И.В. Бурковский - Морская биогеоценология. Организация сообществ и экосистем (1119242), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Но сами циклы разных элементов несоподчинены,они независимы и соприкасаются только через общие для них организмы. Врезультате в экосистеме образуется сложная система циклов.Эффективность возврата элементов может служить показателем вещественной целостности экосистем. Жизнь несет функцию эффективного превращенияэлементов в биогеохимических циклах и потому ее эволюционный уровень может оцениваться с позиций достижения совершенства (замкнутости) биогеохимических циклов (Вернадский, 1928, 1978).Большинство изученных биогеохимических циклов элементов оказываются далекими от совершенства даже в масштабе всей биосферы; они не являютсядо конца замкнутыми, т.к. часть вещества выходит из круговоротов в виде ис-20И.В.
Бурковский. Морская биогеоценология. Организация сообществ и экосистемкопаемых и глубоководных осадков, трупов и лишь по прошествии длительноговремени в той или иной мере компенсируется вулканическими или глубиннымивыбросами. Степень замкнутости биогеохимических циклов зависит от мерыучастия в них живых организмов, вовлеченности последних в трансформациювещества, от их количества и разнообразия (Ковальский, 1963; Заварзин, 2004).В масштабе биосферы наиболее совершенным является цикл азота, включающий в себе процессы трансформации вещества, охватывающие атмосферу, литосферу и гидросферу (Одум, 1975).Современные исследования, посвященные биогеохимическим циклам науровне биосферы или Мирового океана, носят качественный характер; они неучитывают количества и скорости прохождения элементов в них.
Лишь для круговорота воды и двуокиси углерода в биосфере даны приблизительные количественные оценки (Одум, 1975).Основной резервуар (фонд) воды сосредоточен в литосфере в связном состоянии — 250 ООО геограммов (1 геограмм = 10 г), в океане — 13 800 и вледниках — 167. Грунтовые (2,5), внутренние воды (0,25) и атмосфера (0,13)сильно уступают им (рис.
1а). Особенно важны два аспекта круговорота воды.(1) Море теряет из-за испарения больше воды, чем получает с осадками;на суше положение обратное. Другими словами, наземные экосистемы поддерживаются за счет испарения с поверхности океана.(2) Вес воды в континентальных водоемах соответствует годовому стоку(0,25 и 0,20 геограмм); т.е. время оборота составляет около года. Разность между количеством осадков за год (1,0) и стоком (0,2) совместно с испарением (0,6)составляет 0,2 геограмм, что соответствует величине годового поступления водыв подпочвенные водоносные горизонты. Увеличение стока в результате деятельности человека приводит к уменьшению очень важного для круговорота фондагрунтовых вод и может быть нивелировано только правильным хранением водыв подземных резервуарах, а не в озёрах и водохранилищах, откуда она быстрееиспаряется.Основной резерв двуокиси углерода в океане находится в виде карбонатов(130 000 млрд.
т), а также в литосфере в виде горючих ископаемых (40 000) и ватмосфере (2 300). Только малая часть его (1,3 %) вовлекается в биогеохимический круговорот. Биотические процессы составляют: с атмосферой — 6, с гидросферой — 100, с литосферой (сельское хозяйство и промышленность) — 8; всего около 114 млрд. т (рис. 16). Фотосинтезирующие организмы и карбонатнаясистема моря весьма эффективно удаляют углекислоту из атмосферы. Стремительно возрастающее потребление горючих ископаемых человеком вместе снаблюдаемым уменьшением поглотительной способности фотосинтетиков (изза пыли) начинает влиять на атмосферный фонд круговорота.
Изменения потоков или расхода веществ особенно влияют на состав небольших обменных фондов. Можно ожидать, что в ближайшее время установится новое, но ненадежное равновесие между постоянно увеличивающимися концентрациями углекислоты (на 15% за последние 100 лет) и пылевых загрязняющих частиц, являющи20Глава 1. Экологическая система21мися физическим барьером для космического и теплового излучения Земли. Ночто оно принесет биосфере?Биосферный круговорот других веществ и элементов изучен на качественном уровне. Как пример на рис.
1в приведен цикл серы, включающий геохимические, биогеохимические, химические и биологические процессы трансформации серосодержащих соединений. Химические реакции окисления этих веществ сопровождаются выделением энергии. Некоторые экосистемы, в частности экосистемы сероводородных зон, используют эту энергию для хемосинтезаили физиологических процессов. Но одновременно многие бактерии, такие, какDesulphovibrio, Desulphuromonas и Desulphotomaculum, восстанавливают окисленные сульфиды, обеспечивая биотический баланс (Sagan, 1986; Заварзин,2004).
