Федеральное агентство по рыболовству

ФГОУ  ВПО «Астраханский государственный технический университет»

Институт  рыбного хозяйства, биологии и природопользования

Кафедра гидробиологии

      и общей экологии 
 
 
 

курсовая  работа

по  дисциплине «Учение о биосфере»

      Биогеохимические  круговороты вещества и энергии как  основной механизм поддержания  организованности и  устойчивости биосферы. 

                                        Студентка группы ДБК-21

                                        Толстова Ольга  Викторовна 
 

                                        Проверил:

                                        док.биол.наук, доц.

                                        Грушко Мария Павловна 
 

                                        Старший преподаватель

                                        Юрченко Вера Витальевна 
 
 
 

                                        _______________2011 г.

Астрахань

2011

 

     Содержание

     Стр.

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

I. Превращение энергии в биосфере . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

II. Биогеохимические круговороты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1 Круговорот  воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Круговорот  кислорода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Круговорот  углерода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  11

2.4 Круговорот  азота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  13

2.5 Круговорот фосфора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.6 Круговорот  серы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

III.Факторы влияющие на круговорот веществ в природе . . . . . . . . . .  18

IV. Влияние человека на круговороты веществ в природе . . . . . . . . . .  23

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Список  используемых источников литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  29

 

      Введение 

     Главная функция биосферы заключается в  обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

     Экосистемы  – это сообщества организмов, связанные  с неорганической средой теснейшими материально – энергетическими  связями. Растения могут существовать только за счёт постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. В любом конкретном местообитании запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течении жизни организмов, так и после их смерти, в результате разложения трупов и растительных остатков. Таким образом, сообщество обретает с неорганической средой определённую систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.

     Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может  осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой. Такой термин был предложен в 1935 году английским экологом А. Тенсли, который подчёркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты, и мы не можем отделить организмы от конкретной окружающей среды. А. Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы и поверхности Земли, хотя они и не имеют определённого объёма и могут охватывать пространство любой протяжённости.

     Большинство веществ земной коры проходит через  живые организмы и вовлечено в биологический круговорот веществ, создавший биосферу и определяющий ее устойчивость. В энергетическом отношении жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком энергии от Солнца и использованием ее в процессах фотосинтеза. 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, то есть циркуляция веществ между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами (Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П., 1995).

     Цель  работы: изучить основные механизмы поддержания организации и устойчивости биосферы за счёт биогеохимических круговоротов веществ и потока энергии.

     Задачи  работы:

1. Оценить влияние потока энергии на биосферу.
2. Проанализировать основные биогеохимические круговороты.
3. Выявить основные факторы, влияющие на круговорот вещества в биосфере. 
   I. Превращение энергии в биосфере

 

     Поток солнечной энергии, воспринимаясь  молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. В процессе фотосинтеза растения используют лучистую энергию солнечного света для превращения веществ с низким содержанием энергии (СО₂ и Н₂О) в более сложные органические соединения, где часть солнечной энергии запасена в форме химических связей.

     Образованные  в процессе фотосинтеза органические вещества могут служить источником энергии для самого растения или  переходят в процессе поедания и последующего усвоения от одних организмов к другим: от растения к растительноядным животным, от них – к плотоядным и т.д. Высвобождение заключенной в органических соединениях энергии происходит в процессе дыхания или брожения. Разрушение использованных или отмерших остатков биомассы осуществляют разнообразные организмы, относящиеся к числу сапрофитов (гетеротрофные бактерии, грибы, некоторые животные и растения). Они разлагают остатки биомассы на неорганические составные части (минерализация), способствуя вовлечению в биологический круговорот соединений и химических элементов, что обеспечивает очередные циклы и продуцирования органического вещества. Однако содержащаяся в пище энергия не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию. В конечном итоге вся поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения, поэтому биосфере необходим приток энергии извне (Криксунов Е. А., 1995).

     В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входить в круговорот, энергия может быть использована только один раз.

     Односторонний приток энергии как универсальное явление природы происходит в результате действия законов термодинамики, относящимся к основам физики. Первый закон утверждает, что энергия может переходить из одной формы (например, энергия света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает.

