Sirkulasjonen av stoffer i biosfæren er en syklisk, repeterende prosess med felles, sammenkoblet transformasjon og bevegelse av stoffer. Tilstedeværelsen av en syklus av stoffer er nødvendig tilstand eksistensen av biosfæren. Etter å ha blitt brukt av noen organismer, må stoffer gå over i en form som er tilgjengelig for andre organismer. En slik overgang av stoffer fra en kobling til en annen krever energikostnader, derfor er det bare mulig med deltagelse av solens energi. Ved bruk av solenergi oppstår to sammenkoblede sykluser av stoffer på planeten: stor - geologisk og liten - biologisk (biotisk).
Geologisk sirkulasjon av stoffer- prosessen med migrering av stoffer, utført under påvirkning av abiotiske faktorer: forvitring, erosjon, vannbevegelse, etc. Levende organismer deltar ikke i den.
Med fremveksten av levende materie på planeten, biologisk (biotisk) sirkulasjon... Alle levende organismer tar del i det, absorberer noen stoffer fra miljøet og frigjør andre. For eksempel forbruker planter i livets prosess karbondioksid, vann, mineraler og avgir oksygen. Dyr bruker oksygen frigjort av planter for å puste. De spiser planter og assimilerer, som et resultat av fordøyelsen, de som dannes i prosessen med fotosyntese. organisk materiale... De avgir karbondioksid og ufordøyd matrester. Etter å ha dø av, danner planter og dyr en masse dødt organisk materiale (detritus). Detritus er tilgjengelig for nedbrytning (mineralisering) av mikroskopiske sopp og bakterier. Som et resultat av deres vitale aktivitet, en ekstra mengde karbondioksid... Og organiske stoffer omdannes til originale uorganiske komponenter - biogener. De dannede mineralforbindelsene, som kommer inn i vannmasser og jord, blir igjen tilgjengelige for planter for fiksering gjennom fotosyntese. Denne prosessen gjentas i det uendelige og er lukket i naturen (sirkulasjon). For eksempel reiser alt atmosfærisk oksygen langs denne banen på omtrent 2 tusen år, mens karbondioksid tar omtrent 300 år å gjøre dette.
Energien i organisk materiale avtar når det beveger seg i næringskjedene. Det meste av det spres i miljøet i form av varme eller brukes på å opprettholde de vitale prosessene til organismer. For eksempel på respirasjon av dyr og planter, transport av stoffer i planter, så vel som på prosessene for biosyntese av levende organismer. I tillegg inneholder ikke biogenene som dannes som følge av aktiviteten til nedbrytere den energien som er tilgjengelig for organismer. V i dette tilfellet vi kan bare snakke om strømmen av energi i biosfæren, men ikke om syklusen. Derfor er betingelsen for den stabile eksistensen av biosfæren den konstante sirkulasjonen av stoffer og strømmen av energi i biogeocenoser.
De geologiske og biologiske kretsløpene danner sammen den generelle biogeokjemiske syklusen av stoffer, hvis grunnlag er kretsløpene av nitrogen, vann, karbon og oksygen.
Nitrogenkretsløpet
Nitrogen er et av de mest tallrike grunnstoffene i biosfæren. Hovedtyngden av biosfærisk nitrogen er i atmosfæren i gassform. Som du vet fra kjemiforløpet er kjemiske bindinger mellom atomer i molekylært nitrogen (N 2) veldig sterke. Derfor er de fleste levende organismer ikke i stand til å bruke det direkte. Derfor er et viktig stadium i nitrogensyklusen dens fiksering og omdannelse til en form som er tilgjengelig for organismer. Det er tre måter å fiksere nitrogen på.
Atmosfærisk fiksering... Under påvirkning av atmosfæriske elektriske utladninger (lyn) kan nitrogen samhandle med oksygen og danne nitrogenoksid (NO) og dioksid (NO 2). Nitrogenoksid (NO) oksideres veldig raskt av oksygen og omdannes til nitrogendioksid. Nitrogendioksid løses opp i vanndamp og i form av salpetersyre (HNO 2) og salpetersyre (HNO 3) kommer med nedbør ned i jorda. I jorda, som et resultat av dissosiasjonen av disse syrene, dannes nitritt (NO 2 -) og nitrationer (NO 3 -). Nitritt og nitrationer kan allerede absorberes av planter og inkluderes i den biologiske syklusen. Den atmosfæriske nitrogenfikseringen står for ca. 10 millioner tonn nitrogen per år, som er ca. 3 % av den årlige nitrogenfikseringen i biosfæren.
Biologisk fiksering... Det utføres av nitrogenfikserende bakterier, som omdanner nitrogen til former som er tilgjengelige for planter. Takket være mikroorganismer er omtrent halvparten av alt nitrogen bundet. De mest kjente bakteriene fikserer nitrogen i knuter på belgfrukter. De leverer nitrogen til plantene i form av ammoniakk (NH 3). Ammoniakk er lett løselig i vann med dannelse av ammoniumion (NH 4+), som absorberes av planter. Derfor er belgfrukter de beste forgjengerne til kulturplanter i vekstskifte. Etter at dyr og planter dør og nedbrytningen av restene deres, blir jorden beriket med organiske og mineralske nitrogenforbindelser. Deretter bryter forråtningsaktive (ammonifiserende) bakterier ned nitrogenholdige stoffer (proteiner, urea, nukleinsyrer) fra planter og dyr til ammoniakk. Denne prosessen kalles ammonifikasjon... Det meste av ammoniakken oksideres deretter ved å nitrifisere bakterier til nitritt og nitrat, som gjenbrukes av planter. Returen av nitrogen til atmosfæren skjer gjennom denitrifikasjon, som utføres av en gruppe denitrifiserende bakterier. Som et resultat reduseres nitrogenholdige forbindelser til molekylært nitrogen. En del av nitrogen i nitrat- og ammoniumformer med overflateavrenning kommer inn i vannøkosystemer. Det er her nitrogen absorberes vannlevende organismer eller går inn i organiske sedimenter i bunnen.
Industriell fiksering... En stor mengde nitrogen bindes årlig industrielt i produksjonen av mineralsk nitrogengjødsel. Nitrogen fra slik gjødsel assimileres av planter i ammonium- og nitratformer. Volumet av nitrogengjødsel produsert i Hviterussland er for tiden rundt 900 tusen tonn per år. Den største produsenten er JSC GrodnoAzot. Denne bedriften produserer urea, ammoniumnitrat, ammoniumsulfat og annen nitrogengjødsel.
Omtrent 1/10 av kunstig tilført nitrogen brukes av planter. Resten med overflateavrenning og grunnvann går over i akvatiske økosystemer. Dette fører til akkumulering i vann av store mengder nitrogenforbindelser tilgjengelig for assimilering av planteplankton. Som et resultat er rask reproduksjon av alger (eutrofiering) og, som et resultat, død i akvatiske økosystemer mulig.
