Лекции - Экология

Подождите немного. Документ загружается.

Таким образом, океан дает 50% всей биопродуктивности, леса - 30%,

пашни ~ 10%.

Одно из потенциально возможных применений фотосинтеза – это

использование его как альтернативного источника энергии вместо

истощающихся природных запасов нефти и газа. Сейчас делаются попытки

смоделировать те первые этапы фотосинтеза у растений, когда за счет

энергии Солнца вода расщепляется на водород и кислород. Если бы это

удалось, то водород можно было бы сжигать как топливо, продуктом

сгорания которого была бы вода. Такая система могла бы существенно

дополнить или даже всецело заменить ядерную и другую формы энергии.

Эти исследования имеют большое значение и для сельского хозяйства,

потому что , судя по приведенным выше цифрам, существуют большие

возможности повышения эффективности седьскохозяйственных культур.

Пока же фотосинтетическая продуктивность основных мировых экосистем

может быть проиллюстрирована данными из таблицы 2.1.

2.2.2 Трофические сети и основы теории питания

В функционирующих природных экосистемах нет отходов. Все

организмы потенциально являются пищей для других организмов. Их

последовательность, в которой каждый съедает или разлагает другой,

называется пищевой цепью. Все организмы, пользующиеся одним типом

пищи, принадлежат к одному трофическому уровню.

Итак, растения могут непосредственно использовать для своей жизнедеятельности

лучистую энергию солнца.

Дальнейшее движение энергии в системе происходит посредством 2-х

пищевых цепей: пастбищной и детритной.

Поток вещества и поток энергии не тождественные понятия, хотя

нередко для измерения потока вещества используются различные

энергетические эквиваленты (калории, килокалории, джоули).

Тепло Тепло

Тепло

Схема потока энергии в природе

В пастбищной цепи растения поедаются фитофагами, которые сами -

Энергия

Солнца

1ступень

Продуценты

(растения)

2 ступень.

Консументы 1-

го порядка

(травоядные)

3 ступень.

Консументы 2-

го порядка

(плотоядные)

Редуценты

пища хищников и паразитов. В детритной цепи отходы жизнедеятельности и

мертвые организмы разлагаются редуцентами - детритофагами и

деструкторами до простых неорганических соединений и воды, которые

вновь используются растениями. Переход от одного уровня к другому

сопровождается работой и выделением тепла в окружающую среду. В

результате этого, количество энергии высокого качества постоянно

снижается в пределах от 2 до 30% при переходе от одного уровня к другому.

В дикой природе в среднем около 10% химической энергии одного

трофического уровня трансформируется в доступную химическую энергию в

организмах следующего трофического уровня. Оставшаяся энергия

используется для поддержания жизнедеятельности, но большая ее часть

рассеивается в виде тепла.

Отчасти это объясняется тем, что на всех трофических уровнях

необходимая для жизнедеятельности организмов энергия передается в форме

вещества потребленной пищи.

Все кроме кислорода, человек, находящийся в самом конце пищевой

цепи, получает для своей жизнедеятельности из продуктов питания.

И соответственно, как существо разумное должен их рационально

использовать. Среднее потребление пищи в сутки составляет 800 г (около 5

млн. т/сут-для всего населения планеты) и 2 л воды. К сожалению

существующие сейчас представления о питании во многом неверны и ведут

человечество к тяжелым последствиям. Первая теория питания появилась

еще во времена Аристотеля. Суть ее проста: в организме человека пища

подвергается химическим процессам типа брожения, а затем в

переработанном виде она поступает в кровь и, таким образом, расходуется в

процессе жизнедеятельности. Эта теория не навязывала каких-либо канонов,

и человек в своем питании руководствовался практическим опытом, исходя

из конкретных условий. Например, спартанские войны питались один раз в

день. На вечерней зорьке они получали горсть зерен, и этого им хватало,

чтобы иметь могучие мускулы и совершать тяжелый ратный труд.

