Реферат: Совместное действие температуры и влажности. Экологические системы, биоценоз, биоциклы

Экосистемы характеризуются видовым составом, численностью особей отдельных видов, их биомассой, распределением и сезон­ной динамикой. Начиная с 40—50-х гг. 20 в. развернулись исследования, позво­ляющие количественно характеризовать функциональные особенности экосистем, прежде всего цепи питания, через которые осуще­ствляется биологическая трансформация ве­щества и энергии. Количеств, выражение интенсивности и эффективности этих процессов с помощью современных методов, в ча­стности математического моделирования экологических систем,— необходимая ос­нова решения актуальных вопросов ра­ционального использования биологических ре­сурсов природы и сохранения среды оби­тания человека.

2.4. БИОЦИКЛЫ

БИОЦИКЛЫ, или жизненные области, три самых крупных подраз­деления биосферы: суша, море и внутр. водоёмы. Каждый биоцикл подразделяется на биохоры, включающие значит, число биотопов. Напр., биотопы песчаных, глинистых и каменистых пустынь объе­диняются в биохор пустынь, который имеете с биохорами лесов, степей и др. составляет биоциклы суши.

4. Большие биохимические циклы. Круговорот кислорода.

4.1. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ на земле, повторяющиеся процессы превра­щения и перемещения вещества в приро­де, имеющие более или менее выраженный циклический характер. Эти процессы имеют опре­делённое поступательное движение, т. к. при т. н. циклических превращениях в приро­де не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изме­нения в количестве и составе образующих­ся веществ. Понятие К. в. нередко трак­товалось метафизически, как движение по замкнутому кругу, что в корне оши­бочно.

Ок. 5 млрд. лет назад произошла диф­ференциация вещества Земли, разделе­ние его на ряд концентрич. оболочек, или геосфер: атмосферу, гидросферу, земную кору, гранитную, базальтовую и др. оболочки, отличающиеся друг от друга характерным химическим составом, физическими и термодинамическими свойствами. Эти оболочки в последующее геологическое вре­мя развивались в направлении дальней­шего наиболее устойчивого состояния. Между всеми геосферами в внутри каж­дой отдельной геосферы продолжался обмен веществом. Вначале наиболее су­щественную роль играл вынос вещества из недр Земли на поверхность в резуль­тате процессов выплавления легкоплавко­го вещества Земли и дегазации.

Поскольку можно судить на основании сохранившихся геологических свидетельств, эта стадия обмена была ещё очень об­ширной в архейскую эру (см. Докемб­рий). В то время имели место интенсив­ные колебательные движения в земной коре, обширные горообразовательные процессы, создавшие повсеместно склад­чатость, а также энергичная вулканическая деятельность, результатом которой яви­лись мощные слои базальтов. Широко развиты были интрузии и процессы гра­нитизации. Все эти процессы осуществля­лись в более грандиозных масштабах, чем и последующие геологии, периоды. В ар­хейскую эру на поверхность Земли вы­носились вещества в значительно боль­ших количествах и, возможно, из более глу­боких областей планеты. В дальнейшем обмен веществом между глубокими обла­стями и поверхностью Земли сократил­ся. В конце докембрия обособились более спокойные области земной коры — плат­формы и области интенсивной тектонической и магматической деятельности — геосинкли­нали. С течением времени платформы росли, а геосинклинальные области су­жались.

В современный период обмен веществом между геосферами по вертикальному направле­нию достаточно определённо может на­блюдаться в пределах 10—20 км от поверхности Земли и местами — в .50— (if) к.м. Не исключено движение вещества и из более глубоких зон Земли, однако этот процесс в наст, время уже не играет существенной роли в общем К. в. на Зем­ле. Непосредственно непрерывный К. в. наблюдается в атмосфере, гидросфере, верхней части твёрдой литосферы и в био­сфере. Со времени появления биосферы (ок. 3,5 млрд. лет назад) круговорот веществ на Земле изменился. К физико-химич. превраще­ниям прибавились биогенные процессы. Наконец, огромной геологической силой стала ныне деятельность человека. См. Зем­ля (раздел Человек и Земля).