Vannets kretsløp
Vann er hovedkomponenten i biosfæren. Det er et medium for oppløsning av nesten alle elementer i løpet av syklusen. Det meste av biosfærevannet er representert av flytende vann og vann av evig is (mer enn 99 % av alle vannreserver i biosfæren). En ubetydelig del av vannet er i gassform - det er atmosfærisk vanndamp. Den biosfæriske vannsyklusen er basert på det faktum at fordampningen fra jordens overflate kompenseres av nedbør. Faller på landoverflaten i form av nedbør, bidrar vann til ødeleggelse av bergarter. Dette gjør mineralene deres tilgjengelig for levende organismer. Det er fordampningen av vann fra planetens overflate som bestemmer dens geologiske syklus. Den bruker omtrent halvparten av den innfallende solenergien. Fordampning av vann fra overflaten av hav og hav skjer med en høyere hastighet enn dets retur med nedbør. Denne forskjellen kompenseres for av overflate- og dypavrenning, på grunn av at nedbør råder over fordampning på kontinentene.
Økningen i intensiteten av vannfordampning på land skyldes i stor grad den vitale aktiviteten til planter. Planter trekker vann fra jorda og overfører det aktivt til atmosfæren. En del av vannet i planteceller brytes ned under fotosyntesen. I dette tilfellet er hydrogen fikset i form organiske forbindelser, og oksygen slippes ut i atmosfæren.
Dyr bruker vann for å opprettholde osmotisk og saltbalanse i kroppen og frigjøre det til det ytre miljøet sammen med metabolske produkter.
Karbonkretsløpet
Karbon som kjemisk element tilstede i atmosfæren i sammensetningen av karbondioksid. Dette bestemmer den obligatoriske deltakelsen av levende organismer i syklusen til dette elementet på planeten Jorden. Hovedveien som karbon fra uorganiske forbindelser går inn i sammensetningen av organiske stoffer, hvor det er et obligatorisk kjemisk element - dette er prosessen med fotosyntese. En del av karbonet slippes ut i atmosfæren i sammensetningen av karbondioksid under respirasjon av levende organismer og under nedbrytning av dødt organisk materiale av bakterier. Karbonet som absorberes av planter konsumeres av dyr. Foruten korallpolypper, bruker bløtdyr karbonforbindelser for å bygge skjelettformasjoner og skjell. Etter at de dør av og legger seg på bunnen, dannes det kalksteinsforekomster. Dermed kan karbon elimineres fra syklusen. Fjerning av karbon fra syklusen i lang tid oppnås gjennom dannelse av mineraler: kull, olje, torv.
Gjennom hele planeten vår ble karbonet som ble fjernet fra syklusen kompensert av karbondioksid som kom inn i atmosfæren når vulkanutbrudd og i andre naturlige prosesser... For tiden er en betydelig mengde lagt til de naturlige prosessene med karbonpåfylling i atmosfæren. menneskeskapt påvirkning... For eksempel ved forbrenning av hydrokarbondrivstoff. Dette forstyrrer den flere hundre år gamle karbonkretsløpet på jorden.
En økning i konsentrasjonen av karbondioksid med bare 0,01 % over et århundre har ført til en merkbar manifestasjon av drivhuseffekten. Den gjennomsnittlige årlige temperaturen på planeten har økt med 0,5 ° C, og nivået på verdenshavet har steget med nesten 15 cm. Forskere spår at hvis den gjennomsnittlige årlige temperaturen øker med ytterligere 3-4 ° C, vil den evige isen begynne å smelte. Samtidig vil nivået på verdenshavet stige med 50-60 cm, noe som vil føre til oversvømmelse av en betydelig del av landet. Dette regnes som globalt økologisk katastrofe, fordi disse territoriene er hjemsted for omtrent 40 % av verdens befolkning.
Oksygen syklus
I biosfærens funksjon spiller oksygen en ekstremt viktig rolle i de metabolske prosessene og respirasjonen til levende organismer. Nedgangen i mengden oksygen i atmosfæren som et resultat av respirasjonsprosessene, forbrenning av drivstoff og forfall kompenseres av oksygenet som frigjøres av planter under fotosyntesen.
Oksygen ble dannet i den primære atmosfæren på jorden under avkjølingen. På grunn av sin høye reaktivitet gikk den fra gassform til sammensetningen av forskjellige uorganiske forbindelser (karbonater, sulfater, jernoksider, etc.). Dagens oksygenholdige atmosfære på planeten ble dannet utelukkende på grunn av fotosyntese utført av levende organismer. Oksygeninnholdet i atmosfæren har økt til dagens verdier i lang tid. Å opprettholde mengden på et konstant nivå er for tiden bare mulig takket være fotosyntetiske organismer.
Dessverre, de siste tiårene, har menneskelige aktiviteter som fører til avskoging, jorderosjon, redusert intensiteten av fotosyntesen. Og dette forstyrrer i sin tur det naturlige forløpet til oksygensyklusen i store områder av jorden.
En liten del av atmosfærisk oksygen er involvert i dannelsen og ødeleggelsen av ozonskjermen under påvirkning av ultrafiolett stråling fra solen.
Grunnlaget for den biogene syklusen av stoffer er solenergi. Hovedbetingelsen for den stabile eksistensen av biosfæren er den konstante sirkulasjonen av stoffer og strømmen av energi i biogeocenoser. I syklusene av nitrogen, karbon og oksygen tilhører hovedrollen levende organismer. Grunnlaget for den globale vannsyklusen i biosfæren er gitt av fysiske prosesser.
Stoffers syklus og biogeokjemiske sykluser
Forklar betydningen av det geologiske kretsløpet ved å bruke eksempelet på vannets kretsløp.
Hvordan foregår den biologiske syklusen?
Hva er loven om biogen migrasjon av atomer V.I. Vernadsky?
Hva er reserve- og utvekslingsmidlene i den naturlige syklusen? Hva er forskjellen mellom dem?
Jorden som en levende superorganisme
* For at biosfæren skal eksistere og utvikle seg, må det alltid være en syklus av biologisk viktige stoffer, det vil si at etter bruk må de igjen gå over i en form som kan assimileres for andre organismer. Denne overgangen av biologisk viktige stoffer kan bare utføres med et visst energiforbruk, hvis kilde er solen.
Forsker V.R. Williams mener at solenergi gir to sykluser av materie på jorden - geologisk , eller stor, sirkulasjon og biologiske , liten, sirkulasjon.
