Ainete ringlus biosfääris on tsükliline, korduv ainete ühine, omavahel seotud muundumine ja liikumine. Ainetsükli olemasolu on vajalik tingimus biosfääri olemasolu. Pärast seda, kui mõned organismid on neid kasutanud, peavad ained muutuma teistele organismidele kättesaadavasse vormi. Ainete selline üleminek ühelt lülilt teisele nõuab energiakulusid, seetõttu on see võimalik ainult Päikese energia osalusel. Päikeseenergia kasutamisel toimub planeedil kaks omavahel seotud ainete tsüklit: suur - geoloogiline ja väike - bioloogiline (biootiline).
Ainete geoloogiline ringlus- ainete migratsiooniprotsess, mis toimub abiootiliste tegurite mõjul: ilmastikuolud, erosioon, vee liikumine jne. Elusorganismid selles ei osale.
Kuna planeedile tekkis elusaine, bioloogiline (biootiline) vereringe... Selles osalevad kõik elusorganismid, kes neelavad keskkonnast osa aineid ja vabastavad teisi. Näiteks eluprotsessis olevad taimed tarbivad süsihappegaasi, vett, mineraalid ja eraldavad hapnikku. Loomad kasutavad hingamiseks taimede eraldatud hapnikku. Nad söövad taimi ja seedimise tulemusena assimileerivad fotosünteesi käigus tekkinud. orgaaniline aine... Nad eraldavad süsinikdioksiidi ja seedimata toidujääke. Pärast väljasuremist moodustavad taimed ja loomad surnud orgaanilise aine massi (detritus). Detritus on saadaval lagundamiseks (mineraliseerimiseks) mikroskoopiliste seente ja bakterite poolt. Nende elutähtsa tegevuse tulemusena tekib täiendav kogus süsinikdioksiid... Ja orgaanilised ained muudetakse algseteks anorgaanilisteks komponentideks – biogeenideks. Tekkinud mineraalsed ühendid, sattudes veekogudesse ja pinnasesse, muutuvad fotosünteesi teel taas taimedele kättesaadavaks fikseerimiseks. Seda protsessi korratakse lõputult ja see on olemuselt suletud (tsirkulatsioon). Näiteks kogu õhuhapnik liigub seda teed mööda umbes 2 tuhande aastaga, samas kui süsinikdioksiidil kulub selleks umbes 300 aastat.
Orgaanilises aines sisalduv energia väheneb toiduahelates liikudes. Suurem osa sellest hajub keskkonda soojusena või kulub organismide elutähtsate protsesside alalhoidmiseks. Näiteks loomade ja taimede hingamise, ainete transpordi kohta taimedes, aga ka elusorganismide biosünteesi protsesside kohta. Lisaks ei sisalda lagundajate tegevuse tulemusena tekkinud biogeenid organismidele kättesaadavat energiat. V sel juhul me saame rääkida ainult energia voolust biosfääris, kuid mitte tsüklist. Seetõttu on biosfääri stabiilse eksisteerimise tingimuseks pidev ainete ringlus ja energiavoog biogeotsenoosides.
Geoloogiline ja bioloogiline tsükkel koos moodustavad ainete üldise biogeokeemilise tsükli, mille aluseks on lämmastiku, vee, süsiniku ja hapniku tsüklid.
Lämmastiku tsükkel
Lämmastik on biosfääris üks levinumaid elemente. Suurem osa biosfääri lämmastikust on atmosfääris gaasilisel kujul. Nagu te teate keemia kursusest, on molekulaarses lämmastikus (N 2) keemilised sidemed aatomite vahel väga tugevad. Seetõttu ei suuda enamik elusorganisme seda otseselt kasutada. Seetõttu on lämmastikuringe oluline etapp selle fikseerimine ja muundamine organismidele kättesaadavaks vormiks. Lämmastiku sidumiseks on kolm võimalust.
Atmosfääri fikseerimine... Atmosfääri elektrilahenduste (välgu) mõjul võib lämmastik suhelda hapnikuga, moodustades lämmastikoksiidi (NO) ja dioksiidi (NO 2). Lämmastikoksiid (NO) oksüdeerub hapniku toimel väga kiiresti ja muundatakse lämmastikdioksiidiks. Lämmastikdioksiid lahustub veeaurus ning sademetega satub mulda lämmastik- (HNO 2) ja lämmastikhapete (HNO 3) kujul. Pinnas tekivad nende hapete dissotsiatsiooni tulemusena nitriti (NO 2 -) ja nitraadiioonid (NO 3 -). Nitriti- ja nitraadiioone suudavad juba taimed omastada ja kaasata bioloogilisse tsüklisse. Atmosfääri lämmastiku sidumine moodustab umbes 10 miljonit tonni lämmastikku aastas, mis moodustab umbes 3% aastasest biosfääri lämmastiku sidumisest.
Bioloogiline fikseerimine... Seda viivad läbi lämmastikku siduvad bakterid, mis muudavad lämmastiku taimedele ligipääsetavateks vormideks. Tänu mikroorganismidele on umbes pool kogu lämmastikust seotud. Tuntumad bakterid seovad lämmastikku liblikõieliste taimede sõlmedes. Nad varustavad taimi lämmastikuga ammoniaagi (NH 3) kujul. Ammoniaak lahustub vees kergesti, moodustades ammooniumiooni (NH 4 +), mis imendub taimedesse. Seetõttu on kaunviljad külvikorras kultuurtaimede parimad eelkäijad. Pärast loomade ja taimede hukkumist ning nende jäänuste lagunemist rikastub pinnas orgaaniliste ja mineraalsete lämmastikuühenditega. Seejärel lagundavad putrefaktiivsed (ammoniseerivad) bakterid taimede ja loomade lämmastikku sisaldavad ained (valgud, uurea, nukleiinhapped) ammoniaagiks. Seda protsessi nimetatakse ammonifikatsioon... Seejärel oksüdeerivad nitrifitseerivad bakterid suurema osa ammoniaagist nitrititeks ja nitraadiks, mida taimed taaskasutavad. Lämmastiku tagasipöördumine atmosfääri toimub denitrifikatsiooni teel, mille viib läbi rühm denitrifitseerivaid baktereid. Selle tulemusena redutseeritakse lämmastikuühendid molekulaarseks lämmastikuks. Osa nitraadi- ja ammooniumivormis sisalduvast lämmastikust siseneb pinnavooluga veeökosüsteemidesse. See on koht, kus lämmastik imendub veeorganismid või satub põhja orgaanilistesse setetesse.
Tööstuslik fikseerimine... Aastas seotakse mineraalsete lämmastikväetiste tootmisel tööstuslikult suur hulk lämmastikku. Sellistest väetistest saadava lämmastiku omastavad taimed ammooniumi ja nitraadi kujul. Valgevenes toodetud lämmastikväetiste maht on praegu umbes 900 tuhat tonni aastas. Suurim tootja on JSC GrodnoAzot. See ettevõte toodab uureat, ammooniumnitraati, ammooniumsulfaati ja muid lämmastikväetisi.
Umbes 1/10 kunstlikult manustatud lämmastikust kasutavad taimed ära. Ülejäänu koos pinnavee äravoolu ja põhjaveega läheb veeökosüsteemidesse. See toob kaasa suurte lämmastikuühendite kogunemise vette, mis on fütoplanktoni poolt assimileerimiseks kättesaadavad. Selle tulemusena on võimalik vetikate kiire paljunemine (eutrofeerumine) ja selle tulemusena surm veeökosüsteemides.
Vee ringkäik
Vesi on biosfääri põhikomponent. See on vahend peaaegu kõigi elementide lahustamiseks tsükli jooksul. Suurema osa biosfääri veest moodustab vedel vesi ja igavese jää vesi (rohkem kui 99% kõigist biosfääri veevarudest). Väheoluline osa veest on gaasilises olekus – see on atmosfääri veeaur. Biosfääri veeringe põhineb asjaolul, et selle aurustumine Maa pinnalt kompenseeritakse sademetega. Sademete kujul maapinnale langev vesi aitab kaasa kivimite hävimisele. See muudab nende koostises olevad mineraalid elusorganismidele kättesaadavaks. See on vee aurustumine planeedi pinnalt, mis määrab selle geoloogilise tsükli. See tarbib umbes poole langevast päikeseenergiast. Vee aurustumine merede ja ookeanide pinnalt toimub kiiremini kui selle tagasitulek koos sademetega. Seda erinevust kompenseerib pindmine ja sügav äravool, mis tuleneb asjaolust, et mandritel domineerivad sademed aurumisest.
Vee aurustumise intensiivsuse suurenemine maismaal on suuresti tingitud taimede elutegevusest. Taimed eraldavad pinnasest vett ja suunavad selle aktiivselt atmosfääri. Osa taimerakkudes olevast veest laguneb fotosünteesi käigus. Sel juhul on vesinik vormis fikseeritud orgaanilised ühendid ja hapnik vabaneb atmosfääri.
Loomad kasutavad vett, et säilitada osmootne ja soolade tasakaal organismis ning viia see koos ainevahetusproduktidega väliskeskkonda.