Сформулированная еще в 18 веке калорийная теория, на основе

которой строится современная диетология, привела буквально к шквалу

хронических заболеваний.

По этой теории пища рассматривается как материал для компенсации

вещественных и энергетических затрат организма в процессе

жизнедеятельности, и баланс питания должен строится на основе закона

сохранения энергии. Суть пищеварения сводится к разрушению исходных

пищевых структур (белков, жиров , углеводов) в желудке и кишечнике на

элементарные блоки и к всасыванию этих блоков, чтобы из них организм

построил свои клетки.

При пищеварении в процессе окисления углеводов, жиров и белков

выделяются разные количества энергии (Е):

+ 6О

 6СО

+ 6Н

О Е=17,0 кДж/г

2С

110

+ 163О

 114СО

+ 110Н

О Е=38,0 кДж/г

Метаболизм белков идет до мочевины СН

О; Е=17 кДж/г

Энергетические потери организма оценили в количестве 2500 - 3000

ккал/сут при средней интенсивности труда и 5000 ккал/сут при тяжелой

работе (1ккал соответствует 4,19 кДж) .

Этим руководствуются при выпуске продукции. Цель одна - увеличить

калорийность пищи, повысить содержание веществ, которые усваиваются

организмом. Всякие « балластные» вещества типа отрубей и растительных

волокон считали ненужными и отбрасывали. Поэтому зерно перемалывали в

муку(причем чем она была белее, тем считалось лучше). Отруби же, которые

как выяснилось потом, содержат ценнейшие витамины, ферменты,

незаменимые аминокислоты и т.д., сжигали или скармливали свиньям. Для

повышения калорийности пищи мясо стали перерабатывать в буженину или

жирную колбасу, из молока научились получать сливочное масло, из свеклы

- выделять сахар, живые ягоды начали превращать в варенье и т.д.

Поступление 3000 ккал/сут может быть достигнуто за счет

употребления 20кг овощей и фруктов, либо, поскольку это невозможно,

потребляя 100 г белка (300-400г мяса), 100г жира (около 150г сливочного

масла) и 500г углеводов (т.е. более 1 кг хлеба или крупы). На основе этих

норм составлялись пищевые рационы. Акцент на калорийную пищу привел к

интенсивному развитию консервного производства. Постепенно калорийная

теория начала входить в противоречие с практикой. Выяснилось, например,

что некоторые народности, питаясь злаками, овощами и фруктами, вообще не

употребляют мяса и рыбы, т.е. калорийность их питания была в 5 - 6 раз

меньше нормы. Однако они не вымирали, а продолжали жить в добром

здравии. То же самое можно сказать и о вегетарианцах - представителях

самых разных народов, причем некоторые были весьма знамениты: Пифагор,

И. Ньютон, Л. Толстой, И. Репин, Р. Роллан , А .Н. Несмеянов. Немало и

сейчас людей, суточный рацион которых составляет 500 -600 ккал, причем,

они ведут активный образ жизни. Зато на людей, питающихся по калорийной

теории, обрушилась лавина хронических заболеваний: гастриты, язвы,

колиты, диабет, атеросклероз, стенокардия. Вообще- то пища - не

единственный источник энергии. Можно предположить, что за миллионы лет

эволюции у живых существ мог появиться способ превращения солнечной

энергии в химическую. Эту мысль еще в начале нашего века высказали

ученые, когда обратили внимание на удивительное сходство химических

структур гемоглобина и хлорофилла.

Постепенно стало проясняться, что для человека важнее не

калорийность, а биоэнергетическая ценность пищи. Сложные биохимические

структуры, на построение которых растение тратит много энергии и времени,

организм человека берет из живых клеток почти готовыми и с помощью

небольшой перестройки превращает их в свои ферменты, стимуляторы,

витамины и прочие активные вещества.