Geologisk til Sirkulasjonen er tydeligst manifestert i vannets kretsløp. Jorden mottar 5,24ґ1024 J utstrålt energi årlig fra solen. Omtrent halvparten av det brukes på fordampning av vann. Samtidig fordamper mer vann fra havet enn det kommer tilbake med nedbør. På land faller det derimot mer nedbør enn vann fordamper. Overskuddet strømmer inn i elver og innsjøer, og derfra - tilbake i havet (mens det overføres en viss mengde mineralforbindelser). Det er dette som bestemmer den store syklusen i biosfæren, basert på at den totale fordampningen av vann fra jorden kompenseres av nedbør.
** Med utseendet til levende materie på grunnlag av den geologiske syklusen, syklusen av organisk stillbilder, biologisk (liten) sirkulasjon.
Vannets kretsløp som eksempel på det geologiske kretsløpet
(av H. Penman)
Ettersom levende materie utvikler seg, hentes stadig flere grunnstoffer ut av det geologiske kretsløpet, som går inn i en ny, biologisk syklus. I motsetning til den enkle overføringen av mineralske stoffer i den store sirkulasjonen, både i form av løsninger og i form av mekaniske sedimenter, er i den lille sirkulasjonen de viktigste momentene syntese og ødeleggelse av organiske forbindelser. I motsetning til den geologiske har den biologiske syklusen ubetydelig energi. Som kjent brukes bare 0,1-0,2% av all solenergi som tilføres jorden til å lage organisk materiale (opptil 50% for den geologiske sirkulasjonen). Til tross for dette gjør energien som er involvert i den biologiske syklusen en enorm mengde arbeid for å lage primærprodukter.
Biologisk syklus
Med utseendet til levende materie på jorden, sirkulerer kjemiske elementer kontinuerlig i biosfæren og passerer fra det ytre miljøet
inn i organismer og igjen inn i det ytre miljø. Slik sirkulasjon av stoffer langs mer eller mindre lukkede baner kalles biogeokjemisk syklus.
De viktigste biogeokjemiske syklusene er syklusene av oksygen, karbon, vann, nitrogen, fosfor, svovel og andre biogene elementer.
*** Biogen migrering av materie - en av formene for generell migrasjon av elementer i naturen. Biogen geokjemisk migrasjon skal forstås som migrering av organisk og inert materiale som deltar i vekst og utvikling av levende organismer og produseres av sistnevnte som et resultat av komplekse biokjemiske og biogeokjemiske prosesser. I OG. Vernadsky formulerte loven om biogen migrasjon av atomer i følgende form:
Migrasjonen av kjemiske elementer i biosfæren utføres enten med direkte deltagelse av levende stoffer (biogen migrasjon), eller den skjer i et miljø hvis geokjemiske egenskaper (O2, CO2, H2, etc.) skyldes levende materie (den som bor i biosfæren for tiden, og den som har operert på jorden gjennom geologisk historie).
Mennesket påvirker først og fremst biosfæren og dens levende befolkning, derfor endrer han dermed betingelsene for biogen migrasjon av atomer, og skaper forutsetninger for dyptgripende kjemiske endringer. Dermed kan prosessen bli selvutviklende, uavhengig av menneskelig lyst, og praktisk talt ukontrollerbar på global skala.
Fra synspunktet til den planetariske sirkulasjonen av materie, er de viktigste jord-landskapet, hydrosfæren og dype (intraterrestriske) sykluser. I den første av dem utvinnes kjemiske elementer fra bergarter, vann, luft, nedbrytning av organisk materiale, absorpsjon og syntese av forskjellige organiske og organo-mineralforbindelser. I den hydrosfæriske syklusen hovedrollen sammensetningen av vann og den biologiske aktiviteten til levende organismer spiller. Bioproduksjonen av materie her utføres med overveiende deltagelse av plante- og dyreplankton. I den dype syklusen av biogen migrasjon tilhører den viktigste rollen aktiviteten til anaerobe mikroorganismer.
**** Prosesser som forekommer i forskjellige jordskjell er i en tilstand av dynamisk likevekt, og en endring i løpet av noen av dem innebærer endeløse kjeder av noen ganger irreversible fenomener. I hver naturlig syklus er det tilrådelig å skille mellom to deler, eller to "fond":
reservefond- en stor masse sakte bevegelige stoffer, hovedsakelig av uorganisk natur;
mobil, eller bytte, fond- mindre, men mer aktiv, som er preget av en rask utveksling mellom organismer og miljø.
Utvekslingsfondet dannes på grunn av stoffer som kommer tilbake til sirkulasjonen enten på grunn av primær utskillelse (fra det latinske ekskretum - tildelt) av dyr, eller under nedbrytning av detritus av mikroorganismer.
Hvis vi har biosfæren som helhet i tankene, kan biogeokjemiske sykluser deles inn i to hovedtyper:
sirkulasjon av gassformige stoffer med et reservefond i atmosfæren eller hydrosfæren;
sedimentær syklus med et reservefond i jordskorpen.
^ BIOLOGISK KRETS AV STOFFER I NATUREN
Det generelle konseptet om den biologiske syklusen av stoffer
Biologisk sirkulasjon av stoffer som en form for utvikling av planeten Jorden
Elementer i den biogeokjemiske syklusen av stoffer i naturen
Parametre for den biogeokjemiske syklusen på land
Biologisk sirkulasjon og jorddannelse
^ GENERELL KONSEPT
Stoffers biologiske syklus er en kombinasjon av prosessene for inntreden av kjemiske elementer fra jord og atmosfære til levende organismer, biokjemisk syntese av nye komplekse forbindelser og tilbakeføring av elementer til jord og atmosfære med en årlig nedgang i en del av det organiske stoffet. Den biologiske syklusen av stoffer er ikke en fullstendig kompensert lukket syklus, derfor blir jorda i løpet av den beriket med humus og nitrogen, elementer av mineralernæring (såkalte biogene elementer), som skaper et gunstig grunnlag for eksistensen av planteorganismer.
Den biologiske, biokjemiske og geokjemiske betydningen av prosessene utført i den biologiske sirkulasjonen av stoffer ble først vist av V.V.Dokuchaev, som skapte læren om natursonene. Videre ble det avslørt i verkene til V. I. Vernadsky, B. B. Polynov, D. N. Pryanishnikov, V. N. Sukachev, N. P. Remezov, L. E. Rodin, N. I. Bazilevich, V. A. Kovda og andre forskere.
Internasjonal union Biologiske vitenskap(International Union of Biological Sciences) gjennomførte et bredt program for forskning på den biologiske produktiviteten til biogeocenoser av land- og vannforekomster. Det internasjonale biologiske programmet ble etablert for å veilede denne forskningen. For å forene begrepene og konseptene som brukes i moderne litteratur om det internasjonale bioprogrammet, bestemt arbeid... Før vi begynner å studere de naturlige biologiske syklusene til stoffer, er det nødvendig å forklare de mest brukte begrepene.
Biomasse - massen av levende stoff akkumulert til dette øyeblikket tid.
^ Plantebiomasse (synonym - phytomass) - massen av levende og døde organismer i plantesamfunn på ethvert område som har bevart sin anatomiske struktur til dette øyeblikk.