Süsiniku tsükkel
Süsinik nagu keemiline element esineb atmosfääris süsinikdioksiidi koostises. See määrab elusorganismide kohustusliku osalemise selle elemendi tsüklis planeedil Maa. Peamine tee, mille kaudu süsinik pärineb anorgaanilised ühendid läheb orgaaniliste ainete koostisse, kus see on kohustuslik keemiline element - see on fotosünteesi protsess. Osa süsinikust satub atmosfääri süsihappegaasi koostises elusorganismide hingamisel ja surnud orgaanilise aine lagunemisel bakterite poolt. Taimede neeldunud süsinikku tarbivad loomad. Peale korallide polüüpide kasutavad molluskid süsinikuühendeid skeleti moodustiste ja kestade ehitamiseks. Pärast nende suremist ja põhja settimist tekivad lubjakiviladestused. Seega saab süsiniku tsüklist eemaldada. Süsiniku eemaldamine tsüklist pikaks ajaks saavutatakse mineraalide moodustumisega: kivisüsi, õli, turvas.
Kogu meie planeedi eksisteerimise ajal kompenseeris tsüklist eemaldatud süsinik süsinikdioksiidiga, mis sisenes atmosfääri. vulkaanipursked ja muus looduslikud protsessid... Praegu on märkimisväärne kogus lisandunud atmosfääri süsinikuvarude looduslikele protsessidele. antropogeenne mõju... Näiteks süsivesinikkütuste põletamisel. See häirib sajanditepikkust süsinikuringet Maal.
Süsinikdioksiidi kontsentratsiooni tõus vaid 0,01% võrra sajandi jooksul on toonud kaasa kasvuhooneefekti märgatava avaldumise. Aasta keskmine temperatuur planeedil on tõusnud 0,5 ° C ja Maailma ookeani tase on tõusnud peaaegu 15 cm. Teadlased ennustavad, et kui aasta keskmine temperatuur tõuseb veel 3-4 ° C, algab igavene jää. sulama. Samal ajal tõuseb Maailma ookeani tase 50-60 cm, mis toob kaasa olulise osa maismaa üleujutuse. Seda peetakse globaalseks ökoloogiline katastroof, sest neil aladel elab umbes 40% maailma elanikkonnast.
Hapniku tsükkel
Biosfääri toimimises on hapnikul ülimalt oluline roll elusorganismide ainevahetusprotsessides ja hingamises. Hingamis-, kütusepõlemis- ja lagunemisprotsesside tagajärjel tekkinud hapnikuhulga vähenemine atmosfääris kompenseeritakse taimede poolt fotosünteesi käigus eralduva hapnikuga.
Hapnik tekkis Maa primaarses atmosfääris selle jahtumise ajal. Tänu oma kõrgele reaktsioonivõimele läks see gaasilisest olekust üle erinevate anorgaaniliste ühendite (karbonaadid, sulfaadid, raudoksiidid jne) koostisesse. Tänapäeva hapnikku sisaldav planeedi atmosfäär tekkis eranditult elusorganismide fotosünteesi tõttu. Hapnikusisaldus atmosfääris on juba pikka aega tõusnud oma praeguste väärtusteni. Selle koguse konstantsel tasemel hoidmine on praegu võimalik ainult tänu fotosünteetilistele organismidele.
Kahjuks on viimastel aastakümnetel fotosünteesi intensiivsust vähendanud inimtegevus, mis põhjustab metsade raadamist, pinnase erosiooni. Ja see omakorda häirib hapnikuringe loomulikku kulgu Maa suurtel aladel.
Väike osa õhuhapnikust osaleb Päikese ultraviolettkiirguse toimel osooniekraani tekkes ja hävimises.
Ainete biogeense tsükli aluseks on päikeseenergia. Biosfääri stabiilse eksisteerimise põhitingimuseks on pidev ainete ringlus ja energiavoog biogeotsenoosides. Lämmastiku, süsiniku ja hapniku tsüklites on põhiroll elusorganismidel. Globaalse veeringe aluse biosfääris annavad füüsikalised protsessid.
Ainete tsükkel ja biogeokeemilised tsüklid
Selgitage veeringe näitel geoloogilise tsükli tähendust.
Kuidas bioloogiline tsükkel toimub?
Mis on aatomite biogeense migratsiooni seadus V.I. Vernadski?
Millised on loodusringe reserv- ja vahetusfondid? Mis vahe neil on?
Maa kui elav superorganism
* Selleks, et biosfäär eksisteeriks ja areneks, peab alati toimuma bioloogilise tsükkel olulisi aineid, see tähendab, et pärast kasutamist peavad nad uuesti minema teistele organismidele omastatavasse vormi. Seda bioloogiliselt oluliste ainete üleminekut saab läbi viia ainult teatud energiakuluga, mille allikaks on Päike.
Teadlane V. R. Williams usub, et päikeseenergia tagab Maal kaks ainetsüklit - geoloogiline , ehk suur, tiraaž ja bioloogiline , väike, tiraaž.
Geoloogiline kuni Ringlus avaldub kõige selgemalt veeringes. Maa saab Päikeselt aastas 5,24ґ1024 J kiirgusenergiat. Umbes pool sellest kulub vee aurustamiseks. Samal ajal aurustub ookeanist rohkem vett, kui sademetega tagasi tuleb. Maal seevastu sajab rohkem kui vett aurustub. Selle ülejääk voolab jõgedesse ja järvedesse ning sealt tagasi ookeani (kandes samal ajal üle teatud koguse mineraalseid ühendeid). See määrabki suure ringluse biosfääris, lähtudes asjaolust, et kogu vee aurumine Maalt kompenseeritakse sademetega.
** Elusaine ilmnemisega geoloogilise tsükli, orgaanilise tsükli alusel destillaatorid, bioloogiline (väike) ringlus.
Veeringe geoloogilise tsükli näitena
(autor H. Penman)
Elusaine arenedes eraldatakse geoloogilisest tsüklist pidevalt rohkem ja rohkem elemente, mis sisenevad uude, bioloogilisse tsüklisse. Erinevalt lihtsast mineraalainete ülekandmisest suures ringluses nii lahuste kui ka mehaaniliste setete kujul, on väikeses ringluses olulisemad hetked orgaaniliste ühendite süntees ja hävitamine. Erinevalt geoloogilisest on bioloogilisel tsüklil tühine energia. Teatavasti kulub kogu Maale tarnitavast päikeseenergiast vaid 0,1-0,2% orgaanilise aine loomisele (geoloogiliseks ringluseks kuni 50%). Sellest hoolimata teeb bioloogilises tsüklis osalev energia esmaste toodete loomisel tohutult tööd.
Bioloogiline tsükkel
Elusaine ilmumisega Maale ringlevad keemilised elemendid pidevalt biosfääris, väljudes väliskeskkonnast
organismidesse ja uuesti väliskeskkonda. Sellist ainete ringlemist mööda enam-vähem suletud radu nimetatakse biogeokeemiline tsükkel.
Peamised biogeokeemilised tsüklid on hapniku, süsiniku, vee, lämmastiku, fosfori, väävli ja teiste biogeensete elementide tsüklid.
*** Aine biogeenne migratsioon - üks elementide üldise rände vormidest looduses. Biogeense geokeemilise migratsiooni all tuleks mõista elusorganismide kasvus ja arengus osaleva orgaanilise ja inertse aine migratsiooni, mida need toodavad keeruliste biokeemiliste ja biogeokeemiliste protsesside tulemusena. IN JA. sõnastas Vernadski Aatomite biogeense migratsiooni seadus järgmisel kujul:
Keemiliste elementide migratsioon biosfääris toimub kas elusaine otsesel osalusel (biogeenne migratsioon) või toimub keskkonnas, mille geokeemilised omadused (O2, CO2, H2 jne) on tingitud elusainest (see, mis asustab biosfääri praegu ja see, mis tegutses Maal läbi geoloogilise ajaloo).
Inimene mõjutab eelkõige biosfääri ja selle elavat populatsiooni, mistõttu muudab ta seeläbi aatomite biogeense rände tingimusi, luues eeldused põhjalikeks keemilisteks muutusteks. Seega võib protsess muutuda isearenevaks, inimese soovist sõltumatuks ja globaalses mastaabis praktiliselt kontrollimatuks.
Aine planetaarse ringluse seisukohalt on olulisemad pinnas-maastik, hüdrosfäär ja sügavad (maasisesed) tsüklid. Esimene neist hõlmab keemiliste elementide eraldamist kivimitest, veest, õhust, orgaanilise aine lagunemist, mitmesuguste orgaaniliste ja orgaaniliste mineraalsete ühendite imendumist ja sünteesi. Hüdrosfääri tsüklis peamist rolli mängivad vee koostis ja elusorganismide bioloogiline aktiivsus. Aine biotootmine toimub siin füto- ja zooplanktoni ülekaaluka osalusel. Biogeense rände sügavas tsüklis on kõige olulisem roll anaeroobsete mikroorganismide tegevusel.
**** Maa erinevates kestades toimuvad protsessid on dünaamilises tasakaalus ja ükskõik millise kulgemise muutumine toob kaasa lõputuid mõnikord pöördumatute nähtuste ahelaid. Igas looduslikus tsüklis on soovitatav eristada kahte osa või kahte "fondi":
reservfond- suur mass aeglaselt liikuvaid, peamiselt anorgaanilisi aineid;
mobiilne, või vahetus, fond- väiksem, kuid aktiivsem, mida iseloomustab kiire vahetus organismide ja keskkonna vahel.
