Az anyagok körforgása a bioszférában az anyagok együttes, egymással összefüggő átalakulásának és mozgásának ciklikus, ismétlődő folyamata. Az anyagok körforgásának léte az szükséges feltétel a bioszféra létezése. Egyes szervezetek általi felhasználás után az anyagoknak más szervezetek számára hozzáférhető formába kell kerülniük. Az anyagok ilyen átmenete egyik linkről a másikra energiaköltséget igényel, ezért ez csak a Nap energiájának részvételével lehetséges. A napenergia felhasználásával két egymással összefüggő anyagciklus megy végbe a bolygón: egy nagy - geológiai és egy kicsi - biológiai (biotikus).
Az anyagok földtani körforgása- az anyagok vándorlásának folyamata, mely abiotikus tényezők hatására megy végbe: mállás, erózió, vízmozgás stb. Ebben élő szervezetek nem vesznek részt.
Az élő anyag megjelenésével a bolygón, biológiai (biotikus) keringés. Minden élő szervezet részt vesz benne, egyes anyagokat felvesz a környezetből, másokat pedig kibocsát. Például a növények szén-dioxidot, vizet, ásványokés oxigént bocsátanak ki. Az állatok a növények által kibocsátott oxigént használják a légzésre. Növényeket esznek, és az emésztés eredményeként a fotoszintézis folyamatában asszimilálódnak szerves anyag. Szén-dioxidot és emésztetlen táplálékot bocsátanak ki. Elpusztulásuk után a növények és az állatok elhalt szerves anyag (törmelék) tömegét alkotják. A detritus mikroszkopikus gombák és baktériumok általi lebontásra (mineralizációra) áll rendelkezésre. Létfontosságú tevékenységük eredményeként további mennyiség kerül a bioszférába szén-dioxid. És a szerves anyagok átalakulnak az eredeti szervetlen komponensekké - biogénekké. A keletkező ásványi vegyületek a víztestekbe és a talajba hullva újra a növények számára hozzáférhetővé válnak a fotoszintézis útján történő rögzítéshez. Az ilyen folyamat korlátlanul ismétlődik, és zárt jellegű (keringés). Például az összes légköri oxigén körülbelül 2 ezer év alatt halad végig ezen az úton, míg a szén-dioxidnak körülbelül 300 év kell ehhez.
A szerves anyagokban lévő energia csökken a táplálékláncokon való mozgás során. Ennek nagy része hő formájában eloszlik a környezetben, vagy az élőlények létfontosságú folyamatainak fenntartására fordítódik. Például az állatok és növények légzéséről, a növényekben lévő anyagok szállításáról, valamint az élő szervezetek bioszintézisének folyamatairól. Ráadásul a lebontók tevékenysége eredményeként keletkező biogének nem tartalmaznak az élőlények számára elérhető energiát. NÁL NÉL ez az eset csak az energiaáramlásról lehet beszélni a bioszférában, de a keringésről nem. Ezért a bioszféra fenntartható létének feltétele a biogeocenózisokban az anyagok állandó keringése és az energiaáramlás.
A geológiai és biológiai körfolyamatok együttesen alkotják az anyagok általános biogeokémiai körforgását, amely a nitrogén, a víz, a szén és az oxigén körforgásán alapul.
nitrogén ciklus
A nitrogén az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló elem a bioszférában. A bioszféra nitrogénjének nagy része gázhalmazállapotban van a légkörben. Amint az a kémia során ismeretes, a molekuláris nitrogénben (N 2) az atomok közötti kémiai kötések nagyon erősek. Ezért a legtöbb élő szervezet nem képes közvetlenül felhasználni. Ezért a nitrogénkörforgás egyik fontos lépése annak rögzítése és az élőlények számára hozzáférhető formává történő átalakulása. A nitrogénkötésnek három módja van.
légköri rögzítés. A légköri elektromos kisülések (villámlás) hatására a nitrogén kölcsönhatásba léphet az oxigénnel, és így a nitrogén oxidja (NO) és dioxidja (NO 2) képződik. A nitrogén-oxidot (NO) az oxigén nagyon gyorsan oxidálja és nitrogén-dioxiddá alakul. A nitrogén-dioxid vízgőzben oldódik, és salétromsav (HNO 2) és salétromsav (HNO 3) formájában csapadékkal kerül a talajba. A talajban ezeknek a savaknak a disszociációja következtében nitrit (NO 2 -) és nitrátionok (NO 3 -) képződnek. A nitrit- és nitrátionokat már a növények is felvehetik és beépíthetik a biológiai körforgásba. A légköri nitrogénkötés évente körülbelül 10 millió tonna nitrogént tesz ki, ami a bioszféra éves nitrogénkötésének körülbelül 3%-a.
biológiai rögzítés. A nitrogénmegkötő baktériumok végzik, amelyek a nitrogént a növények számára elérhető formákká alakítják. A mikroorganizmusok az összes nitrogén körülbelül felét megkötik. Legismertebbek a hüvelyes növények csomóiban nitrogént megkötő baktériumok. A növényeket ammónia (NH3) formájában látják el nitrogénnel. Az ammónia vízben nagyon jól oldódik, ammóniumion (NH 4 +) képződik, amelyet a növények felszívnak. Ezért a hüvelyesek a kultúrnövények legjobb elődjei a vetésforgóban. Az állatok és növények elpusztulása és maradványaik lebomlása után a talaj szerves és ásványi nitrogénvegyületekkel gazdagodik. Továbbá a rothadó (ammonifikáló) baktériumok a növények és állatok nitrogéntartalmú anyagait (fehérjéket, karbamidot, nukleinsavakat) ammóniává bontják. Ezt a folyamatot ún ammonifikáció. A legtöbb ammóniát ezt követően a nitrifikáló baktériumok nitritté és nitráttá oxidálják, amelyeket a növények újra felhasználnak. A nitrogén visszajutása a légkörbe denitrifikációval történik, amelyet egy csoport denitrifikáló baktérium hajt végre. Ennek eredményeként a nitrogéntartalmú vegyületek molekuláris nitrogénné redukálódnak. A nitrát- és ammóniumformákban lévő nitrogén egy része felszíni lefolyással bejut a vízi ökoszisztémákba. Itt a nitrogén felszívódik vízi élőlények vagy az alsó szerves üledékekbe kerül.
Ipari rögzítés. Évente nagy mennyiségű nitrogént kötnek iparilag az ásványi nitrogénműtrágyák gyártása során. Az ilyen műtrágyákból származó nitrogént a növények ammónium és nitrát formájában szívják fel. A Fehéroroszországban előállított nitrogénműtrágyák mennyisége jelenleg mintegy 900 ezer tonna évente. A legnagyobb gyártó az OJSC GrodnoAzot. Ez a vállalkozás karbamidot, ammónium-nitrátot, ammónium-szulfátot és egyéb nitrogénműtrágyákat gyárt.
A mesterségesen bevitt nitrogén körülbelül 1/10-ét a növények használják fel. A többi a felszíni lefolyással és a talajvízzel a vízi ökoszisztémákba kerül. Ez nagy mennyiségű nitrogénvegyület felhalmozódásához vezet a vízben, amelyek a fitoplankton általi asszimilációhoz állnak rendelkezésre. Ennek eredményeként lehetséges az algák gyors szaporodása (eutrofizáció), és ennek következtében a vízi ökoszisztémák elpusztulása.
A víz körforgása
A víz a bioszféra fő alkotóeleme. A ciklus megvalósításában szinte minden elem feloldásának közege. A bioszféra vizének nagy részét a folyékony víz és az örök jég vize (a bioszféra összes vízkészletének több mint 99%-a) képviseli. A víz kis része gáz halmazállapotú - ezek légköri vízgőzök. A víz bioszféra körforgása azon alapul, hogy a Föld felszínéről való párolgását csapadék kompenzálja. A csapadék formájában a föld felszínére jutva a víz hozzájárul a sziklák pusztulásához. Ezáltal az őket alkotó ásványi anyagok elérhetővé válnak az élő szervezetek számára. A bolygó felszínéről a víz elpárolgása határozza meg geológiai körforgását. A beeső napenergia körülbelül felét fogyasztja. A tengerek és óceánok felszínéről a víz elpárolgása nagyobb ütemben megy végbe, mint a csapadékkal való visszatérése. Ezt a különbséget a felszíni és mélylefolyás kompenzálja, ami abból adódik, hogy a kontinenseken a csapadék túlsúlyban van a párolgásnál.
A szárazföldi vízpárolgás intenzitásának növekedése nagyrészt a növények élettevékenységének köszönhető. A növények vizet vonnak ki a talajból, és aktívan juttatják el a légkörbe. A növényi sejtekben lévő víz egy része a fotoszintézis során lebomlik. Ebben az esetben a hidrogén rögzítve van a formában szerves vegyületekés oxigén kerül a légkörbe.
Az állatok vizet használnak fel a szervezet ozmotikus és sóháztartásának fenntartásához, és az anyagcseretermékekkel együtt a külső környezetbe juttatják.