^ Biomassestruktur - forholdet mellom underjordiske og overjordiske deler av planter, samt årlige og flerårige, fotosyntetiske og ikke-fotosyntetiske deler av planter.
filler - døde plantedeler som har beholdt en mekanisk binding til planten.
^ Søppel - mengden organisk materiale av planter som døde ut i de overjordiske og underjordiske delene per arealenhet per tidsenhet.
Søppel - masse av flerårige planterester varierende grader mineralisering.
Vekst - masse av en organisme eller et samfunn av organismer, akkumulert per arealenhet per tidsenhet.
^ Ekte gevinst - forholdet mellom økningen og mengden søppel per tidsenhet per arealenhet.
Primærproduksjon - massen av levende stoffer skapt av autotrofer (grønne planter) per arealenhet per tidsenhet.
^ Sekundære produkter - massen av organisk materiale skapt av heterotrofer per arealenhet per tidsenhet.
Kapasiteten til den biologiske syklusen - mengden kjemiske elementer i sammensetningen av massen til en moden biocenose (fytocenose).
Intensiteten til den biologiske syklusen er mengden kjemiske elementer som finnes i veksten av fytokenose per arealenhet per tidsenhet.
Hastigheten til den biologiske syklusen er den tidsperioden et grunnstoff går fra dets absorpsjon av et levende stoff til det frigjøres fra sammensetningen av et levende stoff. Bestemmes ved bruk av sporatomer.
I følge L. Ye. Rodin, N. I. Bazilevich (1965), består den komplette syklusen av den biologiske syklusen av elementer av følgende komponenter.
Absorpsjon av den assimilerende overflaten av planter fra atmosfæren av karbon, og av rotsystemene fra jorda - nitrogen, askeelementer og vann, fiksering av dem i kroppen til planteorganismer, inn i jorden med døde planter eller deres deler, nedbrytning av søppel og frigjøring av elementene i dem.
Fremmedgjøring av plantedeler av dyrene som lever av dem, deres transformasjon i dyrekropper til nye organiske forbindelser og konsolidering av noen av dem i dyreorganismer, deres påfølgende inntrengning i jorden med dyreekskrement eller med deres lik, nedbrytning av både og frigjøring av elementene i dem.
Gassutveksling mellom den assimilerende planteoverflaten og atmosfæren, mellom rotsystemet og jordluften.
Vital utskillelse fra de overjordiske planteorganene og spesielt av rotsystemene til noen elementer direkte i jorden.
^ BIOLOGISK KRETS AV STOFFER SOM EN FORM FOR UTVIKLING AV PLANETJORDEN
Strukturen til biosfæren i sin mest generelle form representerer de to største naturlige komplekser av første rang - kontinentale og oseaniske. Planter, dyr og jorddekke danner et komplekst verdensøkologisk system på land. Ved å binde og omfordele solenergi, atmosfærisk karbon, fuktighet, oksygen, hydrogen, nitrogen, fosfor, svovel, kalsium og andre biofile elementer, danner dette systemet biomasse og genererer fritt oksygen.
Vannplanter og havet danner et annet verdensøkologisk system som på planeten utfører de samme funksjonene som å binde solenergi, karbon, nitrogen, fosfor og andre biofiler gjennom dannelsen av fytobiomasse og frigjøring av oksygen til atmosfæren.
Det er tre former for akkumulering og omfordeling av kosmisk energi i biosfæren. ^ Essensen av den første Av disse involverer planteorganismer, og gjennom næringskjedene og tilhørende dyr og bakterier, mange forbindelser i vevet deres. Disse forbindelsene inneholder H 2, O 2, N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Al, Mn og andre biofiler, mange sporstoffer (I, Co, Cu, Zn, etc.). I dette tilfellet er det et utvalg lette isotoper (C, H, O, N, S) fra tyngre. In vivo og posthumt oppfatter og avgir organismer av land, vann og luft, som er i en tilstand av kontinuerlig utveksling med miljøet, et bredt og variert spekter av mineralske og organiske forbindelser. Den totale massen og volumet av produktene fra den vitale metabolismen til organismer og miljøet (metabolitter) overstiger biomassen til levende stoffer flere ganger.
^ Andre form akkumulering, oppbevaring og omfordeling av den kosmiske energien til solen på planeten i dens biosfære manifesteres gjennom oppvarming av vannmasser, dannelse og kondensering av damper, nedbør og bevegelse av overflate- og grunnvann langs en skråning fra fôringsområder til fordampningsområder. Ujevn oppvarming av luft og vann forårsaker planetbevegelser av vann og luftmasser, dannelsen av tetthet og trykkgradienter, havstrømmer og de grandiose prosessene i atmosfærisk sirkulasjon.
Erosjon, kjemisk denudering, transport, omfordeling, avsetning og akkumulering av mekaniske og kjemiske sedimenter på land og i havet er den tredje formen for overføring og transformasjon av denne energien.
Alle disse tre planetariske prosessene er tett sammenvevd; danner en generell terrestrisk sirkulasjon og et system med lokal sirkulasjon av materie. I løpet av milliarder av år med planetens biologiske historie har det således utviklet seg en stor biogeokjemisk sirkulasjon og differensiering av kjemiske elementer i naturen. De skapte den moderne biosfæren og er grunnlaget for dens normale funksjon.
^ ELEMENTER I DEN BIOGEOKJEMISKE KRETS AV STOFFER I NATUREN
Elementene i den biogeokjemiske sirkulasjonen av stoffer er følgende komponenter.
Regelmessig gjentatte eller kontinuerlig flytende prosesser med energitilførsel, dannelse og syntese av nye forbindelser.
Konstante eller periodiske prosesser for overføring eller omfordeling av energi og prosesser for fjerning og retningsbestemt bevegelse av syntetiserte forbindelser under påvirkning av fysiske, kjemiske og biologiske midler.
Styrte rytmiske eller periodiske prosesser av sekvensiell transformasjon: nedbrytning, ødeleggelse av tidligere syntetiserte forbindelser under påvirkning av biogene eller abiogene miljøpåvirkninger.
I naturen forekommer både biologiske sykluser av stoffer og abiogene sykluser.
^ Biologiske sykluser - på grunn av i alle lenker den vitale aktiviteten til organismer (ernæring, matforbindelser, reproduksjon, vekst, bevegelse av metabolitter, død, nedbrytning, mineralisering).
^ Abiogene sykluser - dannet på planeten mye tidligere enn biogene. De inkluderer hele komplekset av geologiske, geokjemiske, hydrologiske, atmosfæriske prosesser.