Vahetusfond moodustub ainete tõttu, mis naasevad vereringesse kas esmase eritumise tõttu (ladina excretum - eraldatud) loomade poolt või detriidi lagunemise käigus mikroorganismide poolt.
Kui peame silmas biosfääri tervikuna, võib biogeokeemilised tsüklid jagada kahte põhitüüpi:
gaasiliste ainete ringlus reservfondiga atmosfääris või hüdrosfääris;
settetsükkel koos reservfondiga maapõues.
^ AINETE BIOLOOGILINE RING LOODUSES
Ainete bioloogilise tsükli üldkontseptsioon
Ainete bioloogiline ringlus kui planeedi Maa arenguvorm
Ainete biogeokeemilise tsükli elemendid looduses
Biogeokeemilise tsükli parameetrid maismaal
Bioloogiline tsirkulatsioon ja mulla teke
^ ÜLDMÕISTE
Ainete bioloogiline tsükkel on keemiliste elementide pinnasest ja atmosfäärist elusorganismidesse sisenemise protsesside kombinatsioon, uute kompleksühendite biokeemiline süntees ning elementide tagasipöördumine pinnasesse ja atmosfääri koos iga-aastase langusega. orgaaniline aine. Ainete bioloogiline tsükkel ei ole täielikult kompenseeritud suletud tsükkel, mistõttu selle käigus rikastub muld mineraalse toitumise elementide (nn biogeensete elementide) huumuse ja lämmastikuga, mis loob soodsa aluse olemasoluks. taimeorganismidest.
Ainete bioloogilises ringluses toimuvate protsesside bioloogilist, biokeemilist ja geokeemilist tähtsust näitas esmakordselt V. V. Dokutšajev, kes lõi loodusvööndite teooria. Lisaks selgus see V. I. Vernadski, B. B. Polünovi, D. N. Prjanišnikovi, V. N. Sukachevi, N. P. Remezovi, L. E. Rodini, N. I. Bazilevitši, V. A. Kovda ja teiste teadlaste töödes.
Rahvusvaheline liit bioloogiateadused(Rahvusvaheline Bioloogiateaduste Liit) viis läbi laiaulatusliku maa- ja veekogude biogeotsenooside bioloogilise produktiivsuse uurimisprogrammi. Selle uurimistöö suunamiseks loodi rahvusvaheline bioloogiline programm. Rahvusvahelise bioprogrammi kaasaegses kirjanduses kasutatavate terminite ja mõistete ühtlustamiseks, teatud tööd... Enne kui hakkame uurima ainete looduslikke bioloogilisi tsükleid, on vaja selgitada kõige sagedamini kasutatavaid termineid.
Biomass - kogunenud elusaine mass Sel hetkel aega.
^ Taimne biomass (sünonüüm - fütomass) - mis tahes piirkonna taimekoosluste elusate ja surnud organismide mass, mis on siiani säilitanud oma anatoomilise struktuuri.
^ Biomassi struktuur - taimede maa-aluste ja maapealsete osade, samuti üheaastaste ja mitmeaastaste, fotosünteetiliste ja mittefotosünteetiliste taimeosade suhe.
Kaltsud - surnud taimeosad, mis on säilitanud mehaanilise sideme taimega.
^ pesakond - maapealses ja maa-aluses osas välja surnud taimede orgaanilise aine hulk pindalaühiku kohta ajaühikus.
pesakond - mitmeaastaste taimejääkide mass erineval määral mineraliseerumine.
Kasv - organismi või organismide koosluse mass, akumuleeritud pindalaühiku kohta ajaühiku kohta.
^ Tõeline kasu - juurdekasvu ja allapanu koguse suhe ajaühikus pinnaühiku kohta.
Esmane tootmine - autotroofide (roheliste taimede) tekitatud elusaine mass pindalaühiku kohta ajaühikus.
^ Teisesed tooted - heterotroofide tekitatud orgaanilise aine mass pindalaühiku kohta ajaühikus.
Bioloogilise tsükli suutlikkus - keemiliste elementide hulk küpse biotsenoosi (fütotsenoosi) massi koostises.
Bioloogilise tsükli intensiivsus on fütotsenoosi kasvus sisalduvate keemiliste elementide hulk pindalaühiku kohta ajaühikus.
Bioloogilise tsükli kiirus on ajavahemik, mille jooksul element läbib oma neeldumisest elusaines kuni selle vabanemiseni elusaine koostisest. Määratud märgistusaatomite abil.
L. Ye. Rodini, N. I. Bazilevitši (1965) järgi koosneb elementide bioloogilise tsükli täielik tsükkel järgmistest komponentidest.
Taimede assimileeriv pind atmosfäärist süsiniku ja juurestiku poolt mullast - lämmastiku, tuha elementide ja vee imendumine, nende kinnitumine taimeorganismide kehadesse, surnud taimede või nende osadega pinnasesse sattumine, lagunemine. allapanu ja neis sisalduvate elementide vabanemine.
Taimeosade võõrandumine neist toituvate loomade poolt, nende muutumine loomakehades uuteks orgaanilisteks ühenditeks ja osade kinnistumine loomsetes organismides, nende hilisem sattumine mulda koos loomade väljaheidete või surnukehadega, mõlema lagunemine neis sisalduvate elementide vabanemine.
Gaasivahetus assimileeriva taimepinna ja atmosfääri vahel, juurestiku ja mullaõhu vahel.
Elutähtis eritumine maapealsete taimeorganite ja eriti mõne elemendi juurestiku kaudu otse pinnasesse.
^ AINETE BIOLOOGILINE RING KUI PLANEEDI MAA ARENGUVORM
Biosfääri struktuur selle kõige üldisemal kujul esindab kahte suurimat esimese järgu looduslikud kompleksid - mandriline ja ookeaniline. Taimed, loomad ja pinnas moodustavad maismaal keeruka maailma ökoloogilise süsteemi. Seoses ja ümber jaotades päikeseenergiat, atmosfääri süsinikku, niiskust, hapnikku, vesinikku, lämmastikku, fosforit, väävlit, kaltsiumi ja muid biofiilseid elemente, moodustab see süsteem biomassi ja toodab vaba hapnikku.
Veetaimed ja ookean moodustavad järjekordse maailma ökoloogilise süsteemi, mis täidab planeedil samu ülesandeid, mis seovad päikeseenergiat, süsinikku, lämmastikku, fosforit ja muid biofiile fütobiomassi moodustumise ja hapniku atmosfääri paiskamise kaudu.
Kosmilise energia akumuleerumisel ja ümberjaotamisel biosfääris on kolm vormi. ^ Esimese olemus Neist taimeorganismid ja toiduahelate ning nendega seotud loomade ja bakterite kaudu kaasavad oma kudedesse palju ühendeid. Need ühendid sisaldavad H 2, O 2, N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Al, Mn ja teisi biofiile, palju mikroelemente (I, Co, Cu, Zn jne). Sel juhul on valik kergeid isotoope (C, H, O, N, S) raskematest. In vivo ja postuumselt tajuvad ja eraldavad maa-, vee- ja õhuorganismid, kes on keskkonnaga pidevas vahetuses, laia ja mitmekesist spektrit mineraalseid ja orgaanilisi ühendeid. Organismide ja keskkonna elutähtsa ainevahetuse saaduste (metaboliitide) kogumass ja -maht ületab mitu korda elusaine biomassi.
^ Teine vorm Päikese kosmilise energia kogunemine, säilitamine ja ümberjaotumine planeedil selle biosfääris väljendub veemasside kuumenemises, aurude moodustumises ja kondenseerumises, sademetes ning pinna- ja põhjavee liikumises mööda nõlva toitumisaladelt. aurustumispiirkondadesse. Õhu ja vee ebaühtlane kuumenemine põhjustab vee planeetide liikumist ja õhumassid, tiheduse ja rõhu gradientide teket, ookeanihoovusi ja atmosfääri tsirkulatsiooni grandioosseid protsesse.
Mehaaniliste ja keemiliste setete erosioon, keemiline denudatsioon, transport, ümberjaotumine, ladestumine ja akumuleerumine maismaal ja ookeanis on selle energia kolmas ülekandmise ja muundamise vorm.
Kõik need kolm planeediprotsessi on omavahel tihedalt läbi põimunud; moodustades üldise maapealse tsirkulatsiooni ja aine lokaalse ringluse süsteemi. Seega on planeedi miljardite aastate pikkuse bioloogilise ajaloo jooksul looduses välja kujunenud suur biogeokeemiline ringlus ja keemiliste elementide diferentseerumine. Nad lõid kaasaegse biosfääri ja on selle normaalse toimimise aluseks.
^ LOODUSES AINETE BIOGEOKEEMILISE RINGI ELEMENDID
Ainete biogeokeemilise ringluse elemendid on järgmised komponendid.
Regulaarselt korduvad või pidevalt kulgevad energia sissevoolu, uute ühendite moodustumise ja sünteesi protsessid.
