Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное бюджетное учреждение

Высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Саровский физико-технический институт 

  

 

  Реферат поэкологии: 

 «Биотический круговорот веществ» 

  

  

Студент группы ТМ 48- В

О.Филиппова

Преподаватель:

И.А. Родина 
 

                                                   Саров - 2011

Содержание. 
1. Введение.

2. Биотический круговорот. 
3. Круговорот воды. 
4. Круговорот углерода. 
5. Круговорот кислорода.

6. Круговорот азота.

7. Круговорот фосфора.

8. Круговорот серы. 
9. Заключение. 
10. Список литературы. 
 
 
 
 
 
 

Введение. 
Одно из замечательных  открытий геохимии заключается в установлении того, что движение многих химических элементов осуществляется в виде круговых процессов - круговоротов. Именно эти элементы слагают земную кору, жидкую и газовую оболочки нашей планеты. Их круговороты могут происходить на ограниченном пространстве  и на протяжении небольших отрезков времени, а может охватывать всю наружную  часть планеты и огромные периоды. При этом малые круговороты  входят в более крупные, которые в своей совокупности складываются в колоссальные биогеохимические круговороты. Они тесно связаны с окружающей средой.

  В биосфере, как и в каждой экосистеме, постоянно осуществляется круговорот углерода, азота, кислорода, фосфора, серы и других химических элементов. Энергия поступает в экосистемы во время фотосинтеза, а рассеивается главным образом в виде тепла, когда организмы используют ее для своей жизнедеятельности. Вследствие непрерывно происходящих потерь энергии необходимо, чтобы она столь же непрерывно поступала в экосистемы в виде энергии солнечного света. В отличие от этого вода и элементы питания совершают непрерывный круговорот.

  Энергия протекает через биосферу,  происходит непрекращающийся обмен энергией  между  Землей  и  космосом. Однако веществом Земля и космос  не  обмениваются.  Различают  два   круговорота - большой, или геологический и малый  (биологический). Причем только малый круговорот совершается в  пределах  биосферы. Очень важным элементом круговорота является живое вещество, а "мотором", который "раскручивает колесо круговорота",  является  энергия Солнца.

 Никогда новый  цикл круговорота не является  точным повторением старого, но  обязательно имеет что-то новое  пусть и очень  малозаметное. Эти различия, постепенно накапливаясь  с каждым новым  циклом, приводят  к заметным изменениям. Таким   образом  и происходит развитие биосферы.

Биотические круговороты.

Устойчивое функционирование экосистем и выполнение ими разнообразных  функций возможно только при условии  соблюдения закона постоянства вещества и энергии, который реализуется в биотических круговоротах. Глобальные циклы миграции химических элементов в биосфере связывают наружные оболочки нашей планеты (атмосферу, гидросферу и литосферу) в единое целое, обеспечивая, с одной стороны, ее устойчивость, а с другой - непрерывную эволюцию ее состава.

   К. Бэр установил закон бережливости. Вернадский очень образно формулирует этот закон. Закон бережливости: атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, захваченные единичным жизненным вихрем, с трудом возвращаются, а может быть, и не возвращаются назад, в косную материю биосферы.

  Благодаря "закону бережливости" можно говорить об атомах, остающихся в пределах живой материи в течение геологических периодов, все время находящихся в движении и миграции, но не выходящих назад в косную материю. Иными словами, основу функционирования живого вещества составляет биотический круговорот веществ. Биотический круговорот обеспечивается взаимодействием трех основных групп организмов: 1) продуцентов - зеленых растений, осуществляющих фотосинтез, и бактерий, способных к хемосинтезу; они создают первичное органическое вещество; 2) консументов, потребляющих органическое вещество; это растительноядные и хищные животные; 3) редуцентов, разлагающих мертвое органическое вещество до минерального; это в основном бактерии, грибы и простейшие животные .

  На восходящей ветви биотического круговорота, основанного на выполнении энергетической функции зелеными растениями, происходит накопление солнечной энергии в виде органических веществ, синтезируемых растениями из неорганических соединений - углекислого газа, воды, азота, зольных элементов питания. Нисходящая ветвь биотического круговорота связана с потерями органического вещества. Важнейший процесс - дыхание растений, при котором до половины ассимилированного при фотосинтезе органического вещества окисляется до СО2 и возвращается в атмосферу. Второй существенный процесс расходования органического вещества и накопленной в нем энергии - это потребление растений животными. Запасаемая с пищей энергия также в значительной мере расходуется на дыхание, жизнедеятельность, размножение, выделяется с экскрементами.

  Таким образом, биотический круговорот представляет собой непрерывный процесс создания и деструкции (разрушения) органического вещества. Он реализуется при участии представителей всех трех групп организмов: без продуцентов невозможна жизнь, поскольку лишь они производят основу жизни - первичное органическое вещество; консументы разных порядков, потребляя первичную и вторичную продукцию и переводя органическое вещество из одной формы в другую, способствуют возрастанию многообразия форм жизни на Земле; наконец, редуценты, разлагая органическое вещество до минерального, возвращают его к началу круговорота.