     Второй  закон термодинамики гласит, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части. В таких превращениях определенное количество энергии рассеивается в недоступную тепловую энергию, и, следовательно, теряется. По этой причине не может быть превращений, например пищевых веществ в вещество, из которого состоит тело организма, идущих со 100-процентной эффективностью.

     Существование всех экосистем зависит от постоянного  притока энергии, которая необходима всем организмам для поддержания  их жизнедеятельности и самовоспроизведения.

     Солнце  – практически единственный источник всей энергии на Земле. Однако далеко не вся энергия солнечного излучения  может усваиваться и использоваться организмами. Лишь около половины обычного солнечного потока, падающего на зеленые растения (то есть на продуценты), поглощается фотосинтетическими элементами и лишь малая доля поглощенной энергии (от 1/100 до 1/20 части) запасается в виде биохимической энергии (энергии пищи).

     Таким образом, большая часть солнечной  энергии теряется в виде тепла на испарение. В целом поддержание жизни требует постоянного притока энергии. И где бы ни находились живые растения и животные, мы всегда найдем здесь источник их энергии (Криксунов Е. А., 1995).

 

      II. Биогеохимические круговороты 

     Химические  элементы, входящие в состав живого, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям: из внешней среды  в организмы и опять во внешнюю  среду. Для биогенной миграции свойственно  накопление химических элементов в  организмах (аккумуляция) и их высвобождение в результате минерализации отмершей биомассы (детрита). Такие пути циркуляции химических веществ (в большей или меньшей степени замкнутые), протекающие с использованием солнечной энергии через растительные и животные организмы, называют биогеохимическими круговоротами (био относится к живым организмам, а гео – к почве, воздуху, воде на земной поверхности).

     Различают круговороты газового типа с резервуарами неорганических соединений в атмосфере  или океанах (N₂, О₂, СО₂,Н₂О) и круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (Р, Са, Fе).

     Необходимые для жизни элементы и растворенные соли условно называют биогенными элементами (дающими жизнь), или питательными веществами. Среди биогенных элементов  различают две группы: макротрофные вещества и микротрофные вещества.

     Первые  охватывают элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов. Сюда относятся: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера.

     Вторые  включают в себя элементы и их соединения, также необходимые для существования живых систем, но в исключительно малых количествах. Такие вещества часто называют микроэлементами. Это железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Хотя микротрофные элементы необходимы для организмов в очень малых количествах, их недостаток может сильно ограничить продуктивность, так же как и нехватка биогенных элементов.

       Циркуляция биогенных элементов сопровождается обычно их химическими превращениями. Нитратный азот, например, может превращаться в белковый, затем переходить в мочевину, превращаться в аммиак и вновь синтезироваться в нитратную форму под влиянием микроорганизмов. В процессах денитрификации и фиксации азота принимают участие различные механизмы, как биологические, так и химические.

     Углерод, содержащийся в атмосфере в виде СО₂, является одним из исходных компонентов для фотосинтеза, а затем вместе с органическим веществом потребляется консументами. При дыхании растений и животных, а также за счет редуцентов углерод в виде СО₂ возвращается в атмосферу.

     В отличие от азота и углерода резервуар  фосфора находится в горных породах, подвергающихся эрозии и высвобождающих в экосистемы фосфаты. Большая их часть попадает в море и частично вновь может быть возвращена на сушу через морские пищевые цепи, заканчивающиеся рыбоядными птицами (образование гуано). Усвоение фосфора растениями зависит от кислотности почвенного раствора: по мере повышения кислотности практически нерастворимые в воде фосфаты превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту.

     В отличие от энергии биогенные  элементы могут использоваться неоднократно: круговорот их характерная черта. Другое отличие от энергии состоит в  том, что запасы биогенных элементов  непостоянны. Процесс связывания некоторой  их части в виде живой биомассы снижает количество, остающееся в среде экосистемы. И если бы растения и другие организмы, в конечном счете, не разлагались бы, запас биогенов исчерпался бы и жизнь на Земле прекратилась. Отсюда можно сделать вывод, что активность гетеротрофов, и в первую очередь организмов, функционирующих в детритных цепях, - решающий фактор сохранения круговорота биогенных элементов и образования продукции.