자연의 물질과 에너지의 순환. 생태계의 에너지 흐름

복잡성의 크기와 정도에 관계없이 생태계는 개방형 시스템이며 어느 정도까지는 에너지와 다양한 물질의 지속적인 공급이 필요합니다. 유기체의 생명 활동 과정에서 에너지의 지속적인 유입과 물질의 순환이 있으며 각 종은 유기 물질에 포함된 에너지의 일부만 사용합니다. 이 과정은 원래의 식품 물질에서 유기물과 에너지를 추출하는 일련의 종인 먹이 사슬(영양 수준)을 통해 발생합니다. 동시에 이전의 각 링크는 다음 링크의 먹이가 됩니다. (그림 24).

물질의 순환 - 이는 화학 원소 및 그 화합물 형태의 물질이 생산자에서 환원자로, 소비자를 거쳐 또는 소비자 없이, 그리고 다시 생산자로 이동하는 것입니다.식물은 광합성 과정에서 무기물질로부터 유기물질을 합성할 수 있는 독립영양생물이므로 식물이라 부른다. 생산자 또는제조업 자.

쌀. 24. 생태계 내 에너지의 흐름과 물질의 순환

식물은 무기물로부터 유기물을 합성할 수 없는 동물의 먹이로 사용됩니다. 이러한 종속 영양 유기체를 소비자,또는 소비자.박테리아와 곰팡이가 주요 역할을 수행합니다.

죽은 유기물질을 원래의 무기물질로 분해하여 환경으로 돌려보내는 역할을 합니다. 그러므로 그들은 불린다. 소멸자 또는 감소자,즉. 구축함또는 환원제.

따라서 식물에 의해 형성된 유기물은 동물의 몸으로 들어간 다음 박테리아의 참여로 다시 식물에 의해 동화되는 무기 물질로 변환됩니다. 따라서 물질의 순환은 생태계에서 수행됩니다.

에너지 흐름 - 한 영양 수준에서 다른 영양 수준(더 높은 수준)으로 먹이 사슬을 따라 유기 화합물(식품)의 화학적 결합 형태로 에너지를 전달합니다(그림 25).태양은 지구상의 유일한 에너지원이다. 그것은 지구에 지속적이고 지속적이며 열린 에너지 흐름을 제공합니다. 생태계의 연결고리를 따라 순환하며 순환에 들어가는 물질과 달리, 반복적으로 사용되는 에너지는 한 번만 사용할 수 있습니다.

생태계의 에너지 흐름 과정을 이해하려면 열역학 법칙을 아는 것이 중요합니다. 열역학 제1법칙에 따르면 에너지는 새로 생성될 수도 사라지지도 않고 한 형태에서 다른 형태로 바뀔 뿐이라는 것입니다. 따라서 생태계의 에너지는 그 자체로 나타날 수 없지만 외부, 즉 태양에서 들어옵니다.

쌀. 25. 생태계의 에너지 흐름

열역학 제2법칙에 따르면 에너지 변환과 관련된 과정은 에너지가 집중된 형태에서 확산된 형태로 전달되는 조건에서만 자발적으로 진행될 수 있습니다. 이 법칙에 따라 식물은 생태계에 유입되는 태양 에너지의 일부만 사용합니다. 나머지 에너지는 소산되어 열로 변환되어 생태계 환경을 가열하는 데 사용됩니다. 식물이 흡수한 태양 에너지의 일부는 생산 과정, 즉 바이오매스 형성에 소비됩니다. 또한, 다음 영양 단계로 이동하면 화학 결합 형태의 음식과 함께 에너지도 소실되고 완전히 소실될 때까지 양이 감소합니다.

먹이사슬은 생태계 내 에너지 전달의 주요 통로이다. 식물은 먹이사슬의 다른 모든 유기체에 대한 주요 에너지 공급자입니다. 소비되는 음식과 함께 한 영양 수준에서 다른 영양 수준으로 에너지가 전달되는 특정 패턴이 있습니다. 첫째로,소비자가 음식을 통해 흡수하는 에너지의 주요 부분은 생명 유지(이동, 온도 유지 등)에 소비됩니다. 에너지의 이 부분은 호흡에 대한 지출로 간주됩니다. 둘째,에너지의 일부는 "예비 상태"로 소비자 유기체의 몸으로 전달됩니다. 제삼,음식의 일정 부분은 몸에 흡수되지 않으므로 에너지가 방출되지 않습니다. 그 후, 이는 배설물에서 방출되지만 이를 음식으로 소비하는 다른 유기체(파괴자)에 의해 방출됩니다. 포식자의 배설물로 인한 에너지 방출은 적고 초식 동물에서는 더 중요합니다. 예를 들어, 식물을 먹는 일부 곤충의 애벌레는 배설물을 통해 에너지의 최대 70%를 배설합니다.

