чем больше таких ступеней, тем меньшая доля энергии достается конечному потребителю. Участие разных групп организмов в деструкции органики имеет похожую градацию: около 90% энергии чистой первичной продукции освобождают микроорганизмы, менее 10% – беспозвоночные животные и менее 1% позвоночные – конечные консументы.

Правило 1%: для биосферы в целом доля возможного конечного потребления чистой первичной продукции в энергетическом выражении не превышает одного процента

Поток солнечной энергии образует глобальные физические круговороты воздуха и воды на Земле. Движение воздушных масс обуславливает аэрогенную миграцию веществ, в первую очередь паров воды и пылевых частиц, аэрозолей. Под действием солнечной радиации в атмосфере происходят различные фотохимические реакции – фотолиз воды, образование озона, образование углеводородных смогов и др.

Круговорот воды определяет г идрогенную миграцию веществ, которая состоит из множества процессов. Только вода может находиться в природе в трех фазовых состояниях: твердом, жидком и газообразном. Фазовые переходы воды – ее замерзание, таяние, конденсация водяных паров и испарение, связаны с количеством поступающей в различные районы Земли в различные сезоны года солнечной энергии.

Круговорот воды обеспечивает взаимосвязь всех элементов гидросферы: испарение, конденсация, образование облаков, выпадение из них осадков, поверхностный и подземный сток. В глобальный круговорот воды в природе вовлечено около 577 тыс. км³, что составляет 0,04% от всех ее запасов на Земле. С поверхности океана испаряется 505 тысяч км³, суши – 72 тыс. км³, выпадает в виде атмосферных осадков на поверхность океана - 458 тыс.км³, суши – 119 тысяч км³ в год. Разность между осадками и испарением с поверхности океана, равная 47 тыс. км³, представляет собой объем воды, который в виде речного стока поступает в Мировой океан (Г.Уайт, 1990).

Круговорот воды объединяет все водные ресурсы планеты, которые находятся в океане, атмосфере, биосфере, земной коре, обеспечивая таким образом единство всех природных вод Земли. Большой круговорот воды состоит из трех составляющих: океанического, атмосферного и материкового. Материковый круговорот включает литогенное, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйственное звенья, каждое из них отличается определенной скоростью водообмена, специфической структурой всех своих частей.

Наиболее активный водообмен отмечается в реках и атмосфере, очень медленный круговорот воды происходит в ледниках, при формировании подземных вод. Биологическое и почвенное звенья круговорота воды обеспечивают жизнь и сельское хозяйство, именно эти звенья подвергаются наибольшему преобразованию при создании водохранилищ, прудов, проведении ирригационных мероприятий. Эти мероприятия проводят с целью искусственного замедления круговорота воды для гарантии устойчивого водообеспечения народного хозяйства и населения.

Таким образом, кроме физических круговоротов воды и воздуха, вызываемых потоком солнечной энергии, в них вовлечены круговороты химических элементов. В значительной части этих процессов участвуют живые организмы.

Биотический круговорот. В круговорот биогенных элементов вовлечены важные для биоты минеральное элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленной биотой, называют биогеохимическим круговоротом. Круговорот полностью замкнут. Главным участником биотического круговорота является углерод, как основа органических веществ. Схема глобального круговорота углерода на рис. Масса углерода в биосфере а настоящее время составляет 4 000 Гт. Из них 1000 Гт приходятся на биомассу. Ежегодная продукция биосферы по углероду составляет 90… 100 Гт. Такое же количество углерода освобождается в процессах дыхания и деструкции. Период обновления биомассы биосферы по углероду составляет 10 лет. Несмотря на то, что фотосинтез и деструкция органики проходят множество промежуточных этапов и связаны с деятельностью колоссального числа различных организмов и экосистем, их равенство в биосфере поддерживается с высокой точностью.

Современный газовый состав атмосферы оставался неизменным по меньшей мере 10 ⁴ лет.

Круговорот азота. Азот входит в структуру белков, является лимитирующим биогенным элементом. Колоссальный резерв свободного молекулярного азота в атмосфере лишь в ничтожной степени используется в биотическом круговороте. Соотношение связанного и свободного азота 1:100 000. энергия химической связи в молекуле азота очень велика, поэтому азотфиксация требует больших затрат энергии; в присутствии катализаторов при температуре 500⁰ С и давлении 300 атм.

