Kruženje supstanci u biosferi je cikličan, ponavljajući proces zajedničke, međusobno povezane transformacije i kretanja supstanci. Prisustvo ciklusa supstanci je neophodno stanje postojanje biosfere. Nakon što ih neki organizmi koriste, tvari moraju prijeći u oblik koji je dostupan drugim organizmima. Takav prijelaz tvari s jedne veze na drugu zahtijeva troškove energije, pa je moguć samo uz sudjelovanje energije Sunca. Korišćenjem sunčeve energije na planeti se javljaju dva međusobno povezana ciklusa supstanci: veliki – geološki i mali – biološki (biotički).
Geološka cirkulacija tvari- proces migracije supstanci, koji se odvija pod uticajem abiotskih faktora: vremenskih uslova, erozije, kretanja vode itd. U njemu ne učestvuju živi organizmi.
Pojavom žive materije na planeti, biološka (biotička) cirkulacija... U njemu učestvuju svi živi organizmi koji upijaju neke supstance iz okoline, a ispuštaju druge. Na primjer, biljke u procesu života troše ugljični dioksid, vodu, minerali i ispuštaju kiseonik. Životinje za disanje koriste kisik koji oslobađaju biljke. Jedu biljke i, kao rezultat probave, asimiliraju one nastale u procesu fotosinteze. organska materija... Ispuštaju ugljični dioksid i nesvarene ostatke hrane. Nakon odumiranja, biljke i životinje formiraju masu mrtve organske tvari (detritus). Detritus je dostupan za razgradnju (mineralizaciju) mikroskopskim gljivama i bakterijama. Kao rezultat njihove vitalne aktivnosti, dodatna količina od ugljen-dioksid... A organske supstance se pretvaraju u originalne anorganske komponente - biogene. Formirani mineralni spojevi, ulazeći u vodena tijela i tlo, ponovo postaju dostupni biljkama za fiksaciju fotosintezom. Ovaj proces se beskrajno ponavlja i zatvoren je po prirodi (cirkulacija). Na primjer, sav atmosferski kisik putuje ovim putem za oko 2 hiljade godina, dok je ugljičnom dioksidu za to potrebno oko 300 godina.
Energija sadržana u organskoj tvari opada kako se kreće u lancima ishrane. Većina se raspršuje u okoliš u obliku topline ili se troši na održavanje vitalnih procesa organizama. Na primjer, na disanje životinja i biljaka, transport tvari u biljkama, kao i na procese biosinteze živih organizama. Osim toga, biogeni koji nastaju kao rezultat aktivnosti razlagača ne sadrže energiju dostupnu organizmima. V u ovom slučaju možemo govoriti samo o protoku energije u biosferi, ali ne i o ciklusu. Stoga je uslov za stabilno postojanje biosfere stalno kruženje supstanci i protok energije u biogeocenozama.
Geološki i biološki ciklusi zajedno čine opšti biogeohemijski ciklus supstanci, čiju osnovu čine ciklusi azota, vode, ugljenika i kiseonika.
Ciklus azota
Azot je jedan od najzastupljenijih elemenata u biosferi. Najveći dio biosferskog dušika nalazi se u atmosferi u plinovitom obliku. Kao što znate iz kursa hemije, hemijske veze između atoma u molekularnom azotu (N 2) su veoma jake. Zbog toga većina živih organizama nije u stanju da ga direktno koristi. Stoga je važna faza u ciklusu dušika njegova fiksacija i pretvaranje u formu pristupačnu organizmima. Postoje tri načina fiksacije dušika.
Atmosferska fiksacija... Pod utjecajem atmosferskih električnih pražnjenja (munja), dušik može stupiti u interakciju s kisikom i formirati dušikov oksid (NO) i dioksid (NO 2). Dušikov oksid (NO) se vrlo brzo oksidira kisikom i pretvara u dušikov dioksid. Dušikov dioksid se rastvara u vodenoj pari i u obliku azotne (HNO 2) i azotne (HNO 3) kiselina sa taloženjem ulazi u tlo. U tlu, kao rezultat disocijacije ovih kiselina, nastaju nitrit (NO 2 -) i nitratni joni (NO 3 -). Nitrite i nitratne jone biljke već mogu apsorbirati i uključiti u biološki ciklus. Atmosferska fiksacija azota predstavlja oko 10 miliona tona azota godišnje, što je oko 3% godišnje fiksacije azota u biosferi.
Biološka fiksacija... Obavljaju ga bakterije koje fiksiraju dušik, koje pretvaraju dušik u oblike dostupne biljkama. Zahvaljujući mikroorganizmima, vezano je oko polovina ukupnog azota. Najpoznatije bakterije fiksiraju dušik u kvržicama mahunarki. Oni opskrbljuju biljke dušikom u obliku amonijaka (NH 3). Amonijak je lako rastvorljiv u vodi sa stvaranjem amonijum jona (NH 4 +), koji biljke apsorbuju. Stoga su mahunarke najbolji prethodnici gajenih biljaka u plodoredu. Nakon uginuća životinja i biljaka i razgradnje njihovih ostataka, tlo se obogaćuje organskim i mineralnim dušičnim spojevima. Tada truležne (amonificirajuće) bakterije razgrađuju tvari koje sadrže dušik (proteine, ureu, nukleinske kiseline) biljaka i životinja do amonijaka. Ovaj proces se zove amonifikacija... Većina amonijaka se naknadno oksidira nitrificirajućim bakterijama u nitrit i nitrat, koje biljke ponovno koriste. Povratak dušika u atmosferu događa se denitrifikacijom, koju provodi grupa denitrifikujućih bakterija. Kao rezultat toga, dušikovi spojevi se redukuju u molekularni dušik. Dio dušika u obliku nitrata i amonijuma sa površinskim otjecanjem ulazi u vodene ekosisteme. Ovo je mjesto gdje se dušik apsorbuje vodenih organizama ili ulazi u organske sedimente dna.
Industrijska fiksacija... Velika količina azota se godišnje industrijski veže u proizvodnji mineralnih azotnih đubriva. Azot iz takvih gnojiva biljke asimiliraju u obliku amonijaka i nitrata. Obim azotnih đubriva proizvedenih u Bjelorusiji trenutno iznosi oko 900 hiljada tona godišnje. Najveći proizvođač je JSC GrodnoAzot. Ovo preduzeće proizvodi ureu, amonijum nitrat, amonijum sulfat i druga azotna đubriva.
Biljke koriste oko 1/10 umjetno primijenjenog dušika. Ostatak sa površinskim oticanjem i podzemnim vodama prelazi u vodene ekosisteme. To dovodi do akumulacije u vodi velikih količina dušikovih spojeva dostupnih za asimilaciju fitoplanktonom. Kao rezultat, moguća je brza reprodukcija algi (eutrofikacija) i, kao rezultat, smrt u vodenim ekosistemima.
Vodeni ciklus
Voda je glavna komponenta biosfere. To je medij za rastvaranje gotovo svih elemenata tokom ciklusa. Najveći dio vode biosfere predstavlja tekuća voda i voda vječnog leda (više od 99% svih rezervi vode u biosferi). Neznatan dio vode je u gasovitom stanju - to je atmosferska vodena para. Kruženje vode u biosferi zasniva se na činjenici da se njeno isparavanje sa Zemljine površine kompenzira padavinama. Padajući na površinu kopna u obliku padavina, voda doprinosi uništavanju stijena. To čini njihove sastavne minerale dostupnim živim organizmima. Isparavanje vode sa površine planete određuje njen geološki ciklus. On troši oko polovinu incidentne sunčeve energije. Isparavanje vode sa površine mora i okeana odvija se većom brzinom od njenog povratka sa padavinama. Ova razlika je nadoknađena površinskim i dubokim otjecanjem, zbog činjenice da padavine prevladavaju nad isparavanjem na kontinentima.
Povećanje intenziteta isparavanja vode na kopnu najvećim je dijelom posljedica vitalne aktivnosti biljaka. Biljke izvlače vodu iz tla i aktivno je prenose u atmosferu. Dio vode u biljnim ćelijama se razgrađuje tokom fotosinteze. U ovom slučaju, vodonik je fiksiran u obliku organska jedinjenja, a kisik se oslobađa u atmosferu.
Životinje koriste vodu za održavanje osmotske ravnoteže i ravnoteže soli u tijelu i oslobađaju je u vanjsko okruženje zajedno s produktima metabolizma.