Pidevad või perioodilised energia ülekandmise või ümberjaotamise protsessid ning sünteesitud ühendite eemaldamise ja suunamise protsessid füüsikaliste, keemiliste ja bioloogiliste mõjurite mõjul.
Suunatud rütmilised või perioodilised järjestikuse transformatsiooni protsessid: lagunemine, varem sünteesitud ühendite hävitamine biogeensete või abiogeensete keskkonnamõjude mõjul.
Looduses toimuvad nii ainete bioloogilised tsüklid kui ka abiogeensed tsüklid.
^ Bioloogilised tsüklid - tõttu kõigis linkides organismide elutegevus (toitumine, toiduühendused, paljunemine, kasv, metaboliitide liikumine, surm, lagunemine, mineraliseerumine).
^ Abiogeensed tsüklid - tekkisid planeedil palju varem kui biogeensed. Need hõlmavad kogu geoloogiliste, geokeemiliste, hüdroloogiliste ja atmosfääriprotsesside kompleksi.
Planeedi prebiogeensel perioodil mängis geoloogilistes, hüdroloogilistes, geokeemilistes, atmosfääritsüklites otsustavat rolli vee ja õhu ränne ning akumulatsioon. Arenenud biosfääris juhib ainete ringlust bioloogiliste, geoloogiliste ja geokeemiliste tegurite koosmõju. Nende suhe võib olla erinev, kuid tegevus on tingimata ühine! Just selles mõttes kasutatakse mõisteid – ainete biogeokeemiline ringlus, biogeokeemilised tsüklid.
Häirimatud biogeokeemilised tsüklid on peaaegu ringikujulised, peaaegu suletud. Tsüklite korduva taastootmise määr looduses on väga kõrge ja ulatub V. A. Kovda sõnul tõenäoliselt 90–98%. Seega säilib tsüklis osalevate komponentide koostise, koguse ja kontsentratsiooni teatav püsivus ja tasakaal, organismide ja keskkonna geneetiline ja füsioloogiline sobivus ning harmoonia. Kuid biogeokeemiliste tsüklite mittetäielik isoleerimine geoloogilises ajas toob kaasa elementide ja nende ühendite migratsiooni ja diferentseerumise ruumis ja erinevates keskkondades, elementide kontsentratsiooni või hajumise. Seetõttu jälgime biogeenset lämmastiku ja hapniku akumuleerumist atmosfääris, süsinikuühendite (nafta, kivisüsi, lubjakivi) biogeenset ja kemogeenilist akumuleerumist maapõues.
^ BIOGEOKEEMILISE RINGI PARAMEETRID MAAL
Järgmised näitajad on kohustuslikud parameetrid biogeokeemiliste tsüklite uurimiseks looduses.
Biomass ja selle tegelik juurdekasv (füto-, zoo-, mikroobmass eraldi).
Orgaaniline allapanu (kogus, koostis).
Mulla orgaaniline aine (huumus, lagunemata orgaanilised jäägid).
Pinnase, vee, õhu, sademete, biomassi fraktsioonide elementaarne koostis.
Biogeense energia maapealsed ja maa-alused varud.
Elutähtsad metaboliidid.
Liikide arv, arvukus, koosseis.
Liikide eluiga, populatsioonide ja muldade dünaamika ja elurütm.
Ökoloogiline ja meteoroloogiline keskkond: inimese sekkumise taust ja hinnang.
Katvus valgalade, nõlvade, terrasside, jõeorgude, järvede vaatluskohtadega.
Saasteainete arv, nende keemiline, füüsikaline, bioloogilised omadused(eriti CO, CO 2, SO 2, P, NO 3, NH 3 Hg, Pb, Cd, H 2 S, süsivesinikud).
1. Tuha, süsiniku ja lämmastiku sisaldus biomassis (maapealne, maa-alune, füto-, loomaaia-, mikroobne). Nende elementide sisaldust saab väljendada protsentides või g / m 2, t / ha pinnast. Elusaine peamised koostisosad massi järgi on O (65-70%) ja H (10%). Kõik ülejäänud moodustavad 30-35%: C, N, Ca (1-10%); S, P, K, Si (0,1-1%); Fe, Na, Cl, Al, Mg (0,01-0,1%).
Fütomassi keemiline koostis on väga erinev. Eriti erinev on okas- ja lehtmetsade, rohttaimestiku ja halofüütide fütomassi koostis (tabel 13).
Tabel 13 – mineraalne koostis erinevad rühmad sushi taimed
| Taimkatte tüüp | tuhasisaldus, % | Maavara aastakäive Komponendid, kg / ha | Valitsevad komponendid |
| Okaspuumetsad | 3-7 | 100-300 | Si, Ca, P, Mg, K |
| Lehtmetsad | 5-10 | 460-850 | Ca, K, P, Al, Si |
| Vihmametsad | 3-4 | 1000-2000 | Ca, K, Mg, Al |
| Niidud, stepid | 5-7 | 800-1200 | Si, Ca, K, S, P |
| Halofüütsed kooslused | 20-45 | 500-1000 | Cl, SO4, Na, Mg, K |
Konkreetse keemilise elemendi individuaalset tähtsust hinnatakse bioloogilise absorptsioonikoefitsiendi (BCF) abil. Arvutage see valemiga:
1966. aastal tegi V.A.Kovda ettepaneku kasutada kogu süsinikuringe keskmise kestuse iseloomustamiseks registreeritud fütobiomassi ja fütomassi iga-aastase fotosünteesi suurenemise suhet. See koefitsient iseloomustab üldise sünteesitsükli – biomassi mineraliseerumise keskmist kestust antud piirkonnas (või maismaal tervikuna). Arvutused on näidanud, et maa kui terviku puhul mahub see tsükkel 300–400 ja mitte rohkem kui 1000 aastasse. Vastavalt sellele toimub selle keskmise kiirusega biomassis seotud mineraalsete ühendite vabanemine, huumuse moodustumine ja mineraliseerumine mullas.
Biosfääri elusaine mineraalsete komponentide biogeokeemilise tähtsuse üldiseks hindamiseks soovitas VAKovda võrrelda biomassi mineraalide varu, iga-aastast ringlusse kaasatud mineraalide hulka juurdekasvu ja allapanuga ning jõgede aastase keemilise äravooluga. . Selgus, et need väärtused on lähedased: 10 8-9 tuhaainet on seotud jõgede kasvu ja allapanuga ning 10 9 - iga-aastase jõgede keemilise äravooluga.
BGHK indeks = S b / S X,
Kus S b - elementide summa (või ühe elemendi kogus) biomassi aastakasvus; S x - samade elementide (või ühe elemendi) summa, mis on antud basseini (või basseini osa) jõgede vete poolt läbi viidud.
Selgus, et biogeokeemilise tsükli indeksid varieeruvad väga erinevates kliimatingimustes, erinevate taimekoosluste katte all, erinevates loodusliku kuivenduse tingimustes.
4. NI Bazilevich, LE Rodin (1964) tegi ettepaneku arvutada koefitsient, mis iseloomustab allapanu lagunemise intensiivsust ja pesakonna säilimise kestust antud biogeocenoosi tingimustes:
N.I.Bazilevitši ja L.E.Rodina sõnul on fütomassi lagunemise intensiivsuse indeksid kõrgeimad põhjapoolsetes tundras ja rabades ning madalaimad (ligikaudu 1-ga) steppides ja poolkõrbetes.
5. B. B. Polynov (1936) soovitas arvutada vee rändeindeksi:
IVM = X H2O / X zk,
kus ICM on vee migratsiooni indeks; Х Н2О - elemendi kogus aurustunud jõe- või põhjavee mineraalsetes jääkides; X zk - sama elemendi sisaldus maakoores või kivimis.
Vee rändeindeksite arvutamine näitas, et kõige liikuvamad rändajad on biosfääris Cl, S, B, Br, I, Ca, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo. Kõige passiivsemad on selles suhtes Si, K, P, Ba, Mn, Rb, Cu, Ni, Co, As, Li, Al, Fe.
^ BIOLOOGILINE RING JA MULLA TEKKE
Geoloogilised ja paleobotanika andmed võimaldasid V.A.Kovdal üldine ülevaade tutvustada kriitilised etapid mullatekke protsessi areng seoses taimede ja taimkatte arengulooga (1973). Pinnase moodustumise protsessi algust Maal seostatakse autotroofsete bakterite ilmumisega, mis on võimelised iseseisvalt eksisteerima kõige ebasoodsamates hüdrotermilistes tingimustes. See esialgne kokkupuuteprotsess madalamad organismid maakoore kividel nimetas VR Williams esmaseks mullatekke protsessiks. Autotroofsed bakterid, mille S. N. Vinogradov avastas 19. sajandi lõpus, on kõige lihtsamad üherakulised organismid, neid on umbes sada liiki. Neil on võime väga kiiresti paljuneda: 1 isend võib anda triljoneid organisme päevas. Kaasaegsete autotroofide hulgas on väävlibakterid, rauabakterid jne, millel on äärmiselt oluline roll mullasisestes protsessides. Autotroofsete bakterite ilmumine pärineb ilmselt eelkambriumi ajast.