먹이 사슬의 각 고리에서 대부분의 에너지는 열의 형태로 소비되므로 고리 수가 제한됩니다. 평균적으로 소화되지 않은 음식의 양에서 호흡에 대한 최대 지출은 소비된 음식의 약 90%입니다. 따라서 한 영양 수준에서 다른 영양 수준으로의 에너지 전달은 음식에서 소비되는 에너지의 약 10%에 불과합니다. 레벨 5에 도달하는 에너지는 생산자가 흡수하는 에너지의 0.01%에 불과하다는 것을 쉽게 계산할 수 있습니다. 이 패턴을 "10% 규칙"이라고 합니다. 이는 먹이 사슬의 링크 수가 일반적으로 4~5개 이하로 제한되어 있음을 보여줍니다. 그것을 통과한 후에는 눈의 거의 모든 에너지가

흩어져 있다고 합니다. 그러므로 생태계가 존재하기 위해서는 지속적인 에너지 공급이 필요하다.

기체 액체 또는 고체 상태에서 가장 단순한 광물 및 유기광물 성분을 형성하는 것입니다. 이는 나중에 물질 순환의 새로운 주기를 위한 성분이 됩니다. 나머지 66개 중 대부분은 대기와 땅을 따뜻하게 하고, 증발과 생태계의 물 순환을 풍력 에너지로 변환합니다. 물 순환 수문 순환 물 순환의 결과로 행성 물 공급의 축적, 정화 및 재분배가 발생합니다.

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5강

물질과 에너지의 순환

자연의 물질과 에너지의 순환은 여러 가지 상호 연관된 과정으로 구성됩니다.

1. 규칙적으로 반복되거나 연속적인 에너지 흐름과 새로운 화합물의 형성 및 합성.
2. 물리적, 화학적, 생물학적 작용제의 영향을 받아 에너지의 영구적 또는 주기적인 전달 및 재분배, 제거 및 합성된 화합물의 지시된 이동.
3. 생물학적 또는 비생물적 환경 요인의 영향으로 이전에 합성된 화합물의 분해 및 파괴(파괴).
4. 기체, 액체 또는 고체 상태의 가장 단순한 광물 및 유기광물 성분을 형성하는 것입니다. 이는 나중에 물질 순환의 새로운 주기를 위한 성분이 됩니다.

태양의 에너지

핵을 포함하여 알려진 모든 유형의 에너지의 조상은 태양입니다. 3일 동안 지구는 석탄, 가스, 석유, 목재 등 이용 가능한 모든 천연 매장량을 태워 방출할 수 있는 양의 에너지를 태양으로부터 받습니다.

태양 에너지는 자외선, 가시광선(빛), 적외선 복사 스펙트럼과 기타 복사 에너지 및 전자기 에너지의 형태로 우주로 방출됩니다.

쌀. 지구 표면을 오가는 에너지의 흐름

태양 에너지의 약 34%는 지구 표면 자체뿐만 아니라 구름, 먼지, 대기 중의 기타 물질에 의해 즉시 우주로 다시 반사됩니다. 나머지 66% 중 대부분은 대기와 토지의 가열, 생태계의 증발 및 물 순환에 사용되어 풍력 에너지로 변환됩니다. 그리고 이 에너지 중 극히 일부(0.023%)만이 녹색 식물에 포획되어 광합성 과정에 사용되어 유기 화합물을 형성합니다.

물의 순환(수문학적 순환)

물 순환의 결과로 지구에 공급되는 물을 축적, 정화 및 재분배합니다.

쌀. 물 순환의 단순화된 다이어그램

태양 에너지와 중력은 바다, 대기, 육지 및 생물체 사이에서 물을 지속적으로 이동시킵니다. 이 주기의 가장 중요한 프로세스는 다음과 같습니다.증발 (물을 수증기로 바꾸는 것)응축 (수증기가 액체 방울로 변환되는 것),강수량 (비, 이슬비, 우박, 눈) 및 유출수는 바다로 돌아가 순환을 다시 시작합니다.

들어오는 태양 에너지의 영향으로 물은 바다, 강, 호수, 토양 및 식물 표면에서 증발하여 대기로 들어갑니다. 바람과 기단은 수증기를 지구의 다양한 지역으로 운반합니다. 대기의 특정 부분에서 온도가 낮아지면 구름이나 안개 형태의 작은 물방울 덩어리가 형성됩니다. 결국 물방울은 서로 뭉쳐서 너무 무거워져서 강수 형태로 육지 표면이나 수역에 떨어집니다.

평균적으로 물 분자는 강수와 함께 땅에 떨어지기 전까지 약 10일 동안 공기 중에 머문다. 지구상 전체 강수량의 약 절반이 열대우림 지역에 내립니다.

땅에 떨어진 담수의 일부는 빙하에서 얼어붙습니다. 그러나 대부분의 물은 근처의 호수, 수로, 하천으로 흘러들어 다시 바다로 돌아가 순환을 완료합니다.