I den prebiogene perioden på planeten spilte vann- og luftmigrasjon og akkumulering en avgjørende rolle i de geologiske, hydrologiske, geokjemiske, atmosfæriske syklusene. I en utviklet biosfære styres sirkulasjonen av stoffer av den kombinerte virkningen av biologiske, geologiske og geokjemiske faktorer. Forholdet mellom dem kan være forskjellig, men handlingen er nødvendigvis felles! Det er i denne forstand begrepene brukes - biogeokjemisk sirkulasjon av stoffer, biogeokjemiske sykluser.
De uforstyrrede biogeokjemiske syklusene er nesten sirkulære, nesten lukkede. Graden av repeterende reproduksjon av sykluser i naturen er veldig høy og når sannsynligvis, ifølge V. A. Kovda, 90-98%. Dermed opprettholdes en viss konstans og balanse i sammensetningen, mengden og konsentrasjonen av komponentene som er involvert i syklusen, samt den genetiske og fysiologiske egnetheten og harmonien til organismer og miljøet. Men den ufullstendige isolasjonen av biogeokjemiske sykluser i geologisk tid fører til migrasjon og differensiering av elementer og deres forbindelser i verdensrommet og i forskjellige miljøer, til konsentrasjon eller spredning av elementer. Derfor observerer vi biogen akkumulering av nitrogen og oksygen i atmosfæren, biogen og kjemogene akkumulering av karbonforbindelser i jordskorpen (olje, kull, kalkstein).
^ PARAMETRE FOR DEN BIOGEOKJEMISKE KRETS PÅ LAND
Følgende indikatorer er obligatoriske parametere for å studere biogeokjemiske sykluser i naturen.
Biomasse og dens faktiske vekst (fyto-, zoo-, mikrobiell masse separat).
Økologisk søppel (mengde, sammensetning).
Jordsmonnets organiske stoff (humus, uoppløste organiske rester).
Elementær sammensetning av jord, vann, luft, nedbør, biomassefraksjoner.
Jord- og underjordiske reserver av biogen energi.
Vitale metabolitter.
Antall arter, overflod, sammensetning.
Levetid for arter, dynamikk og livsrytme for populasjoner og jordsmonn.
Økologisk og meteorologisk miljø: bakgrunn og vurdering av menneskelig intervensjon.
Dekning ved observasjonspunkter av vannskille, bakker, terrasser, elvedaler, innsjøer.
Antall forurensninger, deres kjemiske, fysiske, biologiske egenskaper(spesielt CO, CO 2, SO 2, P, NO 3, NH 3 Hg, Pb, Cd, H 2 S, hydrokarboner).
1. Innholdet av aske, karbon og nitrogen i biomasse (overjordisk, underjordisk, fyto-, zoo-, mikrobiell). Innholdet av disse elementene kan uttrykkes i % eller i g / m 2, t / ha overflate. Hovedbestanddelene av levende stoffer etter vekt er O (65-70%) og H (10%). Alle andre står for 30-35%: C, N, Ca (1-10%); S, P, K, Si (0,1-1%); Fe, Na, Cl, Al, Mg (0,01-0,1%).
Den kjemiske sammensetningen av fytomasse varierer sterkt. Sammensetningen av fytomassen i bar- og løvskog, urtevegetasjon og halofytter er spesielt forskjellig (tabell 13).
Tabell 13 - Mineralsammensetning ulike grupper sushi planter
| Vegetasjonstype | Aske innhold,% | Årlig omsetning av mineral Komponenter, kg / ha | Rådende komponenter |
| Barskoger | 3-7 | 100-300 | Si, Ca, P, Mg, K |
| Løvskoger | 5-10 | 460-850 | Ca, K, P, Al, Si |
| Regnskoger | 3-4 | 1000-2000 | Ca, K, Mg, Al |
| Enger, stepper | 5-7 | 800-1200 | Si, Ca, K, S, P |
| Halofytiske samfunn | 20-45 | 500-1000 | Cl, S04, Na, Mg, K |
Den individuelle betydningen av et bestemt kjemisk grunnstoff vurderes av den biologiske absorpsjonskoeffisienten (BCF). Beregn det med formelen:
I 1966 foreslo V.A.Kovda å bruke forholdet mellom den registrerte fytobiomassen og den årlige fotosyntetiske økningen i fytomasse for å karakterisere den gjennomsnittlige varigheten av den totale karbonsyklusen. Denne koeffisienten karakteriserer den gjennomsnittlige varigheten av den generelle syntesesyklusen - biomassemineralisering i et gitt område (eller på land som helhet). Beregninger har vist at for landet som helhet passer denne syklusen i perioden 300-400 og ikke mer enn 1000 år. Følgelig, med denne gjennomsnittlige hastigheten, skjer frigjøring av mineralforbindelser bundet i biomasse, dannelse og mineralisering av humus i jorda.
For en generell vurdering av den biogeokjemiske betydningen av mineralkomponentene i det levende stoffet i biosfæren, foreslo VAKovda å sammenligne tilgangen på biomassemineraler, mengden mineraler som årlig er involvert i sirkulasjon med tilvekst og forsøpling, med den årlige kjemiske avrenningen av elver. . Det viste seg at disse verdiene er nære: 10 8-9 askestoffer er involvert i vekst og søppel, og 10 9 - i den årlige kjemiske avrenningen av elver.
BGHK-indeks = S b / S X,
Hvor S b - summen av elementer (eller mengden av ett element) i den årlige økningen i biomasse; S x - summen av de samme elementene (eller ett element) utført av vannet i elvene i det gitte bassenget (eller en del av bassenget).
Det viste seg at indeksene for den biogeokjemiske syklusen varierer sterkt i forskjellige klimatiske forhold, under dekke av forskjellige plantesamfunn, under forskjellige forhold med naturlig drenering.
4. NI Bazilevich, LE Rodin (1964) foreslo å beregne koeffisienten som karakteriserer intensiteten av søppelnedbrytning og varigheten av søppelretensjon under betingelsene for en gitt biogeocenose:
I følge N.I.Bazilevich og L.E. Rodina er indeksene for intensiteten av fytomassenedbrytning høyest i tundraen og sumpene i nord, og de laveste (omtrent lik 1) i steppene og halvørkenene.
5. B. B. Polynov (1936) foreslo å beregne vannmigrasjonsindeksen:
IVM = X H2O / X zk,
Hvor ICM er indeksen for vannmigrering; Х Н2О - mengden av et element i mineralresten til fordampet elv eller grunnvann; X zk - innholdet av samme grunnstoff i jordskorpen eller bergarten.
Beregning av vannmigrasjonsindekser viste at de mest mobile migrantene i biosfæren er Cl, S, B, Br, I, Ca, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo. De mest passive i denne forbindelse er Si, K, P, Ba, Mn, Rb, Cu, Ni, Co, As, Li, Al, Fe.
