1. Общие законы круговорота вещества и потоков энергии в географической оболочке

Всю экосистему можно уподобить единому механизму, потребляющему энергию и питательные вещества для совершения работы. Питательные вещества первоначально происходят из абиотического компонента системы, в который, в конце концов, и возвращаются либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов. Таким образом, в экосистеме происходит постоянный круговорот питательных веществ, в котором участвуют и живой, и неживой компоненты. Такие круговороты называются биогеохимическими циклами.

По первому закону термодинамики, закону сохранения энергии, энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. По второму закону термодинамики, при совершении работы энергия не расходуется на 100%, и часть ее превращается в тепло. В системе для энергии характерен линейный поток, то есть ее повторное использование. Каждый раз, совершая работу на клеточном уровне или на уровне всего организма, происходит потребление энергии, и часть ее теряется в виде тепла. В конце концов, вся энергия, поступившая в биотический компонент системы, рассеивается в виде тепла. То есть химическая энергия трансформируется в тепловую. Таким образом, в экосистеме не происходит накопление биомассы вследствие поедания, за счет чего она трансформируется.

Жизнь поддерживается на Земле за счет непрерывного круговорота вещества и потока энергии, которые трансформируются, переходя из одной формы в другую в экосистемах, основанных на трофических взаимоотношениях между организмами. Это прослеживается в образовании пищевых цепей и сетей. Пищевая цепь – это перенос энергии от зеленых растений (первичных продуцентов) через последовательный ряд организмов. Позиция, занимаемая организмом в пищевой цепи, называется трофическим уровнем. Так, первый трофический уровень занимают первичные продуценты, которые трансформируют солнечную энергию в химическую в процессе фотосинтеза, второй – первичные консументы, третий вторичные консументы и т.д. Консументам необходимо готовое органическое вещество, которое они преобразуют в процессе метаболизма, минерализируя или используя для синтеза биомассы.

Экскременты и неиспользованное оргвещество, а также мертвые тела этих организмов составляют оргвещество, разложение которого обеспечивают сапрофиты (бактерии и грибы). Эти организмы занимают первый трофический уровень детритной цепи. Организмы второго уровня потребляют бактерии и частично разложенную биомассу, называемую детритом, усиливая процесс минерализации. Следовательно, организмы детритной пищевой цепи постепенно минерализуют оргвещество до неорганических составных, необходимых для роста и развития первичных продуцентов (зеленых растений).

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами. Экосистемы – это сообщества организмов, связанные с неорганической средой тесными материально-энергетическими связями. Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ можно назвать экосистемой.

Для поддержания круговорота веществ в системе необходимо наличие запаса неорганического вещества в усвояемой форме и трех функционально различных групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов. Продуцентами выступают автотрофные (использующие в качестве источника для построения своего организма неорганические соединения) организмы. Консументы – это гетеротрофные организмы (все живые существа, нуждающиеся в пище органического происхождения), потребляющие оргвещество продуцентов или других консументов и трансформирующих его в новые формы. Редуценты живут за счет мертвого оргвещества, переводя его в неорганические соединения. Роль консументов выполняют в природе в основном животные, их деятельность по ускорению циклических миграций атомов в экосистемах сложна и многообразна. Ни одна, даже самая крупная, экосистема Земли не имеет полностью замкнутого круговорота. Материки интенсивно обмениваются веществом с океанами, причем большую роль в этих процессах играет атмосфера, и вся наша планета часть материи получает из космического пространства, а часть отдает в космос. Например, считается, что ежегодно из Мирового океана испаряется более 450тыс км³ воды и столько же возвращается обратно в виде атмосферных осадков и стока. Но в действительности круговороты никогда не бывают вполне замкнуты: часть вещества на каком-то этапе цикла может где-то застревать, выпадать из оборота на более или менее длительное время (например, вода атмосферных осадков частично связывается в процессах гидратации) или вовсе исключаться из него (например, в результате погружения в глубинные толщи литосферы)

С другой стороны из вне в эпигеосферу постоянно поступает вещество за счет вулканических извержений, а также выпадения из космоса. Считается, что ежегодно на земную поверхность поступает до 10млн. т метеоритов и космической пыли. Сейчас еще трудно составить баланс вещества эпигеосферы, т.е. соотношение между его приходом и расходом. Но по всей вероятности, этот баланс положителен.