Seega seostati orgaanilise aine esmasüntees ja bioloogilised tsüklid C, S, N, Fe, Mn, O 2, H 2 maakoores mineraalsete ühendite hapnikku kasutavate autotroofsete bakterite tegevusega. Mullatekke protsessi arengus on võimalik, et koos autotroofsete bakteritega mängisid rolli ka mitterakulised eluvormid nagu viirused ja bakteriofaagid. Loomulikult ei olnud see mulda moodustav protsess kaasaegne vorm kuna juurtaimed puudusid, ei olnud ka humiinühendite kuhjumist ega biogeenset mehhanismi. Ja ilmselt on õigem rääkida kivimite esmasest biogeokeemilisest murenemisest madalamate organismide mõjul.
Eelkambriumis ilmusid üherakulised sinivetikad. Silurist ja Devonist levisid mitmerakulised vetikad - rohelised, pruunid, karmiinpunased. Mullatekke protsess muutus keerulisemaks, kiirenes, algas märgatavates kogustes orgaanilise aine süntees ning joonistus välja O, H, N, S ja teiste toitainete väikese bioloogilise tsükli laienemine. Ilmselt on V.A. Kovda sõnul kaasnes nendes etappides pinnase moodustumise protsessiga biogeense peenmaa kogunemine. Esialgne mullatekke staadium oli väga pikk ja sellega kaasnes aeglane, kuid pidev biogeense peenmulla kogunemine, mis oli rikastatud orgaanilise aine ja bioloogilises tsüklis osalevate elementidega: H, O, C, N, P, S, Ca, K, Fe, Si, A1. Selles etapis võis juba toimuda sekundaarsete mineraalide biogeenne süntees: alumiinium ja ferrisilikaadid, fosfaadid, sulfaadid, karbonaadid, nitraadid, kvarts ning pinnase moodustumine piirdus madalate aladega. Maal oli see kivine ja soine iseloom.
Kambriumis ilmusid ka psilofüüdid - alamõõdulised põõsatüüpi taimed, millel polnud isegi juuri. Nad saavutasid mõningase leviku Siluris ja märkimisväärse arengu Devonis. Samal ajal ilmuvad korte ja sõnajalad - niiskete madalikute asukad. Nii sai siluri ja devoniga alguse mullatekkeprotsessi suhteliselt arenenud vorm, s.o. umbes 300-400 miljonit aastat tagasi. Mingit mädane protsessi aga ei täheldatud, kuna rohttaimestikku polnud. Sõnajalgade ja lüürikate tuhasus ei ole kõrge (4-6%), korte on palju suurem (20%). Tuha koostises domineerisid K (30%), Si (28%) ja C1 (10%). Seene mikrofloora soodustas P ja K osalemist bioloogilises tsüklis ning samblikud - Ca, Fe, Si. Tõenäoline on happeliste muldade (kaoliniitalliit, boksiit) ja hüdromorfsete, rauaühenditega rikastatud muldade teke.
Väljakujunenud mullatekke protsess võttis ilmselt kuju alles paleosoikumi lõpus (süsi, permi). Just sellele ajale omistasid teadlased maismaal pideva taimkatte ilmumise. Lisaks sõnajalgadele ilmusid lükopoodid, hobused, võimlemisseemned. Domineerisid metsa- ja rabamaastikud, kliimavöönd kujunes sooja troopika ja subtroopika domineerimise taustal. Sellest tulenevalt valitsesid sel perioodil raba- ja metsatroopilised mullatekkeprotsessid.
See režiim kestis umbes permi perioodi keskpaigani, mil järk-järgult saabus kliima jahenemine ja kuivamine. Sellele aitasid kaasa kuivus ja külm ilm edasine areng tsoneerimine. Just sel perioodil (permi teine pool, triias) arenesid laialdaselt välja võimlemisseemned. Kõrgetel laiuskraadidel toimus sel ajal happeliste podsoolmuldade teke, madalatel laiuskraadidel kulges mulla moodustumine kollaste, punamuldade ja boksiitide arenguteel. Madal tuhasisaldus (umbes 4%), tühine Cl, Na sisaldus, kõrge Si (16%), Ca (2%), S (6%), K (6,5%) sisaldus männi okastes tõi kaasa kasvu. osalemine bioloogilises tsirkulatsioonis ja mulla moodustumises Ca, S, P rollis ning Si, K, Na, C1 rolli vähenemine.
Diatomid ilmuvad juuras ja katteseemnetaimed ilmuvad sellele järgneval kriidiajastul. Alates kriidiajastu keskpaigast on laialt levinud lehtpuuliigid - vaher, tamm, kask, paju, eukalüpt, pähkel, pöök, sarvepukk. Nende võra all hakkab podsooli moodustumise protsess nõrgenema, kuna nende taimede allapanu koostis sisaldab suures koguses Ca, Mg, K.
Tertsiaari ajastul valitses maakeral troopiline taimestik: palmid, magnooliad, sekvoia, pöök ja kastan. Nende metsade ringliikumises osalevate ainete mineraalset koostist iseloomustas Ca, Mg, K, P, S, Si, Al märkimisväärne osalus. Nii loodi ökoloogilised eeldused rohttaimestiku tekkeks ja arenguks: muldade ja kivimite happesuse vähenemine, toitainete kuhjumine.
Rohtse puittaimestiku domineerimise muutumine oli mullatekkeliste protsesside olemuse muutmisel tohutu fundamentaalse tähtsusega. Puude võimas juurestik kaasas bioloogilisse tsüklisse märkimisväärse hulga mineraalaineid, mobiliseerides need järgnevaks rohttaimestiku asustamiseks. Rohttaimestiku lühike eluiga ja juuremasside kontsentratsioon ülemistes mullakihtides tagavad kõrreliste katte all mineraalide bioloogilise ringluse ruumilise kontsentratsiooni vähem paksus horisondikihis koos tuha toitainete akumuleerumisega neisse. . Seega, alates kriidiajastu teisest poolest, tertsiaaril ja eriti kvaternaari perioodidel levis rohttaimestiku domineerimise mõjul mullatekkene mädane protsess.
Seega on elusaine ja bioloogilise tsirkulatsiooni osatähtsus Maa geoloogilises ajaloos ja mullatekkeprotsessi arengus pidevalt kasvanud. Kuid mulla moodustumine sai järk-järgult ka üheks peamiseks lüliks ainete bioloogilises ringluses.
Pinnas tagab pideva koostoime suurte geoloogiliste ja väikeste bioloogiliste ainete tsüklitega maapinnal. Muld on nende kahe globaalse ainetsükli vastastikmõju ühendav lüli ja regulaator.
Muld - akumuleerib orgaanilist ainet ja sellega seotud keemilist energiat, keemilisi elemente, reguleerides seeläbi ainete bioloogilise ringluse kiirust.
Muld, millel on võime oma viljakust dünaamiliselt paljundada, reguleerib biosfääri protsesse. Eelkõige määrab elu tiheduse Maal koos kliimateguritega suuresti mulla geograafiline heterogeensus.
Ainete ringlemine looduses on kõige olulisem ökoloogiline mõiste.
Joonisel fig. bioloogiline tsükkel on esitatud kombineerituna lihtsustatud energiavoo diagrammiga. Ringlusse on kaasatud ained ja energiavoog on ühesuunaline taimedelt, mis muudavad päikese energia keemiliste sidemete energiaks, loomadele, kes seda energiat kasutavad, ja seejärel mikroorganismidele, mis hävitavad orgaanilist ainet.
Ühesuunaline energiavoog paneb liikuma ainete ringlemise. Iga keemiline element, tehes ökosüsteemis tsükli, läheb vaheldumisi orgaanilisest vormist anorgaaniliseks ja vastupidi.
Riis. 1. Energiavoog ja biogeensete elementide ringkäik biosfääris
Fotosüntees- orgaaniliste ainete (glükoos, tärklis, tselluloos jne) loomine süsinikdioksiidist ja veest klorofülli osalusel päikeseenergia toimel:
6CO2 + 12H2O + hν (673 kcal) = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Fotosüntees on päikeseenergia püüdmine fotosünteetiliste organismide poolt ja selle muundamine biomassi energiaks.
Igal aastal salvestab taimemaailm tasuta energiat 10 korda rohkem kui kogu Maa elanikkonna aastas tarbitud mineraalenergia hulk. Need mineraalid ise (kivisüsi, nafta ja maagaas) on samuti miljoneid aastaid tagasi toimunud fotosünteesi saadused.
Igal aastal assimileerib fotosüntees 200 miljardit tonni süsihappegaasi ja vabastab kuni 320 miljardit tonni hapnikku. Kogu atmosfääris leiduv süsihappegaas läbib elusaine 6-7 aastaga.
Biosfääris toimuvad ka orgaanilise aine lagunemise protsessid kõige lihtsamateks molekulideks: CO 2, H 2 O, NH 3. Orgaaniliste ühendite lagunemine toimub loomade organismides, taimedes hingamise ajal koos CO 2 ja H 2 O moodustumisega.
Mikroorganismide toimel toimub orgaaniliste ainete mineraliseerumine, surnud orgaanilise aine lagunemine lihtsateks anorgaanilisteks ühenditeks.