A szén körforgása
szénszerű kémiai elem szén-dioxid formájában jelen van a légkörben. Ez határozza meg az élő szervezetek kötelező részvételét ennek az elemnek a Föld bolygón történő keringésében. A szén fő útvonala szervetlen vegyületekátjut a szerves anyagok összetételébe, ahol kötelező kémiai elem - ez a fotoszintézis folyamata. A szén egy része szén-dioxid formájában kerül a légkörbe az élő szervezetek légzése során, illetve az elhalt szerves anyagok baktériumok általi lebontása során. A növények által felvett szenet az állatok elfogyasztják. Ezenkívül a korallpolipok és puhatestűek szénvegyületeket használnak vázképződmények és kagylók felépítéséhez. Haláluk és leülepedésük után a fenéken mészkőlerakódások képződnek. Így a szén kizárható a körforgásból. A szén körforgásból való hosszú távú eltávolítását ásványi anyagok képződésével érik el: szén, olaj, tőzeg.
Bolygónk egész fennállása alatt a körforgásból eltávolított szenet a légkörbe kerülő szén-dioxid kompenzálta. vulkánkitörésekés más közben természetes folyamatok. Jelenleg jelentős antropogén hatás. Például szénhidrogén üzemanyagok elégetésekor. Ez megzavarja a több évszázados szabályozott szénciklust a Földön.
A szén-dioxid-koncentráció egy évszázad alatti mindössze 0,01%-os növekedése az üvegházhatás észrevehető megnyilvánulásához vezetett. A bolygó éves középhőmérséklete 0,5 °C-kal emelkedett, a Világóceán szintje pedig közel 15 cm-t.A tudósok szerint, ha az éves átlaghőmérséklet további 3-4 °C-kal emelkedik, az örök jég olvadni kezdenek. Ezzel párhuzamosan a Világóceán szintje 50-60 cm-rel emelkedik, ami a szárazföld jelentős részének elöntéséhez vezet. Globálisnak tekintik ökológiai katasztrófa, elvégre a világ lakosságának körülbelül 40%-a él ezeken a területeken.
Oxigén ciklus
A bioszféra működésében az oxigén rendkívül fontos szerepet játszik az élő szervezetek anyagcsere-folyamataiban és légzésében. A légzési, tüzelőanyag-égési és bomlási folyamatok következtében a légkör oxigéntartalmának csökkenését a növények által a fotoszintézis során felszabaduló oxigén kompenzálja.
Az oxigén a Föld elsődleges légkörében keletkezett, miközben lehűlt. Nagy reakcióképessége miatt gáz halmazállapotból különböző szervetlen vegyületek (karbonátok, szulfátok, vas-oxidok stb.) összetételébe került. A bolygó mai oxigéntartalmú légköre kizárólag az élő szervezetek által végzett fotoszintézisnek köszönhető. A légkör oxigéntartalma már régóta a jelenlegi értékére emelkedik. Mennyiségének állandó szinten tartása jelenleg csak a fotoszintetikus szervezeteknek köszönhetően lehetséges.
Sajnos az elmúlt évtizedekben az emberi tevékenység, ami erdőirtáshoz, talajerózióhoz vezet, csökkenti a fotoszintézis intenzitását. Ez pedig a Föld nagy területein megzavarja az oxigénciklus természetes lefolyását.
A légköri oxigén kis része részt vesz az ózonréteg kialakulásában és megsemmisítésében a Nap ultraibolya sugárzása hatására.
Az anyagok biogén körforgásának alapja a napenergia. A bioszféra fenntartható létének fő feltétele a biogeocenózisokban az anyagok állandó keringése és az energiaáramlás. A nitrogén, szén és oxigén körforgásában az élő szervezeteké a főszerep. A bioszférában zajló globális vízciklus alapját fizikai folyamatok adják.
Az anyagok keringése és biogeokémiai körforgása
Magyarázza el a földtani körforgás jelentését a víz körforgásának példaként való felhasználásával!
Hogyan zajlik a biológiai ciklus?
Mi az atomok biogén vándorlásának törvénye V.I. Vernadszkij?
Melyek a természeti körforgás tartalék- és cserealapjai? mi a különbség köztük?
A Föld mint élő szuperorganizmus
*A bioszféra létezéséhez és fejlődéséhez a Földnek folyamatosan biológiai körforgást kell végeznie fontos anyagok, azaz használat után ismét más élőlények számára emészthető formává kell alakulniuk. A biológiailag fontos anyagok ezen átmenete csak bizonyos energiaráfordítás mellett hajtható végre, amelynek forrása a Nap.
V. R. Williams tudós úgy véli, hogy a napenergia két anyagciklust biztosít a Földön - geológiai , vagy nagy, keringési és biológiai , kicsi, kerékpár.
Geológiai to A körforgás a legvilágosabban a víz körforgásában nyilvánul meg. A Föld évente 5,24x1024 J kisugárzott energiát kap a Naptól. Ennek körülbelül a felét a víz elpárologtatására fordítják. Ugyanakkor több víz párolog el az óceánból, mint amennyi csapadékkal visszajön. Ezzel szemben a szárazföldön több csapadék hullik, mint amennyi víz elpárolog. Feleslege folyókba és tavakba áramlik, majd onnan ismét az óceánba (egy bizonyos mennyiségű ásványi vegyület átvitele közben). Ez okozza a nagy keringést a bioszférában, azon a tényen alapszik, hogy a Föld teljes vízpárolgását a csapadék kompenzálja.
** Az élőanyag megjelenésével a geológiai körforgás alapján létrejött a szerves anyag körforgása. nyugalom, biológiai (kis) keringés.
A víz körforgása, mint a geológiai körforgás példája
(H. Penman szerint)
Az élő anyag fejlődésével folyamatosan egyre több elem válik ki a geológiai körforgásból, és lép be egy új, biológiai körforgásba. Ellentétben az ásványi anyagok egyszerű, nagy körfolyamatban történő átvitelével, mind oldatok, mind mechanikai csapadék formájában, kis körforgásban, a legfontosabb mozzanatok a szerves vegyületek szintézise és megsemmisülése. A geológiai körforgással ellentétben a biológiai ciklus elhanyagolható energiával rendelkezik. Mint ismeretes, a Földre érkező összes napenergia mindössze 0,1-0,2%-át fordítják szerves anyagok létrehozására (akár 50%-át a geológiai körforgásra). Ennek ellenére a biológiai körforgásban részt vevő energia nagyszerű munkát végez az elsődleges termékek létrehozásában.
Biológiai ciklus
Az élő anyag Földön való megjelenésével a kémiai elemek folyamatosan keringenek a bioszférában, áthaladva a külső környezetből.
élőlényekbe és vissza a környezetbe. Az anyagoknak ezt a többé-kevésbé zárt utakon való keringését nevezzük biogeokémiai ciklus.
A fő biogeokémiai ciklusok az oxigén, a szén, a víz, a nitrogén, a foszfor, a kén és más biogén elemek körei.
*** Az anyag biogén vándorlása - az elemek általános vándorlásának egyik formája a természetben. A biogén geokémiai migráció alatt az élő szervezetek növekedésében és fejlődésében részt vevő szerves és inert anyagok vándorlását kell érteni, amelyeket az utóbbiak termelnek összetett biokémiai és biogeokémiai folyamatok eredményeként. AZ ÉS. Vernadsky fogalmazott Az atomok biogén vándorlásának törvénye a következő formában:
A kémiai elemek vándorlása a bioszférában vagy az élő anyag közvetlen részvételével (biogén vándorlás), vagy olyan környezetben megy végbe, amelynek geokémiai jellemzőit (O2, CO2, H2 stb.) az élő anyag (az amely jelenleg a bioszférában él, és amely a geológiai történelem során a Földön működött).
Az ember elsősorban a bioszférát és annak élőpopulációját befolyásolja, ezáltal megváltoztatja az atomok biogén vándorlásának feltételeit, megteremtve az előfeltételeket a mélyreható kémiai változásokhoz. Így a folyamat önfejlődővé, az emberi vágytól függetlenné válhat, és globális szinten gyakorlatilag ellenőrizhetetlenné válhat.
Az anyag bolygókeringése szempontjából a legfontosabbak a talaj-táj, a hidroszféra és a mély (belföld) körfolyamatok. Az elsőben kémiai elemek kinyerését kőzetekből, vízből, levegőből, szerves anyagok lebontását, különféle szerves és szerves-ásványi vegyületek abszorpcióját és szintézisét végzik. A hidroszféra körforgásában vezető szerepet eljátssza a víz összetételét és az élő szervezetek biológiai aktivitását. Az anyag biotermelése itt a fito- és zooplankton domináns részvételével történik. A biogén vándorlás mély ciklusában a legfontosabb szerep az anaerob mikroorganizmusok tevékenysége.
**** A Föld különböző héjain lezajló folyamatok dinamikus egyensúlyi állapotban vannak, és ezek bármelyikének változása a néha visszafordíthatatlan jelenségek végtelen láncolatát vonja maga után. Minden természetes ciklusban tanácsos különbséget tenni két rész vagy két "alap" között:
tartalékalap- lassan mozgó, többnyire szervetlen természetű anyagok nagy tömege;
Mobil, vagy csere, alap- kisebb, de aktívabb, amelyet az élőlények és a környezet közötti gyors csere jellemez.
