Общая экология

     Круговорот  азота

     Азот  – один из главных биогенных элементов. Основным резервуаром газообразного  азота служит атмосфера (78% объема воздуха).

     Однако  в отличие от углекислого газа круговорот азота связан с рядом  особенностей. Во-первых, усваивать  азот из воздуха могут только отдельные  виды так называемых азотфиксирующих  организмов – некоторые сине-зеленые  водоросли и симбиотические бактерии бобовых растений. Во-вторых, являясь  химически весьма инертным, азот не принимает непосредственного участия, как углерод, в высвобождении  энергии при дыхании, он только входит в состав белков и нуклеиновых  кислот. В-третьих, разложение азотсодержащих веществ с выделением газообразного  азота осуществляется, как правило, в несколько стадий с помощью  целого ряда специализированных микроорганизмов. В связи с этим большая часть  биохимических превращений происходит в почве, где доступность азота  растениям облегчается растворимостью его неорганических соединений.

     Содержание  азота в тканях живых организмов около 3%. В окружающую среду органический азот попадает в виде аминогруппы NH2 или мочевины CO(NH2)2. Процессы аммонификации  и нитрификации происходят при участии  специализированных бактерий. При недостатке кислорода в почве бактерии могут  использовать кислород нитратов и нитритов. В процессе денитрификации азот переводиться в газообразное состояние и частично фиксируется клубеньковыми растениями, а остальная часть удаляется  из активных фондов почвы и попадает в виде свободного азота в атмосферу.

     В естественных условиях процессы связывания и освобождения азота уравновешивают друг друга. Искусственное внесение азота с удобрениями достигло 30 млн. т. в год и сравнялось с  естественным потоком азота в  биосфере, что привело к избытку  азота в некоторых почвах и  водоемах. Однако глобального нарушения  круговорота азота пока не произошло.

     Круговорот  фосфора

     К круговоротам основных химических элементов, имеющих газовую фазу, примыкают  так называемые осадочные круговороты. Минеральный фосфор – редкий элемент  в биосфере, его содержание в земной коре не превышает 1%.

     Основным  источником фосфора служат изверженные  и осадочные породы.

     Неорганический  фосфор из пород земной коры вовлекается  в циркуляцию при их выщелачивании  и растворении в континентальных  водах. На суше неорганический фосфор поглощается растениями и переводится  в состав живого вещества растений и потребляющих растения животных. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и экскрементами животных возвращаются в землю, подвергаются переработке микроорганизмами и снова включаются в круговорот

     Фосфор  доступен растениям только в узком  диапазоне кислотности – в  слабокислой среде, при другой кислотности  он переходит в нерастворимые  соединения, и становиться недоступным  для них.

     С текучими водами фосфор поступает в  водоемы в виде фосфатов. Если на суше его круговорот происходит в  сравнительно благоприятных условиях, то в водоемах дело обстоит сложнее. Отмершие организмы накапливаются  в донных отложениях. Разложение органики вблизи дна замедлено вследствие недостаточного притока кислорода. Минерализованный фосфор образует нерастворимые  соединения с трехвалентным железом, кальцием и прочно удерживается в  осадке. Происходит обеднение фосфором верхних слоев воды. Это обстоятельство ограничивает развитие водной растительности.

     Во  многих водоемах возврат фосфора  из донных отложений происходит в  основном только при сезонном перемещении  вод. В мелких водоемах важную роль в поддержании круговорота фосфора  играет его анаэробный возврат –  в этом случае в водоеме создаются  восстановительные условия. При  этом железо переходит в растворимую  двухвалентную форму с одновременным  высвобождением растворимых фосфатов. Фосфаты возвращаются в верхние  слои воды с пузырьками метана, сероводорода и при перемешивании вод. Анаэробный возврат фосфора в жаркое время  нередко бывает причиной массового  «цветения» водоемов.

     Круговорот  воды

     Роль  воды в происходящих в биосфере процессах  огромна. Без воды невозможен обмен  веществ в живых организмах. С  появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так  как к простому явлению физиологического испарения добавился более сложный  процесс биологического испарения (транспирация), связанный с жизнедеятельностью растений и животных.

       Кратко круговорот воды в природе можно описать следующим образом. Вода поступает на поверхность Земли в виде осадков, которые образуются главным образом из водяного пара, попадающего в атмосферу в результате физического испарения и испарения воды растениями. Одна часть этой воды испаряется прямо с поверхности водных объектов или косвенно, при посредстве растений и животных, а другая питает подземные воды.

     Поток воды в гидрологическом цикле  определяется испарением, а не осадками. Способность атмосферы удерживать водяной пар ограниченна. Увеличение скорости испарения ведет к соответствующему увеличению осадков. Вода, содержащаяся в воздухе в виде пара в любой  момент, соответствует в среднем  слою толщиной 2,5 см., равномерно распределенному  по поверхности Земли. Количество осадков, выпадающих в год, составляет в среднем 65 см. Следовательно, водяные пары атмосферного фронта ежегодно совершают круговорот примерно 25 раз (раз в две недели). 
Содержание воды в водных объектах и почве в сотни раз больше, чем в атмосфере, однако она протекает через два первых фонда с одинаковой скоростью. Среднее время переноса воды в ее жидкой фазе по поверхности Земли около 3650 лет, в 10000 раз больше, чем время ее переноса в атмосфере. Человек в процессе хозяйственной деятельности оказывает сильное воздействие на основу гидрологического цикла – испарение воды.