Чисто биогенное происхождение имеет диметилсульфид, придающийморю его характерный запах. Он продуцируется одноклеточными водорослямиродов Emiliani и Phaeocystis и в большом количестве переходит из океана в атмосферу. Его количество в тропосфере определяет ее облачность и, таким образом, эпипелагические экосистемы могут регулировать глобальный климат (Slingo,1988). Однако очень многое в биосферном цикле серы и, тем более других элементов, остается неизученным, особенно —количественный аспект их глобальной миграции.1.2. Энергия в экосистемеЭнергия — неотъемлемое свойство материи, мера движения, степень интенсивности и способности к внешним преобразованиям, в более узком смысле — способность совершать работу.
В классической физике энергия (Е) — функция состояния системы, зависящая от значений параметров (давление, объем,температура), которые однозначно определяют состояние.В более широком естественнонаучном понимании энергия — движущаясила Мироздания. Она везде и во всем. Однако совершать работу может толькоконцентрированная, иначе — свободная, энергия. Определение энергии как способности совершать работу относится только к ней. Альтернативой свободнойэнергии является тепловая энергия.В закрытых и равновесных системах превращения энергии подчиняютсядвум законам термодинамики.
Первый закон термодинамики гласит: количество общей энергии Е (свободной и тепла) в её превращениях сохраняется. Присовершении работы свободная энергия уменьшается, превращаясь в тепловую,которая, напротив, увеличивается. Согласно второму закону термодинамикисамопроизвольное превращение (рассеяние, диссипация, распад) энергии происходит всегда только в одном направлении — от концентрированной к рассеянной форме. Рано или поздно такие процессы приводят систему к её самомупростому состоянию — к термодинамическому равновесию. Это состояние эквивалентно хаосу, когда отсутствует какая-либо упорядоченность, все виды энергии деградируют, переходя в тепловую, которая в среднем равномерно распределена между всеми элементами системы.22И.В.
Бурковский. Морская биогеоценология. Организация сообществ и экосистемПонятие неупорядоченности системы, движение ее в направлении хаоса(теплового баланса) определяется термином «энтропия». Энтропия (S) — функция состояния системы, мера неупорядоченности процессов и обозначает естественный самопроизвольный процесс возрастания неупорядоченности (диссипации) систем, соответствующий увеличению энтропии. Динамика энтропии(dS) включает два члена: поток энтропии (deS) и производство энтропии (diS):dS = deS+diS.Специфика второго закона термодинамики состоит в том, что член diS всегда положителен: энергия самопроизвольно может только рассеиваться.
Дляизолированной системы, которая ничем не обменивается с окружающей средой, поток энтропии (deS), по определению, равен нулю. Таким образом, энтропия в изолированных системах только возрастает, и такая система движется только в одном направлении — к хаосу (к тепловому разрушению). Между свободной энергией и энтропией существует связь: свободная энергия F = Е - TS, где Е— общая энергия, Т—температура системы по шкале Кельвина (нулю соответствует точка замерзания воды -273 С°), S—энтропия. Это соотношение означает, что равновесие есть результат конкуренции между энергией и энтропией, атемпература выступает в роли множителя, определяющего относительный весэтих двух факторов. При низких Г перевес на стороне энергии и мы наблюдаемобразование упорядоченных и низкоэнергетических структур (как кристаллы:кинетическая энергия молекул низка по сравнению с потенциальной — в связях между молекулами).
При высоких температурах доминирует энтропия и всистеме устанавливается хаос. Важность движения возрастает и регулярностьв строении кристаллов нарушается: вещество переходит в жидкое, а потом вгазообразное состояние.Равновесная термодинамика позволяет удовлетворительно объяснить огромное число физико-химических явлений, но не всех, и слабо применима кбиологическим системам. Существуют определенные ограничения выполнениявторого закона термодинамики, особенно значимые для понимания функционирования экосистем.
Закон в полной мере приложим только к замкнутым системам. Когда полагали, что Вселенная замкнутая система, то на этом основанииделали вывод о её неминуемой «тепловой смерти». Однако с обнаружением вакуума стало очевидным, что Вселенная — открытая система, так как существуют вещество и вакуум и взаимодействие между ними.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
