La circulation des substances dans la biosphère est un processus cyclique et répétitif de transformation et de mouvement conjoints et interconnectés de substances. La présence d'un cycle de substances est condition nécessaire l'existence de la biosphère. Après avoir été utilisées par certains organismes, les substances doivent passer sous une forme accessible à d'autres organismes. Une telle transition de substances d'un lien à un autre nécessite des coûts énergétiques, elle n'est donc possible qu'avec la participation de l'énergie du Soleil. Avec l'utilisation de l'énergie solaire, il existe deux cycles interconnectés de substances sur la planète : grand - géologique et petit - biologique (biotique).
Circulation géologique des substances- le processus de migration de substances, réalisé sous l'influence de facteurs abiotiques : altération, érosion, mouvement de l'eau, etc. Les organismes vivants n'y participent pas.
Avec l'émergence de la matière vivante sur la planète, circulation biologique (biotique)... Tous les organismes vivants y participent, absorbant certaines substances de l'environnement et en libérant d'autres. Par exemple, les plantes en cours de vie consomment du dioxyde de carbone, de l'eau, minéraux et dégagent de l'oxygène. Les animaux utilisent l'oxygène libéré par les plantes pour respirer. Ils mangent des plantes et, grâce à la digestion, assimilent celles formées lors du processus de photosynthèse. matière organique... Ils dégagent du dioxyde de carbone et des débris alimentaires non digérés. Après leur mort, les plantes et les animaux forment une masse de matière organique morte (détritus). Les détritus sont disponibles pour la décomposition (minéralisation) par des champignons et des bactéries microscopiques. En raison de leur activité vitale, une quantité supplémentaire de gaz carbonique... Et les substances organiques sont converties en composants inorganiques originaux - les biogènes. Les composés minéraux formés, pénétrant dans les plans d'eau et le sol, redeviennent disponibles pour les plantes pour la fixation par photosynthèse. Ce processus se répète indéfiniment et est de nature fermée (circulation). Par exemple, tout l'oxygène atmosphérique se déplace le long de ce chemin en environ 2 000 ans, tandis que le dioxyde de carbone prend environ 300 ans pour le faire.
L'énergie contenue dans la matière organique diminue au fur et à mesure qu'elle se déplace dans les chaînes alimentaires. La majeure partie est dissipée dans l'environnement sous forme de chaleur ou est dépensée pour maintenir les processus vitaux des organismes. Par exemple, sur la respiration des animaux et des plantes, le transport des substances dans les plantes, ainsi que sur les processus de biosynthèse des organismes vivants. De plus, les biogènes formés à la suite de l'activité des décomposeurs ne contiennent pas l'énergie disponible pour les organismes. V dans ce cas on ne peut parler que du flux d'énergie dans la biosphère, mais pas du cycle. Par conséquent, la condition de l'existence stable de la biosphère est la circulation constante de substances et le flux d'énergie dans les biogéocénoses.
Les cycles géologiques et biologiques forment ensemble le cycle biogéochimique général des substances, dont la base est les cycles de l'azote, de l'eau, du carbone et de l'oxygène.
Le cycle de l'azote
L'azote est l'un des éléments les plus abondants dans la biosphère. La majeure partie de l'azote biosphérique se trouve dans l'atmosphère sous forme gazeuse. Comme vous le savez d'après le cours de chimie, les liaisons chimiques entre les atomes de l'azote moléculaire (N 2) sont très fortes. Par conséquent, la plupart des organismes vivants ne sont pas en mesure de l'utiliser directement. Par conséquent, une étape importante du cycle de l'azote est sa fixation et sa conversion en une forme accessible aux organismes. Il existe trois modes de fixation de l'azote.
Fixation atmosphérique... Sous l'influence des décharges électriques atmosphériques (foudre), l'azote peut interagir avec l'oxygène pour former de l'oxyde d'azote (NO) et du dioxyde (NO 2). Le monoxyde d'azote (NO) est très rapidement oxydé par l'oxygène et transformé en dioxyde d'azote. Le dioxyde d'azote se dissout dans la vapeur d'eau et sous forme d'acides nitreux (HNO 2) et nitrique (HNO 3) avec précipitation pénètre dans le sol. Dans le sol, à la suite de la dissociation de ces acides, des ions nitrite (NO 2 -) et nitrate (NO 3 -) se forment. Les ions nitrites et nitrates peuvent déjà être absorbés par les plantes et inclus dans le cycle biologique. La fixation d'azote atmosphérique représente environ 10 millions de tonnes d'azote par an, soit environ 3 % de la fixation annuelle d'azote dans la biosphère.
Fixation biologique... Elle est réalisée par des bactéries fixatrices d'azote, qui transforment l'azote en des formes accessibles aux plantes. Grâce aux micro-organismes, environ la moitié de l'azote est lié. Les bactéries les plus connues fixent l'azote dans les nodules des légumineuses. Ils fournissent de l'azote aux plantes sous forme d'ammoniac (NH 3). L'ammoniac est facilement soluble dans l'eau avec la formation d'ion ammonium (NH 4 +), qui est absorbé par les plantes. Par conséquent, les légumineuses sont les meilleurs prédécesseurs des plantes cultivées dans la rotation des cultures. Après la mort des animaux et des plantes et la décomposition de leurs restes, le sol s'enrichit de composés azotés organiques et minéraux. Ensuite, les bactéries putréfiantes (ammonifiantes) décomposent les substances azotées (protéines, urée, acides nucléiques) des plantes et des animaux en ammoniac. Ce processus est appelé ammonification... La majeure partie de l'ammoniac est ensuite oxydée par les bactéries nitrifiantes en nitrites et nitrates, qui sont réutilisés par les plantes. Le retour de l'azote dans l'atmosphère se fait par dénitrification, qui est réalisée par un groupe de bactéries dénitrifiantes. En conséquence, les composés azotés sont réduits en azote moléculaire. Une partie de l'azote sous forme de nitrate et d'ammonium avec le ruissellement de surface pénètre dans les écosystèmes aquatiques. C'est là que l'azote est absorbé les organismes aquatiques ou pénètre dans les sédiments organiques du fond.
Fixation industrielle... Une grande quantité d'azote est annuellement liée industriellement dans la production d'engrais azotés minéraux. L'azote de ces engrais est assimilé par les plantes sous forme d'ammonium et de nitrate. Le volume d'engrais azotés produit en Biélorussie est actuellement d'environ 900 000 tonnes par an. Le plus grand fabricant est JSC GrodnoAzot. Cette entreprise produit de l'urée, du nitrate d'ammonium, du sulfate d'ammonium et d'autres engrais azotés.
Environ 1/10 de l'azote appliqué artificiellement est utilisé par les plantes. Le reste avec le ruissellement de surface et les eaux souterraines passe dans les écosystèmes aquatiques. Cela conduit à l'accumulation dans l'eau de grandes quantités de composés azotés disponibles pour l'assimilation par le phytoplancton. En conséquence, une reproduction rapide des algues (eutrophisation) et, par conséquent, la mort dans les écosystèmes aquatiques est possible.
Le cycle de l'eau
L'eau est le composant principal de la biosphère. C'est un milieu pour la dissolution de presque tous les éléments au cours du cycle. La majeure partie de l'eau de la biosphère est représentée par de l'eau liquide et de l'eau de glace éternelle (plus de 99% de toutes les réserves d'eau de la biosphère). Une partie insignifiante de l'eau est à l'état gazeux - c'est de la vapeur d'eau atmosphérique. Le cycle de l'eau biosphérique est basé sur le fait que son évaporation à la surface de la Terre est compensée par les précipitations. Tombant à la surface du sol sous forme de précipitations, l'eau contribue à la destruction des roches. Cela rend leurs minéraux constitutifs disponibles pour les organismes vivants. C'est l'évaporation de l'eau de la surface de la planète qui détermine son cycle géologique. Il consomme environ la moitié de l'énergie solaire incidente. L'évaporation de l'eau de la surface des mers et des océans se produit à un taux plus élevé que son retour avec les précipitations. Cette différence est compensée par le ruissellement superficiel et profond, du fait que les précipitations l'emportent sur l'évaporation sur les continents.
L'augmentation de l'intensité de l'évaporation de l'eau sur terre est en grande partie due à l'activité vitale des plantes. Les plantes extraient l'eau du sol et la transpirent activement dans l'atmosphère. Une partie de l'eau des cellules végétales est décomposée lors de la photosynthèse. Dans ce cas, l'hydrogène est fixé sous la forme composés organiques, et de l'oxygène est libéré dans l'atmosphère.
Les animaux utilisent l'eau pour maintenir l'équilibre osmotique et salin dans le corps et la libèrent dans l'environnement extérieur avec des produits métaboliques.