대부분의 물은 땅속 깊이 스며듭니다. 대수층에는 지하수가 축적되어 있습니다. 그러나 지하수의 순환은 지표수와 대기수의 순환보다 비교할 수 없을 정도로 느립니다. 지하 샘과 하천은 결국 지표면으로 돌아와 강과 호수로 들어가고, 그곳에서 다시 증발하거나 바다로 흘러갑니다.

인간은 두 가지 방식으로 물 순환에 개입합니다.

• 강, 호수, 대수층에서 다량의 담수를 추출합니다. 인구 밀도가 높거나 관개가 심한 지역에서는 추상화로 인해 지하수가 고갈되거나 해양 염수가 지하 대수층으로 유입됩니다.
• 농업 발전, 광물 추출, 도로 및 주택 건설을 위한 토지의 식생 피복 감소. 이는 지표수가 땅으로 스며드는 것을 줄여 지하수 함양을 감소시키고 홍수 위험을 증가시키며 유출 강도를 증가시켜 토양 침식을 증가시킵니다.

생지화학적 순환

모든 요소 또는 그 화합물은 유기체의 생명에 필요하며 성장과 번식이라고합니다.영양소. 여기에는 유기 물질(설탕 및 단백질)과 무기 물질(물, 이산화탄소, 산소, 질산염, 인산염, 철, 가닥)이 모두 포함됩니다.

약 40개의 원소와 그 화합물이 생명체에 가장 중요합니다. 대량으로 필요한 이러한 요소를 영양소라고 합니다.다량 영양소. 여기에는 탄소, 산소, 수소, 질소, 인, 황, 칼슘, 마그네슘 및 칼륨이 포함됩니다. 그들은 97개, 즉 인체의 질량을 구성합니다.

그 밖에 생명에 필요한 약 30가지의 소량 또는 무시할 수 있는 양의 요소를 영양소라고 합니다.미량원소. 이들은 철, 구리, 아연, 염소, 요오드입니다.

지구상의 대부분의 원소는 살아있는 유기체가 직접 사용할 수 없는 상태에 있습니다. 다행스럽게도 영양소로 필요한 요소와 그 화합물은 지속적으로 순환되며 흡수에 필요한 형태로 변형될 수 있습니다.

생물권 내 물질 순환은 생물학적, 지구화학적, 지구물리학적 요인이 복합적으로 작용하여 발생합니다.

생물학적 주기는 영양, 먹이그물, 번식, 성장, 이동, 사망, 분해, 광물화 등 유기체의 필수 활동에 의해 결정됩니다.

Abiogenic주기는 생물학적주기보다 훨씬 일찍 발생했습니다. 여기에는 지질학적, 지구화학적, 수문학 및 대기 과정의 전체 복합체가 포함됩니다.

물질순환의 상징은 원이 아닌 나선형이다. 이는 새로운 순환주기가 이전 순환주기를 정확하게 반복하지 않고 새로운 것을 도입하여 시간이 지남에 따라 매우 중요한 변화를 가져옴을 의미합니다.

주요 순환에는 탄소, 산소, 질소, 인, 황 및 생물 양이온의 순환이 포함됩니다.

탄소 순환

쌀. 생물권의 탄소 순환

탄소는 유기 화합물 분자의 주요 "건축 자재"입니다. 대부분의 육상 식물은 대기 중에서 농도가 0.04%인 이산화탄소를 흡수하여 필요한 탄소를 얻습니다. 식물성 플랑크톤(수생 생태계에 떠다니는 미세한 식물)은 물에 용해된 이산화탄소로부터 탄소를 얻습니다.

광합성 과정에서 식물-생산자는 이산화탄소를 포도당과 같은 복합 유기 화합물의 탄소로 변환합니다.

이산화탄소 + 물 + 태양열 = 포도당 + 산소

그런 다음 세포 호흡 과정에서 포도당 및 기타 복합 유기 화합물이 분해되어 생산자가 재사용할 수 있도록 탄소를 다시 이산화탄소로 변환합니다.

포도당 + 산소 = 이산화탄소 + 물 + 에너지

탄소 순환, 또는 가장 이동성이 높은 형태인 이산화탄소에서 생산자, 소비자, 분해자 등 영양 사슬이 명확하게 추적됩니다.

탄소는 대기, 수권 및 생물체 사이를 빠르게 순환합니다. 지구의 탄소 중 일부는 석탄, 갈탄, 석유, 천연가스, 이탄, 셰일 등 화석 연료의 형태로 오랜 기간 동안 "결합"되어 암석권에서 형성되는 과정이 수백만 년 동안 지속되었습니다. 이 형태에서 탄소는 광물 연료를 채굴하고 태울 때 발생하는 이산화탄소의 형태로 대기에 재도입될 때까지 "결합" 상태로 유지됩니다.