Ciklus ugljenika
Carbon as hemijski element prisutan u atmosferi u sastavu ugljičnog dioksida. Ovo određuje obavezno učešće živih organizama u ciklusu ovog elementa na planeti Zemlji. Glavni put kojim ugljik iz neorganska jedinjenja ulazi u sastav organskih tvari, gdje je obavezan hemijski element - to je proces fotosinteze. Dio ugljika se oslobađa u atmosferu u sastavu ugljičnog dioksida tokom disanja živih organizama i prilikom razgradnje mrtve organske tvari bakterijama. Ugljik koji apsorbiraju biljke troše životinje. Osim koraljnih polipa, mekušci koriste spojeve ugljika za izgradnju skeletnih formacija i školjki. Nakon što odumru i talože se na dnu, formiraju se naslage krečnjaka. Tako se ugljenik može eliminisati iz ciklusa. Dugotrajno uklanjanje ugljenika iz ciklusa postiže se stvaranjem minerala: uglja, nafte, treseta.
Tokom čitavog postojanja naše planete, ugljik uklonjen iz ciklusa bio je kompenziran ulaskom ugljičnog dioksida u atmosferu kada je vulkanske erupcije i u drugom prirodni procesi... Trenutno je značajna količina dodana prirodnim procesima obnavljanja ugljika u atmosferi. antropogenog uticaja... Na primjer, pri sagorijevanju ugljikovodičnih goriva. Ovo remeti vekovni ciklus ugljenika na Zemlji.
Povećanje koncentracije ugljen-dioksida za samo 0,01% tokom jednog veka dovelo je do primetne manifestacije efekta staklene bašte. Prosječna godišnja temperatura na planeti porasla je za 0,5°C, a nivo Svjetskog okeana je porastao za skoro 15 cm. Naučnici predviđaju da će, ako se prosječna godišnja temperatura poveća za još 3-4°C, početi vječni led da se topi. Istovremeno, nivo Svjetskog okeana će porasti za 50-60 cm, što će dovesti do plavljenja značajnog dijela kopna. Ovo se smatra globalnim ekološka katastrofa, jer na ovim teritorijama živi oko 40% svjetske populacije.
Ciklus kiseonika
U funkcionisanju biosfere kiseonik ima izuzetno važnu ulogu u metaboličkim procesima i disanju živih organizama. Smanjenje količine kiseonika u atmosferi kao rezultat procesa disanja, sagorevanja goriva i raspadanja nadoknađuje se kiseonikom koji biljke oslobađaju tokom fotosinteze.
Kiseonik je nastao u primarnoj atmosferi Zemlje tokom njenog hlađenja. Zbog svoje visoke reaktivnosti prešao je iz gasovitog stanja u sastav različitih anorganskih jedinjenja (karbonati, sulfati, oksidi gvožđa itd.). Današnja atmosfera planete koja sadrži kisik nastala je isključivo zahvaljujući fotosintezi koju su provodili živi organizmi. Sadržaj kiseonika u atmosferi se već duže vreme povećava na trenutne vrednosti. Održavanje njegove količine na konstantnom nivou trenutno je moguće samo zahvaljujući fotosintetskim organizmima.
Nažalost, posljednjih desetljeća ljudske aktivnosti dovode do krčenja šuma, erozije tla, smanjuju intenzitet fotosinteze. A to, zauzvrat, remeti prirodni tok ciklusa kiseonika u velikim područjima Zemlje.
Mali dio atmosferskog kisika je uključen u formiranje i uništavanje ozonskog zaslona pod djelovanjem ultraljubičastog zračenja Sunca.
Osnova biogenog ciklusa supstanci je sunčeva energija. Glavni uvjet za stabilno postojanje biosfere je stalna cirkulacija tvari i protok energije u biogeocenozama. U ciklusima azota, ugljenika i kiseonika glavna uloga pripada živim organizmima. Osnovu globalnog ciklusa vode u biosferi čine fizički procesi.
Ciklus i biogeohemijski ciklusi supstanci
Objasnite značenje geološkog ciklusa na primjeru ciklusa vode.
Kako se odvija biološki ciklus?
Koji je zakon biogene migracije atoma V.I. Vernadsky?
Šta su rezervni i devizni fondovi prirodnog ciklusa? Koja je razlika između njih?
Zemlja kao živi superorganizam
* Da bi biosfera postojala i razvijala se uvijek mora postojati biološki ciklus važne supstance, odnosno, nakon upotrebe, moraju ponovo preći u oblik koji je asimiliran za druge organizme. Ovaj prijelaz biološki važnih supstanci može se izvršiti samo uz određeni utrošak energije čiji je izvor Sunce.
Naučnik V.R. Williams vjeruje da solarna energija obezbjeđuje dva ciklusa materije na Zemlji - geološka , ili veliki, tiraž i biološki , mali, tiraž.
Geološki do Cirkulacija se najjasnije manifestuje u ciklusu vode. Zemlja godišnje prima 5,24´1024 J energije zračenja od Sunca. Otprilike polovina se troši na isparavanje vode. Istovremeno, više vode isparava iz okeana nego što se vraća sa padavinama. Na kopnu, s druge strane, pada više padavina nego što voda isparava. Njegov višak teče u rijeke i jezera, a odatle - natrag u okean (pri čemu prenosi određenu količinu mineralnih spojeva). To je ono što određuje veliki ciklus u biosferi, na osnovu činjenice da se ukupno isparavanje vode sa Zemlje kompenzira padavinama.
** Sa pojavom žive materije na osnovu geološkog ciklusa, ciklusa organskog destilati, biološka (mala) cirkulacija.
Krug vode kao primjer geološkog ciklusa
(od H. Penmana)
Kako se živa materija razvija, iz geološkog ciklusa se neprestano izdvaja sve više elemenata koji ulaze u novi, biološki ciklus. Za razliku od jednostavnog prenosa mineralnih materija u velikoj cirkulaciji, kako u obliku rastvora tako i u obliku mehaničkih sedimenata, u maloj cirkulaciji najvažniji momenti su sinteza i destrukcija organskih jedinjenja. Za razliku od geološkog, biološki ciklus ima zanemarljivu energiju. Kao što je poznato, samo 0,1-0,2% sve sunčeve energije koja se isporučuje na Zemlju troši se na stvaranje organske materije (do 50% za geološku cirkulaciju). Uprkos tome, energija uključena u biološki ciklus obavlja ogromnu količinu posla za stvaranje primarnih proizvoda.
Biološki ciklus
Pojavom žive materije na Zemlji, hemijski elementi neprekidno kruže u biosferi, prelazeći iz spoljašnje sredine
u organizme i ponovo u spoljašnju sredinu. Takvo kruženje tvari duž više ili manje zatvorenih puteva naziva se biogeohemijski ciklus.
Glavni biogeohemijski ciklusi su ciklusi kiseonika, ugljenika, vode, azota, fosfora, sumpora i drugih biogenih elemenata.
*** Biogena migracija materije - jedan od oblika opšte migracije elemenata u prirodi. Biogenu geohemijsku migraciju treba shvatiti kao migraciju organske i inertne materije koja je uključena u rast i razvoj živih organizama i koju proizvodi potonji kao rezultat složenih biohemijskih i biogeokemijskih procesa. IN AND. Vernadsky je formulisao zakon biogene migracije atoma u sljedećem obliku:
Migracija hemijskih elemenata u biosferi odvija se ili uz direktno učešće žive materije (biogena migracija), ili se dešava u okruženju čije su geohemijske karakteristike (O2, CO2, H2 itd.) posledica života. materija (ona koja trenutno nastanjuje biosferu i ona koja je delovala na Zemlji tokom geološke istorije).
Čovjek prvenstveno utiče na biosferu i njenu živu populaciju, pa samim tim mijenja uslove biogene migracije atoma, stvarajući preduslove za duboke hemijske promjene. Dakle, proces može postati samorazvijajući, nezavisan od ljudske želje i praktično nekontrolisan na globalnom nivou.
Sa stanovišta planetarne cirkulacije materije, najvažniji su ciklusi tlo-pejzaž, hidrosfera i duboki (unutrazemaljski) ciklusi. Prvi od njih uključuje ekstrakciju hemijskih elemenata iz stijena, vode, zraka, razgradnju organske tvari, apsorpciju i sintezu različitih organskih i organo-mineralnih spojeva. U hidrosfernom ciklusu glavnu ulogu igra sastav vode i biološka aktivnost živih organizama. Bioproizvodnja materije ovdje se odvija uz dominantno učešće fito i zooplanktona. U dubokom ciklusu biogenih migracija, najvažnija uloga ima aktivnost anaerobnih mikroorganizama.
**** Procesi koji se odvijaju u različitim ljuskama Zemlje su u stanju dinamičke ravnoteže, a promjena u toku bilo kojeg od njih povlači za sobom beskrajne lance ponekad nepovratnih pojava. U svakom prirodnom ciklusu preporučljivo je razlikovati dva dijela, odnosno dva "fonda":
rezervni fond- velika masa sporo pokretnih supstanci, uglavnom neorganske prirode;
mobilni, ili razmjena, fond- manji, ali aktivniji, koji se odlikuje brzom razmjenom između organizama i okoline.