Средняя потребность в поступлении пищевой энергии

взрослого трудоспособного населения, ккал, с учетом

дополнительных энергозатрат на активные формы отдыха

Возраст

, годы

Мужчины Женщины

В городе В сельской

местности

В городе В сельской

местности

18 - 40 3100 - 4000 3300 - 4200 2650 - 3400 2850 - 3600

40 - 60 2800 - 3600 3000 - 3800 2350 - 3050 2550 – 3250

Из хлорофилла заменой атомов магния на атомы железа легко

получается гемоглобин. Вот почему у людей, постоянно употребляющих

зелень (и в свежем и сушеном виде) высокий уровень гемоглобина. Если же

человек питается «мертвой пищей», в которой в процессе

переработки( например, при консервировании) химические структуры

наиболее активных веществ разрушены, то его организму приходится

затрачивать много энергии на построение нужных веществ. Мышечная

активность такого человека будет крайне низкой.

В процессе пищеварения обязательно участвуют бактерии - симбионты,

которые заселяют желудочно-кишечный тракт человека с самого рождения.

Эта полезная микрофлора обеспечивает нормальное пищеварение и хорошую

иммунную защиту. Если же возникает болезнь желудочно - кишечного

тракта

то это означает, что человек повредил свою микрофлору и ее надо

восстанавливать. Между хозяином и симбионтами существует постоянный

обмен. На этой основе возникла новая теория, которую назвали теорией

естественного питания. Суть теории проста: питание человека должно

соответствовать естественным процессам переработки пищи, которые

сложились в процессе эволюции.

Представления об основных химических процессах, протекающих при

переваривании пищи остались прежними, но появились уточнения: пищу

усваивают и поглотивший ее организм, и населяющие его бактерии -

симбионты ; в организме всасываются не только то, что получается из пищи

но и продукты жизнедеятельности бактерий. Вещества, которые раньше

считали ненужными, балластными, на самом деле являются важнейшими

компонентами пищи, т.к. они служат местом обитания и пищей для бактерий

- симбионтов.

Бактерии снабжают человека ценнейшими веществами, в том числе

незаменимыми аминокислотами. Бережное отношение к кишечной

микрофлоре предполагает постепенный отказ от неестественной для

человека пищи, особенно от жареной и копченой.

Зная общий характер этих превращений, легко понять, что

возникающий мелкодисперсный графит, образующий сильно подгоревшую

корку содержит в качестве примесей различные продукты промежуточных

превращений.

Многие из них вредят микрофлоре, а некоторые (бензпирен)

канцерогенны. При копчении, чтобы сохранить пищу, ее пропитывают

продуктами разложения органических веществ. Некоторые из них весьма

бактерицидны, т.е. убивают практически все виды микробов. Попав в

кишечник, эти вещества убивают микрофлору, нанося существенный вред

организму.

Какое же питание является естественным? Из истории развития живой

природы следует, что, когда человек сформировался как биологический вид,

он питался плодами растений (орехами, семенами, зернами, корнеплодами).

К этому была приспособлена его пищеварительная система, резко

отличающаяся от таковой у хищников и жвачных животных. Потом

оледенение и голод заставили человека освоить способ питания хищников.

Постепенно нужда в этом отпала, но привычка осталась.

Суточная потребность человека в белках, жирах, углеводах

Возраст

годы

Белки, г Жиры, г

Углеводы,

Калорийность,

ккал

Все

го

В т.ч

животные

Все

го

Вт.ч.

растительн

ые.

