WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

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

ГоловнаТехнічні науки → Природні системи абіотичного середовища біосфери - Реферат

Природні системи абіотичного середовища біосфери - Реферат

Сьогодні ми знаємо, що такі умови є згубними для всього живого, але колись енергія саме ультрафіолетового спектра сонця ініціювала хімічні реакції утворення складних органічних речовин, "цеглинок" білка живої матерії — амінокислот.

Поява молекулярного (О2) кисню в атмосфері Землі могла, як припускають, відбуватися за ендотермічного процесу іонізації води під впливом енергії ультрафіолетової частини сонячного спектра 2Н2О 2H2 + O2, але його накопичення за відомими нам законами термохімії не могло бути стійким унаслідок оберненої реакції. Утворення кисневої атмосфери можна пояснити лише комплексною дією зовнішніх (алогенних) абіотичних факторів, що обумовлювали кліматичні параметри, і внутрішніх (автогенних) процесів життєдіяльності організмів.

Першими на Землі організмами були найпростіші одноклітинні анаеробні, які отримували кисень зброджуванням органічних речовин зі вмістом кисню, що утворювались на поверхні водоймищ під впливом ультрафіолетових променів Сонця. Самі ж ці організми ховалися від згубного впливу променів під водою. За браком достатньої кількості поживних речовин анаеробні організми не могли швидко еволюціонувати. Знадобився ще мільярд років, перш ніж з'явились рослинні організми і, поступово, завдяки "таємничому" процесу фотосинтезу збагатили атмосферу Землі молекулярним киснем до сучасного рівня.

Саме завдяки фотосинтезу близько 2 млрд років тому збільшення кисню в атмосфері спричинилося до глобальних змін геохімічних процесів: утворився озоновий прошарок атмосфери, що забезпечило захист живих організмів від згубної дії сонячної радіації. Коли понад 1 млрд років тому вміст кисню в атмосфері досяг 3—4%, з'явились багатоклітинні організми з аеробним диханням (тобто диханням безпосередньо молекулярним киснем). За наступні 300 млн років концентрація кисню в атмосфері збільшилась удвічі.

Закінчився найдавніший етап геологічної історії Землі, коли існували тільки дрібні одноклітинні (протокаріотичні) організми. На початку кембрійського періоду (близько 500 млн років тому) швидко почали виникати нові види організмів: морські молюски, водорості, губки, корали і пращури хребетних. Протягом наступних періодів палеозойської ери живі організми з'явились і на суходолі.

Саме завдяки бурхливому розмноженню зеленої рослинності утворився надлишок кисню в атмосфері, що сприяло появі таких велетенських тварин, як динозаври. У цей же період в океані з'являються організми з вапняковими (СаСО3) оболонками.

Близько 400 млн років тому, в середині палеозою, утворився стан динамічної рівноваги між споживанням кисню і його генерацією рослинним світом в межах 20% (об'ємних).

Пізніше вміст кисню в атмосфері дещо знизився, а СО2 підвищився, що знов спонукало більш інтенсивне розмноження рослин.

Загальновизнаною є думка, що саме в цей період відбулося накопичення і метаморфоза рослинної біомаси у викопне паливо, яким сьогодні користується наша індустріальна економіка.

Згодом відношення кисню і діоксиду вуглецю встановилося на попередньому рівні. Це, можливо, сталося внаслідок посилених вивержень вулканів чи інших природних катаклізмів, що супроводжувалось значними змінами клімату. Еволюцію біосфери і складу її атмосфери зображено на рис. 19.

Слід зазначити, що відповіді вчених на питання щодо походження життя і еволюції планети на різних етапах розвитку науки були різними. І хоча нині матеріалістичне наукове обгрунтування еволюційної теорії опрацьовано достатньо фундаментально, усе ж і в ньому є чимало "білих плям" і таємниць. На багато з них звернула увагу відносно нова течія пізнання природи — креаціонізм, яка базується на визнанні вищого Розуму, предковічного Слова, на поєднанні біблійних постулатів і сучасних наукових даних про нашу

Планету. Сучасний креаціонізм починає з повторення біблійної схеми: спочатку Бог створив рослинність, а потім вищі організми. Засадним питанням є фотосинтез — перетворення неживих речовин СО2 і Н2О в живу — рослинну і наступної біогенної міграції атомів і енергії у біосфері, тобто унікальної здатності життя до самовідтворення. Нагадаємо суттєві принципи фотосинтезу.

Процес живлення рослини — фотосинтез глюкози з діоксиду вуглецю і води — відбувається в її зеленій масі за рахунок поглинання сонячної енергії видимих променів ( = 0,3...24 mkm) переважно синьої і червоної частин спектра (0,4...0,7 mkm) і каталітичної дії зеленого пігменту — хлорофілу. Вода в цьому процесі розщеплюється на кисень і водень, останній відновлює вуглець з СО2, утворюючи з ним вуглевод—глюкозу.

Сумарне стехіометричне рівняння процесу фотосинтезу матиме вигляд:

ΔН0 = + 2822kJ.