A cserealap azon anyagok rovására jön létre, amelyek vagy az elsődleges kiválasztás (a lat. excretumból - az állatok által kiürített) következtében, vagy a törmelék mikroorganizmusok általi lebontása során visszatérnek a keringésbe.
Ha a bioszférát mint egészet tartjuk szem előtt, akkor a biogeokémiai ciklusok két fő típusra oszthatók:
gáznemű anyagok tartalékalappal történő keringése a légkörben vagy a hidroszférában;
üledékes ciklus tartalékalappal a földkéregben.
^ AZ ANYAGOK BIOLÓGIAI CIKLUSA A TERMÉSZETBEN
Az anyagok biológiai körforgásának általános fogalma
Az anyagok biológiai körforgása, mint a Föld bolygó fejlődési formája
Az anyagok biogeokémiai körforgásának elemei a természetben
A biogeokémiai ciklus paraméterei a szárazföldön
Biológiai körforgás és talajképződés
^ ÁLTALÁNOS FOGALOM
Az anyagok biológiai körforgása olyan folyamatok összessége, amelyek során a kémiai elemek a talajból és a légkörből az élő szervezetekbe jutnak, új összetett vegyületek biokémiai szintézise, valamint az elemek visszatérése a talajba és a légkörbe, a levegő egy részének éves csökkenésével. szerves anyag. Az anyagok biológiai körforgása nem teljesen kiegyenlített zárt körforgás, ezért lefolyása során a talaj humusszal és nitrogénnel, ásványi tápanyagokkal (ún. biogén elemekkel) gazdagodik, ami kedvező alapot teremt a növény létéhez. organizmusok.
Az anyagok biológiai körforgásában lezajló folyamatok biológiai, biokémiai és geokémiai jelentőségét először V. V. Dokucsajev mutatta meg, aki megalkotta a természetes zónák doktrínáját. Továbbá V. I. Vernadsky, B. B. Polynov, D. N. Pryanishnikov, V. N. Sukachev, N. P. Remezov, L. E. Rodin, N. I. Bazilevich, V. A. Kovda és más kutatók munkáiból kiderült.
nemzetközi unió biológiai tudományok(Nemzetközi Biológiai Tudományok Szövetsége) széles körű kutatási programot hajtott végre a szárazföldi és vízi biogeocenózisok biológiai termelékenységével kapcsolatban. E tanulmányok irányítására létrehozták a Nemzetközi Biológiai Programot. A modern irodalomban használt kifejezések és fogalmak egységesítése érdekében a Nemzetközi Bioprogram bizonyos munkát. Mielőtt elkezdenénk tanulmányozni az anyagok természetes biológiai ciklusait, szükséges magyarázatot adni a leggyakrabban használt kifejezésekre.
Biomassza -élő anyag tömege halmozódott fel jelen pillanat idő.
^ növényi biomassza (szinonimája - fitomassza) - élő és holtak tömege, de anatómiai szerkezetüket mindaddig megőrizve a növényközösségek szervezetei bármely területen.
^ A biomassza szerkezete - a föld alatti és föld feletti növényi részek, valamint az egynyári és évelő, fotoszintetikus és nem fotoszintetikus növényrészek aránya.
Rongyok - a növény elhalt részei, amelyek megőrizték a mechanikai kapcsolatot a növénnyel.
^ ősz - a felszín alatti és föld alatti részeken elpusztult növények szervesanyag-mennyisége egységnyi területre vetítve.
alom - a növényi maradványok évelő lerakódásainak tömege változó mértékben mineralizáció.
Növekedés - egy élőlény vagy élőlényközösség egységnyi területen, egységnyi idő alatt felhalmozódott tömege.
^ Valódi növekedés - a növekedési ütem és az egységnyi területre jutó alommennyiség aránya.
Elsődleges termelés - az autotrófok (zöld növények) által létrehozott élőanyag tömege területegységenként egységnyi idő alatt.
^ másodlagos termelés - a heterotrófok által létrehozott szerves anyag tömege területegységenként egységnyi idő alatt.
Biológiai ciklus kapacitás - az érett biocenózis (fitocenózis) tömegének részét képező kémiai elemek száma.
A biológiai ciklus intenzitása - a fitocenózis növekedésében szereplő kémiai elemek száma egységnyi területen, egységnyi idő alatt.
A biológiai keringés sebessége az az időtartam, amely alatt egy elemet az élő anyag felszívódásától az élő anyag összetételéből való kilépésig tart. Jelzett atomok segítségével határozzuk meg.
L. E. Rodin, N. I. Bazilevich (1965) szerint az elemek biológiai körforgásának teljes ciklusa a következő összetevőkből tevődik össze.
Felszívódás a növények asszimiláló felületén a szén atmoszférájából, a gyökérrendszerek pedig a talajból - nitrogén, hamuelemek és víz, ezek megkötése a növényi szervezetek testében, elhalt növényekkel vagy azok részeivel a talajba jutás, a talajból való felszívódás alom és a bennük lévő elemek felszabadítása.
A növényi részeknek az azokkal táplálkozó állatok általi elidegenítése, az állatok testében történő átalakulása új szerves vegyületekké és egy részük rögzítése az állati szervezetekben, majd az állati ürülékkel vagy holttestükkel a talajba kerülése, mindkettő lebontása és a bennük lévő elemek felszabadulása.
Gázcsere az asszimiláló növényfelület és a légkör, a gyökérrendszer és a talajlevegő között.
A növények föld feletti szervei és különösen egyes elemek gyökérrendszere által közvetlenül a talajba történő intravitális kiválasztódás.
^ AZ ANYAGOK BIOLÓGIAI CIKLUSA MINT A FÖLD BOLYGÓ FEJLŐDÉSI FORMÁJA
A bioszféra szerkezete a legáltalánosabb formájában két fő részből áll elsőrangú természetes komplexum - kontinentális és óceáni. A növények, állatok és a talajtakaró komplex globális ökológiai rendszert alkotnak a szárazföldön. A napenergia, a légköri szén, a nedvesség, az oxigén, a hidrogén, a nitrogén, a foszfor, a kén, a kalcium és más biofil elemek megkötésével és újraelosztásával ez a rendszer biomasszát képez és szabad oxigént termel.
A vízinövények és az óceán egy másik globális ökológiai rendszert alkotnak, amely ugyanazokat a funkciókat látja el, mint a napenergia, a szén, a nitrogén, a foszfor és más biofilek megkötése a bolygón a fitobiomassza képződése és az oxigén légkörbe való kibocsátása révén.
A kozmikus energia felhalmozódásának és újraelosztásának három formája van a bioszférában. ^ Az első lényege az egyik az, hogy a növényi szervezetek, valamint a táplálékláncokon, valamint a rokon állatokon és baktériumokon keresztül számos vegyületet tartalmaznak szöveteikben. Ezek a vegyületek H 2, O 2, N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Al, Mn és egyéb biofil anyagokat, sok nyomelemet (I, Co, Cu, Zn stb.) tartalmaznak. Ebben az esetben a könnyű izotópokat (C, H, O, N, S) a nehezebbek közül választják ki. In vivo és posztumusz a szárazföldön, vízen és levegőben élő élőlények a környezettel folyamatos csere állapotában az ásványi és szerves vegyületek széles és változatos skáláját észlelik és bocsátják ki. Az élőlények és a környezet in vivo anyagcseretermékeinek (metabolitok) össztömege és térfogata többszörösen meghaladja az élőanyag biomasszáját.
^ Második forma a Nap kozmikus energiájának felhalmozódása, megtartása és újraelosztása a bolygón a bioszférájában a víztömegek felmelegedése, a gőzök képződése és kondenzációja, a csapadék, valamint a felszíni és talajvíz mozgása a lejtőn a táplálkozási területekről. párolgási területekre. A levegő és a víz egyenetlen melegítése a víz bolygómozgását okozza és légtömegek, a sűrűség- és nyomásgradiensek kialakulása, az óceáni áramlatok és a légköri keringés grandiózus folyamatai.
Az erózió, a kémiai denudáció, a mechanikai és kémiai üledékek szárazföldi és óceáni felhalmozódása, szállítása, újraeloszlása, ülepedése és felhalmozódása ezen energia átvitelének és átalakításának harmadik formája.
Ez a három bolygófolyamat szorosan összefonódik; általános földciklust és lokális anyagciklusok rendszerét alkotva. Így a bolygó biológiai történetének több milliárd éve során a természetben nagy biogeokémiai körforgás és a kémiai elemek differenciálódása alakult ki. Ők hozták létre a modern bioszférát, és képezik normális működésének alapját.
^ AZ ANYAGOK BIOGEOKÉMIAI CIKLUSÁNAK ELEMEI A TERMÉSZETBEN
Az anyagok biogeokémiai körforgásának elemei a következő komponensek.
Rendszeresen ismétlődő vagy folyamatosan zajló energiabeáramlási folyamatok, új vegyületek képződése és szintézise.
Az energia átvitelének vagy újraelosztásának állandó vagy időszakos folyamatai, valamint a szintetizált vegyületek eltávolítási és irányított mozgási folyamatai fizikai, kémiai és biológiai tényezők hatására.