Orgaanilise aine moodustumise ja hävimise vastupidised protsessid biosfääris moodustavad ühtse aatomite bioloogilise tsükli. Orgaaniliste ühendite mineraliseerumise protsessis vabaneb energia, mis neeldus fotosünteesi käigus. See vabaneb soojusena ja ka keemilise energiana.
Bioloogiline tsükkelon protsesside kogum keemiliste elementide sisenemiseks elusorganismidesse, uute kompleksühendite biosünteesiks ning elementide tagasi viimiseks pinnasesse, atmosfääri ja hüdrosfääri.
Bioloogilise tsükli (BIR) intensiivsuse määrab ümbritseva õhu temperatuur ja vee hulk. Troopilistes vihmametsades on bioloogiline tsükkel intensiivsem kui tundras.
Ainete bioloogilise ringluse kõige olulisem tulemus on muldade huumushorisondi moodustumine maismaal.
Bioloogilist tsüklit iseloomustavad järgmised näitajad.
Biomass - antud ajahetkel kogunenud elusaine mass (füto-, zoo-, mikrobiomass).
Taimne biomass(fütomass) - elusate ja surnud taimeorganismide mass.
pesakond - väljasurnud taimede orgaanilise aine kogus pinnaühiku kohta ajaühikus.
Kasv– pindalaühiku kohta ajaühikus kogunenud biomass.
Taimede keemiline koostis sõltub kahest peamisest tegurist:
1) ökoloogiline, - taimede kasvukeskkond, - keskkonna elementide sisalduse tasemed, taimedele kättesaadavad asukohavormid, sealhulgas liikuvad;
2) geneetiline, tulenevalt taimeliigi päritolu iseärasustest.
Keskkonnasaaste tingimustes määrab elementide kontsentratsiooni taimedes esimene tegur. Taustal (häirimata) maastikel on mõlemad tegurid olulised.
Sõltuvalt reaktsioonist keskkonna keemilisele tegurile (keemiliste elementide sisaldusele) võib eristada 2 taimerühma:
1) kohandatud muutustele keemiliste elementide kontsentratsioonis;
2) ei ole kohandatud muutustele keemiliste elementide kontsentratsioonis.
Muutused keemiliste elementide kontsentratsioonides keskkonnas kohanemata taimedes põhjustavad füsioloogilisi häireid, mis põhjustavad haigusi; taimede areng pärsitakse, liik sureb välja.
Mõned taimeliigid on hästi kohanenud suure kontsentratsiooniga elementide ülekandmiseks. Need on antud alal pikka aega kasvavad looduslikud taimed, mis loodusliku valiku tulemusena omandavad vastupidavuse ebasoodsatele elutingimustele.
Taimi, mis koondavad keemilisi elemente, nimetatakse kontsentraatoriteks. Näiteks: päevalill, kartul kaaliumikontsentraat, tee - alumiinium, samblad - raud. Kulda koguvad koirohi, korte, mais, tamm.
Silmapaistev vene teadlane, akadeemik V.I. Vernadski.
Biosfäär- Maa keeruline väliskest, mis sisaldab kogu elusorganismide kogumit ja seda osa planeedi ainest, mis on nende organismidega pidevas vahetuses. See on üks tähtsamaid Maa geosfääre, mis on inimest ümbritseva looduskeskkonna põhikomponent.
Maa koosneb kontsentrilistest kestad(geosfäärid) nii sisemised kui ka välised. Sisemised hõlmavad südamikku ja mantlit ning välimisi: litosfäär - Maa kivikest, sealhulgas maakoor (joonis 1), paksusega 6 km (ookeani all) kuni 80 km (mäestikusüsteemid); hüdrosfäär - Maa vesikarp; õhkkond- Maa gaasikest, mis koosneb erinevate gaaside, veeauru ja tolmu segust.
10–50 km kõrgusel on osoonikiht, mille maksimaalne kontsentratsioon on 20–25 km kõrgusel ja mis kaitseb Maad liigse ja organismile saatusliku ultraviolettkiirguse eest. Siia (välistesse geosfääridesse) kuulub ka biosfäär.
Biosfäär - Maa väliskest, mis hõlmab osa atmosfäärist kuni 25-30 km kõrguseni (kuni osoonikihini), peaaegu kogu hüdrosfääri ja ülemine osa litosfääri 3 km sügavusele
Riis. 1. Maakoore ehituse skeem
(joon. 2). Nende osade eripära on see, et neis elavad elusorganismid, mis moodustavad planeedi elusaine. Interaktsioon biosfääri abiootiline osa- õhk, vesi, kivimid ja orgaaniline aine elustik põhjustas muldade ja settekivimite teket.
Riis. 2. Biosfääri struktuur ja peamiste struktuuriüksuste poolt hõivatud pindade suhe
Aine tsükkel biosfääris ja ökosüsteemides
Kõik elusorganismidele kättesaadav keemilised ühendid biosfääris on piiratud. Assimilatsiooniks sobiv kurnatus keemilised ained pärsib sageli teatud organismirühmade arengut kohalikel maa- või ookeanialadel. Akadeemik V.R. Williamsi sõnul on ainus viis anda lõplikule lõpmatuse omadused, panna see pöörlema mööda suletud kõverat. Järelikult säilib biosfääri stabiilsus tänu ainete ringlusele ja energiavoogudele. Seal on kaks peamist ainete tsüklit: suur - geoloogiline ja väike - biogeokeemiline.
Suur geoloogiline ringlus(joon. 3). Kristallilised kivimid (tardkivimid) muudetakse füüsikaliste, keemiliste ja bioloogiliste tegurite mõjul settekivimiteks. Liiv ja savi on tüüpilised setted, sügavate kivimite muundumisproduktid. Kuid sademete teke ei toimu mitte ainult juba hävitamise tõttu olemasolevad tõud, aga ka biogeensete mineraalide – mikroorganismide skelettide – sünteesi teel loodusvarad- ookeanide, merede ja järvede veed. Lahtised vesised setted, kuna need isoleeritakse reservuaaride põhjas koos uute settematerjali osadega, sukeldumisega sügavusse, sattudes uutesse termodünaamilistesse tingimustesse (veel kõrged temperatuurid ja surve) kaotavad vett, tahkuvad, muutudes samal ajal settekivimiteks.
Seejärel sukelduvad need kivimid veelgi sügavamatesse horisontidesse, kus toimuvad nende sügava muutumise protsessid uuteks temperatuuri- ja baritingimusteks – toimuvad metamorfismi protsessid.
Endogeensete energiavoogude mõjul sulatatakse sügavad kivimid ümber, moodustades magma - uute tardkivimite allika. Pärast nende kivimite tõstmist Maa pinnale muutuvad need ilmastiku- ja ülekandeprotsesside mõjul taas uuteks settekivimiteks.
Seega on suur tsirkulatsioon tingitud päikese (eksogeense) energia koostoimest Maa sügava (endogeense) energiaga. See jaotab ained ümber biosfääri ja meie planeedi sügavamate horisontide vahel.
Riis. 3. Aine suur (geoloogiline) ringlus (õhukesed nooled) ja mitmekesisuse muutumine maakoores (ühtlased laiad nooled - kasv, katkendlik - mitmekesisuse vähenemine)
Suur mullivann nimetatakse ka hüdrosfääri, atmosfääri ja litosfääri vahelist veeringet, mis liigub Päikese energia toimel. Vesi aurustub veekogude ja maa pinnalt ning siseneb seejärel sademete kujul uuesti Maale. Ookeani kohal ületab aurumine sademete arvu, maismaa kohal vastupidi. Need erinevused kompenseeritakse jõgede vooluhulgaga. Maa taimestik mängib globaalses veeringluses olulist rolli. Taimede transpiratsioon maakera teatud piirkondades võib moodustada kuni 80-90% siia langevatest sademetest ja keskmiselt kõigist. kliimavööndid- umbes 30%. Erinevalt suurest ainete ringlusest toimub väike ringlus ainult biosfääris. Suure ja väikese veeringluse suhe on näidatud joonisel fig. 4.
Planeedi mastaabis tsüklid tekivad aatomite lugematutest lokaalsetest tsüklilistest liikumistest, mis on ajendatud organismide elulisest aktiivsusest üksikutes ökosüsteemides, ning liikumistest, mis on põhjustatud maastikuliste ja geoloogiliste põhjuste mõjust (maapealne ja maa-alune äravool, tuule erosioon, liikumine merepõhjast, vulkaanilisusest, mäeehitusest jne) ).
Riis. 4. Vee suure geoloogilise tsükli (BGC) ja vee väikese biogeokeemilise tsükli (MBC) vastastikune seos
Erinevalt energiast, mida keha kunagi kasutab, muutub soojuseks ja kaob, ringlevad ained biosfääris, luues biogeokeemilisi tsükleid. Looduses leiduvast üheksakümne paarilisest elemendist vajavad elusorganismid umbes nelikümmend. Kõige olulisemad on nende jaoks vajalikud suurtes kogustes - süsinik, vesinik, hapnik, lämmastik. Elementide ja ainete tsüklid toimuvad isereguleeruvate protsesside tõttu, milles osalevad kõik koostisosad. Need protsessid on jäätmevabad. Olemas biosfääri biogeokeemilise tsükli globaalse sulgumise seadus tegutsedes selle arengu kõigil etappidel. Biosfääri evolutsiooni käigus on bioloogilise komponendi roll biogeokeemiliste ainete sulgemisel.
kellele tsükkel. Inimesel on veelgi suurem mõju biogeokeemilisele vereringele. Kuid selle roll avaldub vastupidises suunas (tsüklid muutuvad avatuks). Ainete biogeokeemilise ringluse aluseks on Päikese energia ja roheliste taimede klorofüll. Teised olulisemad tsüklid – vesi, süsinik, lämmastik, fosfor ja väävel – on seotud biogeokeemilise ainega ja aitavad sellele kaasa.