Fond za razmjenu nastaje zbog tvari koje se vraćaju u cirkulaciju bilo zbog primarnog izlučivanja (od latinskog excretum - izdvaja se) od strane životinja, bilo tijekom razgradnje detritusa od strane mikroorganizama.
Ako imamo u vidu biosferu u cjelini, onda se biogeohemijski ciklusi mogu podijeliti u dva glavna tipa:
kruženje gasovitih materija sa rezervnim fondom u atmosferi ili hidrosferi;
sedimentni ciklus sa rezervnim fondom u zemljinoj kori.
^ BIOLOŠKI KRUG SUPSTANCI U PRIRODI
Opšti koncept biološkog ciklusa supstanci
Biološka cirkulacija supstanci kao oblik razvoja planete Zemlje
Elementi biogeohemijskog ciklusa supstanci u prirodi
Parametri biogeohemijskog ciklusa na kopnu
Biološka cirkulacija i formiranje tla
^ OPĆI KONCEPT
Biološki ciklus supstanci je kombinacija procesa ulaska hemijskih elemenata iz tla i atmosfere u žive organizme, biohemijske sinteze novih složenih jedinjenja i vraćanja elemenata u tlo i atmosferu sa godišnjim opadanjem dela organske materije. Biološki ciklus supstanci nije potpuno kompenzovan zatvoreni ciklus, pa se u toku njega zemljište obogaćuje humusom i azotom, elementima mineralne ishrane (tzv. biogeni elementi), što stvara povoljnu osnovu za postojanje biljnih organizama.
Biološki, biohemijski i geohemijski značaj procesa koji se dešavaju u biološkoj cirkulaciji supstanci prvi je pokazao V.V.Dokuchaev, koji je stvorio teoriju zona prirode. Nadalje, otkriveno je u radovima V.I. Vernadsky, B. B. Polynov, D. N. Pryanishnikov, V. N. Sukachev, N. P. Remezov, L. E. Rodin, N. I. Bazilevich, V. A. Kovda i drugi istraživači.
Međunarodna unija biološke nauke(Međunarodna unija bioloških nauka) sprovela je širok program istraživanja o biološkoj produktivnosti biogeocenoza zemljišta i vodnih tijela. Međunarodni biološki program osnovan je da vodi ovo istraživanje. U cilju objedinjavanja termina i koncepata koji se koriste u savremenoj literaturi o Međunarodnom bioprogramu, određeni posao... Prije nego počnemo proučavati prirodne biološke cikluse tvari, potrebno je objasniti najčešće korištene termine.
biomasa - masa žive materije koja se nakupila ovog trenutka vrijeme.
^ Biljna biomasa (sinonim - fitomasa) - masa živih i mrtvih organizama biljnih zajednica na bilo kojem području koje su do danas sačuvale svoju anatomsku strukturu.
^ Struktura biomase - odnos podzemnih i nadzemnih dijelova biljaka, kao i jednogodišnjih i višegodišnjih, fotosintetskih i nefotosintetskih dijelova biljaka.
krpe - mrtvi dijelovi biljke koji su zadržali mehaničku vezu sa biljkom.
^ Leglo - količina organske materije biljaka koje su izumrle u nadzemnom i podzemnom dijelu po jedinici površine u jedinici vremena.
leglo - masa višegodišnjih biljnih ostataka različitim stepenima mineralizacija.
rast - masa organizma ili zajednice organizama, akumulirana po jedinici površine u jedinici vremena.
^ Pravi dobitak - omjer povećanja i količine legla po jedinici vremena po jedinici površine.
Primarna proizvodnja - masa žive materije koju stvaraju autotrofi (zelene biljke) po jedinici površine u jedinici vremena.
^ Sekundarni proizvodi - masa organske materije koju stvaraju heterotrofi po jedinici površine u jedinici vremena.
Kapacitet biološkog ciklusa - količina hemijskih elemenata u sastavu mase zrele biocenoze (fitocenoza).
Intenzitet biološkog ciklusa je količina hemijskih elemenata sadržanih u rastu fitocenoze po jedinici površine u jedinici vremena.
Brzina biološkog ciklusa je vremenski period tokom kojeg element prolazi put od svoje apsorpcije živom tvari do oslobađanja iz sastava žive tvari. Određeno pomoću atoma tragača.
Prema L. Ye. Rodin, N. I. Bazilevich (1965), kompletan ciklus biološkog ciklusa elemenata sastoji se od sljedećih komponenti.
Apsorpcija asimilirajućom površinom biljaka iz atmosfere ugljika, a korijenskim sustavom iz tla - dušika, elemenata pepela i vode, njihovo fiksiranje u tijelima biljnih organizama, ulazak u tlo s mrtvim biljkama ili njihovim dijelovima, razlaganje smeće i oslobađanje elemenata sadržanih u njima.
Otuđenje biljnih dijelova od strane životinja koje se njima hrane, njihova transformacija u životinjskim tijelima u nova organska jedinjenja i konsolidacija nekih od njih u životinjskim organizmima, njihov kasniji ulazak u tlo sa životinjskim izmetom ili njihovim leševima, razlaganje i jednog i drugog i oslobađanje elemenata sadržanih u njima.
Razmjena plinova između površine biljke koja asimilira i atmosfere, između korijenskog sistema i zemljišnog zraka.
Vitalno izlučivanje preko nadzemnih biljnih organa, a posebno kroz korijenski sistem nekih elemenata direktno u tlo.
^ BIOLOŠKI KRUG SUPSTANCI KAO OBLIK RAZVOJA PLANETE ZEMLJE
Struktura biosfere u svom najopštijem obliku predstavlja dva najveća prirodni kompleksi prvog ranga - kontinentalni i okeanski. Biljke, životinje i zemljišni pokrivač čine složen svjetski ekološki sistem na kopnu. Vezivanjem i redistribucijom sunčeve energije, atmosferskog ugljenika, vlage, kiseonika, vodonika, azota, fosfora, sumpora, kalcijuma i drugih biofilnih elemenata, ovaj sistem formira biomasu i stvara slobodan kiseonik.
Vodene biljke i okean čine još jedan svjetski ekološki sistem koji na planeti obavlja iste funkcije vezivanja sunčeve energije, ugljika, dušika, fosfora i drugih biofila kroz stvaranje fitobiomase, te oslobađanje kisika u atmosferu.
Postoje tri oblika akumulacije i preraspodjele kosmičke energije u biosferi. ^ Suština prvog Od toga, biljni organizmi, i kroz lance ishrane i povezane životinje i bakterije, uključuju mnoga jedinjenja u svojim tkivima. Ova jedinjenja sadrže H 2, O 2, N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Al, Mn i druge biofile, mnoge elemente u tragovima (I, Co, Cu, Zn, itd.). U ovom slučaju postoji selekcija lakih izotopa (C, H, O, N, S) od težih. In vivo i posthumno, organizmi zemlje, vode i zraka, u stanju kontinuirane razmjene sa okolinom, percipiraju i odaju širok i raznolik spektar mineralnih i organskih jedinjenja. Ukupna masa i zapremina produkata vitalnog metabolizma organizama i okoline (metabolita) višestruko premašuju biomasu žive materije.
^ Drugi oblik akumulacija, zadržavanje i preraspodjela kosmičke energije Sunca na planeti u njenoj biosferi očituje se zagrijavanjem vodenih masa, stvaranjem i kondenzacijom para, padavinama i kretanjem površinskih i podzemnih voda uz padinu iz područja hranjenja na područja isparavanja. Neravnomjerno zagrijavanje zraka i vode uzrokuje planetarna kretanja vode i vazdušne mase, formiranje gradijenata gustine i pritiska, okeanskih struja i grandioznih procesa atmosferske cirkulacije.
Erozija, hemijska denudacija, transport, redistribucija, taloženje i akumulacija mehaničkih i hemijskih sedimenata na kopnu iu okeanu su treći oblik prenosa i transformacije ove energije.
Sva tri ova planetarna procesa su usko isprepletena; formirajući opštu zemaljsku cirkulaciju i sistem lokalnog kruženja materije. Tako se tokom milijardi godina biološke istorije planete razvila velika biogeohemijska cirkulacija i diferencijacija hemijskih elemenata u prirodi. Oni su stvorili modernu biosferu i osnova su njenog normalnog funkcionisanja.
^ ELEMENTI BIOGEOHEMIJSKOG KOLA SUPSTANCI U PRIRODI
Elementi biogeohemijske cirkulacije tvari su sljedeće komponente.
Redovno ponavljajući ili kontinuirano tečni procesi priliva energije, formiranja i sinteze novih jedinjenja.