^ BIOLOGISK KRETS OG JORDDANNING
Geologiske og paleobotaniske data tillot V.A.Kovda å generell disposisjon introdusere kritiske stadier utvikling av den jorddannende prosessen i forbindelse med historien om utviklingen av planter og vegetasjonsdekke (1973). Begynnelsen av den jorddannende prosessen på jorden er assosiert med utseendet til autotrofe bakterier som er i stand til uavhengig eksistens under de mest ugunstige hydrotermiske forholdene. Denne innledende eksponeringsprosessen lavere organismer på bergartene i jordskorpen, kalte VR Williams den primære jorddannende prosessen. Autotrofe bakterier, oppdaget av S. N. Vinogradov på slutten av 1800-tallet, er de enkleste encellede organismene, som teller rundt hundre arter. De har evnen til å formere seg veldig raskt: 1 individ kan gi billioner av organismer per dag. Blant moderne autotrofer er svovelbakterier, jernbakterier, etc., som spiller en ekstremt viktig rolle i prosesser i jorda. Utseendet til autotrofe bakterier går tilsynelatende tilbake til prekambrium.
Dermed var den første syntesen av organisk materiale og de biologiske syklusene C, S, N, Fe, Mn, O 2, H 2 i jordskorpen assosiert med aktiviteten til autotrofe bakterier som bruker oksygenet til mineralforbindelser. I utviklingen av den jorddannende prosessen er det mulig at sammen med autotrofe bakterier spilte ikke-cellulære livsformer som virus og bakteriofager en rolle. Selvfølgelig var dette ikke en jorddannende prosess i moderne form siden det ikke fantes rotplanter, var det ingen ansamlinger av humusforbindelser og ingen biogen mekanisme. Og tilsynelatende er det mer riktig å snakke om den primære biogeokjemiske forvitringen av bergarter under påvirkning av lavere organismer.
I prekambrium dukket det opp encellede blågrønnalger. Fra silur og devon spredte flercellede alger seg - grønn, brun, crimson. Den jorddannende prosessen ble mer komplisert, akselerert, syntesen av organisk materiale begynte i merkbare mengder, og en utvidelse av den lille biologiske syklusen av O, H, N, S og andre næringsstoffer ble skissert. Tilsynelatende, ifølge V.A. Kovda, den jorddannende prosessen på disse stadiene ble ledsaget av akkumulering av biogen fin jord. Stadiet med den første jorddannelsen var veldig lang og ble ledsaget av en langsom, men kontinuerlig akkumulering av biogen fin jord beriket med organisk materiale og elementer involvert i den biologiske syklusen: H, O, C, N, P, S, Ca, K, Fe, Si, A1. På dette stadiet kunne biogen syntese av sekundære mineraler allerede finne sted: aluminium og ferrisilikater, fosfater, sulfater, karbonater, nitrater, kvarts og jorddannelse var begrenset til grunne områder. På land hadde den en steinete og myraktig karakter.
I Kambrium dukket det også opp psilofytter - planter av underdimensjonert busktype som ikke engang hadde røtter. De fikk en viss distribusjon i silur og betydelig utvikling i devon. Samtidig dukker det opp kjerringrokk og bregner - innbyggere i fuktig lavland. Dermed begynte en relativt utviklet form for jorddannende prosessen med silur og devon, dvs. for ca 300-400 millioner år siden. Imidlertid ble det ikke observert noen soddy prosess, siden det ikke var noen urteaktig vegetasjon. Askeinnholdet i bregner og lyrer er ikke høyt (4-6 %), kjerringrokk er mye høyere (20 %). Askesammensetningen ble dominert av K (30%), Si (28%) og C1 (10%). Soppmikroflora fremmet involveringen av P og K i den biologiske syklusen, og lav - Ca, Fe, Si. Det er sannsynlig at det dannes sure jordarter (kaolinittallittisk, bauxitt) og hydromorfe jordarter beriket med jernforbindelser.
Den utviklede jorddannende prosessen tok tilsynelatende form først på slutten av paleozoikum (karbon, perm). Det var til denne tiden at forskere tilskriver utseendet til et kontinuerlig vegetasjonsdekke på land. I tillegg til bregner dukket det opp lycopoder, kjerringrokk, gymnospermer. Landskap av skog og myrer rådde, klimasonering ble dannet på bakgrunn av dominansen av varme tropiske og subtropiske. I løpet av denne perioden var det følgelig tropiske jorddannende prosesser for myr og skog.
Dette regimet varte til omtrent midten av den permiske perioden, da avkjøling og uttørking av klimaet gradvis satte inn. Tørrhet og kaldt vær bidro til videre utvikling soneinndeling. Det var i denne perioden (andre halvdel av perm, trias) at gymnospermer ble vidt utviklet. På høye breddegrader på dette tidspunktet fant dannelsen av sur podzoljord sted, på lave breddegrader fortsatte jorddannelsen langs veien for utvikling av gul jord, rød jord og bauxitter. Lavt askeinnhold (ca. 4%), ubetydelig innhold av Cl, Na, høyt innhold av Si (16%), Ca (2%), S (6%), K (6,5%) i furunål førte til en økning i deltakelse i biologisk sirkulasjon og i jorddannelse rollen til Ca, S, P og en nedgang i rollen til Si, K, Na, C1.
Kiselalger vises i jura, og angiospermer vises i krittperioden som følger. Siden midten av krittperioden har løvfellende arter blitt utbredt - lønn, eik, bjørk, selje, eukalyptus, valnøtt, bøk, agnbøk. Under baldakinen deres begynner den podzoldannende prosessen å svekkes, siden sammensetningen av kullet til disse plantene inneholder en høy andel Ca, Mg, K.
I tertiær-epoken rådde tropisk flora på kloden: palmer, magnolia, sequoia, bøk og kastanje. Mineralsammensetningen av stoffer involvert i sirkulær bevegelse av disse skogene var preget av en betydelig deltakelse av Ca, Mg, K, P, S, Si, Al. Dermed ble de økologiske forutsetningene for fremveksten og utviklingen av urteaktig vegetasjon skapt: en reduksjon i surheten til jord og bergarter, akkumulering av næringsstoffer.
Endringen i dominansen til urteaktig treaktig vegetasjon var av enorm grunnleggende betydning for å endre naturen til jorddannende prosesser. Det kraftige rotsystemet til trær involverte en betydelig masse mineralstoffer i den biologiske syklusen, og mobiliserte dem for den påfølgende bosettingen av urteaktig vegetasjon. Den korte levetiden til urtevegetasjon og konsentrasjonen av rotmasser i de øverste jordlagene gir, under dekke av gress, en romlig konsentrasjon av den biologiske sirkulasjonen av mineraler i et mindre tykt lag av horisonter med akkumulering av askenæringselementer i dem. . Fra andre halvdel av kritt, i tertiær og spesielt i kvartærperioder, under påvirkning av dominansen av urteaktig vegetasjon, spredte den soddy prosessen med jorddannelse seg.
