Естествознание и основы экологии - Евгений Страут

 Окислительно-восстановительная функция лежит в основе обмена веществ и энергии организма с внешней средой. Она выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов. Образование веществ в живых организмах есть результат окислительно-восстановительных реакций. В процессе синтеза органических веществ преобладают восстановительные реакции и происходят затраты энергии. А в процессе расщепления и окисления в присутствии кислорода преобладают окислительные реакции и выделяется энергия. Жизнь – это непрекращающийся процесс синтеза и распада органических веществ, который объединяет все живые организмы на Земле.

§ 40. Круговорот веществ и энергии в биосфере

Все живые организмы находятся во взаимосвязи с неживой природой и включены в непрерывный круговорот веществ и энергии (рис. 44). В результате происходит биогенная миграция атомов. Необходимые для жизни организмов химические элементы переходят из внешней среды в организм. При разложении органических веществ эти элементы вновь возвращаются в окружающую среду.

Рис. 44. Круговорот веществ в природе: 1 – круговорот воды, кислорода и углерода; 2 – круговорот азота

Атмосфера состоит из смеси газов. В процессе фотосинтеза зеленые растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Углекислый газ идет на построение органических веществ и через растительные организмы в виде питательных веществ переходит в организм животных. Кислород используется всеми живыми организмами в процессе дыхания, для окисления органических веществ, при разложении отмерших остатков организмов. В результате этих процессов углекислый газ вновь выделяется в атмосферу. Свободный азот атмосферы поглощается в почве азотфиксирующими бактериями и переводится в связанное, доступное для усвоения состояние. Растения получают из почвы соединения азота для синтеза органических веществ. После отмирания другая группа микроорганизмов освобождает азот и возвращает его в атмосферу.

Таким образом, кислород, азот и углекислый газ поглощаются живыми организмами и ими же выделяются в атмосферу вновь в результате других процессов. Благодаря сбалансированному круговороту газов поддерживается постоянство состава атмосферы.

В горных породах содержится большое количество фосфора. При разрушении горных пород фосфор оказывается в почвах, а оттуда поступает в живые организмы. Часть фосфатов растворяется в воде и попадает в Мировой океан, где накапливается на дне, образуя осадочные горные породы.

Вода также участвует в круговороте. В процессе фотосинтеза она используется для синтеза органических веществ, а при дыхании и разложении органических остатков выделяется в окружающую среду. Кроме того, вода необходима для жизнедеятельности всем живым организмам. В ней растворяются минеральные соли и органические вещества, необходимые живым организмам. Через водную среду проходит круговорот элементов натрия, магния, кальция, железа, серы и других элементов, что в общей сложности составляет 1,7 % общего количества веществ, включаемых в круговорот.

В результате круговорота веществ происходит непрерывное перемещение химических элементов из живых организмов в неживую природу и обратно. Круговорот веществ включает два противоположно направленных процесса, связанных с аккумуляцией элементов в живых организмах и минерализацией в результате их разложения. Причем на поверхности Земли преобладает образование живого вещества, а в почве и морских глубинах – минерализация.

Одновременно с миграцией атомов происходит и преобразование энергии. Единственным источником энергии на Земле является Солнце. Часть тепла расходуется на обогрев Земли и испарение воды. И только 0,2 % солнечной энергии используется в процессе фотосинтеза. Эта энергия преобразуется в энергию химических связей органических веществ. При расщеплении и окислении органических веществ в процессе питания энергия освобождается и расходуется на процессы жизнедеятельности организмов: рост, движение, размножение, развитие, обогрев тела. Таким образом, постоянно поступающая солнечная энергия аккумулируется в органических веществах и ее используют все живые организмы.

Итак, биосфера представляет собой большую систему, состоящую из разнородных компонентов, связанных между собой процессами миграции энергии и вещества. Источником энергии служит Солнце. Цикличность процессов миграции – круговорот веществ обеспечивает непрерывное существование биосферы.