Stalni ili periodični procesi prenosa ili preraspodele energije i procesi uklanjanja i usmerenog kretanja sintetizovanih jedinjenja pod uticajem fizičkih, hemijskih i bioloških agenasa.
Usmjereni ritmički ili periodični procesi sekvencijalne transformacije: razgradnja, uništavanje prethodno sintetiziranih spojeva pod utjecajem biogenih ili abiogenih utjecaja okoline.
U prirodi se javljaju i biološki ciklusi supstanci i abiogeni ciklusi.
^ Biološki ciklusi - zahvaljujući u svim linkovima vitalna aktivnost organizama (ishrana, veze sa hranom, razmnožavanje, rast, kretanje metabolita, smrt, razgradnja, mineralizacija).
^ Abiogeni ciklusi - nastali na planeti mnogo ranije od biogenih. Uključuju čitav kompleks geoloških, geohemijskih, hidroloških, atmosferskih procesa.
U predbiogenom periodu planete, migracija i akumulacija vode i vazduha igrala je odlučujuću ulogu u geološkim, hidrološkim, geohemijskim, atmosferskim ciklusima. U razvijenoj biosferi, cirkulacija supstanci je usmerena kombinovanim delovanjem bioloških, geoloških i geohemijskih faktora. Odnos između njih može biti različit, ali akcija je nužno zajednička! U tom smislu se koriste termini - biogeohemijska cirkulacija supstanci, biogeohemijski ciklusi.
Neporemećeni biogeohemijski ciklusi su gotovo kružni, gotovo zatvoreni. Stepen ponavljajuće reprodukcije ciklusa u prirodi je vrlo visok i, vjerovatno, prema V. A. Kovdi, dostiže 90-98%. Time se održava određena postojanost i ravnoteža sastava, količine i koncentracije komponenti uključenih u ciklus, kao i genetska i fiziološka spremnost i harmonija organizama i životne sredine. Ali nepotpuna izolacija biogeohemijskih ciklusa u geološkom vremenu dovodi do migracije i diferencijacije elemenata i njihovih spojeva u prostoru i različitim sredinama, do koncentracije ili raspršivanja elemenata. Zbog toga se opaža biogeno nakupljanje dušika i kisika u atmosferi, biogeno i hemogeno nakupljanje ugljičnih spojeva u zemljinoj kori (nafta, ugalj, krečnjak).
^ PARAMETRI BIOGEOHEMIJSKOG KOLA NA kopnu
Sljedeći indikatori su obavezni parametri za proučavanje biogeohemijskih ciklusa u prirodi.
Biomasa i njen stvarni rast (fito-, zoo-, mikrobna masa posebno).
Organsko leglo (količina, sastav).
Organska tvar tla (humus, neraspadnuti organski ostaci).
Elementarni sastav tla, vode, zraka, padavina, frakcija biomase.
Prizemne i podzemne rezerve biogene energije.
Vitalni metaboliti.
Broj vrsta, brojnost, sastav.
Životni vijek vrsta, dinamika i ritam života populacija i tla.
Ekološko i meteorološko okruženje: pozadina i procjena ljudske intervencije.
Pokrivenost posmatračkim tačkama slivova, padina, terasa, riječnih dolina, jezera.
Broj zagađivača, njihovih hemijskih, fizičkih, biološka svojstva(posebno CO, CO 2, SO 2, P, NO 3, NH 3 Hg, Pb, Cd, H 2 S, ugljovodonici).
1. Sadržaj pepela, ugljenika i azota u biomasi (nadzemnoj, podzemnoj, fito-, zoo-, mikrobnoj). Sadržaj ovih elemenata može se izraziti u % ili u g/m 2, t/ha površine. Glavni sastavni elementi žive materije po težini su O (65-70%) i H (10%). Svi ostali čine 30-35%: C, N, Ca (1-10%); S, P, K, Si (0,1-1%); Fe, Na, Cl, Al, Mg (0,01-0,1%).
Hemijski sastav fitomase uvelike varira. Posebno je različit sastav fitomase četinarskih i listopadnih šuma, zeljaste vegetacije i halofita (tabela 13).
Tabela 13 - Mineralni sastav različite grupe sushi biljke
| Vrsta vegetacije | Sadržaj pepela,% | Godišnji promet minerala Komponente, kg/ha | Preovlađujuće komponente |
| Četinarske šume | 3-7 | 100-300 | Si, Ca, P, Mg, K |
| Listopadne šume | 5-10 | 460-850 | Ca, K, P, Al, Si |
| Prašume | 3-4 | 1000-2000 | Ca, K, Mg, Al |
| Livade, stepe | 5-7 | 800-1200 | Si, Ca, K, S, P |
| Halofitske zajednice | 20-45 | 500-1000 | Cl, SO 4, Na, Mg, K |
Individualni značaj određenog hemijskog elementa procjenjuje se koeficijentom biološke apsorpcije (BCF). Izračunajte ga po formuli:
V.A.Kovda je 1966. godine predložio korištenje omjera zabilježene fitobiomase i godišnjeg fotosintetskog povećanja fitomase za karakterizaciju prosječnog trajanja ukupnog ciklusa ugljika. Ovaj koeficijent karakterizira prosječno trajanje općeg ciklusa sinteze - mineralizacije biomase na datom području (ili na kopnu u cjelini). Proračuni su pokazali da se za zemljište u cjelini ovaj ciklus uklapa u period od 300-400 i ne više od 1000 godina. Shodno tome, ovom prosječnom brzinom, dolazi do oslobađanja mineralnih spojeva vezanih u biomasu, formiranja i mineralizacije humusa u tlu.
Za opštu procenu biogeohemijskog značaja mineralnih komponenti žive materije biosfere, VAKovda je predložio da se uporede zalihe minerala biomase, količina minerala godišnje uključenih u cirkulaciju sa prirastom i smećem, sa godišnjim hemijskim oticanjem reka. . Pokazalo se da su te vrijednosti blizu: 10 8-9 tvari pepela sudjeluje u rastu i smeću, a 10 9 - u godišnjem hemijskom oticanju rijeka.
BGHK indeks = S b / S X,
Gdje je S b - zbir elemenata (ili količina jednog elementa) u godišnjem porastu biomase; S x - zbir istih elemenata (ili jednog elementa) nošenih vodama rijeka datog sliva (ili dijela sliva).
Pokazalo se da indeksi biogeohemijskog ciklusa veoma variraju u različitim klimatskim uslovima, pod pokrovom različitih biljnih zajednica, pod različitim uslovima prirodne drenaže.
4. NI Bazilevich, LE Rodin (1964) predložili su da se izračuna koeficijent koji karakteriše intenzitet raspadanja legla i trajanje zadržavanja legla u uslovima date biogeocenoze:
Prema N.I.Bazilevichu i L.E.Rodini, indeksi intenziteta razgradnje fitomase najveći su u tundri i močvarama na sjeveru, a najniži (približno jednaki 1) u stepama i polupustinjama.
5. B. B. Polynov (1936) predložio je izračunavanje indeksa migracije vode:
IVM = X H2O / X zk,
gdje je ICM indeks migracije vode; H N2O - količina elementa u mineralnom ostatku isparene riječne ili podzemne vode; X zk - sadržaj istog elementa u zemljinoj kori ili stijeni.
Proračun indeksa migracije vode pokazao je da su najmobilniji migranti u biosferi Cl, S, B, Br, I, Ca, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo. Najpasivniji u ovom pogledu su Si, K, P, Ba, Mn, Rb, Cu, Ni, Co, As, Li, Al, Fe.
^ BIOLOŠKI KRUG I FORMIRANJE TLA
Geološki i paleobotanički podaci omogućili su V.A.Kovdi da generalni nacrt uvesti kritične faze razvoj procesa formiranja tla u vezi sa istorijom razvoja biljaka i vegetacionog pokrivača (1973). Početak procesa formiranja tla na Zemlji povezan je s pojavom autotrofnih bakterija sposobnih za samostalan život u najnepovoljnijim hidrotermalnim uvjetima. Ovaj početni proces izlaganja niži organizmi na stenama zemljine kore, VR Williams je nazvao primarni proces formiranja tla. Autotrofne bakterije, koje je otkrio S. N. Vinogradov krajem 19. stoljeća, najjednostavniji su jednoćelijski organizmi, koji broje oko stotinu vrsta. Imaju sposobnost da se razmnožavaju veoma brzo: 1 jedinka može dati trilione organizama dnevno. Među modernim autotrofima su bakterije sumpora, bakterije gvožđa itd., koje igraju izuzetno važnu ulogu u procesima unutar tla. Pojava autotrofnih bakterija očigledno datira još iz pretkambrija.
