WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаЕкологія, Природокористування → Енергія у біосфері - Реферат

Енергія у біосфері - Реферат


Реферат на тему:
Енергія у біосфері
Як відомо, справжня система є цілісним утворенням, властивості якого завжди багатші й складніші від простої суми характеристик його складових (так званий принцип емерджентності). Відтак, ціле завжди "більше" від суми складових, що створює специфічні труднощі під час дослідження великих систем.
З огляду на зазначене твердження перед початком пояснення основних законів екології великих систем (законів синекології, або глобальної екології) проаналізуємо насамперед два допоміжні питання - роль і рух енергії у біосфері, а також стан і перспективи виробництва й використання енергії у техносфері (сфері промислового та іншого виробництва).
Функціонування будь-якої живої істоти, що входить до складу біосфери, підтримується необхідним надходженням до неї речовин та енергії (процесом живлення). Його припинення викликає смерть або змушує тимчасово припинити (як під час утворення спор бактеріями) чи максимально загальмувати життєдіяльність (тривала "сплячка" тварин і рослин на період вкрай несприятливих умов довкілля).
Біосфера існує вже понад три мільярди років. Упродовж цього періоду багато разів на поверхню Землі падали астероїди, залишаючи по собі вирви діаметром кількасот кілометрів. Континенти то збивалися докупи, то розколювалися й розпливалися (ми живемо саме на такій стадії). Вулкани, зледеніння й безліч інших причин шкодили тим живим істотам, які входили до складу біосфери. Інколи вона втрачала мало не 9/10 своїх видових багатств, але кожного разу оновлювалася і розширювалася.
Така феноменальна стійкість біосфери до змін і руйнівних впливів пояснюється як тим, що всі ці роки потік енергії від Сонця
не переривався ні на мить, так і тим, що біосфера безперервно удосконалювалася і регулювала використання речовин, "навчившись" застосовувати їх багатократно.
Для виконання цих завдань у ній, як і в кожній по-справжньому стійкій екосистемі, сформувалися кілька "виробничих рівнів" з певною спеціалізацією.
o Продуценти - рослини і частина найпростіших, які здатні вловлювати енергію Сонця (процес фотосинтезу) або джерел хімічних сполук на Землі (хемосинтез). За рахунок цієї енергії вони будують з вуглекислого газу та інших сполук великі біомолеку-ли (білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти) власних тіл. Так енергія зовнішніх джерел акумулюється і консервується в їхній речовині.
o Консументи (споживачі) - більшість видів тварин різноманітних форм і розмірів, які використовують нагромаджену виробниками енергію або безпосередньо (рослиноїдні), або опосередковано, живлячись консументами нижчих рівнів (хижаки). Людина належить до консументів з широким спектром живлення, бо споживає і рослини, і м'ясо.
o Завершальним компонентом біосфери є редуценти (відновлю-вачі, до яких належать насамперед бактерії і гриби), чия життєдіяльність рятує довкілля від мертвих решток і виділень продуцентів та консументів. Вони розкладають складні біомолекули до гранично простих неорганічних сполук (води, вуглекислого газу, азоту тощо). Без цього процесу функціонування життя впродовж мільярдів років було б неможливим.
На рис. показано найголовніші "живі" складові біосфери (у великих прямокутниках), хімічні речовини (в еліпсах) і джерело енергії (Сонце). Штрихові лінії дають уявлення про напрям обміну енергією, тонкі суцільні - мінеральними речовинами, а товсті стрілки - органічною речовиною. Основним процесом, що веде до утворення нової органічної речовини на основі поглинання сонячного проміння, є фотосинтез. Як зазначалося, існує і хемосинтез. Він є вельми цікавим процесом і вартий уваги бодай тому, що у розвитку живої речовини міг з 'явитися задовго до появи фотосинтезу, але його сучасні можливості у накопиченні енергії дуже поступаються фотосинтезу. Останній є головною "енергетичною станцією" життя на Землі, тому розглянемо його докладніше.
Рис. Основні компоненти біосфери та обмін енергією, органічними і мінеральними речовинами
Відомо, що речовиною, яка відіграє головну роль у поглинанні енергії видимих променів Сонця, є хлорофіл Менш відомий той факт, що є кілька варіантів цієї надважливої молекули, а тому колір частин клітин, що їх містять, не завжди зелений Навіть зелених хлорофілів є два, які трохи різняться характеристиками поглинання світла (втім, обидва поглинають червоні І блакитні фотони, добре відбиваючи зелені) Центральне місце у досить великих молекулах хлорофілу займає атом магнію За будовою вони навіть схожі на гемоглобін, але центральним у ньому, як відомо, є атом заліза
Поглинута енергія фотонів у складному й багатоступінчастому процесі витрачається на розщеплення молекул води Н2О І вуглекислого газу СО2 і на подальшу побудову з їхніх фрагментів глюкози С6Н12О6 та інших органічних молекул (глюкозу взято як типовий приклад органічного синтезу в рослинах)
Сумарне рівняння цього процесу записують так
6 CO2 + 6 Н2О + енергія світла =>=>=> С6Н12О6 + 6 О2
Для утворення одного моля (нагадаємо, що вдеться про таку кількість речовини, яка містить 6,23 1023 молекул) глюкози масою 180 г необхідно 264 г вуглекислого газу, 108 г води і 674 ккал енергії фотонів (21 % добової енергетичної потреби середнього землянина чоловічої статі).