Le cycle du carbone
Carbone comme élément chimique présent dans l'atmosphère dans la composition du dioxyde de carbone. Ceci détermine la participation obligatoire des organismes vivants au cycle de cet élément sur la planète Terre. La principale voie par laquelle le carbone de composés inorganiques entre dans la composition des substances organiques, où c'est un élément chimique obligatoire - c'est le processus de la photosynthèse. Une partie du carbone est libérée dans l'atmosphère dans la composition du dioxyde de carbone lors de la respiration des organismes vivants et lors de la décomposition de la matière organique morte par les bactéries. Le carbone absorbé par les plantes est consommé par les animaux. Outre les polypes coralliens, les mollusques utilisent des composés de carbone pour construire des formations squelettiques et des coquilles. Après leur mort et leur dépôt au fond, des dépôts de calcaire se forment. Ainsi, le carbone peut être éliminé du cycle. L'élimination du carbone du cycle pendant longtemps est obtenue grâce à la formation de minéraux: charbon, pétrole, tourbe.
Tout au long de l'existence de notre planète, le carbone retiré du cycle a été compensé par le dioxyde de carbone entrant dans l'atmosphère lorsque éruptions volcaniques et dans d'autres processus naturels... À l'heure actuelle, une quantité importante a été ajoutée aux processus naturels de reconstitution du carbone dans l'atmosphère. impact anthropique... Par exemple, lors de la combustion d'hydrocarbures. Cela perturbe le cycle séculaire du carbone sur Terre.
Une augmentation de la concentration de dioxyde de carbone de seulement 0,01 % en un siècle a entraîné une manifestation notable de l'effet de serre. La température annuelle moyenne de la planète a augmenté de 0,5 ° C et le niveau de l'océan mondial a augmenté de près de 15 cm. Les scientifiques prédisent que si la température annuelle moyenne augmente de 3 à 4 ° C, la glace éternelle commencera fondre. Dans le même temps, le niveau de l'océan mondial augmentera de 50 à 60 cm, ce qui entraînera l'inondation d'une partie importante des terres. Ceci est considéré comme global catastrophe écologique, car ces territoires abritent environ 40 % de la population mondiale.
Cycle de l'oxygène
Dans le fonctionnement de la biosphère, l'oxygène joue un rôle extrêmement important dans les processus métaboliques et la respiration des organismes vivants. La diminution de la quantité d'oxygène dans l'atmosphère résultant des processus de respiration, de combustion du carburant et de décomposition est compensée par l'oxygène libéré par les plantes lors de la photosynthèse.
L'oxygène s'est formé dans l'atmosphère primaire de la Terre lors de son refroidissement. En raison de sa grande réactivité, il est passé d'un état gazeux à la composition de divers composés inorganiques (carbonates, sulfates, oxydes de fer, etc.). L'atmosphère actuelle de la planète contenant de l'oxygène s'est formée exclusivement en raison de la photosynthèse effectuée par des organismes vivants. La teneur en oxygène de l'atmosphère augmente depuis longtemps jusqu'à ses valeurs actuelles. Le maintien de sa quantité à un niveau constant n'est actuellement possible que grâce aux organismes photosynthétiques.
Malheureusement, ces dernières décennies, les activités humaines entraînant la déforestation, l'érosion des sols, réduisent l'intensité de la photosynthèse. Et cela, à son tour, perturbe le cours naturel du cycle de l'oxygène dans de vastes régions de la Terre.
Une petite partie de l'oxygène atmosphérique est impliquée dans la formation et la destruction de l'écran d'ozone sous l'action du rayonnement ultraviolet du Soleil.
La base du cycle biogénique des substances est l'énergie solaire. La condition principale pour l'existence stable de la biosphère est la circulation constante de substances et le flux d'énergie dans les biogéocénoses. Dans les cycles de l'azote, du carbone et de l'oxygène, le rôle principal appartient aux organismes vivants. La base du cycle global de l'eau dans la biosphère est fournie par des processus physiques.
Le cycle et les cycles biogéochimiques des substances
Expliquez le sens du cycle géologique à l'aide de l'exemple du cycle de l'eau.
Comment se déroule le cycle biologique ?
Quelle est la loi de la migration biogénique des atomes V.I. Vernadski ?
Quels sont les fonds de réserve et d'échange du cycle naturel ? Quelle est la différence entre eux?
La Terre en tant que superorganisme vivant
* Pour que la biosphère existe et se développe, il doit toujours y avoir un cycle de substances importantes, c'est-à-dire qu'après usage, ils doivent à nouveau passer sous une forme assimilable pour d'autres organismes. Cette transition de substances biologiquement importantes ne peut s'effectuer qu'avec une certaine dépense d'énergie, dont la source est le Soleil.
Le scientifique V.R. Williams pense que l'énergie solaire fournit deux cycles de matière sur Terre - géologique , ou grande, circulation et biologique , petit, circulation.
géologique à La circulation se manifeste le plus clairement dans le cycle de l'eau. La Terre reçoit annuellement 5,24ґ1024 J d'énergie rayonnée du Soleil. Environ la moitié est consacrée à l'évaporation de l'eau. Dans le même temps, plus d'eau s'évapore de l'océan qu'elle n'en revient avec les précipitations. Sur terre, en revanche, plus de précipitations tombent que d'eau ne s'évapore. Son excédent s'écoule dans les rivières et les lacs, et de là - dans l'océan (tout en transférant une certaine quantité de composés minéraux). C'est ce qui détermine le grand cycle dans la biosphère, basé sur le fait que l'évaporation totale de l'eau de la Terre est compensée par les précipitations.
** Avec l'apparition de la matière vivante sur la base du cycle géologique, le cycle de la matière organique alambics, (petite) circulation biologique.
Le cycle de l'eau comme exemple du cycle géologique
(par H. Penman)
Au fur et à mesure que la matière vivante se développe, de plus en plus d'éléments sont constamment extraits du cycle géologique, qui entre dans un nouveau cycle biologique. Contrairement au simple transfert de substances minérales dans la grande circulation, à la fois sous forme de solutions et sous forme de sédiments mécaniques, dans la petite circulation les moments les plus importants sont la synthèse et la destruction des composés organiques. Contrairement au cycle géologique, le cycle biologique a une énergie négligeable. Comme on le sait, seulement 0,1-0,2% de toute l'énergie solaire fournie à la Terre est consacrée à la création de matière organique (jusqu'à 50% pour la circulation géologique). Malgré cela, l'énergie impliquée dans le cycle biologique fait un travail énorme pour créer des produits primaires.
Cycle biologique
Avec l'apparition de la matière vivante sur Terre, les éléments chimiques circulent en permanence dans la biosphère, en passant du milieu extérieur
dans les organismes et à nouveau dans l'environnement extérieur. Une telle circulation de substances le long de chemins plus ou moins fermés est appelée cycle biogéochimique.
Les principaux cycles biogéochimiques sont les cycles de l'oxygène, du carbone, de l'eau, de l'azote, du phosphore, du soufre et d'autres éléments biogéniques.
*** Migration biogénique de la matière - une des formes de migration générale des éléments dans la nature. La migration géochimique biogénique doit être comprise comme la migration de matière organique et inerte participant à la croissance et au développement des organismes vivants et produite par ces derniers à la suite de processus biochimiques et biogéochimiques complexes. DANS ET. Vernadsky formulé loi de la migration biogénique des atomes sous la forme suivante :
La migration des éléments chimiques dans la biosphère s'effectue soit avec la participation directe de la matière vivante (migration biogénique), soit dans un environnement dont les caractéristiques géochimiques (O2, CO2, H2, etc.) sont dues à la matière vivante. (celle qui habite la biosphère à l'heure actuelle, et celle qui a fonctionné sur Terre tout au long de l'histoire géologique).
L'homme affecte principalement la biosphère et sa population vivante, il modifie donc les conditions de la migration biogénique des atomes, créant les conditions préalables à de profonds changements chimiques. Ainsi, le processus peut devenir auto-développé, indépendant du désir humain et pratiquement incontrôlable à l'échelle mondiale.
Du point de vue de la circulation planétaire de la matière, les plus importants sont les cycles sol-paysage, hydrosphère et profond (intraterrestre). Le premier d'entre eux concerne l'extraction d'éléments chimiques des roches, de l'eau, de l'air, la décomposition de la matière organique, l'absorption et la synthèse de divers composés organiques et organo-minéraux. Dans le cycle hydrosphérique le rôle principal la composition de l'eau et l'activité biologique des organismes vivants jouent. La bioproduction de matière est ici réalisée avec la participation prédominante du phyto et du zooplancton. Dans le cycle profond de la migration biogénique, le rôle le plus important appartient à l'activité des micro-organismes anaérobies.
**** Les processus se produisant dans diverses coquilles de la Terre sont dans un état d'équilibre dynamique, et un changement dans le cours de l'un d'entre eux entraîne des chaînes interminables de phénomènes parfois irréversibles. Dans chaque cycle naturel, il convient de distinguer deux parties, ou deux « fonds » :
Fonds de réserve- une grande masse de substances se déplaçant lentement, principalement de nature inorganique;
mobile, ou échange, fonds- plus petit, mais plus actif, qui se caractérise par un échange rapide entre les organismes et l'environnement.