Tako su prva sinteza organske materije i biološki ciklusi C, S, N, Fe, Mn, O 2, H 2 u zemljinoj kori povezani sa delovanjem autotrofnih bakterija koje koriste kiseonik mineralnih jedinjenja. U razvoju procesa formiranja tla moguće je da su, uz autotrofne bakterije, ulogu imali i nestanični oblici života poput virusa i bakteriofaga. Naravno, ovo nije bio proces formiranja tla modernom obliku s obzirom da nije bilo korijenskih biljaka, nije bilo nakupljanja humusnih spojeva i biogenog mehanizma. I, očigledno, ispravnije je govoriti o primarnom biogeohemijskom trošenju stijena pod utjecajem nižih organizama.
U pretkambriju su se pojavile jednoćelijske modrozelene alge. Iz silura i devona proširile su se višećelijske alge - zelene, smeđe, grimizne. Proces formiranja tla se usložnjavao, ubrzavao, počela je sinteza organske tvari u primjetnim količinama, a zacrtano je proširenje malog biološkog ciklusa O, H, N, S i drugih nutrijenata. Očigledno, prema V.A. Kovda, proces formiranja tla u ovim fazama bio je praćen akumulacijom biogene sitne zemlje. Faza početnog formiranja tla bila je veoma duga i praćena je sporom ali kontinuiranom akumulacijom biogene fine zemlje obogaćene organskom materijom i elementima uključenim u biološki ciklus: H, O, C, N, P, S, Ca, K, Fe, Si, A1. U ovoj fazi se već mogla odvijati biogena sinteza sekundarnih minerala: aluminijuma i ferisilikata, fosfata, sulfata, karbonata, nitrata, kvarca, a formiranje tla je bilo ograničeno na plitka područja. Na kopnu je imao kamenit i močvarni karakter.
U kambriju su se pojavili i psilofiti - biljke niže veličine grmova koje nisu imale ni korijenje. Dobili su određenu rasprostranjenost u Siluru i značajan razvoj u Devonu. Istovremeno se pojavljuju preslice i paprati - stanovnici vlažnih nizina. Dakle, relativno razvijen oblik procesa formiranja tla započeo je silurom i devonom, tj. prije oko 300-400 miliona godina. Međutim, nije uočen buseni proces, jer nije bilo zeljaste vegetacije. Sadržaj pepela paprati i lire nije visok (4-6%), preslice su znatno veće (20%). U sastavu pepela dominirali su K (30%), Si (28%) i C1 (10%). Gljivična mikroflora je podstakla uključivanje P i K u biološki ciklus, a lišajeva - Ca, Fe, Si. Vjerovatno je formiranje kiselih tla (kaolinit alitik, boksit) i hidromorfnih tla obogaćenih jedinjenjima željeza.
Razvijeni proces formiranja tla očito se oblikovao tek na kraju paleozoika (karbon, perm). Ovom vremenu naučnici pripisuju pojavu kontinuiranog vegetacijskog pokrivača na kopnu. Pored paprati, pojavili su se likopodi, preslice, golosemenke. Prevladavali su pejzaži šuma i močvara, formirano je klimatsko zoniranje na pozadini dominacije toplih tropskih i suptropskih. Shodno tome, tokom ovog perioda prevladavali su močvarni i šumski tropski procesi formiranja tla.
Ovaj režim je trajao otprilike do sredine permskog perioda, kada je postepeno nastupilo zahlađenje i sušenje klime. Suvoća i hladno vrijeme su doprinijeli tome dalji razvoj zoniranje. U tom periodu (druga polovina perma, trijasa) golosemenke su bile široko razvijene. Na visokim geografskim širinama u to vrijeme došlo je do formiranja kiselih podzoličastih tla, na niskim geografskim širinama formiranje tla odvijalo se putem razvoja žutih tla, crvenih tla i boksita. Nizak sadržaj pepela (oko 4%), zanemarljiv sadržaj Cl, Na, visok sadržaj Si (16%), Ca (2%), S (6%), K (6,5%) u borovim iglicama doveli su do povećanja učešće u biološkoj cirkulaciji i u formiranju tla uloga Ca, S, P i smanjenje uloge Si, K, Na, C1.
Dijatomeje se pojavljuju u juri, a kritosjemenke se pojavljuju u periodu krede koji slijedi. Od sredine krede rasprostranjene su listopadne vrste - javor, hrast, breza, vrba, eukaliptus, orah, bukva, grab. Pod njihovom krošnjom proces formiranja podzola počinje slabiti, jer sastav legla ovih biljaka sadrži visok udio Ca, Mg, K.
U tercijarnoj epohi na zemaljskoj kugli preovladavala je tropska flora: palme, magnolije, sekvoje, bukve i kestena. Mineralni sastav supstanci uključenih u kružno kretanje ovih šuma karakteriše značajno učešće Ca, Mg, K, P, S, Si, Al. Tako su stvoreni ekološki preduvjeti za nastanak i razvoj zeljaste vegetacije: smanjenje kiselosti tla i stijena, nakupljanje hranjivih tvari.
Promjena dominacije zeljaste drvenaste vegetacije bila je od ogromne fundamentalne važnosti za promjenu prirode procesa formiranja tla. Snažan korijenski sistem drveća uključivao je značajnu masu mineralnih tvari u biološki ciklus, mobilizirajući ih za naknadno naseljavanje zeljaste vegetacije. Kratak vijek trajanja zeljaste vegetacije i koncentracija korijenske mase u gornjim slojevima tla omogućavaju, pod pokrovom trava, prostornu koncentraciju biološke cirkulacije minerala u manje debelom sloju horizonata uz akumulaciju nutritivnih elemenata pepela u njima. . Dakle, počevši od druge polovine krede, u tercijarnom, a posebno u kvartarnom periodu, pod uticajem dominacije zeljaste vegetacije, širi se buseni proces formiranja tla.
Dakle, uloga žive materije i biološke cirkulacije u geološkoj istoriji Zemlje i razvoju procesa formiranja tla neprestano se povećava. Ali formiranje tla je također postepeno postalo jedna od glavnih karika u biološkom ciklusu tvari.
Tlo obezbeđuje stalnu interakciju velikih geoloških i malih bioloških ciklusa supstanci na površini zemlje. Tlo je povezujuća karika i regulator interakcije ova dva globalna ciklusa materije.
Zemljište - akumulira organsku materiju i pripadajuću hemijsku energiju, hemijske elemente, čime se reguliše brzina biološke cirkulacije supstanci.
Tlo, koje ima sposobnost da dinamički reprodukuje svoju plodnost, reguliše biosferske procese. Konkretno, gustina života na Zemlji, zajedno sa klimatskim faktorima, u velikoj mjeri je određena geografskom heterogenošću tla.
Kruženje supstanci u prirodi najvažniji je ekološki koncept.
Na sl. biološki ciklus je predstavljen u kombinaciji sa pojednostavljenim dijagramom toka energije. Supstance su uključene u ciklus, a tok energije je jednosmjeran od biljaka koje pretvaraju energiju sunca u energiju hemijskih veza, do životinja koje tu energiju koriste, a zatim i do mikroorganizama koji uništavaju organsku materiju.
Jednosmjerni tok energije pokreće cirkulaciju tvari. Svaki hemijski element, čineći ciklus u ekosistemu, naizmjenično prelazi iz organskog u neorganski oblik i obrnuto.
Rice. 1. Protok energije i ciklus biogenih elemenata u biosferi
fotosinteza- stvaranje organskih tvari (glukoze, škroba, celuloze itd.) iz ugljičnog dioksida i vode uz učešće hlorofila pod dejstvom sunčeve energije:
6CO 2 + 12H 2 O + hν (673 kcal) = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
Fotosinteza je proces hvatanja sunčeve energije od strane fotosintetskih organizama i pretvaranja iste u energiju biomase.
Svake godine biljni svijet skladišti besplatnu energiju 10 puta veću od količine mineralne energije koju godišnje potroši cjelokupno stanovništvo Zemlje. Sami ovi minerali (ugalj, nafta i prirodni gas) su takođe proizvodi fotosinteze koja se odvijala prije više miliona godina.
Svake godine fotosintezom se asimilira 200 milijardi tona ugljičnog dioksida i oslobađa se do 320 milijardi tona kisika. Sav ugljični dioksid u atmosferi prolazi kroz živu tvar za 6-7 godina.
U biosferi se odvijaju i procesi razaranja organske materije do najjednostavnijih molekula: CO 2, H 2 O, NH 3. Do razgradnje organskih jedinjenja dolazi u organizmima životinja, u biljkama pri disanju sa stvaranjem CO 2 i H 2 O.
Pod djelovanjem mikroorganizama dolazi do mineralizacije organskih tvari, razgradnje mrtve organske tvari do jednostavnih anorganskih spojeva.