탄소 순환에 대한 인간의 개입은 특히 1950년대 이후 급속한 인구 증가와 자원 사용의 결과로 극적으로 증가했으며 주로 두 가지 방식으로 발생합니다.

• 충분한 재조림 없이 산림 및 기타 식생을 제거하여 이산화탄소를 흡수할 수 있는 식생의 총량을 줄이는 것입니다.
• 탄소질 화석 연료와 목재를 태웁니다. 생성된 이산화탄소는 대기로 유입되며, 그 함량이 점진적으로 증가하면 소위 "온실 효과"가 발생합니다.

질소 순환

쌀. 생물권의 질소 순환

질소 순환은 생물권의 모든 영역을 포괄합니다. 식물은 수소와 산소와의 결합 형태로만 질소를 흡수하기 때문에 식물에 의한 흡수는 제한적입니다. N 0 3- 및 NH 4 ). 그리고 이것은 대기 중 질소 매장량이 무궁무진하다는 사실에도 불구하고(부피의 78%). 환원제(파괴자) 또는 오히려 토양 박테리아는 죽은 유기체의 단백질 물질을 점차적으로 분해하여 이를 암모늄 화합물, 질산염 및 아질산염으로 바꿉니다. 질산염의 일부는 순환 중에 지하수에 들어가서 오염시킵니다.

질소는 붕괴 중에 방출된 가스와 함께 다시 대기로 되돌아갑니다. 사실, 번개가 치는 동안 그 일부가 공기 중에서 산화되어 빗물과 함께 토양에 들어가지만 이런 식으로 박테리아의 도움을받는 것보다 10 배나 적게 고정됩니다.

질소 순환에 대한 인간의 개입은 다음과 같습니다.

• 화석 연료가 연소되면 다량의 산화질소가 대기 중으로 방출됩니다(아니요 ). 산화질소는 대기 중의 산소와 결합하여 이산화질소(아니오 2 ), 수증기와 상호작용할 때 질산( HNO3 ). 이 산은 산성 침전의 구성 요소가 됩니다.
• 비료를 사용하면 아산화질소라는 "온실가스"가 대기 중으로 방출됩니다( N2O)
• 들판에서 비료를 씻어낼 때 수생 생태계에서 질산염과 암모늄 이온의 양이 증가합니다. 영양분의 과잉은 조류의 급속한 성장으로 이어지며, 조류의 분해로 인해 용존 산소가 소모되어 대량의 물고기가 죽게 됩니다.

인 순환

쌀. 생물권의 인 순환

인, 주로 인산염 이온(PO) 형태 3- 및 NPO 4 2- )은 식물과 동물 모두에게 중요한 영양소입니다. 유전 정보를 전달하는 DNA 분자의 일부입니다. 세포 호흡에 사용되는 유기체에 필요한 화학 에너지를 저장하는 ATP 및 ADP 분자; 식물과 동물 세포에서 세포막을 형성하는 지방 분자; 뼈와 치아를 구성하는 물질도 있습니다. 인의 일반적인 순환은 수생과 육상의 두 부분으로 나눌 수 있습니다.

인은 육지의 인산염 퇴적물과 얕은 바다 퇴적물에서 살아있는 유기체로 천천히 이동합니다. 인산염 광석이 천천히 파괴(또는 풍화)되는 동안 방출되는 인은 토양 수분에 의해 용해되고 식물 뿌리에 흡수됩니다.

동물은 식물이나 다른 초식동물을 먹음으로써 필요한 인을 얻습니다. 이 인의 대부분은 동물 배설물과 죽은 동식물의 분해 산물 형태로 토양, 강으로 돌아가고 결국에는 불용성 인산염 퇴적물의 형태로 해저로 돌아갑니다.

인의 일부는 물고기를 먹는 새(펠리컨, 가넷, 가마우지 등)의 배설물에 인이 풍부한 유기물인 구아노의 형태로 육지 표면으로 돌아갑니다. 그러나 자연 과정과 인위적 활동의 결과로 비교할 수 없을 정도로 많은 양의 인산염이 매년 육지 표면에서 바다로 씻겨 나가고 있습니다. 인 순환에 대한 인간의 개입은 주로 두 가지 옵션으로 귀결됩니다.

• 광물질 비료 및 세제 생산을 위한 대량의 인광석 추출;
• 가축 농장의 오염된 폐수, 인산염 비료 밭에서 씻겨 나온 물, 처리된 폐수 및 처리되지 않은 도시 폐수가 유입될 때 수생 생태계에서 인산염 이온의 과잉이 증가합니다. 이러한 요소의 과잉은 청록색 조류 및 기타 수생 식물의 "폭발적인" 성장에 기여하여 수생 생태계의 중요한 균형을 방해합니다.