A szekvenciális átalakulás irányított ritmikus vagy periodikus folyamatai: a korábban szintetizált vegyületek lebomlása, megsemmisülése biogén vagy abiogén környezeti hatások hatására.
A természetben az anyagok biológiai ciklusai és abiogén ciklusai egyaránt előfordulnak.
^ Biológiai ciklusok - feltételes minden szinten az élőlények létfontosságú tevékenysége (táplálkozás, táplálkozási kapcsolatok, szaporodás, növekedés, anyagcseretermékek mozgása, halálozás, bomlás, mineralizáció).
^ Abiogén ciklusok - sokkal korábban keletkeztek a bolygón, mint a biogének. Magában foglalja a geológiai, geokémiai, hidrológiai és légköri folyamatok teljes komplexumát.
A bolygó prebiogén korszakában a geológiai, hidrológiai, geokémiai és légköri ciklusokban a víz és a levegő vándorlása, felhalmozódása játszott meghatározó szerepet. A fejlett bioszféra körülményei között az anyagok keringését biológiai, geológiai és geokémiai tényezők együttes hatása irányítja. A köztük lévő arány eltérő lehet, de a cselekvésnek közösnek kell lennie! Ebben az értelemben használják a kifejezéseket - anyagok biogeokémiai körforgása, biogeokémiai ciklusok.
A zavartalan biogeokémiai ciklusok szinte kör alakúak, szinte zártak. A természetben a ciklusok ismétlődő reprodukciójának mértéke nagyon magas, és V. A. Kovda szerint valószínűleg eléri a 90-98%-ot. Ez fenntartja a körforgásban részt vevő komponensek összetételének, mennyiségének és koncentrációjának bizonyos állandóságát és egyensúlyát, valamint az élőlények és a környezet genetikai és fiziológiai alkalmasságát, harmóniáját. De a biogeokémiai körfolyamatok geológiai idõben történõ tökéletlen lezárása az elemek és vegyületeik térben és különbözõ környezetekben való vándorlásához, differenciálódásához, az elemek koncentrációjához vagy szétszóródásához vezet. Ezért figyeljük meg a nitrogén és oxigén biogén felhalmozódását a légkörben, a szénvegyületek biogén és kemogén felhalmozódását a földkéregben (olaj, szén, mészkövek).
^ A BIOGEOKÉMIAI CIKLUS PARAMÉTEREI A FÖLDÖN
A természetben zajló biogeokémiai ciklusok tanulmányozásának kötelező paraméterei a következő mutatók.
Biomassza és tényleges növekedése (fito-, állat-, mikrobiális tömeg külön-külön).
Szerves hulladék (mennyiség, összetétel).
Talaj szervesanyag (humusz, le nem bomlott szerves maradványok).
Talajok, vizek, levegő, csapadék, biomassza frakciók elemi anyagösszetétele.
Biogén energia földi és földalatti tartalékai.
élő metabolitok.
Fajszám, abundancia, összetétel.
A fajok élettartama, a populációk és a talajok dinamikája és életritmusa.
A környezet ökológiai és meteorológiai feltételei: az emberi beavatkozás háttere és értékelése.
A vízgyűjtő megfigyelőpontjainak lefedettsége, lejtők, teraszok, folyóvölgyek, tavak.
A szennyező anyagok száma, kémiai, fizikai, biológiai tulajdonságait(különösen CO, CO 2, SO 2, P, NO 3, NH 3 Hg, Pb, Cd, H 2 S, szénhidrogének).
1. A biomassza (föld feletti, földalatti, fito-, állatkerti, mikrobiális) hamuanyag-, szén- és nitrogéntartalma. Ezen elemek tartalma %-ban vagy g/m2, t/ha felületben fejezhető ki. Az élőanyag tömeg szerinti fő alkotóelemei az O (65-70%) és a H (10%). Az összes többi 30-35%-ot tesz ki: C, N, Ca (1-10%); S, P, K, Si (0,1-1%); Fe, Na, Cl, Al, Mg (0,01-0,1%).
A fitomassza kémiai összetétele nagyon változó. Különösen eltérő a tűlevelű és lombhullató erdők, a lágyszárú növényzet és a halofiták fitomassza összetétele (13. táblázat).
13. táblázat – Ásványi összetétel különféle csoportok sushi növények
| növényzet típusa | Hamutartalom, % | Ásvány éves forgalma Összetevők, kg/ha | Domináns komponensek |
| tűlevelű erdők | 3-7 | 100-300 | Si, Ca, P, Mg, K |
| Lombhullató erdők | 5-10 | 460-850 | Ca, K, P, Al, Si |
| Esőerdők | 3-4 | 1000-2000 | Ca, K, Mg, Al |
| Rétek, sztyeppék | 5-7 | 800-1200 | Si, Ca, K, S, P |
| halofita közösségek | 20-45 | 500-1000 | Cl, SO 4, Na, Mg, K |
Egy adott kémiai elem egyéni jelentőségét a biológiai abszorpciós együttható (BFA) becsüli meg. Kiszámítása a következő képlettel történik:
1966-ban V. A. Kovda a teljes szénciklus átlagos időtartamának jellemzésére javasolta a regisztrált fitobimassza és a fitomassza éves fotoszintetikus növekedésének arányát. Ez az együttható jellemzi a teljes szintézis ciklus átlagos időtartamát - a biomassza mineralizációját egy adott területen (vagy a szárazföld egészén). A számítások azt mutatták, hogy a föld egészére nézve ez a ciklus 300-400, de legfeljebb 1000 éves periódusba illeszkedik. Ennek megfelelően ezzel az átlagos sebességgel megtörténik a biomasszában megkötött ásványi vegyületek felszabadulása, a talajban a humusz képződése és mineralizációja.
A bioszféra élőanyagában található ásványi komponensek biogeokémiai jelentőségének általános felmérésére V. A. Kovda azt javasolta, hogy a biomassza ásványianyag-készletét, a növekedéssel és alommal évente keringésbe kerülő ásványi anyagok mennyiségét hasonlítsák össze a folyók éves vegyi áramlása. Kiderült, hogy ezek az értékek közel állnak: 10 8-9 hamuanyag vesz részt a növekedésben és az esésben, és 10 9 - a folyók éves kémiai áramlásában.
BGHK index \u003d S b / S X,
ahol S b - az elemek összege (vagy egy elem mennyisége) a biomassza éves növekedésében; S x - ugyanazon elemek (vagy egy elem) összege, amelyet az adott vízgyűjtő (vagy medencerész) folyóinak vizei hordoznak.
Kiderült, hogy a biogeokémiai körfolyamat mutatói nagymértékben változnak különböző éghajlati viszonyok között, különböző növénytársulások takarásában, eltérő természetes vízelvezetési feltételek mellett.
4. N. I. Bazilevich, L. E. Rodin (1964) javasolta az alombomlás intenzitását és az alommegőrzés időtartamát jellemző együttható kiszámítását egy adott biogeocenózis körülményei között:
N. I. Bazilevich és L. E. Rodin szerint a fitomassza bomlásának intenzitási mutatói a legmagasabbak az északi tundrában és mocsarakban, és a legalacsonyabbak (körülbelül 1-gyel) - a sztyeppéken és a félsivatagokban.
5. B. B. Polynov (1936) a vízvándorlás indexének kiszámítását javasolta:
IVM \u003d X H2O / X zk,
ahol az IWM a vízvándorlás indexe; X H2O - az elem mennyisége az elpárolgott folyami vagy talajvíz ásványi maradékában; X zk - ugyanazon elem tartalma a földkéregben vagy kőzetben.
A vízvándorlási indexek számítása azt mutatta, hogy a bioszférában a legmobilabb migránsok a Cl, S, B, Br, I, Ca, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo. A legpasszívabbak ebből a szempontból: Si, K, P, Ba, Mn, Rb, Cu, Ni, Co, As, Li, Al, Fe.
^ BIOLÓGIAI CIKLUS ÉS TALAJKÉPZÉS
A geológiai és paleobotanikai adatok lehetővé tették V. A. Kovdának általánosságban bemutatni mérföldkövek talajképző folyamat alakulása a növények és a növényzet fejlődéstörténetével összefüggésben (1973). A talajképző folyamat kezdete a Földön a legkedvezőtlenebb hidrotermális körülmények között önálló létezésre képes autotróf baktériumok megjelenésével függ össze. Ez a kezdeti hatás alacsonyabb rendű szervezetek a földkéreg szikláin V. R. Williams elsődleges talajképző folyamatnak nevezte. Az autotróf baktériumok, amelyeket S. N. Vinogradov fedezett fel a 19. század végén, a legegyszerűbb egysejtű szervezetek, mintegy száz fajuk van. Nagyon gyorsan képesek szaporodni: 1 egyed a nap folyamán élőlények billióit adhatja. A modern autotrófok közé tartoznak a kénbaktériumok, vasbaktériumok stb., amelyek rendkívül fontos szerepet játszanak a talajon belüli folyamatokban. Úgy tűnik, hogy az autotróf baktériumok megjelenése a prekambrium idejére nyúlik vissza.