Suprotni procesi formiranja i uništavanja organske materije u biosferi čine jedan biološki ciklus atoma. U procesu mineralizacije organskih jedinjenja oslobađa se energija koja se apsorbuje tokom fotosinteze. Oslobađa se kao toplota, ali i kao hemijska energija.
Biološki ciklusje skup procesa za ulazak hemijskih elemenata u žive organizme, biosintezu novih kompleksnih jedinjenja i povratak elemenata u tlo, atmosferu i hidrosferu.
Intenzitet biološkog ciklusa (BIR) određen je temperaturom okoline i količinom vode. Biološki ciklus je intenzivniji u tropskim prašumama nego u tundri.
Najvažniji rezultat biološkog ciklusa tvari je formiranje humusnog horizonta tla na kopnu.
Biološki ciklus karakteriziraju sljedeći pokazatelji.
biomasa - masa žive materije akumulirane u datom trenutku (fito-, zoo-, mikrobiomasa).
Biljna biomasa(fitomasa) - masa živih i mrtvih biljnih organizama.
leglo - količina organske materije biljaka koje su izumrle po jedinici površine u jedinici vremena.
Rast- biomasa akumulirana po jedinici površine u jedinici vremena.
Hemijski sastav biljaka zavisi od dva glavna faktora:
1) ekološki, - okruženje rasta biljaka, - nivoi sadržaja elemenata u životnoj sredini, oblici lokacije, uključujući i pokretne, dostupni biljkama;
2) genetski, zbog posebnosti porijekla biljne vrste.
U uslovima zagađenja životne sredine, koncentracija elemenata u biljkama određena je prvim faktorom. U pozadinskim (neporemećenim) pejzažima oba faktora su važna.
U zavisnosti od reakcije na hemijski faktor okoline (na sadržaj hemijskih elemenata) mogu se razlikovati 2 grupe biljaka:
1) prilagođeno na promjene u koncentraciji hemijskih elemenata;
2) nije prilagođeno na promjene u koncentraciji hemijskih elemenata.
Promjene u koncentraciji kemijskih elemenata u okolišu u neprilagođenim biljkama uzrokuju fiziološke poremećaje koji dovode do bolesti; razvoj biljaka je potisnut, vrsta izumire.
Neke biljne vrste su dobro prilagođene prijenosu visokih koncentracija elemenata. To su samonikle biljke koje dugo rastu na određenom području, koje kao rezultat prirodne selekcije stiču otpornost na nepovoljne životne uvjete.
Biljke koje koncentrišu hemijske elemente nazivaju se koncentratori. Na primjer: suncokret, krompir koncentrat kalijuma, čaj - aluminijum, mahovina - gvožđe. Pelin, preslica, kukuruz, hrast akumuliraju zlato.
Izvanredni ruski naučnik, akademik V.I. Vernadsky.
Biosfera- složeni vanjski omotač Zemlje, koji sadrži cjelokupnu cjelinu živih organizama i onaj dio tvari planete koji je u procesu kontinuirane razmjene sa tim organizmima. To je jedna od najvažnijih geosfera Zemlje, koja je glavna komponenta prirodnog okruženja koje okružuje ljude.
Zemlja je sastavljena od koncentričnih školjke(geosfere) i unutrašnje i spoljašnje. Unutrašnje uključuju jezgro i plašt, a spoljašnje: litosfera - kamena ljuska Zemlje, uključujući zemljinu koru (slika 1) debljine od 6 km (pod okeanom) do 80 km (planinski sistemi); hidrosfera - vodena školjka Zemlje; atmosfera- plinska ljuska Zemlje, koja se sastoji od mješavine raznih plinova, vodene pare i prašine.
Na nadmorskoj visini od 10 do 50 km nalazi se sloj ozona, čija je najveća koncentracija na nadmorskoj visini od 20-25 km, koji štiti Zemlju od prekomjernog ultraljubičastog zračenja koje je pogubno za organizam. Biosfera takođe pripada ovde (spoljnim geosferama).
biosfera - vanjski omotač Zemlje, koji uključuje dio atmosfere do visine od 25-30 km (do ozonskog omotača), gotovo cijelu hidrosferu i gornji dio litosfere do dubine od 3 km
Rice. 1. Shema strukture zemljine kore
(sl. 2). Posebnost ovih dijelova je da ih naseljavaju živi organizmi koji čine živu materiju planete. Interakcija abiotski dio biosfere- vazduh, voda, stene i organske materije - biota izazvalo je stvaranje tla i sedimentnih stijena.
Rice. 2. Struktura biosfere i odnos površina koje zauzimaju glavne strukturne jedinice
Krug materije u biosferi i ekosistemima
Sve dostupno za žive organizme hemijska jedinjenja u biosferi su ograničeni. Iscrpljenost pogodna za asimilaciju hemijske supstancečesto inhibira razvoj određenih grupa organizama u lokalnim područjima kopna ili oceana. Prema riječima akademika V.R. Williams, jedini način da se konačnom daju svojstva beskonačnosti je da se rotira duž zatvorene krive. Posljedično, stabilnost biosfere se održava zahvaljujući kruženju tvari i tokovima energije. Oni su dva glavna ciklusa supstanci: veliki - geološki i mali - biogeohemijski.
Velika geološka cirkulacija(sl. 3). Kristalne stijene (magmatske) se pod utjecajem fizičkih, kemijskih i bioloških faktora pretvaraju u sedimentne stijene. Pijesak i glina tipični su sedimenti, produkti transformacije dubokih stijena. Međutim, do stvaranja padavina dolazi ne samo zbog uništenja već postojeće rase, ali i sintezom biogenih minerala - skeleta mikroorganizama - iz prirodni resursi- vode okeana, mora i jezera. Rastresiti vodeni sedimenti jer se izoluju na dnu akumulacija sa novim porcijama sedimentnog materijala, potapanjem do dubine, padanjem u nove termodinamičke uslove (više visoke temperature i pritisak) gube vodu, učvršćuju se, pretvarajući se u sedimentne stijene.
Nakon toga, ove stijene uranjaju u još dublje horizonte, gdje se odvijaju procesi njihove duboke transformacije na novu temperaturu i baričke uvjete - odvijaju se procesi metamorfizma.
Pod utjecajem endogenih energetskih tokova, duboke stijene se pretapaju, formirajući magmu - izvor novih magmatskih stijena. Nakon podizanja ovih stijena na površinu Zemlje, pod utjecajem procesa trošenja i prijenosa, ponovo se pretvaraju u nove sedimentne stijene.
Dakle, velika cirkulacija nastaje zbog interakcije sunčeve (egzogene) energije sa dubokom (endogenom) energijom Zemlje. On redistribuira supstance između biosfere i dubljih horizonata naše planete.
Rice. 3. Velika (geološka) cirkulacija materije (tanke strelice) i promjena raznolikosti u zemljinoj kori (čvrste široke strelice - rast, povremene - smanjenje raznolikosti)
Veliki whirlpool takođe se naziva i ciklus vode između hidrosfere, atmosfere i litosfere, koji se kreće energijom Sunca. Voda isparava sa površine vodenih tijela i kopna, a zatim ponovo ulazi u Zemlju u obliku padavina. Preko okeana, isparavanje je veće od padavina, preko kopna, naprotiv. Ove razlike se kompenziraju riječnim tokovima. Kopnena vegetacija igra važnu ulogu u globalnom ciklusu vode. Transpiracija biljaka u pojedinim područjima zemljine površine može činiti i do 80-90% padavina koje padaju ovdje, a u prosjeku za sve klimatskim zonama- oko 30%. Za razliku od velike, mala cirkulacija tvari odvija se samo unutar biosfere. Odnos između velikog i malog ciklusa vode prikazan je na Sl. 4.
Ciklusi planetarnih razmjera nastaju iz bezbrojnih lokalnih cikličkih kretanja atoma, potaknutih vitalnom aktivnošću organizama u pojedinim ekosistemima, i onih kretanja koja su uzrokovana djelovanjem pejzažnih i geoloških razloga (površinsko i podzemno otjecanje, erozija vjetrom, kretanje morskog dna, vulkanizma, planinske gradnje itd.) ).
Rice. 4. Međuodnos velikog geološkog ciklusa (BGC) vode sa malim biogeohemijskim ciklusom (MBC) vode
Za razliku od energije, koju tijelo jednom iskoristi, pretvara se u toplinu i gubi, tvari kruže u biosferi stvarajući biogeohemijske cikluse. Od devedeset i više elemenata koji se nalaze u prirodi, živim organizmima je potrebno oko četrdeset. Najvažniji su im potrebni u velikim količinama - ugljik, vodonik, kisik, dušik. Ciklusi elemenata i supstanci odvijaju se zahvaljujući samoregulirajućim procesima u kojima učestvuju svi sastavni dijelovi. Ovi procesi su bez otpada. Postoji zakon globalnog zatvaranja biogeohemijskog ciklusa u biosferi djelujući u svim fazama svog razvoja. Tokom evolucije biosfere, uloga biološke komponente u zatvaranju biogeokemijskih
kome ciklus. Čovjek ima još veći utjecaj na biogeohemijsku cirkulaciju. Ali njegova uloga se očituje u suprotnom smjeru (ciklusi postaju otvoreni). Osnova biogeohemijske cirkulacije tvari je energija Sunca i hlorofil zelenih biljaka. Drugi najvažniji ciklusi - voda, ugljik, dušik, fosfor i sumpor - povezani su i doprinose biogeohemiji.