Le fonds d'échange est constitué de substances qui retournent dans la circulation soit en raison de l'excrétion primaire (du latin excretum - alloué) par les animaux, soit lors de la décomposition des détritus par des micro-organismes.
Si nous pensons à la biosphère dans son ensemble, alors les cycles biogéochimiques peuvent être divisés en deux types principaux :
circulation de substances gazeuses avec un fonds de réserve dans l'atmosphère ou l'hydrosphère ;
cycle sédimentaire avec un fonds de réserve dans la croûte terrestre.
^ CIRCUIT BIOLOGIQUE DES SUBSTANCES DANS LA NATURE
Le concept général du cycle biologique des substances
La circulation biologique des substances comme forme de développement de la planète Terre
Éléments du cycle biogéochimique des substances dans la nature
Paramètres du cycle biogéochimique sur terre
Circulation biologique et formation des sols
^ CONCEPT GÉNÉRAL
Le cycle biologique des substances est une combinaison des processus d'entrée d'éléments chimiques du sol et de l'atmosphère dans les organismes vivants, de la synthèse biochimique de nouveaux composés complexes et du retour des éléments dans le sol et l'atmosphère avec un déclin annuel d'une partie de la matière organique. Le cycle biologique des substances n'est pas un cycle fermé entièrement compensé, par conséquent, au cours de celui-ci, le sol s'enrichit d'humus et d'azote, éléments de nutrition minérale (appelés éléments biogéniques), ce qui crée une base favorable à l'existence d'organismes végétaux.
L'importance biologique, biochimique et géochimique des processus mis en œuvre dans la circulation biologique des substances a été démontrée pour la première fois par V.V.Dokuchaev, qui a créé la théorie des zones de la nature. En outre, cela a été révélé dans les travaux de V.I. Vernadsky, B. B. Polynov, D. N. Pryanishnikov, V. N. Sukachev, N. P. Remezov, L. E. Rodin, N. I. Bazilevich, V. A. Kovda et d'autres chercheurs.
Union internationale Sciences Biologiques(Union internationale des sciences biologiques) a mené un vaste programme de recherche sur la productivité biologique des biogéocénoses des terres et des plans d'eau. Le Programme biologique international a été créé pour guider cette recherche. Afin d'unifier les termes et concepts utilisés dans la littérature moderne sur le Bioprogramme International, certains travaux... Avant de commencer à étudier les cycles biologiques naturels des substances, il est nécessaire d'expliquer les termes les plus fréquemment utilisés.
Biomasse - la masse de matière vivante accumulée pour ce moment temps.
^ Biomasse végétale (synonyme - phytomasse) - la masse d'organismes vivants et morts des communautés végétales sur n'importe quelle zone qui ont conservé leur structure anatomique à ce moment.
^ Structure de la biomasse - le rapport des parties souterraines et aériennes des plantes, ainsi que des parties annuelles et vivaces, photosynthétiques et non photosynthétiques des plantes.
Chiffons - parties de plantes mortes qui ont conservé une liaison mécanique avec la plante.
^ Litière - la quantité de matière organique des plantes qui se sont éteintes dans les parties aériennes et souterraines par unité de surface et par unité de temps.
Litière - masse de résidus de plantes vivaces divers degrés minéralisation.
Croissance - masse d'un organisme ou d'une communauté d'organismes, accumulée par unité de surface par unité de temps.
^ Vrai gain - le rapport de l'augmentation à la quantité de litière par unité de temps par unité de surface.
Production primaire - la masse de matière vivante créée par les autotrophes (plantes vertes) par unité de surface par unité de temps.
^ Produits secondaires - la masse de matière organique créée par les hétérotrophes par unité de surface par unité de temps.
La capacité du cycle biologique - la quantité d'éléments chimiques entrant dans la composition de la masse d'une biocénose mature (phytocénose).
L'intensité du cycle biologique est la quantité d'éléments chimiques contenus dans la croissance de la phytocénose par unité de surface par unité de temps.
La vitesse du cycle biologique est la période de temps pendant laquelle un élément passe de son absorption par une substance vivante à sa libération de la composition d'une substance vivante. Déterminé à l'aide d'atomes traceurs.
Selon L. Ye. Rodin, N. I. Bazilevich (1965), le cycle complet du cycle biologique des éléments comprend les composants suivants.
L'absorption par la surface d'assimilation des plantes de l'atmosphère de carbone et par les systèmes racinaires du sol - azote, éléments de cendre et eau, les fixant dans le corps des organismes végétaux, pénétrant dans le sol avec des plantes mortes ou leurs parties, décomposition des déchets et la libération des éléments qu'ils contiennent.
Aliénation de parties de plantes par les animaux qui s'en nourrissent, leur transformation dans les corps animaux en de nouveaux composés organiques et la consolidation de certaines d'entre elles dans les organismes animaux, leur entrée ultérieure dans le sol avec des excréments d'animaux ou avec leurs cadavres, la décomposition des deux et la libération des éléments qu'ils contiennent.
Echanges gazeux entre la surface de la plante assimilatrice et l'atmosphère, entre le système racinaire et l'air du sol.
Excrétion vitale par les organes végétaux aériens et, en particulier, par les systèmes racinaires de certains éléments directement dans le sol.
^ CIRCUIT BIOLOGIQUE DES SUBSTANCES COMME FORME DE DEVELOPPEMENT DE LA PLANETE TERRE
La structure de la biosphère dans sa forme la plus générale représente les deux plus grandes complexes naturels de premier ordre - continentale et océanique. Les plantes, les animaux et la couverture du sol forment un système écologique mondial complexe sur terre. En liant et en redistribuant l'énergie solaire, le carbone atmosphérique, l'humidité, l'oxygène, l'hydrogène, l'azote, le phosphore, le soufre, le calcium et d'autres éléments biophiles, ce système forme de la biomasse et génère de l'oxygène libre.
Les plantes aquatiques et l'océan forment un autre système écologique mondial qui remplit sur la planète les mêmes fonctions de liaison de l'énergie solaire, du carbone, de l'azote, du phosphore et d'autres biophiles par la formation de phytobiomasse et la libération d'oxygène dans l'atmosphère.
Il existe trois formes d'accumulation et de redistribution de l'énergie cosmique dans la biosphère. ^ L'essence du premier Parmi ceux-ci, les organismes végétaux, et à travers les chaînes alimentaires et les animaux et bactéries associés, impliquent de nombreux composés dans leurs tissus. Ces composés contiennent H 2, O 2, N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Al, Mn et d'autres biophiles, de nombreux oligo-éléments (I, Co, Cu, Zn, etc.). Dans ce cas, il existe une sélection d'isotopes légers (C, H, O, N, S) parmi les plus lourds. In vivo et à titre posthume, les organismes de la terre, de l'eau et de l'air, étant en état d'échange continu avec l'environnement, perçoivent et dégagent un spectre large et varié de composés minéraux et organiques. La masse et le volume total des produits du métabolisme vital des organismes et de l'environnement (métabolites) dépassent plusieurs fois la biomasse de la matière vivante.
^ Deuxième forme l'accumulation, la rétention et la redistribution de l'énergie cosmique du Soleil sur la planète dans sa biosphère se manifestent par le réchauffement des masses d'eau, la formation et la condensation de vapeurs, les précipitations et le mouvement des eaux de surface et souterraines le long d'une pente à partir des zones d'alimentation aux zones d'évaporation. Le chauffage inégal de l'air et de l'eau provoque des mouvements planétaires de l'eau et masses d'air, la formation des gradients de densité et de pression, les courants océaniques et les processus grandioses de la circulation atmosphérique.
L'érosion, la dénudation chimique, le transport, la redistribution, le dépôt et l'accumulation de sédiments mécaniques et chimiques sur terre et dans l'océan sont la troisième forme de transfert et de transformation de cette énergie.
Ces trois processus planétaires sont étroitement liés ; formant une circulation terrestre générale et un système de circulation locale de la matière. Ainsi, au cours de milliards d'années d'histoire biologique de la planète, une grande circulation biogéochimique et une différenciation des éléments chimiques dans la nature se sont développées. Ils ont créé la biosphère moderne et sont à la base de son fonctionnement normal.
^ ÉLÉMENTS DU CIRCUIT BIOGEOCHIMIQUE DES SUBSTANCES DANS LA NATURE
Les éléments de la circulation biogéochimique des substances sont les composants suivants.
Processus répétés ou continus d'apport d'énergie, de formation et de synthèse de nouveaux composés.
Processus constants ou périodiques de transfert ou de redistribution d'énergie et processus d'élimination et de mouvement directionnel des composés synthétisés sous l'influence d'agents physiques, chimiques et biologiques.