Т. о., круговорот веществ на Земле в процессе разви­тия нашей планеты изменялся и в современный период с геологической точки зрения наиболее интенсивен па поверхности Земли. В ин­тенсивный обмен захватывается в лито­сфере, атмосфере, гидросфере и биосфе­ре единовременно лишь небольшая часть вещества этих оболочек. Наблюдаемый круговорот веществ на Земле слагается из множества разнообразных повторяющихся в основных чертах процессов превращения и переме­щения вещества. Отд. циклические процессы представляют собой последовательный ряд изменений вещества, чередующихся с временными состояниями равновесия. Как только вещество вышло из данной термодинамической системы, с которой оно находилось в равновесии, происходит его дальнейшее изменение, пока оно не возвратится частично к первоначальному состоянию. Полного возвращения к пер­воначальному состоянию никогда не про­исходит. Вместе с тем благодаря этим повторяющимся процессам на поверх­ности Земли обеспечивается известная стабильность её рельефа. Яркой иллюст­рацией этого может служить круго­ворот воды в природе (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема круговорота воды. Содер­жание воды дано в кг 1см1 в год на поверхности Земли. Испарение и выпа­дение осадков дано в г/см* в год на поверх­ность океана или континента соответ­ственно.

4.1.1. Круго­ворот воды

С поверхности океана испаряется еже­годно огромное кол-во воды, но при этом нарушается её изотопный состав: она ста­новится беднее тяжёлым водородом по сравнению с океаиической водой (в результа­те фракционирования изотопов водорода при испарении). Между поверхностным слоем воды океана и массой воды более глубоких его зон существует свой регу­лярный, установившийся обмен. Между парами воды и водой атмосферы и водоё­мов устанавливаются локальные времен­ные равновесия. Пары воды в атмосфере конденсируются, захватывая газы атмо­сферы и вулканические газы, а затем вода обрушивается на сушу. Часть воды при этом входит в химические соединения, другая в виде кристаллогидратной, сорбирован­ной и мн. др. форм связывается рыхлыми осадками земной коры, погребается вме­сте с ними и надолго оставляет основной цикл. Осадки в процессе метаморфизации и погружения в глубь Земли под влия­нием давления и высокой температуры (напр., интрузий) теряют воду, котораярая подни­мается по порам пород и появляется в виде горячих источников пли пластовых вод на поверхности Земли, или, наконец, выбрасывается с парами при вулканич. деятельности вместе с нек-рым количе­ством ювеннльных вод и газов. Другая же, основная масса воды, извлекая раст­воримые соединения из пород литосферы, разрушая их, стекает реками обратно в океан. В результате этого процесса соле­вой состав океана в геологич. времени из­меняется. Химич. элементы, образующие легкорастворимые соединения, накапли­ваются в морской воде. Труднорастворимые соединения химических элементов быстро до­стигают дна океана.

4.1.2. Круговорот кальция

Другой пример — круговорот кальция. Известняки (как и др. породы) на континенте разрушаются, и растворимые соли кальция (двууглекис­лые и др.) реками сносятся в море. Еже­годно в море сбрасывается с континента ок. 5*10⁸ м кальция. В тёплых морях углекислый кальций интенсивно потреб­ляется низшими организмами — фораминиферами, кораллами и др. — на пост­ройку своих скелетов. После гибели этих организмов их скелеты из углекислого кальция образуют осадки на дне морей. Со временем происходит их метаморфизация, в результате чего формируется порода — известняк. При регрессии мо­ря известняк обнажается, оказывается на суше и начинается процесс его разруше­ния. Но состав вновь образующегося из­вестняка несколько иной. Так, оказа­лось, что палеозойские известняки более богаты углекислым магнием и сопровож­даются доломитом, известняки же более молодые — беднее углекислым магнием, а образования пластов доломитов в современную эпоху почти не происходит. Наконец, при излиянии лавы известняки частично мо­гут быть ею ассимилированы, т. е. войти в большой круговорот веществ.