  В биотическом круговороте помимо образующих органическое вещество элементов (кислород, углерод, водород) принимают участие большое число биологически важных элементов (азот, кальций, натрий, калий, кремний, фосфор, сера), а также микроэлементы (бром, йод, молибден, медь, магний, свинец, кобальт, никель). Список элементов, поглощающихся живым веществом, можно значительно расширить, причем в него входят даже ядовитые элементы (ртуть, селен, мышьяк) и радиоактивные. Глобальные циклы миграции химических элементов не только связывают три наружные оболочки нашей планеты в единое целое, но и обусловливают непрерывную эволюцию ее состава.

  Отметив циклический характер массоэнергообмена, ответим на вопрос о скорости круговорота различных веществ в биосфере. Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет. В океане циркуляция идет во много раз быстрее: вся масса живого вещества обновляется за 33 дня, а масса фитопланктона - каждый день. В атмосфере смена кислорода происходит за 2000 лет, углекислого газа - за 6,3 года. Процесс полной смены вод в гидросфере осуществляется за 2800 лет, а время, необходимое для фотосинтетического разложения всей массы воды, исчисляется 5-6 млн. лет. 

Модель биотического круговорота веществ

 

 
 
 

Первичный биотический  круговорот по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994) состоял из примитивных одноклеточных продуцентов и редуцентов-деструкторов. Микроорганизмы способны быстро размножаться и приспосабливаться к разным условиям, например, использовать в своем питании всевозможные субстраты — источники углерода. Высшие организмы такими способностями не обладают. В целостных экосистемах они могут существовать в виде надстройки на фундаменте микроорганизмов.

  Вначале развиваются многоклеточные растения — высшие продуценты. Вместе с одноклеточными они создают в процессе фотосинтеза органическое вещество, используя энергию солнечного излучения.

В дальнейшем подключаются первичные консументы — растительноядные животные, а затем и плотоядные консументы.

Все организмы занимают определенное место в биотическом  круговороте и выполняют свои функции по трансформации достающихся  им ветвей потока энергии и по передаче биомассы.

Всех объединяет, обезличивает их вещества и замыкает общий круг система одноклеточных  редуцентов (деструкторов). В абиотическую среду биосферы они возвращают все элементы, необходимые для новых и новых оборотов.

Следует подчеркнуть  наиболее важные особенности биотического круговорота. Фотосинтез относится к мощному естественному процессу, вовлекающему ежегодно в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющему ее высокий кислородный потенциал. Он выступает регулятором основных геохимических процессов в биосфере и фактором, определяющим наличие свободной энергии верхних оболочек земного шара. Фотосинтез представляет собой химическую реакцию, которая протекает, как известно, за счет солнечной энергии при участии хлорофилла зеленых растений.

  За счет углекислоты и воды синтезируется органическое вещество и выделяется свободный кислород. Прямыми продуктами фотосинтеза являются различные органические соединения, а в целом процесс фотосинтеза носит довольно сложный характер.Глюкоза является простейшим продуктом фотосинтеза. Помимо фотосинтеза с участием кислорода (так называемый кислородный фотосинтез) следует остановиться и на бескислородном фотосинтезе, или хемосинтезе . К хемосинтезирующим организмам относятся нитрификаторы, карбоксидобактерии, серобактерии, тионовые железобактерии, водородные бактерии. Они называются так по субстратам окисления, которыми могут быть NH3, NO2, CO, H2S, S, Fe2+, H2. Некоторые виды — облигатные хемолитоавтотрофы, другие — факультативные. К последним относятся карбоксидобактерии и водородные бактерии. Хемосинтез характерен для глубоководных гидротермальных источников.

  Деятельность живых организмов сопровождается извлечением из окружающей их неживой природы больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный круговорот веществ в природе, т.е. циркуляция веществ между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами.

Круговорот  воды.

 

            

Вода находится  в постоянном движении. Испаряясь  с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере  и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы - это  и есть круговорот воды в природе. Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для  нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так  как большинство используемых человеком  источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно  говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути. Либо она, собираясь в  ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод.

Поверхностные и  грунтовые воды и составляют два  основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны  и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника  питьевой воды.

Круговорот воды является одним из грандиозных процессов  на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает  малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности  океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков  на поверхность океана образуют малый  круговорот. Если же водяной пар  переносится воздушными течениями  на сушу, круговорот становится значительно  сложнее. В этом случае часть осадков  испаряется и поступает обратно  в атмосферу, другая - питает реки и  водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным  стоком, завершая тем самым большой  круговорот. Важное свойство круговорота  воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает  воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные  воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани  растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые  для жизнедеятельности самих  растений.

Наиболее замедленной  частью круговорота воды является деятельность полярных ледников, что отражают медленное  движение и скорейшее таяние ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в  среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно  быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.  

Круговорот  углерода. Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.

Миграция углекислого  газа в биосфере Земли протекает  двумя путями. Первый путь заключается  в поглощении его в процессе фотосинтеза  с образованием органических веществ  и в последующем захоронении  их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далекие  геологические эпохи сотни миллионов  лет назад значительная часть  фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития цивилизации.