Processus rythmiques ou périodiques dirigés de transformation séquentielle : décomposition, destruction de composés préalablement synthétisés sous l'influence d'influences environnementales biogènes ou abiogènes.
Dans la nature, des cycles biologiques de substances et des cycles abiogéniques se produisent.
^ Cycles biologiques - à cause de dans tous les liens l'activité vitale des organismes (nutrition, connexions alimentaires, reproduction, croissance, mouvement des métabolites, mort, décomposition, minéralisation).
^ Cycles abiogéniques - formés sur la planète beaucoup plus tôt que les biogènes. Ils comprennent l'ensemble des processus géologiques, géochimiques, hydrologiques et atmosphériques.
A l'époque prébiogénique de la planète, la migration et l'accumulation de l'eau et de l'air ont joué un rôle décisif dans les cycles géologiques, hydrologiques, géochimiques, atmosphériques. Dans une biosphère développée, la circulation des substances est dirigée par l'action conjuguée de facteurs biologiques, géologiques et géochimiques. Le rapport entre eux peut être différent, mais l'action est forcément commune ! C'est dans ce sens que sont utilisés les termes - circulation biogéochimique de substances, cycles biogéochimiques.
Les cycles biogéochimiques non perturbés sont presque circulaires, presque fermés. Le degré de reproduction répétitive des cycles dans la nature est très élevé et, selon V. A. Kovda, atteint probablement 90-98%. Ainsi, une certaine constance et un équilibre de la composition, de la quantité et de la concentration des composants impliqués dans le cycle sont maintenus, ainsi que l'aptitude et l'harmonie génétique et physiologique des organismes et de l'environnement. Mais l'isolement incomplet des cycles biogéochimiques dans les temps géologiques conduit à la migration et à la différenciation des éléments et de leurs composés dans l'espace et dans divers milieux, à la concentration ou à la dispersion des éléments. C'est pourquoi on observe une accumulation biogénique d'azote et d'oxygène dans l'atmosphère, une accumulation biogénique et chimiogénique de composés carbonés dans la croûte terrestre (pétrole, charbon, calcaire).
^ PARAMÈTRES DU CIRCUIT BIOGÉOCHIMIQUE À TERRE
Les indicateurs suivants sont des paramètres obligatoires pour étudier les cycles biogéochimiques dans la nature.
La biomasse et sa croissance réelle (phyto-, zoo-, masse microbienne séparément).
Litière organique (quantité, composition).
Matière organique du sol (humus, résidus organiques non décomposés).
Composition élémentaire du sol, de l'eau, de l'air, des précipitations, des fractions de biomasse.
Réserves terrestres et souterraines d'énergie biogénique.
Métabolites vitaux.
Nombre d'espèces, abondance, composition.
Durée de vie des espèces, dynamique et rythme de vie des populations et des sols.
Environnement écologique et météorologique : contexte et évaluation de l'intervention humaine.
Couverture par points d'observation des bassins versants, versants, terrasses, vallées fluviales, lacs.
Le nombre de polluants, leurs propriétés chimiques, physiques, propriétés biologiques(notamment CO, CO 2, SO 2, P, NO 3, NH 3 Hg, Pb, Cd, H 2 S, hydrocarbures).
1. La teneur en cendres, carbone et azote de la biomasse (aérienne, souterraine, phyto-, zoo-, microbienne). La teneur en ces éléments peut être exprimée en % ou en g/m 2 , t/ha de surface. Les principaux éléments constitutifs de la matière vivante en poids sont O (65-70%) et H (10%). Tous les autres représentent 30 à 35 % : C, N, Ca (1 à 10 %) ; S, P, K, Si (0,1 à 1 %) ; Fe, Na, Cl, Al, Mg (0,01-0,1%).
La composition chimique de la phytomasse varie considérablement. La composition de la phytomasse des forêts de conifères et de feuillus, de la végétation herbacée et des halophytes est particulièrement différente (tableau 13).
Tableau 13 - Composition minérale différents groupes usines de sushi
| Type de végétation | Teneur en cendres,% | Chiffre d'affaires annuel du minerai Composants, kg / ha | Composants dominants |
| Forêts de conifères | 3-7 | 100-300 | Si, Ca, P, Mg, K |
| Forêts de feuillus | 5-10 | 460-850 | Ca, K, P, Al, Si |
| Forêts tropicales | 3-4 | 1000-2000 | Ca, K, Mg, Al |
| Prairies, steppes | 5-7 | 800-1200 | Si, Ca, K, S, P |
| Communautés halophytiques | 20-45 | 500-1000 | Cl, SO 4, Na, Mg, K |
L'importance individuelle d'un élément chimique particulier est évaluée par le coefficient d'absorption biologique (FBC). Calculez-le par la formule :
En 1966, V.A.Kovda a proposé d'utiliser le rapport de la phytobiomasse enregistrée à l'augmentation photosynthétique annuelle de la phytomasse pour caractériser la durée moyenne du cycle du carbone total. Ce coefficient caractérise la durée moyenne du cycle général de synthèse - minéralisation de la biomasse dans une zone donnée (ou sur la terre dans son ensemble). Les calculs ont montré que pour la terre dans son ensemble, ce cycle correspond à la période de 300 à 400 ans et pas plus de 1000 ans. En conséquence, avec ce taux moyen, la libération de composés minéraux liés à la biomasse, la formation et la minéralisation de l'humus dans le sol ont lieu.
Pour une évaluation générale de l'importance biogéochimique des composants minéraux de la matière vivante de la biosphère, VAKovda a suggéré de comparer l'approvisionnement en minéraux de la biomasse, la quantité de minéraux impliqués annuellement dans la circulation avec l'accroissement et la litière, avec le ruissellement chimique annuel des rivières. . Il s'est avéré que ces valeurs sont proches: 10 8-9 substances cendrées sont impliquées dans la croissance et la litière, et 10 9 - dans le ruissellement chimique annuel des rivières.
Indice BGHK = S b / S X,
Où S b - la somme des éléments (ou la quantité d'un élément) dans l'augmentation annuelle de la biomasse ; S x - la somme des mêmes éléments (ou un élément) réalisée par les eaux des rivières du bassin donné (ou d'une partie du bassin).
Il s'est avéré que les indices du cycle biogéochimique varient considérablement dans différentes conditions climatiques, sous le couvert de différentes communautés végétales, sous différentes conditions de drainage naturel.
4. NI Bazilevich, LE Rodin (1964) ont proposé de calculer le coefficient caractérisant l'intensité de décomposition de la litière et la durée de rétention de la litière dans les conditions d'une biogéocénose donnée :
Selon N.I.Bazilevich et L.E. Rodina, les indices d'intensité de décomposition de la phytomasse sont les plus élevés dans la toundra et les tourbières du nord, et les plus faibles (environ égaux à 1) dans les steppes et les semi-déserts.
5. B. B. Polynov (1936) propose de calculer l'indice de migration de l'eau :
IVM = X H2O / X zk,
Où ICM est l'indice de migration de l'eau ; Х Н2О - la quantité d'un élément dans le résidu minéral de l'eau de rivière ou souterraine évaporée ; X zk - le contenu du même élément dans la croûte terrestre ou la roche.
Le calcul des indices de migration de l'eau a montré que les migrants les plus mobiles dans la biosphère sont Cl, S, B, Br, I, Ca, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo. Les plus passifs à cet égard sont Si, K, P, Ba, Mn, Rb, Cu, Ni, Co, As, Li, Al, Fe.
^ CIRCUIT BIOLOGIQUE ET FORMATION DU SOL
Les données géologiques et paléobotanique ont permis à V.A.Kovda de Plan général présenter étapes critiques développement du processus de formation du sol en lien avec l'histoire du développement des plantes et du couvert végétal (1973). Le début du processus de formation des sols sur Terre est associé à l'apparition de bactéries autotrophes capables d'une existence indépendante dans les conditions hydrothermales les plus défavorables. Ce premier processus d'exposition organismes inférieurs sur les roches de la croûte terrestre, VR Williams a appelé le processus de formation du sol primaire. Les bactéries autotrophes, découvertes par S.N. Vinogradov à la fin du XIXe siècle, sont les organismes unicellulaires les plus simples, comptant une centaine d'espèces. Ils ont la capacité de se reproduire très rapidement : 1 individu peut donner des milliards d'organismes par jour. Parmi les autotrophes modernes se trouvent les bactéries du soufre, les bactéries du fer, etc., qui jouent un rôle extrêmement important dans les processus intrasol. L'apparition des bactéries autotrophes remonterait apparemment au Précambrien.
Ainsi, la première synthèse de matière organique et les cycles biologiques C, S, N, Fe, Mn, O 2 , H 2 dans la croûte terrestre ont été associés à l'activité de bactéries autotrophes qui utilisent l'oxygène des composés minéraux. Dans le développement du processus de formation du sol, il est possible que, avec les bactéries autotrophes, des formes de vie non cellulaires telles que les virus et les bactériophages aient joué un rôle. Bien sûr, il ne s'agissait pas d'un processus de formation du sol dans forme moderne puisqu'il n'y avait pas de plantes racinaires, il n'y avait pas d'accumulations de composés humiques et aucun mécanisme biogénique. Et, apparemment, il est plus correct de parler d'altération biogéochimique primaire des roches sous l'influence d'organismes inférieurs.