Т. о., отдельные циклические процессы, сла­гающие общий круговорот веществ на Земле, никогда не являются полностью обратимыми. Часть вещества в повторяющихся про­цессах превращения рассеивается и от­влекается в частные круговороты пли за­хватывается временными равновесиями, а другая часть, которая возвращается к прежнему состоянию, имеет уже новые признаки.

Продолжительность того пли иного цик­ла можно условно оценить по тому вре­мени, которое было бы необходимо, чтобы вся масса данного вещества могла обер­нуться один раз на Земле в том или ином процессе (см. табл. 4.1).

Табл. 4.1. — Время, достаточное для полного оборота вещества

В круговороте участвуют химические элементы и соединения, более сложные ассоциации вещества и организмы. Процессы изме­нения вещества могут носить преим. ха­рактер механического перемещения, физико-химич. превращения, ещё более сложного биологического преобразования или носить смешанный характер. Круговорот веществ, как и отдельные цикличные процессы на Земле, поддержи­ваются притекающей к ним энергией. Её основными источниками являются солнечная радиация, энергия положения (гравитаци­онная) и радиогенное тепло Земли, когда-то имевшее исключит, значение в происходивших на Земле процессах. Энергия, возникшая при химических и других реакциях, имеет второстепенное значение. Для отдельных частных круговоротов вещества можно оценить затраченную энергию; напр., для ежегодного испаре­ния масс воды с поверхности океана рас­ходуется около 10,5*10²³ дж (2,5*10²³ кал), или 10% от всей получаемой Землёй энергии Солнца.

Классификация круговорота веществ на Земле ещё не разработана. Можно говорить, например, о круговоротах отдельных хнмических элемен­тов или о биологическом круговороте веществ в биосфере; можно выделить круговорот газов атмо­сферы или воды, твёрдых веществ в лито­сфере и, наконец, круговорот веществ в пределах 2—3 смежных геосфер. Изучением круговорота веществ занимались многие русские учёные. В. И. Вер­надский выделил геохимическую группу т, н. циклических химических элементов; к ним относят практически все широко распро­странённые и многие редкие хнмические элементы, например углерод, кислород, азот, фосфор, серу, кальций, хлор, медь, железо, йод. В. Р. Вильяме и мн. др. рассматривали биологические циклы азота, углекислоты, фос­фора и др. в связи с изучением плодоро­дия почв. Из циклич. хнмич. элементов особенно важную роль в биогенном цик­ле (см. Биогеохимия) играют углерод, азот, фосфор, сера.

4.1.3. Углерод.

Углерод — основной биогенный эле­мент; он играет важнейшую роль в обра­зовании живого вещества биосферы. Углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелёными растениями, ассимилируется и превра­щается в разнообразные и многочисленные органические соединения растений. Растительные, организмы, особенно низшие микроорга­низмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения продуцируют в год ок. 1,5*10¹¹ т углерода в виде органической массы, что соот­ветствует 5,8б*10²⁰ дж (1,4-10²⁰ кал) энергии. Растения частично поедаются животными (при этом образуются б. или м. сложные пищевые цепи). В конечном счёте органическое вещество в результате ды­хания организмов, разложения их тру­пов, процессов брожения, гниения и горе­ния превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают на­чало мн. др. каустобиолитам — камен­ным углям, нефти, горючим газам (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема круговорота углерода. Содержание углерода дано в г/см² поверхности Земли. Обмен углеро­да дан в f (l*10^-6 г ) на 1 см² по­верхности Земли в год.

В процессах распада органических веществ, их минерализации огромную роль играют бактерии (напр., гнилостные), а также мн. грибы (напр., плесневые).