Veeringe biosfääris
Taimed kasutavad fotosünteesis vee vesinikku orgaaniliste ühendite moodustamiseks, vabastades molekulaarset hapnikku. Kõigi elusolendite hingamisprotsessides tekib orgaaniliste ühendite oksüdatsiooni käigus uuesti vesi. Kogu hüdrosfääri vaba vesi on eluajaloos korduvalt läbinud lagunemise tsükleid ja uusi moodustisi planeedi elusaines. Aastas osaleb Maa veeringes umbes 500 000 km 3 vett. Veeringe ja selle varud on näidatud joonisel fig. 5 (suhteliselt).
Hapniku tsükkel biosfääris
Maa tänu oma ainulaadsele suure vaba hapnikusisaldusega atmosfäärile tänu fotosünteesi protsessile. Osooni teke atmosfääri kõrgetes kihtides on tihedalt seotud hapnikuringega. Hapnik vabaneb veemolekulidest ja on sisuliselt taimede fotosünteesitegevuse kõrvalsaadus. Abiootiline hapnik esineb ülemistes atmosfäärikihtides veeauru fotodissotsiatsiooni tõttu, kuid see allikas moodustab vaid tuhandiku protsendi fotosünteesiga tarnitavast. Atmosfääri hapnikusisalduse ja hüdrosfääri vahel on liikuv tasakaal. Vees on see umbes 21 korda väiksem.
Riis. 6. Hapnikutsükli diagramm: paksud nooled – hapniku sissevõtu ja tarbimise peamised vood
Vabanenud hapnik kulutatakse intensiivselt kõigi aeroobsete organismide hingamisprotsessidele ja erinevate mineraalsete ühendite oksüdatsioonile. Need protsessid toimuvad atmosfääris, pinnases, vees, mudas ja kivimites. On näidatud, et oluline osa settekivimites seotud hapnikust on fotosünteetilist päritolu. Vahetusfond O ei moodusta atmosfääris rohkem kui 5% fotosünteesi kogutoodangust. Paljud anaeroobsed bakterid oksüdeerivad orgaanilist ainet ka anaeroobsel hingamisel, kasutades sulfaate või nitraate.
Taimede tekitatud orgaanilise aine täielikuks lagunemiseks on vaja täpselt sama palju hapnikku, mis vabanes fotosünteesi käigus. Orgaanilise aine matmine settekivimitesse, söesse, turbasse oli aluseks hapniku vahetusfondi säilitamisele atmosfääris. Kogu selles sisalduv hapnik läbib umbes 2000 aasta jooksul läbi elusorganismide täistsükli.
Praegu on märkimisväärne osa õhuhapnikust seotud transpordi, tööstuse ja muude inimtekkelise tegevuse vormidega. Teadaolevalt kulutab inimkond juba praegu enam kui 10 miljardit tonni vaba hapnikku fotosünteesiprotsesside kaudu tarnitavast 430–470 miljardi tonnist koguhulgast. Kui võtta arvesse, et vahetusfondi satub vaid väike osa fotosünteetilisest hapnikust, hakkab inimeste aktiivsus selles osas murettekitavaid mõõtmeid omandama.
Hapnikuringe on tihedalt seotud süsinikuringega.
Süsinikuringe biosfääris
Süsinik kui keemiline element on elu alus. Ta suudab erinevaid viise kombineerida paljude teiste elementidega, moodustades lihtsaid ja keerulisi orgaanilisi molekule, millest koosnevad elusrakud. Süsinik on planeedil jaotumisel üheteistkümnendal kohal (0,35% maakoore massist), kuid elusaines moodustab see keskmiselt umbes 18 või 45% kuivast biomassist.
Atmosfääris sisaldub süsinik süsinikdioksiidi CO2 koostises, vähemal määral - metaani CH4 koostises. Hüdrosfääris on CO2 vees lahustunud ja selle kogusisaldus on palju suurem kui atmosfääris. Ookean toimib võimsa puhvrina CO2 reguleerimisel atmosfääris: selle kontsentratsiooni suurenemisega õhus suureneb süsinikdioksiidi imendumine vees. Mõned CO2 molekulid reageerivad veega, moodustades süsihappe, mis seejärel dissotsieerub HCO 3 - ja CO 2 - 3 ioonideks. Need ioonid reageerivad kaltsiumi või magneesiumi katioonidega, sadestades karbonaate. Sellised reaktsioonid on ookeani puhversüsteemi aluseks, säilitades püsiv vee pH.
Atmosfääri ja hüdrosfääri süsihappegaas on süsinikuringes vahetusfond, kust seda saadakse maa taimed ja vetikad. Fotosüntees on kõigi Maa bioloogiliste tsüklite aluseks. Fikseeritud süsiniku eraldumine toimub fotosünteetiliste organismide endi ja kõigi heterotroofide - bakterite, seente, loomade - hingamistegevuse käigus, mis sisalduvad toiduahelas elava või surnud orgaanilise aine tõttu.
Riis. 7. Süsinikuring
Eriti aktiivne on CO2 tagasivool pinnasest atmosfääri, kus koondub arvukate organismirühmade tegevus, lagundab surnud taimede ja loomade jäänuseid ning toimub taimede juurestiku hingamine. Seda terviklikku protsessi nimetatakse "mullahingamiseks" ja see aitab oluliselt kaasa CO2 vahetusfondi täiendamisele õhus. Paralleelselt orgaanilise aine mineraliseerumisprotsessidega tekib muldades huumus - kompleksne ja stabiilne süsinikurikas molekulaarne kompleks. Muldade huumus on üks olulisi süsinikureservuaare maismaal.
Tingimustes, kus destruktorite tegevust pärsivad keskkonnategurid (näiteks kui pinnases ja veekogude põhjas tekib anaeroobne režiim), ei lagune taimestikuga kogunenud orgaaniline aine, muutudes aja jooksul kivimiteks nagu kivisüsi. või pruunsüsi, turvas, sapropeel, põlevkivi ja teised, mis on rikkad salvestatud päikeseenergiaga. Nad täiendavad süsinikuvaru fondi, lülitades bioloogilisest tsüklist pikaks ajaks välja. Süsinik ladestub ajutiselt ka elavas biomassis, surnud allapanus, ookeanis lahustunud orgaanilises aines jne. aga peamine süsinikuvaru kirjutamisel ei ole elusorganismid ega fossiilsed kütused, vaid settekivimid - lubjakivid ja dolomiidid. Nende teket seostatakse ka elusaine tegevusega. Nende karbonaatide süsinik mattub pikaks ajaks Maa soolestikku ja siseneb tsüklisse ainult erosiooni ajal, kui kivimid paljanduvad tektoonilistes tsüklites.
Biogeokeemilisse tsüklisse on kaasatud vaid murdosa süsinikust selle koguhulgast Maal. Atmosfääri ja hüdrosfääri süsinik läbib elusorganisme palju kordi. Maismaataimed suudavad oma varud õhus ammendada 4-5 aastaga, mulla huumusevarud 300-400 aastaga. Peamine süsiniku tagasitulek vahetusfondi toimub tänu elusorganismide tegevusele ja sellest vaid väike osa (tuhandik protsenti) kompenseeritakse vulkaaniliste gaaside vabanemisega Maa sisemusest.
Praegu on tohutute fossiilkütuste varude kaevandamine ja põletamine muutumas võimsaks teguriks süsiniku ülekandmisel varust biosfääri vahetusfondi.
Lämmastiku tsükkel biosfääris
Atmosfäär ja elusaine sisaldab alla 2% kogu Maa lämmastikust, kuid just see lämmastik toetab elu planeedil. Lämmastik on osa olulisematest orgaanilistest molekulidest - DNA, valgud, lipoproteiinid, ATP, klorofüll jne. Taimekudedes on selle suhe süsinikuga keskmiselt 1:30 ja merevetikad I: 6. Lämmastiku bioloogiline tsükkel on seega tihedalt seotud ka süsinikuringega.
Atmosfääri molekulaarne lämmastik on kättesaamatu taimedele, mis suudavad seda elementi omastada ainult ammooniumioonide, nitraatidena või pinnasest või vesilahused... Seetõttu on lämmastiku puudus sageli esmast tootmist piiravaks teguriks - organismide töö, mis on seotud anorgaanilistest orgaaniliste ainete loomisega. Sellest hoolimata osaleb õhulämmastik bioloogilises tsüklis laialdaselt spetsiaalsete bakterite (lämmastiku fikseerijate) tegevuse tõttu.