Így a szerves anyag első szintézise és a földkéregben a C, S, N, Fe, Mn, O 2, H 2 biológiai ciklusok az ásványi vegyületek oxigénjét használó autotróf baktériumok tevékenységéhez kapcsolódnak. A talajképző folyamat kialakulásában elképzelhető, hogy az autotróf baktériumok mellett a nem sejtes életformák, például vírusok és bakteriofágok is szerepet játszottak. Természetesen ez nem talajképző folyamat volt modern forma, mivel nem voltak gyökérnövények, nem halmozódtak fel huminvegyületek és nem volt biogén mechanizmus sem. És úgy tűnik, helyesebb a kőzetek elsődleges biogeokémiai mállásáról beszélni, alacsonyabb élőlények hatására.
A prekambriumban megjelentek az egysejtű kék-zöld algák. A többsejtű algák a szilur és a devon korszakból terjedtek - zöld, barna, bíbor. Bonyolultabbá, felgyorsult a talajképző folyamat, észrevehető mennyiségben beindult a szerves anyagok szintézise, az O, H, N, S és egyéb tápanyagok kis biológiai körforgása bővült. Úgy tűnik, V.A. Kovd, a talajképző folyamatot ezekben a szakaszokban a biogén finomföld felhalmozódása kísérte. A kezdeti talajképződés szakasza nagyon hosszú volt, és a szerves anyagokban dúsított biogén finomföld lassú, de folyamatos felhalmozódása és a biológiai körforgásban részt vevő elemek: H, O, C, N, P, S, Ca, K, Fe, Si, Al. Ebben a szakaszban már megtörténhetett a másodlagos ásványok biogén szintézise: alumínium-szilikátok és ferriszilikátok, foszfátok, szulfátok, karbonátok, nitrátok, kvarc, és a talajképződés a sekély vizű területekre korlátozódott. A szárazföldön sziklás és mocsaras jellege volt.
A kambriumban megjelentek a pszilofiták is - alulméretezett cserje típusú növények, amelyeknek még gyökerei sem voltak. Némi elterjedést kaptak a szilurban és jelentős fejlődést a devonban. Ugyanakkor megjelennek a zsurló és a páfrányok - a nedves alföld lakói. Így a talajképző folyamat egy viszonylag fejlett formája a szilur és devon korszakkal kezdődött, i.e. körülbelül 300-400 millió évvel ezelőtt. Szepes folyamat azonban nem volt megfigyelhető, mivel nem volt füves növényzet. A páfrányok és a klubmohák hamutartalma nem magas (4-6%), a zsurló jóval magasabb (20%). A hamu összetételében a K (30%), Si (28%) és C1 (10%) dominált. A gombás mikroflóra hozzájárult a P és K részvételéhez a biológiai ciklusban, és a zuzmók - Ca, Fe, Si. Valószínű savanyú talajok (kaolinit allit, bauxit) és vasvegyületekben dúsított hidromorf talajok kialakulása.
Kifejlett talajképző folyamat láthatóan csak a paleozoikum végén öltött testet (karbon, perm). A tudósok ennek az időnek tulajdonítják a folyamatos növénytakaró megjelenését a szárazföldön. A páfrányok mellett megjelentek a klubmohák, a zsurlófélék, a gymnospermek. Az erdők és mocsarak tájai uralkodtak, a klímazónák a meleg trópusi és szubtrópusi dominanciája hátterében alakultak ki. Ebből következően ebben az időszakban a mocsári és erdei trópusi talajképző folyamatok érvényesültek.
Ez a rendszer a perm korszak közepéig tartott, amikor az éghajlat fokozatosan hideg és száraz lett. A szárazság és a hideg hozzájárult további fejlődés zónázás. Ebben az időszakban (a perm második felében, triászban) terjedtek ki széles körben a tornatermős tűlevelűek. A magas szélességi körökben ekkoriban savas podzolos talajok képződtek; Alacsony hamutartalom (kb. 4%), elhanyagolható Cl, Na tartalom, magas Si (16%), Ca (2%), S (6%), K (6,5%) tartalma a tűk hamujában a biológiai körforgásban és a talajképzésben való részvétel bővülése a Ca, S, P szerepe és a Si, K, Na, C1 szerepének csökkenése.
A jurában a kovamoszat, az azt követő kréta időszakban pedig zárvatermő virágzó növények jelennek meg. A kréta kor közepe óta a keményfák - juhar, tölgy, nyír, fűz, eukaliptusz, dió, bükk, gyertyán - terjedtek el. Lombkorona alatt a podzolképző folyamat gyengülni kezd, mivel ezeknek a növényeknek az alma nagy arányban tartalmaz Ca-t, Mg-t és K-t.
A harmadidőszakban a trópusi növényvilág uralkodott a földkerekségen: pálmafák, magnóliák, sequoia, bükk, gesztenye. Az erdők keringésében részt vevő anyagok ásványi összetételét a Ca, Mg, K, P, S, Si és Al jelentős hozzájárulása jellemezte. Így a lágyszárú növényzet megjelenésének és fejlődésének ökológiai feltételei megteremtődtek: a talajok és kőzetek savasságának csökkenése, a tápanyagok felhalmozódása.
A talajképző folyamatok jellegének megváltoztatásában nagy alapvető jelentőségű volt a fás szárú és lágyszárú vegetáció dominanciájának megváltozása. A fák erőteljes gyökérrendszere jelentős mennyiségű ásványi anyagot vont be a biológiai körforgásba, mozgósítva azokat a lágyszárú növényzet későbbi megtelepedéséhez. A lágyszárú vegetáció rövid élettartama és a gyökértömegek koncentrációja a talaj legfelső rétegeiben, a fű takarásában az ásványi anyagok biológiai körforgásának térbeli koncentrációját biztosítja a horizontok egy kevésbé erős rétegében, a hamutápanyag felhalmozódásával. elemek bennük. Így a kréta 2. felétől, a harmadidőszakban és különösen a negyedidőszakban a lágyszárú vegetáció dominanciája hatására terjedt el a talajképződés szikes folyamata.
Így az élő anyag és a biológiai körforgás szerepe a Föld geológiai történetében és a talajképző folyamat fejlődésében folyamatosan nőtt. De a talajképződés fokozatosan az anyagok biológiai körforgásának egyik fő láncszemévé vált.
A talaj biztosítja a nagy geológiai és kis biológiai anyagciklusok állandó kölcsönhatását a földfelszínen. A talaj a két globális anyagciklus kölcsönhatásának összekötője és szabályozója.
Talaj - magában foglalja a szerves anyagokat és a hozzá kapcsolódó kémiai energiát, kémiai elemeket, ezáltal szabályozza az anyagok biológiai körforgásának sebességét.
A talaj, amely képes dinamikusan reprodukálni termőképességét, szabályozza a bioszféra folyamatait. A földi élet sűrűségét az éghajlati tényezőkkel együtt nagymértékben meghatározza a talaj földrajzi heterogenitása.
Az anyagok körforgása a természetben a legfontosabb ökológiai fogalom.
ábrán a biológiai ciklust az energiaáramlás egyszerűsített diagramjával kombinálva mutatjuk be. Az anyagok részt vesznek a keringésben, az energiaáramlás pedig egyirányú a napenergiát kémiai kötések energiájává alakító növényektől az ezt az energiát hasznosító állatok felé, illetve a szerves anyagokat elpusztító mikroorganizmusok felé.
Az energia egyirányú áramlása beindítja az anyagok keringését. Minden egyes kémiai elem, amely körforgást végez az ökoszisztémában, felváltva átmegy szerves formából szervetlenbe, és fordítva.
Rizs. 1. A biogén elemek energiaáramlása és keringése a bioszférában
Fotoszintézis- szerves anyagok (glükóz, keményítő, cellulóz stb.) előállítása szén-dioxidból és vízből klorofill részvételével napenergia hatására:
6CO 2 + 12H 2 O + hν (673 kcal) \u003d C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
A fotoszintézis az a folyamat, amely során a fotoszintetikus organizmusok felfogják a napenergiát, és azt biomassza energiává alakítják.
A növényvilág minden évben 10-szer annyi szabad energiát raktároz el, mint amennyit a Föld teljes lakossága évente elfogyaszt. Maguk az ásványok (szén, olaj és földgáz) szintén a több millió évvel ezelőtt lezajlott fotoszintézis termékei.
A fotoszintézis évente 200 milliárd tonna szén-dioxidot nyel el, és akár 320 milliárd tonna oxigént is felszabadít. A légkör összes szén-dioxidja 6-7 év alatt áthalad az élő anyagokon.
A bioszférában is végbemennek a szerves anyagok lebomlásának folyamatai a legegyszerűbb molekulákká: CO 2, H 2 O, NH 3. A szerves vegyületek lebomlása állati szervezetekben, növényekben légzés közben CO 2 és H 2 O képződésével történik.
A szerves anyagok mineralizációja, az elhalt szerves anyagok egyszerű szervetlen vegyületekké történő bomlása mikroorganizmusok hatására megy végbe.