1 - 1,5 48 6 48 - 160 1300

3 - 4 63 4 63 8 233 1800

7 - 10 80 8 80 15 324 2400

14-17

(юноши)

106 4 106 20 422 3150

14-17

(девушки)

93 6 93 20 367 2750

60-70

(мужчины)

80 8 76 27 320 2350

60-70

(женщины)

70 2 66 23 288 2100

В процессе жарки органические вещества частично подвергаются

термической дегидратации и дегидрированию, а затем циклизации

(ароматизации) и конденсации

Калорийность и состав некоторых распространенных продуктов

Продукт Состав, %, калорийность

Белки Жиры Углеводы кДж/г ккал/г

Зеленый

горошек

1,9 - 7,0 1,5 0,40

Арахис 26 39 22 23,0 5,5

Молоко 3,3 4,0 5,0 3,0 0,70

Конфеты

(помадка)

2,0 11,0 81,0 18,0 4,40

Сосиски 22,0 30,0 - 15,0 3,6

Сыр (Чеддер) 28,0 37,0 4,0 20,0 4,7

Хлеб (белый) 9,0 3,0 52,0 12,0 2,8

Яблоки 0,4 0,5 13,0 2,5 0,60

Яйца 13,0 10,0 0,7 6,0 1,4

В итоге человек уже несколько веков распахивает дикие степи,

вырубает леса, заменяя их пастбищами и пашней, на которых выращивает

корм для скота, резко увеличивая его поголовье. До поры до времени

природа терпела это. Однако за последние 100 лет численность землян

выросла в 4 раза. Соответственно увеличилось поголовье скота, а нагрузка на

пастбища и пашню превысила предел. В итоге началась сильная эрозия

почвы, и пошли в наступление пустыни и пыльные бури. А это - прямой путь

к экологической катастрофе.

Детальные исследования, проведенные в последние десятилетия,

показали, что большая часть населения пользуется трехзвенной системой

питания : растение - животное – человек, хотя калорийная теория оказалась

дорогой и раззорительной. Ведь львиную долю растительного белка

животное или не усваивает или использует на свою жизнедеятельность.

Средним урожаем сои с 1 га можно прокормить одного человека в течение

5600 дней. Если же сою превратить в говядину, то ее хватит на пропитание

одного человека в течение 200 дней. Эффективность резко снижается.

Например, степень превращения белковых веществ растительного корма в

белок продуктов животноводства составляет в производстве : баранины - 5 -

10%, говядины - 7 - 13 %, свинины 10 - 20 %+

Меньшая часть населения пользуется двухзвенной системой

естественного питания. пищи требует больше трудовых и энергетических

затрат.

Безусловно, выбор системы питания - сугубо личное дело каждого

человека

Термодинамический подход к оценке эффективности процессов

преобразования природных энергоносителей и обезвреживания

выбросов

Важнейшей проблемой растущей человеческой популяции является

обеспечение своих потребностей в тепле и электроэнергии.

Энергия Солнца - это не только непосредственно его излучение, но и

вторичная энергия: энергия ветра, гидроэнергия, энергия биомассы,

воплощенная в химическую форму в растениях, и запасенная в виде горючих

ископаемых.

В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют по разным

блокам экосистемы и всегда могут входить в круговорот, энергия может быть

использована только один раз.

Механизм такого универсального явления природы как односторонний

поток энергии и его преобразования может быть познан на основе законов

термодинамики (ТД).

Основное понятие в ТД – система, некий объем, выделенный из

окружающей среды. Системой может быть смесь реагентов в колбе,

промышленном реакторе, кусок твердого вещества, капля жидкости, пузырек

газа, живая клетка или целый организм. Закрытая система может

обмениваться с внешней средой только энергией, а открытая – также и

веществом.

Термодинамическая система может быть охарактеризована такими

свойствами, как масса (m), объем (V), давление (P), температуру (T),

плотность (ρ), концентрация (с) и др. а также специальными

термодинамическими функциями: энтальпией (H), энтропией (S), внутренней

энергией (U), свободная энергией (G), химическим потенциалом (F).

Внутренняя энергия тела. складывается из кинетической энергии

молекул тела и их структурных единиц (атомов, электронов, ядер), энергии

взаимодействия атомов в молекулах и т. д. Во внутреннюю энергию не

входят энергия движения тела как целого и потенциальная энергия, которой

может обладать тело в каком-либо силовом поле (гравитационном,

магнитном и др,).