Lämmastikuringes võtavad suure osa ka ammoniseerivad mikroorganismid. Nad lagundavad valgud ja muud lämmastikku sisaldavad orgaanilised ained ammoniaagiks. Ammooniumivormis imendub lämmastik osaliselt taimejuurte poolt tagasi, osaliselt aga kinni nitrifitseerivad mikroorganismid, mis on vastupidine mikroorganismide rühma - denitrifikaatorite - funktsioonidele.
Riis. 8. Lämmastiku tsükkel
Anaeroobsetes tingimustes pinnases või vees kasutavad nad nitraatide hapnikku orgaanilise aine oksüdeerimiseks, saades energiat oma eluks. Sel juhul redutseeritakse lämmastik molekulaarseks lämmastikuks. Lämmastiku sidumine ja denitrifikatsioon looduses on ligikaudu tasakaalus. Lämmastiku tsükkel sõltub seega peamiselt bakterite aktiivsusest, samas kui taimed integreeruvad sellesse, kasutades selle tsükli vaheprodukte ja suurendades oluliselt lämmastiku ringlust biosfääris tänu biomassi tootmisele.
Bakterite roll lämmastikuringes on nii suur, et kui hävitatakse vaid 20 nende liiki, lakkab elu meie planeedil.
Lämmastiku mittebioloogiline sidumine ning selle oksiidide ja ammoniaagi sattumine pinnasesse toimub ka vihmasajuga atmosfääri ioniseerimisel ja äikeselahendustel. Kaasaegne väetisetööstus seob õhulämmastikku rohkem kui looduslikku lämmastiku sidumist, et suurendada põllukultuuride tootmist.
Praegu mõjutab inimtegevus üha enam lämmastiku tsüklit, peamiselt selles suunas, et molekulaarsesse olekusse naasmise protsesside käigus ületab selle muutumine seotud vormideks.
Fosfori tsükkel biosfääris
Seda elementi, mis on vajalik paljude orgaaniliste ainete, sealhulgas ATP, DNA, RNA sünteesiks, omastavad taimed ainult fosforhappe ioonide kujul (P0 3 4 +). See kuulub esmatootmist piiravate elementide hulka nii maismaal kui ka eriti ookeanis, kuna vahetatava fosforivaru pinnases ja vetes on väike. Selle elemendi tsükkel biosfääri skaalal ei ole suletud.
Maismaal eraldavad taimed mullast fosfaate, mille lagundajad eralduvad lagunevatest orgaanilistest jääkidest. Leeliselises või happelises pinnases langeb aga fosforiühendite lahustuvus järsult. Peamine fosfaatide reservfond on geoloogilises minevikus ookeanipõhjas tekkinud kivimites. Kivimite leostumise käigus läheb osa neist varudest pinnasesse ning suspensioonide ja lahuste kujul uhutakse veekogudesse. Hüdrosfääris kasutab fosfaate fütoplankton, mis kandub mööda toiduahelaid teistele veeorganismidele. Ookeanis on aga enamik fosforiühendeid mattunud koos loomade ja taimede jäänustega põhja, millele järgneb üleminek settekivimitega suurde geoloogilisesse ringlusse. Sügavuses seostuvad lahustunud fosfaadid kaltsiumiga, moodustades fosforiite ja apatiite. Biosfääris toimub tegelikult ühesuunaline fosfori voog maismaa kivimitest ookeani sügavustesse, seetõttu on selle vahetusfond hüdrosfääris väga piiratud.
Riis. 9. Fosfori ringkäik
Fosforiitide ja apatiitide maapealseid ladestusi kasutatakse väetiste tootmisel. Fosfori sattumine mageveekogudesse on nende "õitsemise" üks peamisi põhjuseid.
Väävliringe biosfääris
Väävlitsükkel, mis on vajalik mitmete aminohapete ehitamiseks, vastutab valkude kolmemõõtmelise struktuuri eest, säilib biosfääris. lai valik bakterid. Selle tsükli üksikutes lülides osalevad aeroobsed mikroorganismid, mis oksüdeerivad orgaaniliste jääkide väävli sulfaatideks, aga ka anaeroobsed sulfaadi redutseerijad, mis redutseerivad sulfaadid vesiniksulfiidiks. Lisaks loetletud väävlibakterite rühmadele oksüdeeritakse vesiniksulfiid elementaarseks väävliks ja edasi sulfaatideks. Taimed omastavad pinnasest ja veest ainult SO 2-4 iooni.
Keskel olev rõngas illustreerib oksüdatsiooni (O) ja redutseerimise (R) protsesse, mis vahetavad väävlit olemasoleva sulfaadikogumi ja sügaval pinnases ja setetes oleva raudsulfiidi kogumi vahel.
Riis. 10. Väävlitsükkel. Keskel olev rõngas illustreerib oksüdatsiooni (0) ja redutseerimise (R) protsessi, mille tõttu väävel vahetub saadaoleva sulfaadi kogumi ja sügaval pinnases ja setetes asuva raudsulfiidide kogumi vahel.
Peamine väävli kogunemine toimub ookeanis, kus sulfaadiioone tarnitakse pidevalt maalt koos jõgede äravooluga. Vesiniksulfiidi vabanemisel veest suunatakse väävel osaliselt tagasi atmosfääri, kus see oksüdeerub dioksiidiks, muutudes vihmavees väävelhappeks. Tööstuslik kasutamine suur hulk sulfaadid ja elementaarne väävel ning fossiilsete kütuste põletamine eraldavad atmosfääri suures koguses vääveldioksiidi. See kahjustab taimestikku, loomi, inimesi ja toimib happevihmade allikana, süvendades inimeste väävlitsüklisse sekkumise negatiivseid mõjusid.
Ainete ringluse kiirus
Kõik ainete tsüklid toimuvad erineva kiirusega (joonis 11)
Seega toetab kõigi planeedi toitainete tsükleid erinevate osade kompleksne koostoime. Need moodustuvad erineva funktsiooniga organismirühmade tegevusest, ookeani ja maad ühendavast äravoolu- ja aurustumissüsteemist, vee ja õhumasside ringlusprotsessidest, gravitatsioonijõudude toimest, litosfääriplaatide tektoonikast ja muudest suurtest. mastaabis geoloogilisi ja geofüüsikalisi protsesse.
Biosfäär toimib ühtsena keeruline süsteem, milles toimuvad erinevad ainete tsüklid. Nende peamine mootor ringlus on planeedi elusaine, kõik elusorganismid, orgaanilise aine sünteesi, muundamise ja lagunemise protsesside tagamine.
Riis. 11. Ainete ringluse määrad (P. Cloud, A. Jibor, 1972)
Ökoloogiline maailmavaade põhineb ideel, et iga elusolendit ümbritsevad paljud teda mõjutavad erinevaid tegureid moodustades oma elupaiga kompleksis – biotoobi. Seega biotoop - teatud taime- või loomaliikide elutingimuste poolest homogeenne territooriumi tükk(kuristiku nõlv, linnametsapark, väike järv või osa suurest, kuid ühtlaste tingimustega - rannaosa, süvavee osa).
Konkreetsele biotoobile iseloomulikud organismid koosnevad elukooslus ehk biotsenoos(järve, niidu, rannariba loomad, taimed ja mikroorganismid).
Elukooslus (biotsenoos) moodustab oma biotoobiga ühtse terviku, mida nimetatakse ökoloogiline süsteem (ökosüsteem). Looduslike ökosüsteemide näide on sipelgapesa, järv, tiik, heinamaa, mets, linn, talu. Klassikaline näide tehisökosüsteem on kosmoselaev. Nagu näete, pole ranget ruumiline struktuur... Ökosüsteemi mõistele lähedane on mõiste biogeocenoos.
Ökosüsteemide peamised komponendid on:
- elutu (abiootiline) keskkond. Need on vesi, mineraalid, gaasid, aga ka orgaanilised ained ja huumus;
- biootilised komponendid. Nende hulka kuuluvad: tootjad või tootjad (rohelised taimed), tarbijad või tarbijad (elusolendid, kes toituvad tootjatest) ja lagundajad või lagundajad (mikroorganismid).
Loodus töötab äärmiselt säästlikult. Seega kandub organismide loodud biomass (organismide kehade aine) ja neis sisalduv energia üle teistele ökosüsteemi liikmetele: loomad söövad taimi, neid loomi söövad teised loomad. Seda protsessi nimetatakse toit ehk troofiline kett. Looduses toiduahelad sageli kattuvad, toiduvõrgu moodustamine.
Näited toiduahelad: taim - taimtoiduline loom - kiskja; teravili - põldhiir - rebane jne ja toiduvõrk on näidatud joonisel fig. 12.
Seega põhineb tasakaaluseisund biosfääris biootiliste ja abiootiliste keskkonnategurite koosmõjul, mis säilib tänu pidevale aine- ja energiavahetusele ökosüsteemide kõigi komponentide vahel.
Looduslike ökosüsteemide suletud tsüklites peavad koos teistega osalema kaks tegurit: lagundajate olemasolu ja pidev päikeseenergiaga varustamine. Linna- ja tehisökosüsteemides on lagundajaid vähe või üldse mitte, seetõttu kogunevad vedelad, tahked ja gaasilised jäätmed, saastades keskkonda.
Riis. 12. Toiduvõrk ja aine liikumise suund
Laadimine ...