Au Précambrien, des algues unicellulaires bleu-vert sont apparues. Du Silurien et du Dévonien, des algues multicellulaires se sont propagées - vertes, brunes, pourpres. Le processus de formation du sol est devenu plus compliqué, accéléré, la synthèse de matière organique a commencé en quantités notables et une expansion du petit cycle biologique de O, H, N, S et d'autres nutriments a été décrite. Apparemment, selon V.A. Kovda, le processus de formation du sol à ces stades s'accompagnait d'une accumulation de terre fine biogénique. L'étape de formation initiale du sol a été très longue et s'est accompagnée d'une accumulation lente mais continue de terres fines biogéniques enrichies en matière organique et en éléments impliqués dans le cycle biologique : H, O, C, N, P, S, Ca, K, Fe, Si, A1. A ce stade, la synthèse biogénique des minéraux secondaires pouvait déjà avoir lieu : aluminium et ferrisilicates, phosphates, sulfates, carbonates, nitrates, quartz, et la formation du sol était confinée aux zones peu profondes. Sur terre, il avait un caractère rocheux et marécageux.
Au Cambrien, des psilophytes sont également apparus - des plantes de type arbustif sous-dimensionnées qui n'avaient même pas de racines. Ils ont acquis une certaine distribution dans le Silurien et un développement significatif dans le Dévonien. Dans le même temps, des prêles et des fougères apparaissent - habitants des plaines humides. Ainsi, une forme relativement développée du processus de formation du sol a commencé avec le Silurien et le Dévonien, c'est-à-dire. il y a environ 300 à 400 millions d'années. Cependant, aucun processus d'engazonnement n'a été observé, car il n'y avait pas de végétation herbacée. La teneur en cendres des fougères et des lyres n'est pas élevée (4 à 6 %), les prêles sont beaucoup plus élevées (20 %). La composition en cendres était dominée par K (30 %), Si (28 %) et C1 (10 %). La microflore fongique a favorisé l'implication de P et K dans le cycle biologique, et les lichens - Ca, Fe, Si. La formation de sols acides (kaolinite allitique, bauxite) et de sols hydromorphes enrichis en composés ferreux est probable.
Le processus de formation du sol développé n'a apparemment pris forme qu'à la fin du Paléozoïque (Carbonifère, Permien). C'est à cette époque que les scientifiques attribuent l'apparition d'un couvert végétal continu sur terre. En plus des fougères, des lycopodes, des prêles, des gymnospermes sont apparus. Les paysages de forêts et de tourbières prédominaient, le zonage climatique s'est formé sur fond de dominance des régions tropicales et subtropicales chaudes. Par conséquent, au cours de cette période, les processus de formation des sols des tourbières et des forêts tropicales ont prévalu.
Ce régime a duré jusqu'au milieu du Permien environ, lorsque le refroidissement et l'assèchement du climat se sont progressivement installés. La sécheresse et le froid ont contribué à la poursuite du développement zonage. C'est durant cette période (seconde moitié du Permien, Trias) que les gymnospermes se sont largement développés. Dans les hautes latitudes à cette époque, la formation de sols podzoliques acides a eu lieu, dans les basses latitudes, la formation des sols s'est déroulée le long du chemin de développement des sols jaunes, des sols rouges et des bauxites. Une faible teneur en cendres (environ 4 %), une teneur négligeable en Cl, Na, une teneur élevée en Si (16 %), Ca (2 %), S (6 %), K (6,5 %) dans les aiguilles de pin a entraîné une augmentation de participation à la circulation biologique et à la formation du sol le rôle de Ca, S, P et une diminution du rôle de Si, K, Na, C1.
Les diatomées apparaissent au Jurassique, et les angiospermes apparaissent au Crétacé qui suit. Depuis le milieu du Crétacé, les espèces à feuilles caduques se sont généralisées - érable, chêne, bouleau, saule, eucalyptus, noyer, hêtre, charme. Sous leur canopée, le processus de formation des podzols commence à s'affaiblir, car la composition de la litière de ces plantes contient une forte proportion de Ca, Mg, K.
A l'époque tertiaire, la flore tropicale prévalait sur le globe : palmiers, magnolias, séquoias, hêtres et châtaigniers. La composition minérale des substances impliquées dans le mouvement circulaire de ces forêts était caractérisée par une participation significative de Ca, Mg, K, P, S, Si, Al. Ainsi, les conditions écologiques préalables à l'émergence et au développement d'une végétation herbacée ont été créées : une diminution de l'acidité des sols et des roches, l'accumulation de nutriments.
Le changement dans la dominance de la végétation ligneuse herbacée était d'une importance fondamentale énorme dans le changement de la nature des processus de formation du sol. Le puissant système racinaire des arbres impliquait une masse importante de substances minérales dans le cycle biologique, les mobilisant pour le règlement ultérieur de la végétation herbacée. La courte durée de vie de la végétation herbacée et la concentration des masses racinaires dans les couches supérieures du sol assurent, sous le couvert des graminées, une concentration spatiale de la circulation biologique des minéraux dans une couche d'horizons moins épaisse avec l'accumulation d'éléments nutritifs en cendres en eux . Ainsi, à partir de la seconde moitié du Crétacé, au Tertiaire et surtout au Quaternaire, sous l'influence de la dominance de la végétation herbacée, le processus engazonné de formation des sols s'est propagé.
Ainsi, le rôle de la matière vivante et de la circulation biologique dans l'histoire géologique de la Terre et le développement du processus de formation des sols n'a cessé d'augmenter. Mais la formation des sols est aussi progressivement devenue l'un des principaux maillons du cycle biologique des substances.
Le sol fournit une interaction constante de grands cycles géologiques et de petits cycles biologiques de substances à la surface de la terre. Le sol est un lien et un régulateur de l'interaction de ces deux cycles globaux de la matière.
Sol - accumule la matière organique et l'énergie chimique associée, les éléments chimiques, régulant ainsi le taux de circulation biologique des substances.
Le sol, ayant la capacité de reproduire dynamiquement sa fertilité, régule les processus biosphériques. En particulier, la densité de la vie sur Terre, ainsi que les facteurs climatiques, sont largement déterminés par l'hétérogénéité géographique du sol.
La circulation des substances dans la nature est le concept écologique le plus important.
En figue. le cycle biologique est présenté en combinaison avec un diagramme de flux énergétique simplifié. Les substances sont impliquées dans le cycle et le flux d'énergie est unidirectionnel des plantes qui convertissent l'énergie du soleil en énergie de liaisons chimiques, aux animaux qui utilisent cette énergie, puis aux micro-organismes qui détruisent la matière organique.
Un flux d'énergie unidirectionnel met en mouvement la circulation des substances. Chaque élément chimique, faisant un cycle dans l'écosystème, passe alternativement de la forme organique à la forme inorganique et vice versa.
Riz. 1. Le flux d'énergie et le cycle des éléments biogéniques dans la biosphère
Photosynthèse- création de substances organiques (glucose, amidon, cellulose, etc.) à partir de dioxyde de carbone et d'eau avec la participation de la chlorophylle sous l'action de l'énergie solaire :
6CO 2 + 12H 2 O + hν (673 kcal) = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
La photosynthèse est le processus de capture de l'énergie solaire par des organismes photosynthétiques et de sa conversion en énergie de biomasse.
Chaque année, le monde végétal stocke une énergie gratuite 10 fois supérieure à la quantité d'énergie minérale consommée par an par l'ensemble de la population de la Terre. Ces minéraux eux-mêmes (charbon, pétrole et gaz naturel) sont également des produits de la photosynthèse qui a eu lieu il y a des millions d'années.
Chaque année, la photosynthèse assimile 200 milliards de tonnes de dioxyde de carbone et libère jusqu'à 320 milliards de tonnes d'oxygène. Tout le dioxyde de carbone dans l'atmosphère traverse la matière vivante en 6-7 ans.
Les processus de destruction de la matière organique jusqu'aux molécules les plus simples : CO 2 , H 2 O, NH 3 ont également lieu dans la biosphère. La décomposition des composés organiques se produit dans les organismes des animaux, dans les plantes lors de la respiration avec formation de CO 2 et H 2 O.
La minéralisation des substances organiques, la décomposition de la matière organique morte en composés inorganiques simples se produisent sous l'action de micro-organismes.
Des processus opposés de formation et de destruction de la matière organique dans la biosphère forment un seul cycle biologique d'atomes. Au cours du processus de minéralisation des composés organiques, de l'énergie est libérée, qui a été absorbée lors de la photosynthèse. Il est libéré sous forme de chaleur et également d'énergie chimique.