Så, rollen til levende stoffer og biologisk sirkulasjon i jordens geologiske historie og utviklingen av den jorddannende prosessen har vært kontinuerlig økende. Men jordsmonn ble også etter hvert et av hovedleddene i stoffenes biologiske syklus.
Jordsmonnet gir konstant interaksjon mellom store geologiske og små biologiske sykluser av stoffer på jordoverflaten. Jordsmonn er en forbindelse og en regulator for samspillet mellom disse to globale syklusene av materie.
Jord - akkumulerer organisk materiale og tilhørende kjemisk energi, kjemiske elementer, og regulerer dermed hastigheten på biologisk sirkulasjon av stoffer.
Jorda, som har evnen til å reprodusere sin fruktbarhet dynamisk, regulerer biosfæriske prosesser. Spesielt er tettheten av liv på jorden, sammen med klimatiske faktorer, i stor grad bestemt av den geografiske heterogeniteten til jorda.
Sirkulasjonen av stoffer i naturen er det viktigste økologiske konseptet.
I fig. den biologiske syklusen presenteres i kombinasjon med et forenklet energiflytdiagram. Stoffer er involvert i kretsløpet, og energistrømmen er ensrettet fra planter som omdanner solens energi til energien til kjemiske bindinger, til dyr som bruker denne energien, og deretter til mikroorganismer som ødelegger organisk materiale.
En ensrettet strøm av energi setter i gang sirkulasjonen av stoffer. Hvert kjemisk element, som lager en syklus i økosystemet, går vekselvis fra organisk til uorganisk form og omvendt.
Ris. 1. Strømmen av energi og syklusen av biogene elementer i biosfæren
Fotosyntese- dannelse av organiske stoffer (glukose, stivelse, cellulose, etc.) fra karbondioksid og vann med deltakelse av klorofyll under påvirkning av solenergi:
6CO 2 + 12H 2 O + hν (673 kcal) = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
Fotosyntese er prosessen med å fange solenergi av fotosyntetiske organismer og konvertere den til biomasseenergi.
Hvert år lagrer planteverdenen gratis energi 10 ganger høyere enn mengden mineralenergi som forbrukes per år av hele jordens befolkning. Disse mineralene i seg selv (kull, olje og naturgass) er også produkter av fotosyntese som fant sted for millioner av år siden.
Hvert år assimilerer fotosyntesen 200 milliarder tonn karbondioksid og frigjør opptil 320 milliarder tonn oksygen. Alt karbondioksid i atmosfæren passerer gjennom levende stoffer på 6-7 år.
Prosessene med destruksjon av organisk materiale til de enkleste molekylene: CO 2, H 2 O, NH 3 foregår også i biosfæren. Nedbrytningen av organiske forbindelser skjer i dyrs organismer, i planter under respirasjon med dannelse av CO 2 og H 2 O.
Mineralisering av organiske stoffer, dekomponering av dødt organisk materiale til enkle uorganiske forbindelser skjer under påvirkning av mikroorganismer.
Motsatte prosesser for dannelse og ødeleggelse av organisk materiale i biosfæren danner en enkelt biologisk syklus av atomer. I prosessen med mineralisering av organiske forbindelser frigjøres energi, som ble absorbert under fotosyntesen. Det frigjøres som varme og også som kjemisk energi.
Biologisk sykluser et sett med prosesser for inntreden av kjemiske elementer i levende organismer, biosyntese av nye komplekse forbindelser og retur av elementer til jord, atmosfære og hydrosfære.
Intensiteten til den biologiske syklusen (BIR) bestemmes av omgivelsestemperaturen og vannmengden. Den biologiske syklusen er mer intensiv i tropiske regnskoger enn i tundraen.
Det viktigste resultatet av den biologiske syklusen av stoffer er dannelsen av en humushorisont av jord på land.
Den biologiske syklusen er preget av følgende indikatorer.
Biomasse - massen av levende stoffer akkumulert på et gitt tidspunkt (fyto-, zoo-, mikrobiomasse).
Plantebiomasse(fytomasse) - massen av levende og døde planteorganismer.
Søppel - mengden organisk materiale av planter som har dødd ut per arealenhet per tidsenhet.
Vekst- biomasse akkumulert per arealenhet per tidsenhet.
Den kjemiske sammensetningen av planter avhenger av to hovedfaktorer:
1) økologisk, - miljøet for plantevekst, - nivåene av innholdet av elementer i miljøet, lokaliseringsformer, inkludert mobile, tilgjengelig for planter;
2) genetisk, på grunn av særegenhetene ved opprinnelsen til plantearten.
Under forhold med miljøforurensning bestemmes konsentrasjonen av elementer i planter av den første faktoren. I bakgrunn (uforstyrret) landskap er begge faktorer viktige.
Avhengig av reaksjonen på den kjemiske faktoren i miljøet (til innholdet av kjemiske elementer), kan 2 grupper av planter skilles:
1) tilpasset til endringer i konsentrasjonen av kjemiske elementer;
2) ikke tilpasset til endringer i konsentrasjonen av kjemiske elementer.
Endringer i konsentrasjonen av kjemiske elementer i miljøet i ikke-tilpassede planter forårsaker fysiologiske forstyrrelser som fører til sykdommer; utviklingen av planter undertrykkes, arten dør ut.
Noen plantearter er godt tilpasset overføring av høye konsentrasjoner av grunnstoffer. Dette er ville planter som vokser lenge i et gitt område, som som et resultat av naturlig utvalg får motstand mot ugunstige levekår.
Planter som konsentrerer kjemiske elementer kalles konsentratorer. For eksempel: solsikke, potetkonsentrat kalium, te - aluminium, moser - jern. Malurt, kjerringrokk, mais, eik samler gull.
En fremragende russisk vitenskapsmann, akademiker V.I. Vernadsky.
Biosfære- det komplekse ytre skallet på jorden, som inneholder hele helheten av levende organismer og den delen av planetens substans, som er i ferd med kontinuerlig utveksling med disse organismene. Det er en av de viktigste geosfærene på jorden, som er hovedkomponenten i det naturlige miljøet rundt mennesker.
Jorden er sammensatt av konsentriske skjell(geosfærer) både interne og eksterne. De indre inkluderer kjernen og mantelen, og de ytre: litosfæren - steinskall av jorden, inkludert jordskorpen (fig. 1) med en tykkelse på 6 km (under havet) til 80 km (fjellsystemer); hydrosfære - vann skall av jorden; atmosfære- Jordens gassskal, bestående av en blanding av ulike gasser, vanndamp og støv.
I en høyde på 10 til 50 km er det et lag av ozon, med sin maksimale konsentrasjon i en høyde på 20-25 km, som beskytter jorden mot overdreven ultrafiolett stråling, som er dødelig for kroppen. Biosfæren hører også hjemme her (til de ytre geosfærene).
