Превращение энергии в природе

Наша Вселенная состоит из материи и энергии.

Энергия определяется как способность выполнять работу и может превращается в различные формы: тепловую, световую, химическую, кинетическую (движения) и другие. Одна форма может быть преобразована в другую.

Превращение энергии и  круговорот в природе необходимы для жизненно важных функций как рост и размножение любых организмов.

Материя определяется как все, что занимает пространство и имеет массу. Все материальные вещества, в том числе живые организмы сделаны из материи.

Откуда берется материя и какие превращения энергии происходят как необходимые составляющие для выживания живых организмов описано ниже.

Материя и энергия в земной системе

Некоторые типы материи были произведены при Большом взрыве, который сформировал Вселенную. Теория утверждает, что порядка 14 млрд лет назад произошедшая ядерная реакция сформировала ядра звезд различных типов. Земля и другие планеты, образованные из накопления тяжелых форм материи, начала дрейфовать в пространстве после Большого взрыва. Земля прошла через свой период накопления материи и энергии со времен начала нашей Солнечной системы, около 4,5 миллиарда лет назад.

Система Земли — включая ее живые и неживые компоненты вообще содержит небесконечное количества материи (за исключением небольшого количества входящей и выходящей из атмосферы Земли).

Как бесчисленные поколения живых организмов выживают на ограниченном количестве материи все эти 4,5 миллиарда лет?

Круговорот

Материя и энергия циклически осуществляют кругооборот через другие организмы, включая бактерии, животных и растения, поскольку жизнь возникла около 3,8 миллиарда лет назад.

Для большой части земной жизни организмы получают энергию прямо или косвенно от Солнца.

Как и все звезды, Солнце излучает электромагнитную энергию, которая включает свет в видимом, ультрафиолетом и ультракрасном спектрах также, как рентгеновские, микроволны, радио волны и гамма-излучение. Это излучение электромагнитного спектра используется для превращения энергии из одной формы в другую.

Получение энергии живыми организмами

Важной составляющей частью всех живых организмов являются органические молекулы. Органические молекулы представляют собой соединения, содержащие углерод и водород атомы, могут включаться и другие типы атомов. Для того чтобы сформировались органические молекулы в природе происходит превращение энергии.

Организмы которые участвуют в формировании органических молекул являются производителями.

Производители — растения, водоросли, некоторые простейшие и многие прокариоты (одноклеточные живые организмы) потребляют энергию необходимую для получения органических молекул из солнечного света.

• Органические-молекулы биологического происхождения в составе углерода, водорода, кислорода и т.п.
• Неорганические-молекулы не содержат углерод который является основой всех живых существ.

Атом углерода имеет четыре электрона во внешней оболочке, которая может образовывать связь с другим атомом. Так как углерод способен образовывать четыре связи, атомы углерода могут образовывать цепи и кольца. В органических молекулах углерод связаны по крайней мере с одним водородом. Они встречаются в живых организмах и часто содержат другие типы атомов, включая кислород, азот, серу или фосфор.

Реагент неорганических продуктов

Напомним, реагенты принимают участие в химической реакции, но при этом сами не являются объектом обработки. Реагентом в превращениях является энергия. Процесс использования солнечного света для того, чтобы сделать органические молекулы из углекислого газа, или «отладки углерода» называется фотосинтезом.

• Углекислый газ, который не содержит водород, считается неорганическим соединением.
• В этой реакции, углекислый газ и вода — реактивы (вещества которые проходят реакции).
• Органические молекулы и кислород являются продуктами.
• Требуемая для превращения энергия считается реагентом.

Другие типы производителей могут приобретать ресурсы через неорганические химические реакции, процесс, называемый хемосинтезом. Однако, фотосинтез является основным источником органических молекул на Земле.

Фотосинтез, включая растения, осуществляет превращение энергии солнечного света в химическую. Много организмов, как животные и некоторые простейшие и бактерии, не могут превращать углекислый газ в органические молекулы, так как не могут приобрести ресурсы от солнечного света.

Живые организмы приобретают органическое вещество путём употребления в пищу продуктов, полученных от производителей или других потребителей.

Реагент органических продуктов

Органические молекулы имеют относительно высокое содержание ресурсов. Превращение энергии и её извлечение из органических молекул происходит посредством процесса, называемого клеточным дыханием.

Углекислый газ, вода и тепло отходы клетчатого дыхания.

Производители также могут использовать клеточное дыхание для извлечения энергии хранившейся в органических молекулах.

Разлагатели, в состав которых входят бактерии и грибы, потребляют органические вещества от отходов и некогда живых организмов, тем самым осуществляя круговорот веществ и энергии при переработке органического вещества в экосистеме.

Взаимодействие производителей, потребителей, редуцентов (останки живых существ) и неживой компоненты окружающей среды образуют экосистему. В экосистеме, потоки ресурсов для работы идут от производителей к потребителям и разлагателям. Однако, на каждом шаге только небольшое количество ресурсов передается, остальное теряется как тепло.

Обмен веществ и превращение энергии проходит через экосистему взаимно выгодно всем ее членам.

Кислород, который является отходом фотосинтеза, используется для клетчатого дыхания для большинства организмов.

Углекислый газ который представляет отходы клетчатого дыхания, используется для фотосинтеза.

Фотосинтетические производители используют энергию солнечного света для преобразования диоксида углерода и воды в органические молекулы. Потребители и редуценты используют клетчатое дыхание для того чтобы извлечь ресурсы от органических молекул, которые производят углекислый газ и воду.

Круговорот веществ между живыми и неживыми

Круговорот веществ и энергии между живыми и неживыми элементами Земли происходит путём биогеохимических циклов.

Биогеохимические циклы включают в себя перенос вещества через живые и неживые части экосистемы.

Биогеохимический цикл включает циклы различных элементов и молекул. Например, цикл углерода включает движение углерода от углекислого газа к органическому веществу и обратно в углекислый газ.

Биогеохимические циклы также связаны с биологическими процессами — например, вода испаряется из океана и снова падает в виде дождя.

Биогеохимические циклы могут быть нарушены деятельностью человека, как в настоящее время происходит с углеродным циклом. Уголь, нефть и природный газ, известные в качестве ископаемого топлива берутся из залежей некогда живых организмов, которые были захоронены под земной корой. Когда эти виды топлива сжигаются, углерод выделяется в виде углекислого газа. Пока много из этого углерода углекислого газа поглощается растениями и превращается обратно в виде живой материи.

Однако сегодня из-за сжигания ископаемого топлива количества углерода который был похоронен под земной корой и в процессе круговорота в природе сейчас находится в  атмосфере Земли приближается к 750 гигатонн.  Этот углекислый газ создает глобальное потепление через парниковый эффект, который влияет на  климат.