Як бачимо, ентальпія реакції (ΔН0) є додатною. Отже, на кожний kmol (12kg) засвоєного вуглецю рослина накопичує у вигляді хімічної енергії міжатомного зв'язку в глюкозі (яка далі утворює клітковину) близько 470 MJ. Водночас атмосфера збагачується киснем, підтримуючи баланс його витрат за різноманітних окиснювальних природних і технологічних процесів на нашій планеті. На рис. 20 показаний енергетичний і матеріальний баланс процесу фотосинтезу, що його встановлено вимірюванням енергії сонячних променів, які падають на поверхню листків, і енергії, яка виділяється за спалювання біомаси рослин.

Рис. 20. Матеріальний і енергетичний баланс фотосинтезу

Часто можна почути запитання: "Чому такий низький процент засвоєння енергії Сонця "машиною" фотосинтезу?" У розділі 1.3.3, розглядаючи ідеальну теплову машину Карно, ми вже з'ясовували, що саме зумовлює ефективність конверсії одного виду енергії в іншу.

Спробуємо застосувати знання другого закону термодинаміки для відповіді на поставлене запитання. Тут ми маємо нагоду оригінальним способом підійти до визначення енергетичної ефективності процесу фотосинтезу і, порівнявши результати розрахунку з наведеними на рис. 16, переконатися в грунтовності наших знань. Другий закон термодинаміки стверджує, що більша різниця в якості (концентрованості) енергії між тією, яка надходить на конверсію, і втраченою енергією, то вищим є коефіцієнт конверсії (η). У нашому випадку характеристикою енергій може бути їхня температура на вході до "машини фотосинтезу" і на виході. Температура повітря, отже і поверхні листка рослини з боку Сонця літнього дня, може становити 20 ... 30 °С. З протилежного боку листка, у затінку, вона буде на 5 ...10 °С нижче. Цього досить, щоб розрахувати ефективність конверсії за вже відомою (1.3.3) формулою, узявши різницю температур у 10...15 °С.

;

.

Середнє значення , що практично збігається з даними рис. 20.

Цей приклад свідчить про високу ефективність термодинаміки в процесі вивчення явищ природи і про цілковиту правомірністть аналогії: "машина Карно" — "машина фотосинтезу".

Ми ще не один раз повертатимемося до такого самого методу визначення ефективності конверсії енергії як в природних, так і в технологічних процесах.

Знаючи коефіцієнт конверсії сонячної енергії і наведені вище дані ентальпії реакції утворення біомаси (глюкози) рослини, нескладно визначити ще одну важливу для розуміння природних процесів у біосфері характеристику — витрати сонячної енергії на 1 кг біомаси (за η = 0,02).

, що еквівалентно енергії, яка виділяється під час згоряння 666 kg вугілля (q = 30 MJ kg–1).

Кожний квадратний метр площі травостою чи посіву зернових у пору активної вегетації має загальну поверхню зеленого листя близько 4 m2 і синтезує понад 4 kg сухої рослинної маси за сезон. Цей процес щорічного відновлення флори забезпечує життя різноманітної фауни й людства планети.

Щороку в процесі фотосинтезу на суходолі і в океанах Землі зеленими рослинами і бактеріями засвоюється з атмосфери близько 200 млрд тонн СО2, розпадається і вивільнюється в атмосферу 130 млрд тонн кисню. При цьому в рослинах накопичується понад 1 1015 MJ сонячної енергії, що на порядок більше, ніж її витрачає вся світова економіка.

Фотосинтез зумовлює утворення гумусу на поверхні Землі і формування горючих копалин — вугілля, нафти, газу, торфу і сланців.

Загальну масу атмосфери Землі кожен може розрахувати самостійно, виходячи зі звичного для нас показника атмосферного тиску — 760 міліметрів ртутного стовпчика. В одиницях SI такий тиск відповідає 1,013 105 Ра. Для розрахунку беремо (приблизно) тиск 1 kgf/cm2, звідки отримаємо значення маси повітря над 1m2 поверхні землі в 10 тонн, що відносно поверхні Землі становитиме близько 5 більйонів тонн, з яких близько 1,15 більйонів тонн (23%) припадатиме на кисень.

Сучасна атмосфера Землі (див. табл. 15) за своїм хімічним складом унікальна і неповторна у відомих нам межах космічного простору: на Марсі, наприклад, вміст молекулярного кисню в атмосфері становить лише 0,1%, що відповідає стану атмосфери Землі понад 2 млрд років тому (задовго до появи найпростіших живих клітин).

У сучасному температурному діапазоні біосфери Землі її атмосфера не змінює ні свого складу, ні агрегатного стану, що забезпечує стабільні умови абіотичного середовища різних біоценозів. Ясна річ, що таке явище є наслідком встановленої протягом останнього півмільярда років динамічної рівноваги (балансу) генерування молекулярного кисню (і біомаси) в глобальному процесі фотосинтезу і його витрат в окислювально-відновлювальних біотичних і абіотичних процесах біосфери. Але зовсім не є очевидним джерело механізму регулювання такого балансу. Невипадково, що вчені мають два протилежні погляди на первинний біоценоз. Згідно з однією гіпотезою спочатку під впливом радіаційної енергії відбулися фізико-хімічні зміни середовища, що ініціювало виникнення первинних форм зародкових організмів, які адаптувалися протягом усієї історії еволюції атмосфери. Ця гіпотеза вказує на алогенний (зовнішній) фактор регуляції атмосфери і біогенезу.

Loading...

 
 

Цікаве