A bioszférában a szerves anyagok keletkezésének és pusztulásának ellentétes folyamatai egyetlen biológiai atomciklust alkotnak. A szerves vegyületek mineralizációja során felszabadul a fotoszintézis során elnyelt energia. Hőként és kémiai energiaként is felszabadul.
Biológiai ciklusA kémiai elemek élő szervezetekbe való bejutását, új komplex vegyületek bioszintézisét, valamint az elemek talajba, légkörbe és hidroszférába történő visszajutását szolgáló folyamatok összessége.
A biológiai ciklus (BIC) intenzitását a környezeti hőmérséklet és a víz mennyisége határozza meg. A biológiai ciklus intenzívebben megy végbe a trópusi esőerdőkben, mint a tundrában.
Az anyagok biológiai körforgásának legfontosabb eredménye a humuszos talajhorizont kialakulása a szárazföldön.
A biológiai ciklust a következő mutatók jellemzik.
Biomassza - egy adott időpontban felhalmozott élőanyag tömege (fito-, zoo-, mikrobiomassza).
növényi biomassza(fitomassza) - élő és elhalt növényi szervezetek tömege.
ősz - az elpusztult növények szervesanyag-mennyisége egységnyi területre vetítve.
Növekedés- egységnyi területen, időegység alatt felhalmozott biomassza.
A növények kémiai összetétele két fő tényezőtől függ:
1) ökológiai, - a növények növekedésének körülményei, - a környezet elemtartalmának szintjei, a növények számára elérhető jelenléti formák, beleértve a mobilokat is;
2) genetikai, a növényfaj eredetének sajátosságaival összefüggésben.
Környezetszennyezés esetén az elemek koncentrációját a növényekben az első tényező határozza meg. Mindkét tényező fontos a háttér (bolygatatlan) tájakon.
A környezet kémiai tényezőjére (a kémiai elemek tartalmára) való reakciótól függően 2 növénycsoportot lehet megkülönböztetni:
1) adaptált a kémiai elemek koncentrációjának változásaira;
2) nem adaptált a kémiai elemek koncentrációjának változásaira.
A környezet kémiai elemek koncentrációjának változása a nem adaptált növényekben betegségekhez vezető élettani zavarokat okoz; a növények fejlődése gátolt, a fajok kihalnak.
Egyes növényfajok jól alkalmazkodnak ahhoz, hogy elviseljék az elemek nagy koncentrációját. Ezek olyan vadon termő növények, amelyek az adott területen hosszú ideig növekszenek, amelyek a természetes szelekció eredményeként ellenállóvá válnak a kedvezőtlen környezeti feltételekkel szemben.
A kémiai elemeket koncentráló növényeket koncentrátoroknak nevezzük. Például: napraforgó, burgonya káliumkoncentrátum, tea - alumínium, moha - vas. Az aranyat az üröm, a zsurló, a kukorica és a tölgy halmozzák fel.
A kiemelkedő orosz tudós akadémikus V.I. Vernadszkij.
Bioszféra- a Föld összetett külső héja, amely az élő szervezetek összességét és a bolygó anyagának azt a részét tartalmazza, amely ezekkel a szervezetekkel folyamatos cserefolyamatban van. Ez a Föld egyik legfontosabb geoszférája, amely az embert körülvevő természeti környezet fő alkotóeleme.
A Föld koncentrikus elemekből áll kagylók(geoszférák) belső és külső egyaránt. A belsőek a mag és a köpeny, a külsők pedig: litoszféra - a Föld kőhéja, beleértve a földkérget (1. ábra), vastagsága 6 km (óceán alatt) 80 km (hegyi rendszerek); hidroszféra - a Föld vízhéja; légkör- a Föld gáznemű burka, amely különféle gázok, vízgőz és por keverékéből áll.
10-50 km magasságban van egy ózonréteg, amelynek maximális koncentrációja 20-25 km magasságban védi a Földet a túlzott ultraibolya sugárzástól, amely végzetes a szervezet számára. Ide tartozik a bioszféra is (a külső geoszférákhoz).
Bioszféra - a Föld külső héja, amely magában foglalja a légkör egy részét 25-30 km magasságig (ózonrétegig), szinte a teljes hidroszférát, ill. felső rész litoszféra körülbelül 3 km mélységig
Rizs. 1. A földkéreg felépítésének vázlata
(2. ábra). Ezen részek sajátossága, hogy a bolygó élő anyagát alkotó élőlények lakják őket. Kölcsönhatás a bioszféra abiotikus része- levegő, víz, kőzetek és szerves anyagok - élővilág talajok és üledékes kőzetek kialakulásához vezetett.
Rizs. 2. A bioszféra szerkezete és a fő szerkezeti egységek által elfoglalt felületek aránya
Az anyagok körforgása a bioszférában és az ökoszisztémákban
Mindez elérhető az élő szervezetek számára kémiai vegyületek korlátozott a bioszférában. Az emészthető kimeríthetősége vegyi anyagok gyakran gátolja bizonyos élőlénycsoportok fejlődését a szárazföld vagy az óceán helyi területein. Az akadémikus V.R. Williams szerint a végtelen véges tulajdonságait csak úgy adhatjuk meg, hogy zárt görbe mentén forog. Következésképpen a bioszféra stabilitása az anyagok keringésének és az energiaáramlásoknak köszönhetően megmarad. Elérhető két fő anyagciklus: nagy - geológiai és kis - biogeokémiai.
Nagy geológiai körforgás(3. ábra). A kristályos (magmás) kőzetek fizikai, kémiai és biológiai tényezők hatására üledékes kőzetekké alakulnak. A homok és az agyag jellegzetes üledékek, a mély kőzetek átalakulásának termékei. A csapadékképződés azonban nemcsak a már pusztulása miatt következik be meglévő fajták, hanem biogén ásványi anyagok – mikroorganizmusok vázának – szintézisével is származó természetes erőforrások- az óceánok, tengerek és tavak vizei. Laza vizes üledékek, amint a víztestek fenekén új üledékes anyagrészek választják el őket, mélybe süllyednek, új termodinamikai körülmények közé esnek (tovább magas hőmérsékletekés nyomás) vizet veszítenek, megkeményednek, üledékes kőzetekké alakulva.
A jövőben ezek a kőzetek még mélyebb horizontokba süllyednek, ahol végbemennek az új hőmérsékleti és nyomásviszonyokká való mély átalakulásuk folyamatai - a metamorfózis folyamatai.
Az endogén energiaáramlások hatására a mély kőzetek újraolvadnak, magmát képezve - az új magmás kőzetek forrását. Miután ezek a kőzetek a Föld felszínére emelkednek, az időjárási és szállítási folyamatok hatására ismét új üledékes kőzetekké alakulnak.
A nagy keringés tehát a szoláris (exogén) energia és a Föld mély (endogén) energiájának kölcsönhatásából adódik. Újraelosztja az anyagokat a bioszféra és bolygónk mélyebb horizontjai között.
Rizs. 3. Anyagok nagy (geológiai) körforgása (vékony nyilak) és a diverzitás változása a földkéregben (tömör széles nyilak - növekedés, szaggatott - a diverzitás csökkenése)
Nagy kör más néven a víz körforgása a hidroszféra, a légkör és a litoszféra között, amelyet a nap energiája hajt. A víz a víztestek és a föld felszínéről elpárolog, majd csapadék formájában visszatér a Földre. A párolgás meghaladja a csapadék mennyiségét az óceán felett, és fordítva a szárazföldön. Ezeket a különbségeket a folyók áramlása kompenzálja. A szárazföldi növényzet fontos szerepet játszik a globális vízkörforgásban. A növények átpárlása a földfelszín egyes területein az ide lehulló csapadék 80-90%-át is elérheti, és átlagosan minden éghajlati övezetek- 30% körül. A nagy körforgással ellentétben a kis anyagciklus csak a bioszférán belül történik. A nagy és a kis vízciklusok közötti kapcsolatot a 3. ábra mutatja. 4.
A bolygóléptékű ciklusok az atomok számtalan lokális ciklikus mozgásából jönnek létre, melyeket az egyes ökoszisztémák élőlényeinek létfontosságú tevékenysége vezérel, valamint azokból a mozgásokból, amelyeket táji és geológiai tényezők (felszíni és földalatti lefolyás, szélerózió, tengerfenék, vulkanizmus, hegyépítés stb.).
Rizs. 4. A víz nagy geológiai körforgása (GBC) és a víz kis biogeokémiai körforgása (MBC) kapcsolata
Ellentétben az energiával, amelyet a szervezet egyszer felhasznál, hővé alakul és elvész, a bioszférában lévő anyagok keringenek, biogeokémiai ciklusokat hozva létre. A természetben található több mint kilencven elemből az élő szervezeteknek körülbelül negyvenre van szükségük. A legfontosabb számukra nagy mennyiségben van szükség - szén, hidrogén, oxigén, nitrogén. Az elemek és anyagok körforgása önszabályozó folyamatokon keresztül valósul meg, amelyben minden komponens részt vesz. Ezek a folyamatok nem hulladékok. Létezik a bioszférában a biogeokémiai keringés globális lezárásának törvénye fejlődésének minden szakaszában működik. A bioszféra evolúciós folyamatában a biológiai komponens szerepe a biogeokémiai záródásban
akit a ciklus. Az embernek még nagyobb befolyása van a biogeokémiai körforgásra. De szerepe éppen ellenkező irányban nyilvánul meg (a keringések megnyílnak). Az anyagok biogeokémiai keringésének alapja a Nap energiája és a zöld növények klorofillja. Más legfontosabb körfolyamatok - víz, szén, nitrogén, foszfor és kén - a biogeokémiai folyamatokhoz kapcsolódnak, és hozzájárulnak ahhoz.