Энтальпия (от греч.:enthalpo - нагреваю), однозначная функция

состояния термодинамической системы при независимых параметрах

энтропии и давлении, она связана с внутренней- энергией соотношением:

Н = U + рV.

При постоянном p изменение энтальпии равно количеству теплоты,

подведенной к системе. Поэтому энтальпию называют часто тепловой

функцией или теплосодержанием. В состоянии термодинамического

равновесия (при постоянном p и S) энтальпия системы минимальна

Энтропия (от греч.entropia - поворот, превращение) - функция

состояния термодинамической системы, изменение которой dS в

равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ,

сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической

температуре Т системы. Неравновесные процессы в изолированной системе

сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию

равновесия, в котором S максимальна. Статистическая физика рассматривает

энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии

(Больцман).

Понятие «энтропия» введено в 1865 Р. Клаузиусом. Им широко

пользуются в физике, химии, биологии и теории информации.

Свободная энергия Гельмгольца определяется следующим образом:

А = U – ТS

С ней тесно связана свободная энергия Гиббса:

G=H-TS.

Изменение свободной энергии Гельмгольца численно равно

максимальной величине работы, которая при этом может быть совершена.

Аналогично изменение свободной энергии Гиббса численно равно

максимальной величине работы (исключая работу, обусловленную

расширением системы), которая может быть совершена в ходе процессе при

условии постоянства давления.

В основе классической ТД лежат несколько положений, выведенных из

опыта. Они сформулированы в виде 4-х начал (законов), а из них

математическим и логическим путем могут быть получены частные

закономерности, позволяющие предсказать вероятность осуществления и

вероятное направление процессов преобразования энергии. Классическая

термодинамика рассматривает в основном изолированные закрытые

равновесные системы.

К открытым системам, обменивающимся с окружающей средой

веществом (а также энергией и импульсом) относятся , как отмечалось ранее,

химическая и биологическая системы (в т. ч. живые организмы), в которых

непрерывно протекают химические реакции за счет поступающих извне

веществ, а продукты реакций отводятся. Открытые системы могут

находиться в стационарных состояниях, далеких от равновесных состояний

Теоретической основой исследования открытых систем является

термодинамика неравновесных процессов.

Для количественного изучения неравновесных процессов, в частности

определения их скоростей в зависимости от внешних условий составляются

уравнения баланса массы, импульса, энергии, а также энтропии для

элементарных объемов системы. Эти уравнения исследуются совместно с

уравнениями рассматриваемых процессов.

Одним из направлений термодинамики является химическая

термодинамика- раздел физической химии, изучающий химические реакции

и физико–химические превращения на основе представлений о

термодинамическом равновесии в макроскопических системах. Химическая

термодинамика включает термохимию, учение о химическом равновесии,

растворах, фазовых переходах и процессах на границе раздела фаз.

Термодинамические соотношения широко применяют для определения

максимально возможных (при данных температуре, давлении и т. п.) выходов

продуктов химических реакций и др параметров технологических процессов.

Использование понятий и методов термодинамики неравновесных

процессов позволяет определять потоки тепла и вещества для открытых

систем с учетом кинетики химической реакции.

Выделение теплоты в ходе реакции свидетельствует о том , что еще до

нее вещества обладали определенным количеством внутренней энергии.

Превращения веществ приводит к изменению их внутренней энергии и

сопровождается выделением или поглощением теплоты.

В каких же случаях теплота поглощается или выделяется входе

реакций?

При протекании любой химической реакции происходит разрыв

химических связей в молекулах исходных веществ и образование новых

связей в молекулах продуктов реакций. Разрыв связей сопровождается

поглощением определенного количества химической энергии. Образование

связей – ее выделением. В зависимости от соотношения этих количеств в

результате реакции энергия либо выделяется, либо поглощается. В ходе

реакции :А

+В

=2АВ разрываются связи в молекулах А

и В

и образуются

новые связи в молекуле АВ:

(А—А)+(В—В) = 2( А—В)

2Е

АВ

Если 2Е

АВ

>(Е

+ Е

), то в результате реакции энергия выделяется.