В активном круговороте углерода уча­ствует очень небольшая часть всей его мас­сы (табл. 4.2).

Табл. 2.— Содержание углерода

на поверхности 3 е м л и и в земной коре (16 км мощности).

Огромное кол-во угольной к-ты законсервировано в виде ископае­мых известняков и др. пород. Между углекислым газом атмосферы и водой океана, в свою очередь, существует подвижное равновесие.

Многие водные организмы поглощают углекислый кальций, создают свои ске­леты, а затем из них образуются пласты известняков. Из атмосферы было извле­чено и захоронено в десятки тысяч раз больше углекислого газа, чем в ней нахо­дится в данный момент. Атмосфера по­полняется углекислым газом благодаря процессам разложения органических вещества, карбонатов и др., а также, всё в большей мере, в результате индустриальной дея­тельности человека. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из углекислого га­за и паров воды. Некоторая часть углекис­лого газа и воды, извергаемых вулка­нами, возрождается из осадочных пород, в частности известняков, при контакте магмы с ними и их ассимиляции магмой. В процессе круговорота углерода про­исходит неоднократное фракционирова­ние его по изотопному составу (12С — 13С), особенно в магматогенном процессе (образование СО₂ , алмазов, карбонатов), при биогенном образовании органические вещества (угля, нефти, тканей организ­мов и др.).

4.1.4. Круговорот азота

Источником азота на Земле был вулканогенный NH₃ , окисленный О₂ (про­цесс окисления азота сопровождается на­рушением его изотопного состава—UN — 15N). Основная масса азота на поверх­ности Земли находится в виде газа (N2) в атмосфере. Известны два пути его во­влечения в биогенный круговорот (рис. 4.3):

Рис. 4.3. Схема круговорота азота.

1) процессы электрического (в тихом раз­ряде) и фотохимического окисления азота воздуха, дающие разные окислы азота (NO₂ , NO₃ и др.), которые растворяются в дождевой воде и вносятся т. о. в почвы, воду океана; 2) биологич. фиксация N₂ клубеньковыми бактериями, свободными азотфиксаторами и др. микроорганизмами. Первый путь даёт около 30 мг NО₃ на 1 м² поверхности Земли в год, второй—около 100 мг NO₃ на 1 м² в год. Значение азота в обмене ве­ществ организмов общеизвестно. Он вхо­дит в состав белков и их разнообразных производных. Остатки организмов на поверхности Земли или погребённые в толще пород подвергаются разрушению при участии многочисленных микроорганизмов. В этих процессах органический азот под­вергается различным превращениям. В результате процесса денитрификации при участии бактерий образуется элемен­тарный азот, возвращающийся непосред­ственно в атмосферу. Так, например, наблю­даются подземные газовые струи, состоя­щие почти из чистого N₂ . Биогенный ха­рактер этих струй доказывается отсутст­вием в их составе аргона (⁴⁰ Ar), обычного в атмосфере. При разложении белков образуются также аммиак и его произ­водные, попадающие затем в воздух и в воду океана. В биосфере в результате нитрификации — окисления аммиака и др. азотсодержащих органич. Соединений при участии Nitrosomonas и нитробактерий – образуются различные окислы азота.

4.1 .5. Круговорот кислорода.

В круговороте кислорода отчетливо выражены активная геохимическая деятельность живого вещества, его первостепенная роль в этом процессе. Биологический цикл кислорода является планетарным процессом, который связывает атмосферу и гидросферу с земной корой. Ключевые звенья этого круговорота: образование свободного кислорода при фотосинтезе в зеленых растениях, потребление его для осуществления дыхательных функций всеми живыми организмами, для реакций окисления органических остатков и неорганических веществ (например: сжигания топлива) и другие химические преобразования, ведущие к образованию таких окисленных соединений как диоксид углерода и вода, и последующему вовлечению их в новый цикл фотосинтетических превращений.