Количество живого вещества (биопродукция) колеблется: размножение и рост живых организмов приводят к ее росту, подавление и ограничение скорости размножения и роста, гибель организмов способствуют ее уменьшению.

К ограничивающим факторам относятся концентрация углекислого газа в атмосфере, недостаток влаги, нехватка питательных элементов, интенсивность света. Эти факторы ограничивают не только скорость образования органического вещества, но и скорость других геохимических процессов, протекающих в неживой природе.

§ 41. Географическая оболочка

Компоненты географической оболочки и их взаимодействие.

Атмосфера, литосфера, гидросфера и биосфера – четыре оболочки земного шара находятся в сложном взаимодействии, взаимопроникают друг в друга. Все вместе они составляют географическую оболочку.

В географической оболочке развивается жизнь, проявляется деятельность воды, льда, ветра, образуются почвы, осадочные горные породы.

Географическая оболочка – это область сложного взаимопроникновения, взаимодействия космических и земных сил. Она продолжает развиваться и усложняться в результате взаимодействия живой и неживой природы.

Верхняя граница географической оболочки соответствует тропопаузе – переходному слою между тропосферой и стратосферой. Над экватором этот слой располагается на высоте 16–18 км, а на полюсах – 8-10 км. На этих высотах затухают и прекращаются процессы, порождаемые взаимодействием геосфер. В стратосфере практически отсутствует водяной пар, нет вертикального перемещения воздуха, изменение температур не связано с влиянием земной поверхности. Невозможна здесь и жизнь.

Нижняя граница на суше проходит на глубине 3–5 км, т. е. там, где изменяются состав и свойства горных пород, отсутствуют вода в жидком состоянии и живые организмы.

Географическая оболочка Земли представляет собой целостную материальную систему, качественно отличную от других геосфер Земли. Ее целостность определяется непрерывным взаимодействием твердых, жидких и газообразных, а с возникновением жизни – и живых веществ. Все составные части географической оболочки взаимодействуют, используя солнечную энергию, поступающую на Землю, и энергию внутренних сил Земли.

Взаимодействие между геосферами Земли в пределах географической оболочки происходит в результате круговорота веществ (воды, углерода, кислорода, азота, углекислого газа и др.).

Все компоненты географической оболочки находятся в сложных взаимосвязях. Изменение одного компонента непременно вызывает изменение и других.

Ритмичность явлений в географической оболочке. Географическая оболочка Земли постоянно изменяется, усложняются взаимосвязи между ее отдельными компонентами. Эти изменения происходят во времени и в пространстве. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Короткие, суточные и годовые ритмы особенно важны для живых организмов. Их периоды покоя и активности согласуются с этими ритмами. Суточный ритм (смена дня и ночи) обусловлен вращением Земли вокруг своей оси; годовой ритм (смена времен года) – обращением Земли вокруг Солнца. Годовая ритмика проявляется в существовании периодов покоя и вегетации у растений, в линьке и миграции животных, в некоторых случаях – в спячке, размножении. Годовая ритмика в географической оболочке зависит от широты мест: в экваториальных широтах она выражена слабее, чем в умеренных или полярных.

Суточные ритмы протекают на фоне годовых, годовые – на фоне многолетних. Существуют также вековые, многолетние ритмы, например изменения климата (похолодание – потепление, иссушение – увлажнение).

Изменения в географической оболочке происходят и в результате движения материков, наступления и отступления морей, в ходе геологических процессов: при эрозии и аккумуляции, работе моря, вулканизме. В целом географическая оболочка развивается поступательно: от простого к сложному, от низшего к высшему.

Зональность и секторность географической оболочки.

Важнейшая структурная особенность географической оболочки – ее зональность. Закон зональности был сформулирован великим русским ученым-естествоиспытателем В. В. Докучаевым, который писал, что расположение нашей планеты относительно Солнца, ее вращение и шарообразность влияют на климат, растительность и животных, которые распределяются по земной поверхности по направлению с севера на юг в строго определенном порядке.