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모든 생명체에는 지속적인 에너지와 물질 공급이 필요합니다. 기본적인 생명 반응을 구현하는 데 에너지가 소비되고 물질은 유기체의 몸을 만드는 데 사용됩니다. 자연 생태계의 존재에는 생물과 무생물 사이의 물질-에너지 교환의 복잡한 과정이 수반됩니다. 프로세스는 생물 물질의 구성뿐만 아니라 물리적 환경에도 의존합니다.

에너지와 물질의 흐름은 생태학에서 에너지와 물질이 외부에서 독립영양생물로 이동하고 더 나아가 한 영양 수준의 유기체에서 다음 영양 수준의 유기체로 먹이사슬을 따라 이동하는 것으로 간주됩니다.

공동체의 에너지 흐름은 유기 화합물의 화학적 결합 형태로 한 수준의 유기체에서 다른 수준의 유기체로 에너지가 전달되는 것입니다.

물질의 흐름은 화학 원소와 그 화합물 형태의 물질이 생산자에서 환원자로 이동한 다음 살아있는 유기체의 참여 없이 발생하는 화학 반응을 통해 다시 생산자로 이동하는 것입니다.

물질의 흐름은 닫힌 순환에서 발생하므로 이를 닫힌 순환이라고 합니다. 순환.

물질의 흐름과 에너지의 흐름서로 다른 에너지 등가물(칼로리, 킬로칼로리, 줄)이 물질의 흐름을 측정하는 데 종종 사용되지만 동일한 개념은 아닙니다.

생태계에서 물질의 흐름과 에너지의 근본적인 차이점은 유기물을 구성하는 생물원소(질소, 탄소, 인 등)는 물질의 순환에 반복적으로 참여할 수 있는 반면, 에너지의 흐름은 단방향이며, 뒤집을 수 없는.

모든 생태계의 존재는 모든 유기체가 중요한 활동과 자기 재생산을 유지하는 데 필요한 지속적인 에너지 공급에 달려 있습니다.

공동체 내 에너지 전달의 주요 채널은 먹이 사슬입니다. 1차 생산자로부터 멀어지면 에너지 흐름이 급격히 약해지며 에너지 양이 감소합니다.

운동

10% 규칙을 사용하여 첫 번째 수준의 총량이 100단위인 경우 4번째 영양 수준에 들어가는 에너지의 비율을 계산합니다.

물질의 순환과 에너지 변환모든 생태계가 존재하기 위한 필수 조건이다. 생태계의 먹이사슬을 통해 물질과 에너지가 전달됩니다.

생태계는 이에 필요한 네 가지 구성 요소, 즉 생물학적 요소의 매장량을 포함하는 경우에만 물질의 순환을 보장할 수 있습니다. 생산자, 소비자그리고 분해자

쌀. 1.생태계의 필수 구성 요소

이 구조는 여러 유기체 그룹으로 구성되며, 각 유기체는 물질 순환에서 특정 작업을 수행합니다. 그러한 링크 형태 중 하나에 속하는 유기체 영양 수준,영양 수준 사이의 연속적인 연결이 형성됩니다. 파워 체인,또는 영양 사슬.생태계에는 다음과 같은 유기체가 포함됩니다. 영양 방법에 따라 - 독립 영양 생물과 종속 영양 생물.

독립영양생물(자가 먹이) - 광합성과 화학 합성 과정을 통해 무기 물질(주로 이산화탄소와 물)로부터 신체의 유기물을 형성하는 유기체. 광합성은 광독립영양생물(photoautotrophs), 즉 모든 엽록소 함유(녹색) 식물과 미생물에 의해 수행됩니다. 화학 합성은 햇빛을 에너지 원으로 사용하지 않고 수소, 황, 황화수소, 암모니아 및 철과 같은 여러 물질의 효소 산화를 사용하는 일부 토양 및 수생 박테리아에서 관찰됩니다.

종속영양생물(다른 유기체를 먹음) - 다른 유기체의 완성된 유기물과 대사산물을 소비하는 유기체. 이들은 모두 동물, 곰팡이 및 대부분의 박테리아입니다.

독립 영양 생물 생산자와 달리 종속 영양 생물은 유기 물질의 소비자 및 파괴자(파괴자) 역할을 합니다. 식량원과 파괴 참여에 따라 소비자와 분해자로 구분됩니다.

소비자 - 유기체의 유기물 소비자. 여기에는 다음이 포함됩니다.

1차 소비자 - 초식 동물 (식물파지),살아있는 식물(진딧물, 메뚜기, 거위, 양, 사슴, 코끼리)을 먹습니다.