Cycle biologiqueest un ensemble de processus pour l'entrée d'éléments chimiques dans les organismes vivants, la biosynthèse de nouveaux composés complexes et le retour d'éléments dans le sol, l'atmosphère et l'hydrosphère.
L'intensité du cycle biologique (BIR) est déterminée par la température ambiante et la quantité d'eau. Le cycle biologique est plus intense dans les forêts tropicales humides que dans la toundra.
Le résultat le plus important du cycle biologique des substances est la formation d'un horizon d'humus des sols sur terre.
Le cycle biologique est caractérisé par les indicateurs suivants.
Biomasse - la masse de matière vivante accumulée à un instant donné (phyto-, zoo-, microbiomasse).
Biomasse végétale(phytomasse) - la masse d'organismes végétaux vivants et morts.
Litière - la quantité de matière organique des plantes mortes par unité de surface et par unité de temps.
Croissance- la biomasse accumulée par unité de surface par unité de temps.
La composition chimique des plantes dépend de deux facteurs principaux :
1) écologique, - l'environnement de croissance des plantes, - les niveaux de teneur en éléments de l'environnement, les formes de localisation, y compris mobiles, disponibles pour les plantes ;
2) génétique, en raison des particularités de l'origine de l'espèce végétale.
Dans des conditions de pollution de l'environnement, la concentration d'éléments dans les plantes est déterminée par le premier facteur. Dans les paysages d'arrière-plan (non perturbés), les deux facteurs sont importants.
En fonction de la réaction au facteur chimique de l'environnement (au contenu en éléments chimiques), on peut distinguer 2 groupes de plantes :
1) adapté aux changements dans la concentration des éléments chimiques;
2) non adapté aux changements de concentration des éléments chimiques.
Les modifications des concentrations d'éléments chimiques dans l'environnement des plantes inadaptées provoquent des perturbations physiologiques conduisant à des maladies ; le développement des plantes est supprimé, l'espèce s'éteint.
Certaines espèces végétales sont bien adaptées au transfert de fortes concentrations d'éléments. Ce sont des plantes sauvages qui poussent longtemps dans une zone donnée, qui, du fait de la sélection naturelle, acquièrent une résistance aux conditions de vie défavorables.
Les plantes qui concentrent les éléments chimiques sont appelées concentrateurs. Par exemple : tournesol, pommes de terre concentré de potassium, thé - aluminium, mousses - fer. L'absinthe, la prêle, le maïs, le chêne accumulent de l'or.
Scientifique russe exceptionnel, l'académicien V.I. Vernadski.
Biosphère- l'enveloppe extérieure complexe de la Terre, qui contient la totalité des organismes vivants et cette partie de la substance de la planète, qui est en processus d'échange continu avec ces organismes. C'est l'une des géosphères les plus importantes de la Terre, qui est la principale composante de l'environnement naturel qui entoure l'homme.
La terre est composée de concentriques coquilles(géosphères) à la fois interne et externe. Les internes comprennent le noyau et le manteau, et les externes : lithosphère - coquille de pierre de la Terre, y compris la croûte terrestre (Fig. 1) avec une épaisseur de 6 km (sous l'océan) à 80 km (systèmes montagneux); hydrosphère - coquille d'eau de la Terre; atmosphère- la coquille gazeuse de la Terre, constituée d'un mélange de divers gaz, de vapeur d'eau et de poussières.
A une altitude de 10 à 50 km, il existe une couche d'ozone, avec sa concentration maximale à une altitude de 20-25 km, qui protège la Terre des rayonnements ultraviolets excessifs, qui sont mortels pour l'organisme. La biosphère appartient également ici (aux géosphères extérieures).
Biosphère - la couche externe de la Terre, qui comprend une partie de l'atmosphère jusqu'à une altitude de 25-30 km (jusqu'à la couche d'ozone), la quasi-totalité de l'hydrosphère et partie supérieure lithosphère à une profondeur de 3 km
Riz. 1. Schéma de la structure de la croûte terrestre
(fig. 2). La particularité de ces parties est qu'elles sont habitées par des organismes vivants qui composent la matière vivante de la planète. Interaction partie abiotique de la biosphère- air, eau, roches et matières organiques - biote causé la formation de sols et de roches sédimentaires.
Riz. 2. La structure de la biosphère et le rapport des surfaces occupées par les principales unités structurelles
Cycle de la matière dans la biosphère et les écosystèmes
Tout ce qui est disponible pour les organismes vivants composants chimiques dans la biosphère sont limités. Épuisement propice à l'assimilation substances chimiques inhibe souvent le développement de certains groupes d'organismes dans des zones locales de terre ou d'océan. Selon l'académicien V.R. Williams, la seule façon de donner au fini les propriétés de l'infini est de le faire tourner le long d'une courbe fermée. Par conséquent, la stabilité de la biosphère est maintenue grâce à la circulation des substances et des flux d'énergie. Il y a deux cycles principaux de substances : grand - géologique et petit - biogéochimique.
Grande circulation géologique(fig. 3). Les roches cristallines (ignées) se transforment en roches sédimentaires sous l'influence de facteurs physiques, chimiques et biologiques. Le sable et l'argile sont des sédiments typiques, produits de transformation de roches profondes. Cependant, la formation de précipitations se produit non seulement en raison de la destruction de déjà races existantes, mais aussi par la synthèse de minéraux biogéniques - les squelettes de micro-organismes - à partir ressources naturelles- les eaux de l'océan, des mers et des lacs. Sédiments aqueux lâches car isolés au fond des réservoirs avec de nouvelles portions de matériel sédimentaire, immersion en profondeur, tombant dans de nouvelles conditions thermodynamiques (plus hautes températures et pression) perdent de l'eau, se solidifient, tout en se transformant en roches sédimentaires.
Par la suite, ces roches plongent dans des horizons encore plus profonds, où se déroulent les processus de leur transformation profonde vers de nouvelles conditions de température et bariques - les processus de métamorphisme ont lieu.
Sous l'influence des flux d'énergie endogènes, les roches profondes sont refondues, formant du magma - la source de nouvelles roches ignées. Après avoir remonté ces roches à la surface de la Terre, sous l'influence des processus d'altération et de transfert, elles se transforment à nouveau en de nouvelles roches sédimentaires.
Ainsi, la grande circulation est due à l'interaction de l'énergie solaire (exogène) avec l'énergie profonde (endogène) de la Terre. Il redistribue des substances entre la biosphère et les horizons plus profonds de notre planète.
Riz. 3. Grande circulation (géologique) de matière (flèches fines) et changement de diversité dans la croûte terrestre (flèches larges pleines - croissance, intermittente - diminution de la diversité)
Le grand bain à remous le cycle de l'eau entre l'hydrosphère, l'atmosphère et la lithosphère, qui se déplace grâce à l'énergie du Soleil, est également appelé. L'eau s'évapore de la surface des plans d'eau et des terres, puis retourne sur Terre sous forme de précipitations. Sur l'océan, l'évaporation dépasse les précipitations, sur terre, au contraire. Ces différences sont compensées par les débits fluviaux. La végétation terrestre joue un rôle important dans le cycle mondial de l'eau. La transpiration des plantes dans certaines zones de la surface de la terre peut représenter jusqu'à 80-90% des précipitations qui tombent ici, et en moyenne pour tous zones climatiques- environ 30%. Contrairement à la grande et petite circulation des substances ne se produit qu'à l'intérieur de la biosphère. La relation entre le grand et le petit cycle de l'eau est illustrée à la Fig. 4.
Les cycles à l'échelle planétaire sont créés à partir des innombrables mouvements cycliques locaux des atomes, entraînés par l'activité vitale des organismes dans les écosystèmes individuels, et ces mouvements qui sont causés par l'action du paysage et des raisons géologiques (ruissellement de surface et souterrain, érosion éolienne, mouvement des fonds marins, volcanisme, formation de montagnes, etc.) ).
Riz. 4. Interrelation du grand cycle géologique (BGC) de l'eau avec le petit cycle biogéochimique (MBC) de l'eau
Contrairement à l'énergie, qui est autrefois utilisée par l'organisme, se transforme en chaleur et se perd, les substances circulent dans la biosphère, créant des cycles biogéochimiques. Sur les quelque quatre-vingt-dix éléments que l'on trouve dans la nature, les organismes vivants en ont besoin d'une quarantaine. Les plus importants leur sont nécessaires en grandes quantités - carbone, hydrogène, oxygène, azote. Les cycles des éléments et des substances sont effectués grâce à des processus d'autorégulation auxquels participent toutes les parties constitutives. Ces processus sont sans déchets. Existe la loi de la fermeture globale du cycle biogéochimique dans la biosphère agissant à tous les stades de son développement. Au cours de l'évolution de la biosphère, le rôle de la composante biologique dans la fermeture de la biogéochimie
qui le cycle. L'homme a une influence encore plus grande sur la circulation biogéochimique. Mais son rôle se manifeste en sens inverse (les cycles s'ouvrent). La base de la circulation biogéochimique des substances est l'énergie du Soleil et la chlorophylle des plantes vertes. Les autres cycles les plus importants - eau, carbone, azote, phosphore et soufre - sont associés et contribuent à la biogéochimie.