Следовательно, запас энергии исходных веществ больше, чем запас энергии

продуктов реакции. Избыточное количество внутренней энергии

высвобождается в ходе реакции и выделяется в виде теплоты. И, наоборот,

если для образования новых веществ необходим приток тепла, то энергия

поглощается в виде теплоты. Таким образом, тепловой эффект реакции

можно описать через изменение запаса энергии исходных веществ и

продуктов реакции

Химические и физические превращения, которые сопровождаются

выделением теплоты в окружающую среду называются экзотермическими.

Процессы, идущие с поглощением тепла носят название

эндотермических : например, реакция разложения воды 2Н

О = 2Н

+ О

осуществляемая с подводом электроэнергии.

Законы термодинамики позволяют выразить изменения внутренней

энергии и энтальпии системы непосредственно через теплоты протекающих в

ней химических реакций.

Первый закон, сформулированный в 1842 году Ю. Р. Майером и

экспериментально обоснованный Д. П. Джоулем, утверждает, что энергия

может переходить из одной формы (например, энергия света) в другую

(например, потенциальная энергия пищи), но никогда не создается вновь и не

исчезает, т. е энергия Вселенной должна оставаться постоянной. В

термодинамике понятие Вселенная подразумевает малый фрагмент истиной

Вселенной, т. е. систему вместе с окружающей средой.

Если система поглощает извне или отдает в окружающую среду тепло,

то последнее расходуется только на изменение внутренней энергии U данной

системы и на совершение внешней работы A, если таковая имеет место в

данном процессе

Таким образом, если внутренняя энергия системы после сообщения ей

некоторого количества тепла dQ изменилась на dU, то согласно первому

закону имеем :

dQ = dU + A.

Для идеальных газов изменение U состоит лишь в изменении

кинетической энергии молекулярного движения, т.е. в изменении

температуры газа.

1-ый закон термодинамики лежит в основе большинства уравнений химической термодинамики.

Предположим за счет поглощения теплоты система переместилась в

конечное состояние:

DU= U

– U

Для химической реакции под работой против внешних сил

подразумевается работа против внешнего давления. Она совершается за счет

расширения системы, например, при выделении газа в ходе реакции.

Работа против внешнего давления:

А= р(V

–V

)

При изохорном процессе Q=DU. Таким образом, если реакция идет при

постоянном объеме, то выделение теплоты связано только с изменением

внутренней энергии и тепловой эффект такой реакции- постоянная величина..

При изобарном процессе( например в открытой колбе) тепловой эффект

реакции определяется соотношением:

Q = DU + р x DV = (U

–U

) + р(V

–V

); Q = (U

+рV

) - (U

+рV

);

Поскольку теплосодержание (энтальпия) включает в себя внутреннюю

энергию вещества и энергию, затраченную на преодоление внешнего

давления (U+рV=H), то

Q = H

–H

=DH

Подавляющее большинство химических реакций осуществляется при

постоянном давлении, поэтому оценку теплового эффекта реакции

производят на основании изменения энтальпии в системе. При

экзотермической реакции теплота выделяется, т.е. энтальпия уменьшается, а

DН имеет отрицательное значение; в эндотермическом процессе теплота

поглощается, т. е. энтальпия системы возрастает, а DН имеет положительное

значение.

Величина энтальпии зависит от свойств и количества вещества. Так,

если взять для реакции вместо 1 моля вещества 2 моля, то энтальпия системы

удвоится. Энтальпия газообразного вещества будет отличаться от энтальпии

жидкости.

Уравнения химических реакций, в которых указывается величины

тепловых эффектов или энтальпий называются термохимическими и в них