Оскільки у кожний певний момент рослини на території, яка дещо перевищує половину площі поверхні Землі, мають змогу здійснювати фотосинтез, то за рік його "продукція" (у сухій масі) досягає не менш як 50млрд.т (верхня межа оцінок досягає навіть 250 млрд т). З атмосфери вилучається на 40 % більша маса вуглекислого газу, а маса виділеного кисню майже дорівнює синтезованій рослинами органічній речовині.
Можна захоплюватися грандіозністю всеземних фотосинтетичних явищ, але погляньмо, який коефіцієнт корисної дії (ККД) процесу фотосинтезу і яку частину всього потоку енергії від Сонця "консервують" для споживачів рослини.
Землі досягає усього одна двомільярдна частина загального випромінювання Сонця, але і його потужність перевищує 200 000 млрд кВт (NQ). Розподіл потоку енергії Сонця зображено на рис. 12 (вертикальною стрілкою показано справжні здобутки фотосинтезу!).
Рис. Розподіл потоку енергії Сонця
Звичайно, можна дискутувати, що не 0,02 % всього потоку енергії з неба накопичують рослини, а 0,04 % (оцінювання, як вже зазначалося, не абсолютно точне, можливі помилки у 2-3 рази), але це не змінює основного: всі рослини суходолу та водорості океанів використовують для фотосинтезу менше 0,1 % всього потоку сонячної енергії, який досягає атмосфери Землі.
Яка ж величина ККД самого процесу фотосинтезу? Теоретично - аж 32%!
Насправді ККД полів високоефективних зернових (кукурудза, рис, пшениця тощо) навіть у період найбільшої фотосинтетичної активності не перевищує 3 %. Зрозуміло, середній за рік ККД зернового поля виявиться значно нижчим.
Зниження ККД зумовлюється багатьма причинами. Зокрема, до внутрішніх належить необхідність негайно витрачати трохи менше чверті вловленої енергії фотонів на дихання,мало не втричі більше - на роботу тих "помп", які проганяють крізь його судини і клітини дуже велику кількість води з мінеральними речовинами.
Такою високою є плата за те, що рослини "завоювали" сушу!
Ефективність фотосинтезу, як і маса кінцевого врожаю, лімітується (обмежується) також зовнішніми умовами, насамперед освітленням, температурою, опадами, родючістю ґрунту. Вся історія рослинництва є намаганням землеробів забезпечити рослини передусім необхідною кількістю води та органічними й мінеральними добривами, підвищити до максимуму родючість ниви. Раціонально керувати світлом і теплом вдається лише в теплицях. Останнім часом вчені розвинених країн створили досить складну математичну модель керування і програмування врожаю, застосування якої майже сповна реалізує всі можливості фотосинтезу наземних рослин.
З численних проблем, які розв'язують одночасно багато наук у сфері рослинництва і фотосинтезу, виокремимо дві.
Насамперед ідеться про застосування генної інженерії для конструювання нових рослин чи надання незвичних характеристик існуючим. Час від часу у пресі з'являються сенсаційні фото. Це може бути капуста, яка зростом значно перевищує людину, надкарликовий рис чи пшениця, у якої колос росте мало не від коріння, або щось таке, чого не було в природі. Цей шлях обіцяє у недалекому майбутньому підвищення врожайності завдяки застосуванню принципово нових методів створення нових сортів і видів рослин. Та його можливості обмежені згаданими вище принциповими перепонами.
Значно більшого можна чекати від завершення розшифрування ланцюгів реакцій, які здійснюються під час фотосинтезу, від створення його штучного аналогу на основі синтезованого хлорофілу або ж за рахунок використання принципово інших молекул. Це дасть змогу перетворити пустелі або частину поверхні тропічних морів у місця найвищої у світі біопромисловості, продукцією якої буде їжа та інші необхідні людям органічні речовини.
Вчені вже подолали більшу частину цього нелегкого шляху, але лишилося ще чимало нерозгаданого щодо заключних стадій фотосинтезу.
Список використаної літератури
1. Акимова Т. А., Хаскин В. В. Экология: Учеб, для вузов. - М.: ЮНИТИ, 1998.
2. Білявський Г. О., Падун М. М., Фурдуй P. C. Основи екологічних знань. - К.: Либідь, 2000.
3. Білявський Г. О., Падун М. М., Фурдуй P. C. Основи загальної екології: Підруч. - К.: Либідь, 1993.
4. Дерій С. І., Ілюха В. О. Екологія. - К.: Вид-во фітосоціолог. центру, 1998.
5. Джигирей В. С. Екологія та охорона навколишнього природного середовища: Навч. посіб. - К.: Знання, 2000.
6. Крисаченко В. С. Людина і біосфера: основи екологічної антропології: Підручник. - К.: Заповіт, 1998.
7. Кучерявий В. 77. Екологія. - Львів.: Світ, 2000.
8. Будыко М. И. Эволюция биосферы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1984. -488 с.
9. Васюта О. А. Екологічна політика України на зламі тисячоліть: Монографія. - К.: КІМУ, 2003. - 306 с.
10. Вернадский В. И. Живое вещество биосферы. - М.: Наука, 1994. - 672 с.
11. Вернадский В. И. Проблемы биогеохимии. - М.: Наука, 1980. - 320 с.
12. Воронов Н. Н., СухоруковаЛ. Н. Эволюция органического мира.- М.: Просвещение, 1991. - 223 с. (Факульт. курс для 9-го кл. ср. шк.)
13. Гумилев Л. Н. Этногенез и биосфера Земли. - Л.: Наука. Ленинг. отд-ние, 1989.-496с.
14. Торошенъкин Б. А.. Возобновляемая энергия: В 2ч. -X.: Изд.-во "Форт", 2003.
Loading...

 
 

Цікаве