Le cycle de l'eau dans la biosphère
Les plantes utilisent l'hydrogène de l'eau dans la photosynthèse pour fabriquer des composés organiques, libérant de l'oxygène moléculaire. Dans les processus de respiration de tous les êtres vivants, lors de l'oxydation des composés organiques, de l'eau se forme à nouveau. Dans l'histoire de la vie, toute l'eau libre de l'hydrosphère a subi à plusieurs reprises des cycles de décomposition et de nouvelles formations dans la matière vivante de la planète. Environ 500 000 km 3 d'eau sont impliqués chaque année dans le cycle de l'eau sur Terre. Le cycle de l'eau et ses réserves sont illustrés à la Fig. 5 (en termes relatifs).
Le cycle de l'oxygène dans la biosphère
La Terre doit son atmosphère unique avec une teneur élevée en oxygène libre au processus de photosynthèse. La formation d'ozone dans les hautes couches de l'atmosphère est étroitement liée au cycle de l'oxygène. L'oxygène est libéré des molécules d'eau et est essentiellement un sous-produit de l'activité photosynthétique des plantes. L'oxygène abiotique se produit dans la haute atmosphère en raison de la photodissociation de la vapeur d'eau, mais cette source ne représente que des millièmes de pour cent de celle fournie par la photosynthèse. Il existe un équilibre mouvant entre la teneur en oxygène de l'atmosphère et l'hydrosphère. Dans l'eau, c'est environ 21 fois moins.
Riz. 6. Diagramme du cycle de l'oxygène : flèches en gras - principaux flux d'apport et de consommation d'oxygène
L'oxygène libéré est intensivement dépensé sur les processus de respiration de tous les organismes aérobies et sur l'oxydation de divers composés minéraux. Ces processus ont lieu dans l'atmosphère, le sol, l'eau, le limon et les roches. Il a été montré qu'une partie importante de l'oxygène lié dans les roches sédimentaires est d'origine photosynthétique. Fonds d'échange O, dans l'atmosphère n'est pas plus de 5% de la production totale de la photosynthèse. De nombreuses bactéries anaérobies oxydent également la matière organique lors de la respiration anaérobie à l'aide de sulfates ou de nitrates.
La décomposition complète de la matière organique créée par les plantes nécessite exactement la même quantité d'oxygène qui a été libérée lors de la photosynthèse. L'enfouissement de la matière organique dans les roches sédimentaires, les charbons, les tourbes a servi de base au maintien du fonds d'échange d'oxygène dans l'atmosphère. Tout l'oxygène qu'il contient passe par un cycle complet à travers les organismes vivants en environ 2000 ans.
À l'heure actuelle, une partie importante de l'oxygène atmosphérique est liée à la suite des transports, de l'industrie et d'autres formes d'activité anthropique. On sait que l'humanité dépense déjà plus de 10 milliards de tonnes d'oxygène libre sur le montant total de 430 à 470 milliards de tonnes fourni par les processus de photosynthèse. Si l'on tient compte du fait que seule une petite partie de l'oxygène photosynthétique pénètre dans le fonds d'échange, l'activité des personnes à cet égard commence à acquérir des proportions alarmantes.
Le cycle de l'oxygène est étroitement lié au cycle du carbone.
Le cycle du carbone dans la biosphère
Le carbone, en tant qu'élément chimique, est la base de la vie. Il peut différentes façons se combinent avec de nombreux autres éléments, formant des molécules organiques simples et complexes qui composent les cellules vivantes. En termes de répartition sur la planète, le carbone occupe la onzième place (0,35% du poids de la croûte terrestre), mais dans la matière vivante, il représente en moyenne environ 18 ou 45% de la biomasse sèche.
Dans l'atmosphère, le carbone est inclus dans la composition du dioxyde de carbone CO2, dans une moindre mesure - dans la composition du méthane CH4. Dans l'hydrosphère, le CO2 est dissous dans l'eau et sa teneur totale est bien supérieure à celle de l'atmosphère. L'océan sert de tampon puissant pour la régulation du CO2 dans l'atmosphère : avec une augmentation de sa concentration dans l'air, l'absorption de dioxyde de carbone par l'eau augmente. Certaines molécules de CO2 réagissent avec l'eau, formant de l'acide carbonique, qui se dissocie ensuite en ions HCO 3 - et CO 2 - 3. Ces ions réagissent avec les cations de calcium ou de magnésium pour précipiter les carbonates. De telles réactions sont à la base du système tampon de l'océan, maintenant un pH constant de l'eau.
Le dioxyde de carbone de l'atmosphère et de l'hydrosphère est un fonds d'échange dans le cycle du carbone, d'où il est obtenu Plantes terrestres et les algues. La photosynthèse est à la base de tous les cycles biologiques sur Terre. La libération de carbone fixé se produit lors de l'activité respiratoire des organismes photosynthétiques eux-mêmes et de tous les hétérotrophes - bactéries, champignons, animaux, qui sont inclus dans la chaîne alimentaire en raison de la matière organique vivante ou morte.
Riz. 7. Cycle du carbone
Le retour du CO2 du sol vers l'atmosphère est particulièrement actif, où se concentre l'activité de nombreux groupes d'organismes, décompose les restes de plantes et d'animaux morts et effectue la respiration des systèmes racinaires des plantes. Ce processus intégral est désigné sous le nom de « respiration du sol » et contribue de manière significative à la reconstitution du fonds d'échange de CO2 dans l'air. Parallèlement aux processus de minéralisation de la matière organique, l'humus se forme dans les sols - un complexe moléculaire complexe et stable riche en carbone. L'humus des sols est l'un des réservoirs de carbone importants sur terre.
Dans des conditions où l'activité des destructeurs est inhibée par des facteurs environnementaux (par exemple, lorsqu'un régime anaérobie se produit dans les sols et au fond des plans d'eau), la matière organique accumulée par la végétation ne se décompose pas, se transformant au fil du temps en roches telles que le charbon ou lignite, tourbe, sapropelles, schiste bitumineux et autres riches en énergie solaire stockée. Ils reconstituent le fonds de réserve carbone, coupant durablement le cycle biologique. Le carbone se dépose également temporairement dans la biomasse vivante, les déchets morts, la matière organique dissoute dans l'océan, etc. mais la principale réserve de carbone en écriture ne sont pas des organismes vivants ni des combustibles fossiles, mais roches sédimentaires - calcaires et dolomies. Leur formation est également associée à l'activité de la matière vivante. Le carbone de ces carbonates est longtemps enfoui dans les entrailles de la Terre et n'entre dans le cycle que lors de l'érosion lorsque les roches sont exposées dans les cycles tectoniques.
Seules des fractions d'un pour cent du carbone de sa quantité totale sur Terre sont impliquées dans le cycle biogéochimique. Le carbone de l'atmosphère et de l'hydrosphère traverse plusieurs fois les organismes vivants. Les plantes terrestres sont capables d'épuiser ses réserves dans l'air en 4-5 ans, les réserves dans l'humus du sol en 300-400 ans. Le principal retour de carbone dans le fonds d'échange est dû à l'activité des organismes vivants, et seule une petite partie (des millièmes de pour cent) est compensée par la libération de gaz volcaniques de l'intérieur de la Terre.
À l'heure actuelle, l'extraction et la combustion d'énormes réserves de combustibles fossiles deviennent un puissant facteur de transfert de carbone de la réserve vers le fonds d'échange de la biosphère.
Le cycle de l'azote dans la biosphère
L'atmosphère et la matière vivante contiennent moins de 2% de tout l'azote sur Terre, mais c'est cet azote qui soutient la vie sur la planète. L'azote fait partie des molécules organiques les plus importantes - ADN, protéines, lipoprotéines, ATP, chlorophylle, etc. Dans les tissus végétaux, son rapport avec le carbone est en moyenne de 1: 30, et dans algue I : 6. Le cycle biologique de l'azote est donc aussi étroitement lié au cycle du carbone.
L'azote moléculaire de l'atmosphère est inaccessible aux plantes, qui ne peuvent assimiler cet élément que sous forme d'ions ammonium, de nitrates ou du sol ou solutions aqueuses... Par conséquent, le manque d'azote est souvent un facteur limitant la production primaire - le travail des organismes associé à la création de substances organiques à partir de substances inorganiques. Néanmoins, l'azote atmosphérique est largement impliqué dans le cycle biologique du fait de l'activité de bactéries particulières (fixateurs d'azote).