A víz körforgása a bioszférában
A növények a fotoszintézis során vízhidrogént használnak szerves vegyületek felépítésére, molekuláris oxigén felszabadítására. Minden élőlény légzési folyamataiban a szerves vegyületek oxidációja során ismét víz képződik. Az élet történetében a hidroszféra összes szabad vize többszörösen bomlási és neoformációs ciklusokon ment keresztül a bolygó élőanyagában. A Földön évente körülbelül 500 000 km 3 víz vesz részt a víz körforgásában. A víz körforgása és készletei az ábrán láthatók. 5 (relatív értelemben).
Az oxigén körforgása a bioszférában
A Föld egyedülálló légkörét magas szabad oxigéntartalommal a fotoszintézis folyamatának köszönheti. Az ózon képződése a légkör magas rétegeiben szorosan összefügg az oxigénciklussal. Az oxigén a vízmolekulákból szabadul fel, és lényegében a növények fotoszintetikus tevékenységének mellékterméke. Abiotikusan oxigén keletkezik a felső atmoszférában a vízgőz fotodisszociációja miatt, de ez a forrás csak ezred százaléka a fotoszintézis által biztosítottnak. A légkör oxigéntartalma és a hidroszféra között mozgékony egyensúly van. Vízben körülbelül 21-szer kevesebb.
Rizs. 6. ábra Az oxigénciklus vázlata: vastag nyilak - az oxigénellátás és -fogyasztás főbb áramlásai
A felszabaduló oxigént intenzíven felhasználják az összes aerob szervezet légzési folyamataira és különféle ásványi vegyületek oxidációjára. Ezek a folyamatok a légkörben, talajban, vízben, iszapokban és kőzetekben játszódnak le. Kimutatták, hogy az üledékes kőzetekben megkötött oxigén jelentős része fotoszintetikus eredetű. Az O cserealapja a légkörben nem több, mint a teljes fotoszintézis termelés 5%-a. Számos anaerob baktérium anaerob légzés során szerves anyagokat is oxidál, ehhez szulfátokat vagy nitrátokat használnak.
A növények által létrehozott szerves anyagok teljes lebontásához pontosan ugyanannyi oxigénre van szükség, mint amennyi a fotoszintézis során szabadult fel. A szerves anyagok üledékes kőzetekbe, szénbe és tőzegbe temetése szolgált a légkör oxigéncsere-alapjának fenntartásához. A benne található összes oxigén körülbelül 2000 év alatt teljes cikluson megy keresztül az élő szervezetekben.
Jelenleg a légköri oxigén jelentős része a közlekedés, az ipar és más antropogén tevékenység eredményeként kötődik meg. Köztudott, hogy az emberiség már most is több mint 10 milliárd tonna szabad oxigént költ el a fotoszintézis folyamatok által szállított 430-470 milliárd tonnás összmennyiségéből. Ha figyelembe vesszük, hogy a fotoszintetikus oxigénnek csak egy kis része kerül be a cserealapba, akkor az emberek tevékenysége e tekintetben riasztó méreteket ölt.
Az oxigén körforgása szorosan összefügg a szénciklussal.
A szén körforgása a bioszférában
A szén mint kémiai elem az élet alapja. Ő tud különböző utak sok más elemmel kombinálódnak, egyszerű és összetett szerves molekulákat képezve, amelyek élő sejteket alkotnak. A bolygón való eloszlást tekintve a szén a tizenegyedik helyet foglalja el (a földkéreg tömegének 0,35%-a), de az élőanyagban átlagosan a száraz biomassza 18-45%-át teszi ki.
A légkörben a szén a szén-dioxid CO 2 összetételében, kisebb mértékben a metán CH 4 összetételében szerepel. A hidroszférában a CO 2 vízben oldódik, össztartalma jóval magasabb, mint a légköré. Az óceán erőteljes pufferként szolgál a légkör CO 2 szabályozásához: a levegőben lévő koncentrációjának növekedésével a szén-dioxid vízfelvétele nő. A CO 2 molekulák egy része vízzel reagál, szénsavat képezve, amely aztán HCO 3 - és CO 2- 3 ionokká disszociál. Ezek az ionok kalcium- vagy magnéziumkationokkal reagálva karbonátokat csapnak ki. Hasonló reakciók állnak az óceán pufferrendszerének hátterében, állandó szinten tartva a víz pH-értékét.
A légkör és a hidroszféra szén-dioxidja a szénkörforgás cserealapja, ahonnan származik szárazföldi növényekés algák. A fotoszintézis minden biológiai ciklus alapja a Földön. A rögzített szén felszabadulása maguknak a fotoszintetikus szervezeteknek és az összes heterotrófnak - baktériumoknak, gombáknak, a táplálékláncban szereplő állatoknak - légzési tevékenysége során következik be, az élő vagy elhalt szerves anyagok rovására.
Rizs. 7. Szén körforgása
Különösen aktív a CO 2 visszajuttatása a talajból a légkörbe, ahol számos szervezetcsoport tevékenysége koncentrálódik, lebontják az elhalt növények és állatok maradványait, valamint a növények gyökérrendszerének légzését végzik. Ezt az integrált folyamatot "talajlégzésnek" nevezik, és jelentősen hozzájárul a levegő CO 2 cserealapjának feltöltéséhez. A szerves anyagok mineralizációs folyamataival párhuzamosan a talajban humusz képződik, egy összetett és stabil, szénben gazdag molekuláris komplexum. A talaj humusza a szárazföldi szén egyik fontos tározója.
Olyan körülmények között, ahol a pusztítók tevékenységét környezeti tényezők gátolják (például amikor a talajban és a víztestek alján anaerob rezsim lép fel), a növényzet által felhalmozott szerves anyagok nem bomlanak le, idővel kőzetekké, például szénné alakulnak, lignit, tőzeg, szapropel, olajpala és más, felhalmozott napenergiában gazdag anyagok. Feltöltik a szén tartalékalapját, hosszú időre kikapcsolva a biológiai körforgásból. A szén átmenetileg lerakódik az élő biomasszában, az elhalt alomban, az óceánban oldott szerves anyagokban stb. azonban a szén fő tartalékalapja nem élő szervezetek és nem éghető kövületek, hanem üledékes kőzetek a mészkövek és a dolomitok. Kialakulásuk az élő anyag tevékenységével is összefügg. Ezeknek a karbonátoknak a széne hosszú időre eltemetődik a Föld bélrendszerében, és csak az erózió során kerül a keringésbe, amikor a kőzetek tektonikus körfolyamatokban szabadulnak fel.
A Földön található teljes szénmennyiségnek csak egy százalékának töredéke vesz részt a biogeokémiai ciklusban. A légkör és a hidroszféra szén többszörösen áthalad az élő szervezeteken. A szárazföldi növények a levegőben 4-5 év alatt, a talajban lévő humuszban - 300-400 év alatt képesek kimeríteni készleteiket. A szén fő visszajutása a cserealapba az élő szervezetek tevékenységének köszönhető, és ennek csak kis részét (ezred százalékát) kompenzálja a vulkáni gázok részeként a Föld belsejéből történő kibocsátás.
Jelenleg a fosszilis tüzelőanyagok hatalmas készleteinek kitermelése és elégetése erőteljes tényezővé válik a szénnek a tartalékból a bioszféra cserealapjába történő átvitelében.
Nitrogén körforgása a bioszférában
Az atmoszféra és az élőanyag a Föld összes nitrogénjének kevesebb mint 2%-át tartalmazza, de ő az, aki fenntartja az életet a bolygón. A nitrogén a legfontosabb szerves molekulák – DNS, fehérjék, lipoproteinek, ATP, klorofill stb. – része. A növényi szövetekben a szénhez viszonyított aránya átlagosan 1:30. hínár I: 6. A biológiai nitrogénkör tehát szorosan összefügg a szénkörforgással is.
A légkör molekuláris nitrogénje nem áll a növények rendelkezésére, amelyek ezt az elemet csak ammóniumionok, nitrátok formájában, vagy talajból, ill. vizes oldatok. Ezért a nitrogénhiány gyakran korlátozza az elsődleges termelést - a szervezetek munkáját, amelyek a szervetlen anyagokból szerves anyagok létrehozásához kapcsolódnak. Ennek ellenére a légköri nitrogén nagymértékben részt vesz a biológiai körforgásban a speciális baktériumok (nitrogénfixálók) tevékenysége miatt.