2차 소비자 - 육식동물 (동물원),다른 동물 먹기-다양한 포식자 (약탈 곤충, 식충 및 맹금류, 약탈 파충류 및 동물), 식물성 파지뿐만 아니라 다른 포식자도 공격합니다. 육식성, 초식성, 잡식성 등 식물성 식품과 동물성 식품을 모두 섭취하는 혼합 식단을 사용하는 동물이 많이 있습니다. I 및 II 주문의 소비자는 각각 생태계에서 두 번째, 세 번째, 때로는 다음 영양 수준을 차지합니다.

분해자 - 박테리아 및 하등 곰팡이 - 소비자 및 부패물의 파괴적인 작업을 완료하여 유기물의 분해를 완전한 광물화로 가져오고 분자 질소, 광물 원소 및 이산화탄소의 마지막 부분을 생태계 환경으로 되돌립니다.

생태계 지속 가능성.생태계 안정성은 그 안에 사는 종의 수와 먹이 사슬의 길이에 따라 달라집니다. 종, 먹이 사슬이 많을수록 물질 순환에서 생태계가 더 안정적입니다.

인공생태계- 인간 활동의 결과로 생성되었습니다. 인공 생태계의 예: 공원, 들판, 정원, 과수원.

인공 생태계와 자연 생태계의 차이점:

소수의 종(예: 밀과 밀밭의 일부 잡초 및 관련 동물)

하나 이상의 종의 유기체의 우세(밭의 밀)

적은 수의 종으로 인한 짧은 먹이사슬;

유기 물질의 상당한 제거 및 작물 형태의 주기에서의 제거로 인한 물질의 개방 주기

안정성이 낮고 인간의 지원 없이는 독립적으로 존재할 수 없습니다.

정의 1

에너지는 모든 유형의 물질의 움직임과 상호작용을 측정하는 복잡한 척도입니다.

생물권의 여러 블록에서 순환하고 재사용되어 순환을 형성할 수 있는 물질과 달리 에너지는 일정한 단방향 흐름입니다. 그러한 흐름에서 에너지는 열의 형태로 우주 공간에서 소산될 때까지 한 형태에서 다른 형태로 변환될 수 있습니다.

전체 생물권은 외부 공간에서 에너지를 흡수하여 내부 작업으로 전달할 수 있는 단일 공간 구성으로 간주될 수 있습니다.

살아있는 유기체는 생물권의 주요 소비자이자 에너지 변환기입니다. 예를 들어, 생산자는 자유 복사 에너지를 화학적으로 결합된 에너지로 변환하며, 이는 이후 한 생물권 구조에서 다른 생물권 구조로 전달됩니다. 에너지의 각 전환에는 열로의 변환과 환경에서의 소산이 수반됩니다. 에너지가 생산자로부터 1차 소비자에게 전달될 때 전달 효율은 10%에 불과합니다.

더 효율적인 것은 첫 번째 소비자에서 두 번째 소비자 (20 %)로 에너지를 전달하는 것입니다. 에너지의 흐름은 환원기에서 끝나며, 이로 인해 에너지는 최종적으로 열의 형태로 소산되거나 죽은 유기물에 축적됩니다.

생물권의 물질 순환

• 대규모 생물학적 (물질의 대규모 순환의 특징은 주로 수평 방향입니다. 물 순환과 같이 육지와 바다 사이에서만 수행됩니다)
• 작은 생물학적(식물과 토양 사이의 생물학적 순환은 주로 수직 이동 방향을 가짐);
• 화학 (화학주기에서 물질의 이동은 서로 반대되는 밀접하게 관련되고 상호 의존적인 두 가지 과정에 의해 결정됩니다. 결과적으로 태양 에너지와 잔해의 광물화로 인해 무생물 요소에서 녹색 식물에 의한 생물 물질의 합성입니다. 그 중 에너지가 방출됩니다).

비고 1

생명체의 형성과 분해는 화학 원소의 생물학적 순환이라고 불리는 단일 과정의 양면입니다. 생명체의 주요 구성은 기체 상태로 생물권에 존재하는 화학 원소에 달려 있으며, 그 결과 생명체의 유기 세계는 지구상의 가스 순환과 관련됩니다.

생물권 지구화학적 과정

알려진 바와 같이, 지각에는 $100$ 이상의 화학 원소가 포함되어 있지만 그 중 $6$만이 대기에서 상호 작용합니다: 수소 $(H)$, 산소 $(O)$, 질소 $(N)$, 탄소 $ (C)$, 인 $(P)$ 및 황 $(S)$. 따라서 가장 반응성이 높은 요소는 생물권 지구 화학적 과정에 참여합니다. 그 중 처음 4개는 지구상의 모든 생명체의 약 99%$를 포함하여 육상 식물의 거의 전체 질량을 형성합니다.

생물권 생화학 과정

생화학적 순환은 매년 약 5,000억 톤에 달하는 물질을 움직이게 하며, 그 유일한 원동력은 광합성 과정입니다. $C$, $H$, $O$ 및 $N$ 외에도 유기체는 회분 요소($Ca$, $K$ 등)와 다량 영양소($Zn$, $Mo$ 등)를 사용합니다. , 지구상의 순환은 물질의 순환적 변형과 생명체의 생물학적 및 비생물적 변형의 결합된 작용으로 인한 에너지 흐름의 변화로 인해 발생합니다.