Les micro-organismes ammonifiants participent également pour une large part au cycle de l'azote. Ils décomposent les protéines et autres matières organiques azotées en ammoniac. Sous la forme ammonium, l'azote est en partie réabsorbé par les racines des plantes et en partie intercepté par les micro-organismes nitrifiants, ce qui est contraire aux fonctions d'un groupe de micro-organismes - les dénitrifiants.
Riz. 8. Le cycle de l'azote
Dans des conditions anaérobies dans les sols ou les eaux, ils utilisent l'oxygène des nitrates pour oxyder la matière organique, obtenant ainsi de l'énergie pour leur vie. Dans ce cas, l'azote est réduit en azote moléculaire. La fixation et la dénitrification de l'azote dans la nature sont à peu près équilibrées. Le cycle de l'azote dépend donc principalement de l'activité des bactéries, tandis que les plantes s'y intègrent, utilisant les produits intermédiaires de ce cycle et augmentant fortement l'échelle de circulation de l'azote dans la biosphère du fait de la production de biomasse.
Le rôle des bactéries dans le cycle de l'azote est si grand que si seulement 20 de leurs espèces sont détruites, la vie sur notre planète cessera.
La fixation non biologique de l'azote et l'entrée de ses oxydes et de l'ammoniac dans les sols se produisent également avec les précipitations lors de l'ionisation de l'atmosphère et des décharges de foudre. L'industrie moderne des engrais fixe l'azote atmosphérique en excès par rapport à la fixation naturelle de l'azote afin d'augmenter la production agricole.
À l'heure actuelle, l'activité humaine affecte de plus en plus le cycle de l'azote, principalement dans le sens d'un dépassement de sa conversion en formes liées au cours des processus de retour à l'état moléculaire.
Le cycle du phosphore dans la biosphère
Cet élément, nécessaire à la synthèse de nombreuses substances organiques, dont l'ATP, l'ADN, l'ARN, n'est assimilé par les plantes que sous forme d'ions d'acide phosphorique (P0 3 4 +). Il fait partie des éléments limitant la production primaire à la fois sur terre, et surtout dans l'océan, car le fonds de phosphore échangeable dans les sols et les eaux est faible. Le cycle de cet élément à l'échelle de la biosphère n'est pas fermé.
Sur terre, les plantes extraient les phosphates du sol, libérés par les décomposeurs à partir des résidus organiques en décomposition. Cependant, dans les sols alcalins ou acides, la solubilité des composés du phosphore chute fortement. Le principal fonds de réserve de phosphates est contenu dans les roches créées au fond des océans dans le passé géologique. Au cours du lessivage des roches, une partie de ces réserves passe dans le sol et, sous forme de suspensions et de solutions, est entraînée dans les plans d'eau. Dans l'hydrosphère, les phosphates sont utilisés par le phytoplancton, passant le long des chaînes alimentaires vers d'autres organismes aquatiques. Cependant, dans l'océan, la plupart des composés du phosphore sont enfouis avec les restes d'animaux et de plantes au fond, suivi d'une transition avec des roches sédimentaires dans la grande circulation géologique. En profondeur, les phosphates dissous se lient au calcium pour former des phosphorites et des apatites. Dans la biosphère, en effet, il existe un flux unidirectionnel de phosphore des roches terrestres vers les profondeurs de l'océan, par conséquent, son fonds d'échange dans l'hydrosphère est très limité.
Riz. 9. Le cycle du phosphore
Les dépôts au sol de phosphorites et d'apatites sont utilisés dans la production d'engrais. L'entrée de phosphore dans les plans d'eau douce est l'une des principales raisons de leur « floraison ».
Le cycle du soufre dans la biosphère
Le cycle du soufre, nécessaire à la construction d'un certain nombre d'acides aminés, est responsable de la structure tridimensionnelle des protéines, est maintenu dans la biosphère un large éventail bactéries. Les microorganismes aérobies, qui oxydent le soufre des résidus organiques en sulfates, ainsi que les sulfates réducteurs anaérobies, qui réduisent les sulfates en sulfure d'hydrogène, participent à des maillons individuels de ce cycle. En plus des groupes énumérés de bactéries du soufre, le sulfure d'hydrogène est oxydé en soufre élémentaire et en sulfates. Les plantes n'assimilent que les ions SO 2-4 du sol et de l'eau.
L'anneau au centre illustre les processus d'oxydation (O) et de réduction (R) qui échangent du soufre entre le pool de sulfate disponible et le pool de sulfure de fer en profondeur dans le sol et les sédiments.
Riz. 10. Le cycle du soufre. L'anneau au centre illustre le processus d'oxydation (0) et de réduction (R), grâce auquel le soufre est échangé entre le pool de sulfate disponible et le pool de sulfures de fer situés en profondeur dans le sol et les sédiments.
La principale accumulation de soufre se produit dans l'océan, où les ions sulfate sont continuellement fournis par les terres avec le ruissellement des rivières. Lorsque le sulfure d'hydrogène est libéré de l'eau, le soufre est partiellement renvoyé dans l'atmosphère, où il est oxydé en dioxyde, se transformant en acide sulfurique dans l'eau de pluie. Utilisation industrielle un grand nombre les sulfates et le soufre élémentaire et la combustion de combustibles fossiles libèrent de grandes quantités de dioxyde de soufre dans l'atmosphère. Il nuit à la végétation, aux animaux, aux personnes et sert de source de pluies acides, exacerbant les effets négatifs de l'interférence humaine dans le cycle du soufre.
Le taux de circulation des substances
Tous les cycles de substances se produisent à des vitesses différentes (Fig. 11)
Ainsi, les cycles de tous les nutriments de la planète sont soutenus par une interaction complexe de différentes parties. Ils sont formés par l'activité de groupes d'organismes de fonctions différentes, le système de ruissellement et d'évaporation reliant l'océan et la terre, les processus de circulation des masses d'eau et d'air, l'action des forces gravitationnelles, la tectonique des plaques lithosphériques et autres grands- processus géologiques et géophysiques à grande échelle.
La biosphère agit comme un un système complexe, dans lequel se déroulent divers cycles de substances. Le moteur principal de ces la circulation est la matière vivante de la planète, tous les organismes vivants, fournissant les processus de synthèse, de transformation et de décomposition de la matière organique.
Riz. 11. Taux de circulation des substances (P. Cloud, A. Jibor, 1972)
La vision écologique du monde est basée sur l'idée que chaque créature vivante est entourée de nombreuses personnes qui l'influencent divers facteurs formant son habitat dans le complexe - un biotope. D'où, biotope - un morceau de territoire homogène en termes de conditions de vie pour certaines espèces de plantes ou d'animaux(pente de ravin, parc forestier urbain, petit lac ou partie d'un grand lac, mais avec des conditions uniformes - partie côtière, partie en eau profonde).
Les organismes caractéristiques d'un biotope particulier constituent communauté de vie, ou biocénose(animaux, plantes et micro-organismes du lac, prairie, bande côtière).
La communauté de vie (biocénose) forme un tout avec son biotope, que l'on appelle système écologique (écosystème). Un exemple d'écosystèmes naturels est une fourmilière, un lac, un étang, une prairie, une forêt, une ville, une ferme. Un exemple classique l'écosystème artificiel est un vaisseau spatial. Comme vous pouvez le voir, il n'y a pas de stricte structure spatiale... Proche du concept d'écosystème est le concept biogéocénose.
Les principaux composants des écosystèmes sont :
- environnement inanimé (abiotique). Ce sont l'eau, les minéraux, les gaz, ainsi que les substances organiques et l'humus ;
- composants biotiques. Il s'agit notamment des producteurs ou producteurs (plantes vertes), des consommateurs ou des consommateurs (êtres vivants qui se nourrissent des producteurs) et des décomposeurs ou décomposeurs (micro-organismes).
La nature fonctionne de manière extrêmement économique. Ainsi, la biomasse créée par les organismes (la substance des corps des organismes) et l'énergie qu'ils contiennent sont transférées à d'autres membres de l'écosystème : les animaux mangent des plantes, ces animaux sont mangés par d'autres animaux. Ce processus est appelé chaîne alimentaire ou trophique. Dans la nature, les chaînes alimentaires se chevauchent souvent, formant une chaîne alimentaire.
Exemples de chaînes alimentaires: plante - animal herbivore - prédateur ; céréales - mulot - renard, etc. et le réseau trophique sont illustrés à la Fig. 12.
Ainsi, l'état d'équilibre dans la biosphère est basé sur l'interaction de facteurs environnementaux biotiques et abiotiques, qui est maintenu grâce à l'échange continu de matière et d'énergie entre tous les composants des écosystèmes.
Dans les cycles fermés des écosystèmes naturels, entre autres, deux facteurs doivent participer : la présence de décomposeurs et l'approvisionnement constant en énergie solaire. Dans les écosystèmes urbains et artificiels, il y a peu ou pas de décomposeurs ; par conséquent, les déchets liquides, solides et gazeux s'accumulent, polluant l'environnement.
Riz. 12. Réseau trophique et direction du flux de matière
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