Az ammonifikáló mikroorganizmusok is fontos szerepet játszanak a nitrogén körforgásában. A fehérjéket és más nitrogéntartalmú szerves anyagokat ammóniává bontják. Az ammónium formában a nitrogént részben a növények gyökerei veszik fel, részben pedig a nitrifikáló mikroorganizmusok elfogják, ami ellentétes egy mikroorganizmuscsoport - denitrifikátorok - funkciójával.
Rizs. 8. Nitrogén körforgás
A talajban vagy vizekben anaerob körülmények között a nitrátok oxigénjét használják fel a szerves anyagok oxidálására, energiát nyerve élettevékenységükhöz. A nitrogén molekuláris nitrogénné redukálódik. A természetben a nitrogénkötés és a denitrifikáció megközelítőleg egyensúlyban van. A nitrogén körforgás tehát túlnyomórészt a baktériumok aktivitásától függ, míg a növények e körfolyamat közbenső termékeinek felhasználásával és a biomassza termelés révén a bioszférában a nitrogén keringés nagymértékben növelésével lépnek be.
A baktériumok szerepe a nitrogénkörforgásban olyan nagy, hogy ha csak 20 fajuk pusztul el, bolygónkon megszűnik az élet.
A nitrogén nem biológiai megkötése, oxidjainak és ammóniájának talajba jutása a légköri ionizáció és a villámkisülések során csapadékkal is előfordul. A modern műtrágyaipar a természetes nitrogénkötést meghaladó mértékben köti meg a légköri nitrogént a növénytermesztés növelése érdekében.
Jelenleg az emberi tevékenység egyre inkább befolyásolja a nitrogén körforgását, főként abban az irányban, hogy a molekuláris állapotba való visszatérés folyamatain túllépje a kötött formákká való átalakulását.
Foszfor körforgása a bioszférában
Ezt az elemet, amely számos szerves anyag, köztük az ATP, DNS, RNS szintéziséhez szükséges, a növények csak ortofoszforsav-ionok (PO 3 4 +) formájában szívják fel. Mind a szárazföldön, mind pedig különösen az óceánban az elsődleges termelést korlátozó elemek közé tartozik, mivel a talajban és a vizekben kicsi a foszfor cserealapja. Ennek az elemnek a keringése a bioszféra skáláján nincs lezárva.
A szárazföldön a növények foszfátokat vonnak ki a talajból, amelyeket a bomló anyagok bocsátanak ki a bomló szerves maradványokból. Lúgos vagy savas talajban azonban a foszforvegyületek oldhatósága meredeken csökken. A foszfátok fő tartalékalapját a geológiai múltban az óceán fenekén keletkezett kőzetek tartalmazzák. A kőzetkimosódás során e tartalékok egy része a talajba kerül, és szuszpenziók és oldatok formájában kimosódik a víztestekbe. A hidroszférában a foszfátokat a fitoplankton használja fel, amelyek táplálékláncon keresztül más hidrobionokhoz jutnak el. Az óceánban azonban a foszforvegyületek többsége állatok és növények maradványaival van eltemetve az alján, amit az üledékes kőzetekkel egy nagy geológiai körforgásba való átmenet követ. A mélyben az oldott foszfátok megkötődnek a kalciummal, és foszforitokat és apatitokat képeznek. A bioszférában valójában a foszfor egyirányú áramlása van a szárazföld szikláitól az óceán mélyéig, ezért cserealapja a hidroszférában nagyon korlátozott.
Rizs. 9. Foszfor körforgása
A foszforitok és apatitok földi lerakódásait a műtrágyák előállításához használják fel. A foszfor édesvízbe jutása az egyik fő oka "virágzásuknak".
Kén körforgása a bioszférában
A kén ciklusa, amely számos aminosav felépítéséhez szükséges, felelős a fehérjék háromdimenziós szerkezetéért, fennmarad a bioszférában széles választék baktériumok. Ennek a körfolyamatnak külön láncszemeiben részt vesznek az aerob mikroorganizmusok, amelyek a szerves maradékok kéntjét szulfátokká oxidálják, valamint az anaerob szulfát reduktorok, amelyek a szulfátokat hidrogén-szulfiddá redukálják. A kénbaktériumok felsorolt csoportjain kívül elemi kénné, majd szulfáttá oxidálják a hidrogén-szulfidot. A növények csak SO 2-4 iont vesznek fel a talajból és a vízből.
A középső gyűrű az oxidációs (O) és redukciós (R) folyamatokat szemlélteti, amelyek ként cserélnek a rendelkezésre álló szulfát medence és a mélyen a talajban és az üledékben lévő vas-szulfid medence között.
Rizs. 10. Kén körforgása. A középső gyűrű az oxidációs (0) és redukciós (R) folyamatokat szemlélteti, amelyek a ként cserélik a rendelkezésre álló szulfátkészlet és a mélyen a talajban és üledékben lévő vas-szulfid medence között.
A kén fő felhalmozódása az óceánban történik, ahol a szulfátionokat folyamatosan szállítják a szárazföldről a folyók lefolyásával. Amikor a kénhidrogén kiszabadul a vizekből, a kén részben visszakerül a légkörbe, ahol dioxiddá oxidálódik, és az esővízben kénsavvá alakul. Ipari felhasználás egy nagy szám szulfátok és elemi kén, valamint a fosszilis tüzelőanyagok elégetése nagy mennyiségű kén-dioxidot juttat a légkörbe. Ez károsítja a növényzetet, az állatokat, az embereket, és savas eső forrásaként szolgál, ami súlyosbítja a kénkörforgásba való emberi beavatkozás negatív hatásait.
Az anyagok keringésének sebessége
Minden anyagciklus különböző sebességgel megy végbe (11. ábra)
Így a bolygó összes biogén elemének ciklusát a különböző részek összetett kölcsönhatása támogatja. Különböző funkciójú élőlénycsoportok tevékenysége, az óceánt és a szárazföldet összekötő lefolyási és párolgási rendszer, a víz- és légtömegek keringési folyamatai, a gravitációs erők hatása, a litoszféra lemezek tektonikája, stb. nagy léptékű geológiai és geofizikai folyamatok.
A bioszféra egyként működik összetett rendszer amelyben az anyag különféle körei zajlanak. Ezek fő motorja a ciklusok a bolygó élő anyaga, minden élő szervezet, a szerves anyagok szintézisének, átalakulásának és lebontásának folyamatai.
Rizs. 11. Az anyagok keringésének sebessége (P. Cloud, A. Jibor, 1972)
A világ ökológiai szemléletének középpontjában az a gondolat áll, hogy minden élőlényt sokféle hatás vesz körül. különféle tényezők, amely a komplexumban élőhelyét - biotóp - alkotja. Ennélfogva, biotóp - bizonyos típusú növények vagy állatok életkörülményei szempontjából homogén területrész(szurdok lejtője, városi erdei park, kis tó vagy egy nagy tó része, de homogén adottságokkal - tengerparti rész, mélyvízi rész).
Egy adott biotópra jellemző szervezetek azok életközösség, vagy biocenózis(a tó, rét, parti sáv állatai, növényei és mikroorganizmusai).
Az életközösség (biocenosis) biotópjával egységes egészet alkot, melyet ún ökológiai rendszer (ökoszisztéma). Egy hangyaboly, egy tó, egy tavacska, egy rét, egy erdő, egy város, egy tanya példaként szolgálhat a természetes ökoszisztémákra. Klasszikus példa mesterséges ökoszisztéma egy űrhajó. Amint látja, nincs szigorú térszerkezet. Az ökoszisztéma fogalmához közel áll a fogalom biogeocenózis.
Az ökoszisztémák fő összetevői a következők:
- élettelen (abiotikus) környezet. Ezek a víz, ásványi anyagok, gázok, valamint szerves anyagok és humusz;
- biotikus komponensek. Ide tartoznak: termelők vagy termelők (zöld növények), fogyasztók vagy fogyasztók (termelőkkel táplálkozó élőlények) és lebontók vagy lebontók (mikroorganizmusok).
A természet rendkívül gazdaságos. Tehát az organizmusok által létrehozott biomassza (az élőlények testének anyaga) és a bennük lévő energia átkerül az ökoszisztéma más tagjaihoz: az állatok megeszik a növényeket, ezeket az állatokat megeszik más állatok. Ezt a folyamatot ún táplálék vagy trofikus lánc. A természetben a táplálékláncok gyakran keresztezik egymást, táplálékhálót alkotva.
Példák élelmiszerláncok: növény - növényevő - ragadozó; gabona - mezei egér - róka stb. és a táplálékháló a 2. ábrán látható. 12.
A bioszféra egyensúlyi állapota tehát a biotikus és abiotikus környezeti tényezők kölcsönhatásán alapul, amely az ökoszisztémák összes összetevője közötti folyamatos anyag- és energiacsere miatt fennmarad.
A természetes ökoszisztémák zárt ciklusaiban másokkal együtt két tényező részvétele kötelező: a lebontók jelenléte és a folyamatos napenergia-ellátás. A városi és mesterséges ökoszisztémákban kevés vagy egyáltalán nincs bontó, ezért folyékony, szilárd és gáznemű hulladékok halmozódnak fel, szennyezik a környezetet.
Rizs. 12. Táplálékháló és az anyagáramlás iránya
Betöltés...