     Глобальные  круговороты жизненно важных биогенных  элементов распадаются в биосфере на множество мелких круговоротов, приуроченных к локальным местам обитания различных биологических  сообществ. Они могут быть более  или менее сложными и в разной степени чувствительными к различного рода внешним воздействия. Но природа  распорядилась так, что в естественных условиях эти биохимические круговороты  являются «образцовыми безотходными технологиями». Цикличность охватывает 98-99% биогенных  элементов и лишь 1-2% уходит даже не в отходы, а в геологический запас.

     Потоки  энергии и вещества в экосистемах

     Поток энергии - переход энергии в виде химических связей органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более  высокому).

     Строгое измерение циркулирующего в экосистеме вещества можно получить, учитывая круговорот отдельных химических элементов, прежде всего тех, которые являются основным строительным материалом для  цитоплазмы растительных и животных клеток.

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

     Односторонний приток энергии как универсальное  явление природы происходит в  результате действия законов термодинамики:

     1. 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;

     2. второй закон 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, их которого состоит тело организма, идущих со 100% эффективностью.

     Существование всех экосистем зависит от постоянного  притока энергии, которая необходима всем организмам для поддержания  их жизнедеятельности и самовоспроизведения. Практически единственным источником всей энергии на Земле является Солнце. Однако далеко не вся его энергия  может усваиваться и использоваться организмами. Как отмечалось выше, лишь небольшая часть солнечной энергии  участвует в реакциях фотосинтеза  и лишь малая часть поглощенной  при этом 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.

     Скорость  потока энергии - количество энергии, выраженное в энергетических единицах, перешедшее с одного трофического уровня на другой в единицу времени.

     Пищевая цепь - основной канал переноса энергии  в сообществе. По мере удаления от первичного продуцента скорость потока энергии  резко ослабевает, ее количество уменьшается. Это объясняется рядом причин:

     1. Перенос энергии с одного уровня  на другой никогда не бывает  полным, так как не вся энергия,  содержащаяся в любом виде  пищи бывает, доступна хищнику.  Усвоенная из пищи часть энергии  продуцентов расходуется им частично  на построение своего органического  вещества, частично - на движение, дыхание,  теплоотдачу; часть энергии теряется  в виде экскрементов и выделений,  а затем разлагается деструкторами.

     2. Устойчивые взаимосвязи между  хищниками и жертвами не позволяют  первым полностью выедать популяции,  за счет которых они существуют. По этой причине эффективность  переноса энергии от жертвы  к хищнику ослаблена выработанной  в процессе эволюции тактикой  избегания хищника.

     3. Не вся энергия, полученная  с пищей, переходит в биомассу, то есть не вся используется  на построение тела организма.  Часть ее теряется в виде  тепла в процессе дыхания. Это  объясняется тем, что ни у  одного из процессов преобразования  энергии КПД не равен 1 (в  соответствии со вторым законом  термодинамики), а также тем, что  любое животное, перемещаясь, охотясь,  строя гнездо или производя  иные действия, совершает работу, которая требует затрат энергии,  в результате чего опять происходит  выделение тепла.

     В соответствии со вторым законом термодинамики  процесс непрерывной передачи энергии  по трофической цепи сопровождается ее рассеиванием, потерями, ростом энтропии, компенсируемым постоянным поступлением солнечной энергии (для сравнения: 1 г сухого органического вещества растений содержит 18,7 кДж энергии).

     Падение количества энергии при переходе с одного трофического уровня на другой (более высокий) определяет число  этих уровней и соотношение хищников и жертв. Подсчитано, что на любой  данный трофический уровень поступает  лишь около 10% (или чуть более) энергии  предыдущего уровня. Поэтому общее  число трофических уровней редко  превышает три- четыре.

4. Биосфера, техносфера, ноосфера.

     Жизнедеятельность человека осуществляется в системе "человек - среда обитания". Часть природы, которая окружает живой организм, и с которой он непосредственно взаимодействует, можно назвать природной средой обитания.

     Система - совокупность функционально взаимосвязанных элементов, деятельность которых направлена на выполнение общей задачи. Несмотря на разнородность элементов по структуре и принципам функционирования, системная организация имеет много универсального, что позволяет изучать ее и устанавливать общие законы деятельности. Для системы "человек - среда обитания" характерно наличие определенных зависимостей.

1. Человек и среда обитания неразрывны и постоянны.
2. Среда обитания динамична по своему состоянию, и ее благополучие временное, до начала проявления опасного фактора.
3. Среда обитания всегда имеет опасные для человека факторы (аксиома БЖД).
4. Безопасность человека в среде обитания во многом определяется состоянием организма человека, уровнем информированности и адекватности поведения.

     Вначале человек жил в согласии с природой, брал от нее столько, сколько нужно  для жизни, но эволюция делала свое дело. Человек ставил себе на службу все новые виды энергии и создавал механизмы, машины, которые облегчали  ему существование. На Земле появились  созданные человеком заводы, фабрики, транспортные системы и другие технические  объекты, создавая искусственный технический  мир, превращая биосферу в техносферу. Этот технический мир находится  в явном противоречии с законами жизни на Земле.

     Биосфера - область жизни на Земле, включающая нижний слой атмосферы, гидросферу и верхний слой литосферы, не испытавшие техногенного воздействия.

     Техносфера - в прошлом регион биосферы, преобразованный людьми с помощью прямого или косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия своим материальным и социально-экономическим потребностям; техносфера - регион города или промышленной зоны, производственная или бытовая среда.

     До  середины XX в. человек не обладал  способностью провоцировать крупномасштабные аварии и катастрофы и тем самым  вызывать необратимые экологические  изменения регионального и глобального  масштаба, соизмеримые со стихийными бедствиями.