Kruženje vode u biosferi
Biljke koriste vodonik vode u fotosintezi za izgradnju organskih jedinjenja, oslobađajući molekularni kiseonik. U procesima disanja svih živih bića, tokom oksidacije organskih jedinjenja, ponovo nastaje voda. U istoriji života, sva slobodna voda hidrosfere je više puta prolazila kroz cikluse raspadanja i novih formacija u živoj materiji planete. Oko 500.000 km 3 vode godišnje je uključeno u kruženje vode na Zemlji. Krug vode i njene rezerve prikazani su na Sl. 5 (relativno).
Krug kiseonika u biosferi
Svoju jedinstvenu atmosferu sa visokim sadržajem slobodnog kiseonika Zemlja duguje procesu fotosinteze. Formiranje ozona u visokim slojevima atmosfere usko je povezano sa ciklusom kiseonika. Kiseonik se oslobađa iz molekula vode i u suštini je nusproizvod fotosintetske aktivnosti biljaka. Abiotički kiseonik se javlja u gornjim slojevima atmosfere zbog fotodisocijacije vodene pare, ali ovaj izvor je samo hiljaditi deo procenta onog koji se dobija fotosintezom. Postoji pokretna ravnoteža između sadržaja kiseonika u atmosferi i hidrosfere. U vodi je oko 21 puta manje.
Rice. 6. Dijagram ciklusa kiseonika: podebljane strelice - glavni tokovi unosa i potrošnje kiseonika
Oslobođeni kiseonik se intenzivno troši na procese disanja svih aerobnih organizama i na oksidaciju različitih mineralnih jedinjenja. Ovi procesi se odvijaju u atmosferi, zemljištu, vodi, mulju i stijenama. Pokazalo se da je značajan dio kiseonika vezanog u sedimentnim stijenama fotosintetskog porijekla. Razmjenski fond O, u atmosferi nije više od 5% ukupne proizvodnje fotosinteze. Mnoge anaerobne bakterije također oksidiraju organsku tvar tijekom anaerobnog disanja koristeći sulfate ili nitrate.
Za potpunu razgradnju organske tvari koju stvaraju biljke potrebna je potpuno ista količina kisika koja je oslobođena tokom fotosinteze. Zakopavanje organske materije u sedimentne stijene, ugalj, treset poslužilo je kao osnova za održavanje razmjenskog fonda kisika u atmosferi. Sav kiseonik u njemu prolazi kroz puni ciklus kroz žive organizme za oko 2000 godina.
Danas je značajan dio atmosferskog kisika vezan kao rezultat transporta, industrije i drugih oblika antropogenih aktivnosti. Poznato je da čovječanstvo već troši više od 10 milijardi tona slobodnog kisika od ukupne količine od 430-470 milijardi tona dobivenih procesima fotosinteze. Ako uzmemo u obzir da samo mali dio fotosintetskog kisika ulazi u fond za razmjenu, aktivnost ljudi u tom pogledu počinje poprimati alarmantne razmjere.
Ciklus kiseonika je usko povezan sa ciklusom ugljenika.
Krug ugljika u biosferi
Ugljik, kao hemijski element, osnova je života. On može Različiti putevi kombinuju se sa mnogim drugim elementima, formirajući jednostavne i složene organske molekule koje čine žive ćelije. U pogledu rasprostranjenosti na planeti, ugljenik se nalazi na jedanaestom mjestu (0,35% težine zemljine kore), ali u živoj materiji u prosjeku čini oko 18 ili 45% suhe biomase.
U atmosferi je ugljik uključen u sastav ugljičnog dioksida CO2, u manjoj mjeri - u sastav metana CH4. U hidrosferi je CO2 otopljen u vodi, a njegov ukupni sadržaj je mnogo veći od atmosferskog. Okean služi kao moćan tampon za regulaciju CO2 u atmosferi: s povećanjem njegove koncentracije u zraku, povećava se apsorpcija ugljičnog dioksida u vodi. Neki od molekula CO2 reaguju sa vodom, formirajući ugljičnu kiselinu, koja se zatim disocira na jone HCO 3 - i CO 2 - 3. Ovi joni reaguju sa kationima kalcijuma ili magnezijuma i talože karbonate. Takve reakcije leže u osnovi puferskog sistema okeana, održavajući konstantan pH vode.
Ugljen-dioksid atmosfere i hidrosfere je razmenski fond u ciklusu ugljenika, odakle se dobija kopnene biljke i alge. Fotosinteza je osnova svih bioloških ciklusa na Zemlji. Oslobađanje fiksiranog ugljika nastaje tokom respiratorne aktivnosti samih fotosintetskih organizama i svih heterotrofa – bakterija, gljiva, životinja, koji su uključeni u lanac ishrane zbog žive ili mrtve organske materije.
Rice. 7. Ciklus ugljika
Posebno je aktivan povratak CO2 iz tla u atmosferu, gdje je koncentrisana aktivnost brojnih grupa organizama, razgrađujući ostatke uginulih biljaka i životinja te se vrši disanje korijenskog sistema biljaka. Ovaj integralni proces je označen kao "disanje tla" i značajno doprinosi popunjavanju razmjenskog fonda CO2 u zraku. Paralelno sa procesima mineralizacije organske materije, u tlima se formira humus – složen i stabilan molekularni kompleks bogat ugljenikom. Humus tla je jedan od važnih rezervoara ugljika na kopnu.
U uslovima u kojima je aktivnost destruktora inhibirana faktorima okoline (na primjer, kada se u tlu i na dnu vodenih tijela javlja anaerobni režim), organska tvar akumulirana vegetacijom se ne razgrađuje, pretvarajući se vremenom u stijene kao što je ugalj. ili mrki ugalj, treset, sapropeli, uljni škriljci i drugi bogati uskladištenom sunčevom energijom. Oni nadopunjuju rezervni fond ugljika, isključujući se iz biološkog ciklusa na duže vrijeme. Ugljik se također privremeno taloži u živoj biomasi, mrtvom smeću, otopljenoj organskoj tvari u oceanu itd. ali glavna rezerva ugljenika pri pisanju nisu živi organizmi i nisu fosilna goriva, već sedimentne stijene - krečnjaci i dolomiti. Njihovo formiranje je takođe povezano sa aktivnošću žive materije. Ugljik ovih karbonata dugo je zakopan u utrobi Zemlje i ulazi u ciklus samo tokom erozije kada su stijene izložene u tektonskim ciklusima.
Samo djelići procenta ugljika od njegove ukupne količine na Zemlji uključeni su u biogeohemijski ciklus. Ugljik atmosfere i hidrosfere mnogo puta prolazi kroz žive organizme. Kopnene biljke su sposobne da iscrpe svoje rezerve u vazduhu za 4-5 godina, rezerve humusa u zemljištu za 300-400 godina. Glavni povratak ugljika u fond za razmjenu događa se zbog aktivnosti živih organizama, a samo mali dio (hiljaditi postotak) nadoknađuje se oslobađanjem vulkanskih plinova iz unutrašnjosti Zemlje.
Trenutačno vađenje i sagorijevanje ogromnih rezervi fosilnih goriva postaje moćan faktor u prijenosu ugljika iz rezervi u razmjenski fond biosfere.
Krug azota u biosferi
Atmosfera i živa tvar sadrže manje od 2% ukupnog dušika na Zemlji, ali upravo ovaj dušik podržava život na planeti. Azot je deo najvažnijih organskih molekula – DNK, proteina, lipoproteina, ATP, hlorofila itd. U biljnim tkivima njegov odnos sa ugljenikom je u proseku 1:30, a u morske alge I: 6. Biološki ciklus azota je stoga usko povezan sa ciklusom ugljenika.
Molekularni dušik atmosfere nedostupan je biljkama koje ovaj element mogu asimilirati samo u obliku amonijum jona, nitrata ili iz tla ili vodeni rastvori... Stoga je nedostatak dušika često faktor koji ograničava primarnu proizvodnju – rad organizama povezan sa stvaranjem organskih tvari iz neorganskih. Ipak, atmosferski dušik je naširoko uključen u biološki ciklus zbog aktivnosti posebnih bakterija (fiksatora dušika).