결론

따라서 생물권에서 물질의 순환은 특정 물질에 의해 수행되는 것이 아니라 대기권, 수계 및 암석권의 다양한 층에서 수행되는 과정에 참여하는 특정 요소에 의해서만 수행됩니다.

쌀. 14.5. 생태계의 총 에너지 흐름(어두운 화살표)과 물질의 순환(밝은 화살표)입니다.

따라서 생태계의 기초는 독립 영양 유기체로 구성됩니다. 생산자(생산자, 창조자) 광합성 과정에서 에너지가 풍부한 식품, 즉 1차 유기물을 생성합니다. 육상 생태계에서 가장 중요한 역할은 고등 식물에 속하며, 고등 식물은 유기 물질을 형성하여 생태계의 모든 영양 관계를 생성하고 많은 동물, 균류 및 미생물의 기질 역할을 하며 비오톱의 미기후에 적극적으로 영향을 미칩니다. . 수생 생태계에서 1차 유기물의 주요 생산자는 조류입니다.

준비된 유기 물질은 에너지 종속영양생물을 얻고 저장하는 데 사용됩니다. 소비자(소비자). 종속영양생물에는 초식동물(1차 소비자), 초식 형태를 희생하여 살아가는 육식동물(2차 소비자), 다른 육식동물을 섭취하는(3차 소비자) 등이 포함됩니다.

특별한 소비자 그룹은 분해자(파괴자 또는] 파괴자), 생산자와 소비자의 유기 잔류 물을 간단한 무기 화합물로 분해하여 생산자가 사용합니다. 분해자는 주로 미생물, 즉 박테리아와 곰팡이입니다. 육상 생태계에서는 일반 순환에서 죽은 식물의 유기물을 포함하는 토양 분해자가 특히 중요합니다(이들은 1차 산림 생산의 최대 90%를 소비합니다). 따라서 생태계의 각 살아있는 유기체는 다른 유기체 및 비생물적 환경 조건과의 생태학적 관계의 복잡한 시스템에서 특정 생태학적 틈새(장소)를 차지합니다.

먹이사슬(그물)과 영양 수준.모든 생태계의 기초, 그 기초는 식량(영양)과 이에 수반되는 에너지 연결입니다. 그 안에는 주로 식물에 의해 생성되는 음식에 포함된 물질과 에너지가 지속적으로 전달됩니다.

어떤 종을 다른 사람이 먹음으로써 식물이 생성한 양분의 위치에너지가 여러 유기체를 통해 전달되는 것을 가리킨다. 전원 회로또는 먹이 사슬,그리고 각 링크 - 영양 수준(그림 14.6).

쌀. 14.6. 아프리카 사바나의 먹이사슬.

쌀. 14.7.생태계의 전력 네트워크.

먹이 사슬에는 목초지(방목 사슬 또는 소비 사슬)와 폐기물(분해 사슬)의 두 가지 주요 유형이 있습니다. 목장 체인은 다음에서 시작됩니다.생산자: 클로버 -> 토끼 -> 늑대; 식물성 플랑크톤(조류) -> 동물성 플랑크톤(원생동물) -> 바퀴벌레 -> 강꼬치고기 - > 물수리.

찌꺼기 사슬식물과 동물의 잔해, 동물의 배설물 - 잔해에서 시작합니다. 그들을 먹이로 삼는 미생물, 그리고 작은 동물(부식자)과 그들의 소비자인 포식자에게로 가십시오. 파괴 사슬은 숲에서 가장 흔하며, 식물 바이오매스의 연간 증가량 중 대부분(90% 이상)이 초식 동물에 의해 직접 소비되지 않고 사멸되어 분해(부영양 유기체에 의해) 및 광물화 과정을 거치게 됩니다. 우리 숲의 유해한 식품 연결의 전형적인 예는 다음과 같습니다. > 지렁이 -> 흑인- > 참새 매. 지렁이 외에도 나무 이가, 플레어, 스프링 테일, 선충류 등이 디트리토파지입니다.