В биосфере фиксация азота осуществляется анаэробными и цианобактериями благодаря высокой эффективности биокатализатора. Считается, что бактерии переводят в связанную форму около 1 млрд т азота в год. Продукт азотфиксации аминогруппа включается в круговорот, являясь основой азотного питания растений.

Круговорот азота в природе сопряжен с круговоротом углерода. Он замкнут настолько, насколько постоянны общая биомасса и состав экосферы, т.к. доступные для биоты резервы азота в почве и в воде достаточно велики.

Круговорот кислорода. В отличие от углерода и азота доступного для биоты кислорода много, отсутствует дефицит. Биотический круговорот кислорода 250 Гт/год, а общее количество в пределах биосферы 1014 т. Кислород – первый по распространенности элемент. Однако для водных организмов необходим кислород, растворенный в воде, его среднее содержание в фотическом слое гидросферы 4,5 мг/л, что на грани выживания биоты. Некоторый дефицит кислорода возникает только в высокогорье, в зонах интенсивного потребления и в искусственных резервациях.

С круговоротом кислорода тесно связано образование озона. В высоких слоях атмосферы под влиянием жесткого ультрафиолетового излучения происходит ионизация и диссоциация части молекул кислорода, образуется атомарный кислород, который немедленно присоединяется к радикалам кислорода, образуя озон. На образование озона тратится 5% поступающей к Земле солнечной энергии. Реакции легко обратимы.

Поглощая при своем образовании значительную часть жестких ультрафиолетовых лучей слой озона играет роль защитного экрана для всей биосферы, т.к. многие молекулярные структуры живых организмов разрушаются под действием жесткого ультрафиолета.

Круговорот фосфора. Фосфор, как и азот, относится к лимитирующим биогенам, но цикл фосфора существенно разомкнут, так как значительная часть континентального стока фосфатов остается в океанических осадках. Эта разомкнутость существенно усилена антропогенным вмешательством.

Такие же отношения наблюдаются в глобальном круговороте серы и других минеральных элементов, природные резервы которых велики, но относительно мало доступны биоте.

 

Эволюция биосферы

 

Эволюция биосферы состоит из добиотической фазы, в ходе которой химическая эволюция подготовила возникновение жизни.

Добиотическая эволюция.

1.Образование планеты и ее атмосферы (4,5 млрд лет назад). Первичная атмосфера имела высокую температуру, была резко восстановительной и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы, возможно, оксид углерода, цианистый водород, формальдегид и др.

2.Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере за счет ее постепенного остывания и энергии солнечного излучения. Появляется жидкая вода, формируется гидросфера, круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции. Благодаря автокатализу происходит образование и рост молекул.

3. Образование органических соединений в процессах конденсации и полимеризации простых соединений углерода, кислорода, азота, водорода за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетических импульсов. Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах в результате фотохимических реакций и образование макроэргических соединений.

4.Возникновение круговорота органических соединений углерода, включающего реакции аккумуляции солнечной энергии и окислительно-восстановительные реакции – зародыш биотического круговорота биосферы. Дальнейшее усложнение органических веществ и появление устойчивых комплексов макромолекул, обладающих способностью к редупликации, возникновению молекулярных систем самовоспроизведения.

Биотическая эволюция

5. Возникновение жизни (3,5 млрд лет назад). Структуризация белков, нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к делению – сперва хемотрофных прокариот и первичных клеток, затем эукариот. Возникает биотический круговорот и формируются биосферные функции живых веществ.

6. развитие фотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды: биопродукция кислорода обуславливает постепенный переход к окислительной атмосфере. Ускоряется биогенная миграция элементов. Появление многоклеточных организмов, наземных растений и животных приводит к дальнейшему усложнению биотического круговорота. Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофической организации. Достигается высокая степень замкнутости биотического круговорота.

7.Увеличение биологического разнообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и биосферы в целом. Организмами заняты все экологические ниши на планете. Полностью сформировалась средообразующая функция биосферы и биологический контроль ее гомеостаза. Преобразование среды вследствие деятельности организмов оказывает обратное действие на биоту и уравновешивается ее средорегулирующей функцией.

8. Появление человека – лидера эволюции. Возникновение и развитие человеческого общества, вовлечение в техногенез непропорционально больших (по мерам биосферы) потоков вещества и энергии нарушает замкнутость биотического круговорота, вызывает антропогенные экологические кризисы и становится негативным фактором эволюции.