Mikroorganizmi koji amonifikuju takođe imaju veliku ulogu u ciklusu azota. Oni razgrađuju proteine i druge organske tvari koje sadrže dušik u amonijak. U amonijumskom obliku, dušik se dijelom reapsorbira korijenjem biljaka, a dijelom presreće nitrifikacijskim mikroorganizmima, što je suprotno funkcijama grupe mikroorganizama - denitrifikatora.
Rice. 8. Ciklus azota
U anaerobnim uvjetima u tlu ili vodi, oni koriste kisik iz nitrata za oksidaciju organske tvari, dobivajući energiju za svoj život. U ovom slučaju dušik se reducira u molekularni dušik. Fiksacija dušika i denitrifikacija u prirodi su približno uravnoteženi. Ciklus dušika, dakle, uglavnom ovisi o aktivnosti bakterija, dok se biljke u njega integriraju, koristeći međuprodukte ovog ciklusa i uvelike povećavajući razmjere cirkulacije dušika u biosferi zbog proizvodnje biomase.
Uloga bakterija u ciklusu dušika je tolika da će, ako se uništi samo 20 njihovih vrsta, život na našoj planeti prestati.
Nebiološka fiksacija azota i ulazak njegovih oksida i amonijaka u zemljište se dešava i kod padavina tokom jonizacije atmosfere i munje. Moderna industrija đubriva fiksira atmosferski dušik u odnosu na prirodnu fiksaciju dušika kako bi povećala proizvodnju usjeva.
Trenutno ljudska aktivnost sve više utiče na ciklus azota, uglavnom u pravcu prevazilaženja njegove konverzije u vezane forme u odnosu na procese vraćanja u molekularno stanje.
Krug fosfora u biosferi
Ovaj element, neophodan za sintezu mnogih organskih supstanci, uključujući ATP, DNK, RNK, biljke asimiliraju samo u obliku jona fosforne kiseline (P0 3 4 +). Spada u elemente koji ograničavaju primarnu proizvodnju i na kopnu, a posebno u okeanu, jer je izmjenjivi fond fosfora u tlu i vodama mali. Ciklus ovog elementa na skali biosfere nije zatvoren.
Na kopnu biljke izvlače fosfate iz tla, koje razlagači oslobađaju iz raspadajućih organskih ostataka. Međutim, u alkalnim ili kiselim tlima, topljivost fosfornih spojeva naglo opada. Glavni rezervni fond fosfata sadržan je u stijenama stvorenim na dnu oceana u geološkoj prošlosti. U toku ispiranja stijena, dio ovih rezervi prelazi u tlo i u obliku suspenzija i rastvora se ispiru u vodena tijela. U hidrosferi, fosfate koristi fitoplankton, prolazeći duž lanaca ishrane do drugih vodenih organizama. Međutim, u okeanu je većina spojeva fosfora zakopana s ostacima životinja i biljaka na dnu s kasnijim prijelazom sa sedimentnim stijenama u veliku geološku cirkulaciju. Na dubini, otopljeni fosfati se vezuju sa kalcijumom i formiraju fosforite i apatite. U biosferi, zapravo, postoji jednosmjerni tok fosfora iz stijena kopna u dubine okeana, stoga je njegov razmjenski fond u hidrosferi vrlo ograničen.
Rice. 9. Ciklus fosfora
Prizemne naslage fosforita i apatita koriste se u proizvodnji đubriva. Ulazak fosfora u slatkovodna tijela jedan je od glavnih razloga njihovog "cvjetanja".
Krug sumpora u biosferi
Krug sumpora, neophodan za izgradnju većeg broja aminokiselina, odgovoran je za trodimenzionalnu strukturu proteina, održava se u biosferi širok raspon bakterije. U pojedinim karikama ovog ciklusa učestvuju aerobni mikroorganizmi koji oksidiraju sumpor organskih ostataka u sulfate, kao i anaerobni reduktori sulfata koji redukuju sulfate u sumporovodik. Pored navedenih grupa sumpornih bakterija, sumporovodik se oksidira u elementarni sumpor i dalje u sulfate. Biljke asimiliraju samo SO 2-4 jona iz tla i vode.
Prsten u centru ilustruje procese oksidacije (O) i redukcije (R) koji razmjenjuju sumpor između raspoloživog sulfatnog bazena i bazena željeznog sulfida duboko u tlu i sedimentu.
Rice. 10. Ciklus sumpora. Prsten u sredini ilustruje proces oksidacije (0) i redukcije (R), zbog čega dolazi do izmjene sumpora između bazena raspoloživog sulfata i bazena željeznih sulfida koji se nalaze duboko u tlu i sedimentima.
Glavna akumulacija sumpora se dešava u okeanu, gde se sulfatni joni kontinuirano snabdevaju sa kopna sa rečnim oticajem. Kada se sumporovodik oslobodi iz vode, sumpor se djelomično vraća u atmosferu, gdje se oksidira u dioksid, pretvarajući se u sumpornu kiselinu u kišnici. Industrijska upotreba veliki broj sulfati i elementarni sumpor i sagorevanje fosilnih goriva oslobađaju velike količine sumpor-dioksida u atmosferu. On šteti vegetaciji, životinjama, ljudima i služi kao izvor kiselih kiša, pogoršavajući negativne efekte ljudskog uplitanja u ciklus sumpora.
Brzina cirkulacije tvari
Svi ciklusi supstanci odvijaju se različitim brzinama (slika 11)
Dakle, ciklusi svih nutrijenata na planeti su podržani složenom interakcijom različitih dijelova. Nastaju delovanjem grupa organizama različitih funkcija, sistemom oticanja i isparavanja koji povezuje okean i kopno, procesima kruženja vodenih i vazdušnih masa, dejstvom gravitacionih sila, tektonikom litosferskih ploča i drugim velikim. geoloških i geofizičkih procesa.
Biosfera djeluje kao jedno složen sistem, u kojem se odvijaju različiti ciklusi supstanci. Glavni motor ovih cirkulacija je živa tvar planete, svih živih organizama, obezbeđujući procese sinteze, transformacije i razgradnje organske materije.
Rice. 11. Brzine cirkulacije tvari (P. Cloud, A. Jibor, 1972.)
Ekološki pogled na svijet zasniva se na ideji da je svako živo biće okruženo mnogima koji na njega utiču razni faktori formirajući svoje stanište u kompleksu - biotop. dakle, biotop - dio teritorije koji je homogen u pogledu uslova života za određene vrste biljaka ili životinja(padina jaruga, urbana park šuma, malo jezero ili dio većeg, ali sa ujednačenim uslovima - primorski dio, dubokovodni dio).
Sastoje se organizmi karakteristični za određeni biotop životna zajednica, odnosno biocenoza(životinje, biljke i mikroorganizmi jezera, livade, obalnog pojasa).
Životna zajednica (biocenoza) čini jedinstvenu cjelinu sa svojim biotopom koji se naziva ekološki sistem (ekosistem). Primjer prirodnih ekosistema je mravinjak, jezero, ribnjak, livada, šuma, grad, farma. Klasičan primjer vještački ekosistem je svemirski brod. Kao što vidite, ne postoji stroga prostorna struktura... Blizak konceptu ekosistema je koncept biogeocenoza.
Glavne komponente ekosistema su:
- neživo (abiotičko) okruženje. To su voda, minerali, gasovi, kao i organske materije i humus;
- biotičke komponente. Tu spadaju: proizvođači ili proizvođači (zelene biljke), potrošači ili potrošači (živa bića koja se hrane proizvođačima) i razlagači ili razlagači (mikroorganizmi).
Priroda radi izuzetno ekonomično. Dakle, biomasa koju stvaraju organizmi (tvar tijela organizama) i energija sadržana u njima se prenose na druge članove ekosistema: životinje jedu biljke, te životinje jedu druge životinje. Ovaj proces se zove prehrambeni, ili trofički, lanac. U prirodi se lanci ishrane često preklapaju, formiranje mreže hrane.
Primjeri lancima ishrane: biljka - biljojeda - grabežljivac; žitarice - poljski miš - lisica itd. i mreža ishrane prikazani su na Sl. 12.
Dakle, stanje ravnoteže u biosferi zasniva se na interakciji biotičkih i abiotskih faktora životne sredine, koja se održava usled kontinuirane razmene materije i energije između svih komponenti ekosistema.
U zatvorenim ciklusima prirodnih ekosistema, pored ostalih, moraju učestvovati dva faktora: prisustvo razlagača i stalno snabdevanje sunčevom energijom. U urbanim i vještačkim ekosistemima ima malo ili nimalo razlagača, pa se tečni, čvrsti i plinoviti otpad akumulira, zagađujući okoliš.
Rice. 12. Mreža hrane i smjer toka materije
Učitavanje ...