생태 피라미드.각 생물지구권 내의 먹이그물은 잘 정의된 구조를 가지고 있습니다. 이는 먹이 사슬의 각 수준에서 유기체(바이오매스)의 수, 크기 및 총 질량을 특징으로 합니다. 목초지의 먹이사슬은 인구 밀도, 번식률 및 바이오매스 생산성의 증가를 특징으로 합니다. 한 식품 수준에서 다른 식품 수준으로 전환하는 동안 바이오매스가 감소하는 것은 모든 식품이 소비자에 의해 동화되는 것은 아니라는 사실 때문입니다. 예를 들어, 잎을 먹는 애벌레에서는 식물 물질의 절반만 장에서 흡수되고 나머지는 배설물의 형태로 배설됩니다. 또한, 장에서 흡수된 영양분의 대부분은 호흡에 사용되며, 최종적으로 새로운 애벌레 세포와 조직을 만드는 데 사용되는 양분은 10~15%에 불과합니다. 이러한 이유로, 각 후속 영양 수준의 유기체 생산량은 항상 이전 영양 수준의 생산량보다 적습니다(평균 10배). 즉, 먹이 사슬의 각 후속 연결 고리의 질량은 점진적으로 감소합니다. 이 패턴의 이름은 다음과 같습니다. 생태 피라미드 규칙(그림 14.8).

그림, 14.8. 단순화된 생태 피라미드.

생태 피라미드를 작성하는 방법에는 세 가지가 있습니다.

1. 숫자의 피라미드생태계의 다양한 영양 수준에 있는 개인의 수치 비율을 반영합니다. 동일하거나 다른 영양 수준 내의 유기체가 크기가 크게 다른 경우 숫자 피라미드는 영양 수준의 실제 비율에 대해 왜곡된 아이디어를 제공합니다. 예를 들어, 플랑크톤 군집에서는 생산자의 수가 소비자의 수보다 수십, 수백 배 더 많고, 숲에서는 수십만 명의 소비자가 생산자인 한 나무의 기관을 먹을 수 있습니다.

2. 바이오매스 피라미드각 영양 수준에서 생물체 또는 바이오매스의 양을 보여줍니다. 대부분의 육상 생태계에서는 생산자의 바이오매스, 즉 식물의 전체 질량이 가장 크며, 이후의 각 영양 수준의 유기체의 바이오매스는 이전 영양 수준보다 적습니다. 그러나 일부 지역사회에서는 1차 소비자의 바이오매스가 생산자의 바이오매스보다 큽니다. 예를 들어, 주요 생산자가 번식률이 높은 단세포 조류인 해양에서는 연간 생산량이 바이오매스 매장량을 수십 배, 심지어 수백 배 초과할 수 있습니다. 동시에, 조류에 의해 형성된 모든 생성물은 먹이 사슬에 매우 빠르게 관여하여 조류 바이오매스의 축적은 적지만 재생률이 높기 때문에 작은 매장량으로도 유기물 재생 속도를 유지하기에 충분합니다. 이런 점에서 해양에서는 바이오매스 피라미드가 역관계, 즉 '역전' 관계를 갖는다. 가장 높은 영양 수준에서는 포식자의 수명이 길고 세대의 회전율이 낮으며 먹이 사슬에 들어가는 물질의 상당 부분이 유지되기 때문에 바이오 매스를 축적하는 경향이 우세합니다. 그들의 몸에.

3. 에너지 피라미드전력 회로의 에너지 흐름량을 반영합니다. 이 피라미드의 모양은 개인의 크기에 영향을 받지 않으며, 열역학 제2법칙에 따라 항상 밑면이 넓은 삼각형 모양입니다. 따라서 에너지 피라미드는 생태계의 모든 대사 과정과 공동체의 기능적 조직에 대한 가장 완전하고 정확한 아이디어를 제공합니다. 숫자와 바이오매스의 피라미드가 생태계의 정적인 상태(특정 순간에 유기체의 수와 바이오매스)를 반영한다면, 에너지 피라미드는 먹이 사슬을 통해 대량의 먹이가 이동하는 역학을 반영합니다. 따라서 숫자와 바이오매스의 피라미드의 기본은 후속 영양 수준보다 크거나 작을 수 있습니다(다양한 생태계의 생산자와 소비자의 비율에 따라 다름). 에너지 피라미드는 항상 위쪽으로 좁아집니다. 이는 호흡에 소비된 에너지가 다음 영양 수준으로 전달되지 않고 생태계를 떠나기 때문입니다. 따라서 각 후속 레벨은 항상 이전 레벨보다 작습니다. 육상 생태계에서 이용 가능한 에너지 양의 감소는 일반적으로 각 영양 수준에서 개체의 풍부함과 바이오매스의 감소를 동반합니다. 새로운 조직을 구성하고 유기체의 호흡을 위한 에너지 손실이 크기 때문에 먹이 사슬은 길 수 없습니다. 일반적으로 3~5개의 링크(영양 수준)로 구성됩니다.

자연 및 인공 공동체(농약)의 산물이 인류를 위한 주요 식품 공급원이기 때문에 생태계 생산성 법칙에 대한 지식, 에너지 흐름을 정량화하는 능력은 실질적으로 매우 중요합니다. 에너지 흐름과 생태계 생산성 규모를 정확하게 계산하면 인간에게 필요한 최대 생산량을 달성하는 방식으로 물질 순환을 조절할 수 있습니다.