Biosfære - det ytre skallet på jorden, som inkluderer en del av atmosfæren opp til en høyde på 25-30 km (opp til ozonlaget), nesten hele hydrosfæren og øverste del litosfæren til en dybde på 3 km
Ris. 1. Skjema av strukturen til jordskorpen
(fig. 2). Det særegne ved disse delene er at de er bebodd av levende organismer som utgjør planetens levende materie. Interaksjon abiotisk del av biosfæren- luft, vann, steiner og organisk materiale - biota forårsaket dannelsen av jord og sedimentære bergarter.
Ris. 2. Strukturen til biosfæren og forholdet mellom overflater okkupert av de viktigste strukturelle enhetene
Syklus av materie i biosfæren og økosystemene
Alt tilgjengelig for levende organismer kjemiske forbindelser i biosfæren er begrenset. Utmattelse egnet for assimilering kjemiske substanser hemmer ofte utviklingen av visse grupper av organismer i lokale områder på land eller hav. Ifølge akademiker V.R. Williams, den eneste måten å gi den endelige egenskapene til uendelighet er å få den til å rotere langs en lukket kurve. Følgelig opprettholdes stabiliteten til biosfæren på grunn av sirkulasjonen av stoffer og energistrømmer. Det er to hovedsykluser av stoffer: stor - geologisk og liten - biogeokjemisk.
Stor geologisk sirkulasjon(fig. 3). Krystallinske bergarter (magmatiske) omdannes til sedimentære bergarter under påvirkning av fysiske, kjemiske og biologiske faktorer. Sand og leire er typiske sedimenter, produkter av transformasjon av dype bergarter. Imidlertid skjer dannelsen av nedbør ikke bare på grunn av ødeleggelsen av allerede eksisterende raser, men også ved syntese av biogene mineraler - skjelettene til mikroorganismer - fra naturlige ressurser- vannet i havet, hav og innsjøer. Løse vannholdige sedimenter når de er isolert i bunnen av reservoarer med nye deler av sedimentært materiale, nedsenking til et dyp, faller inn i nye termodynamiske forhold (mer høye temperaturer og trykk) mister vann, størkner, mens de forvandles til sedimentære bergarter.
Deretter stuper disse bergartene inn i enda dypere horisonter, der prosessene med deres dype transformasjon til nye temperaturer og bariske forhold finner sted - prosessene med metamorfose finner sted.
Under påvirkning av endogene energistrømmer omsmeltes dype bergarter, og danner magma - kilden til nye magmatiske bergarter. Etter å ha hevet disse bergartene til jordens overflate, under påvirkning av prosessene med forvitring og overføring, blir de igjen forvandlet til nye sedimentære bergarter.
Dermed skyldes den store sirkulasjonen samspillet mellom solenergi (eksogen) med jordens dype (endogene) energi. Den omfordeler stoffer mellom biosfæren og de dypere horisontene på planeten vår.
Ris. 3. Stor (geologisk) sirkulasjon av materie (tynne piler) og endring i mangfold i jordskorpen (solide brede piler - vekst, intermitterende - nedgang i mangfold)
Det store boblebadet vannets kretsløp mellom hydrosfæren, atmosfæren og litosfæren, som beveger seg av solens energi, kalles også. Vann fordamper fra overflaten av vannforekomster og land og kommer deretter inn på jorden igjen i form av nedbør. Over havet overstiger fordampningen nedbør, over land, tvert imot. Disse forskjellene kompenseres for av elveløp. Landvegetasjon spiller en viktig rolle i den globale vannsyklusen. Transpirasjon av planter i visse områder av jordens overflate kan utgjøre opptil 80-90 % av nedbøren som faller her, og i gjennomsnitt for alle klimatiske soner- ca 30 %. I motsetning til den store, lille sirkulasjonen av stoffer skjer kun innenfor biosfæren. Forholdet mellom det store og det lille vannets syklus er vist i fig. 4.
Sykluser av planetarisk skala skapes fra de utallige lokale sykliske bevegelsene til atomer, drevet av den vitale aktiviteten til organismer i individuelle økosystemer, og de bevegelsene som er forårsaket av handlingen av landskap og geologiske årsaker (overflate og underjordisk avrenning, vinderosjon, bevegelse av havbunnen, vulkanisme, fjellbygging osv.) ).
Ris. 4. Sammenheng mellom den store geologiske syklusen (BGC) av vann og den lille biogeokjemiske syklusen (MBC) av vann
I motsetning til energi, som en gang brukes av kroppen, blir til varme og går tapt, sirkulerer stoffer i biosfæren og skaper biogeokjemiske sykluser. Av de nitti-nodige elementene som finnes i naturen, trenger levende organismer rundt førti. De viktigste er nødvendige for dem i store mengder - karbon, hydrogen, oksygen, nitrogen. Syklusene til elementer og stoffer utføres på grunn av selvregulerende prosesser der alle bestanddelene deltar. Disse prosessene er avfallsfrie. Finnes loven om den globale lukkingen av den biogeokjemiske syklusen i biosfæren som handler i alle stadier av utviklingen. Under utviklingen av biosfæren, rollen til den biologiske komponenten i lukkingen av biogeokjemisk
hvem syklusen. Mennesket har en enda større innflytelse på den biogeokjemiske sirkulasjonen. Men dens rolle manifesteres i motsatt retning (syklusene blir åpne). Grunnlaget for den biogeokjemiske sirkulasjonen av stoffer er solens energi og klorofyllet til grønne planter. De andre viktigste kretsløpene - vann, karbon, nitrogen, fosfor og svovel - er assosiert med og bidrar til biogeokjemisk.
Vannets kretsløp i biosfæren
Planter bruker hydrogen av vann i fotosyntesen for å bygge organiske forbindelser, og frigjøre molekylært oksygen. I prosessene med respirasjon av alle levende ting, under oksidasjon av organiske forbindelser, dannes vann igjen. I livets historie har alt det frie vannet i hydrosfæren gjentatte ganger gått gjennom sykluser med nedbrytning og nye formasjoner i den levende materie på planeten. Omtrent 500 000 km 3 vann er årlig involvert i vannets kretsløp på jorden. Vannkretsløpet og dets reserver er vist i fig. 5 (relativt).
Oksygensyklusen i biosfæren
Jorden skylder sin unike atmosfære med et høyt innhold av fritt oksygen til prosessen med fotosyntese. Dannelsen av ozon i de høye lagene av atmosfæren er nært knyttet til oksygensyklusen. Oksygen frigjøres fra vannmolekyler og er i hovedsak et biprodukt av den fotosyntetiske aktiviteten til planter. Abiotisk oksygen oppstår i den øvre atmosfæren på grunn av fotodissosiasjon av vanndamp, men denne kilden er bare tusendeler av en prosent av det som tilføres av fotosyntesen. Det er en bevegelig likevekt mellom oksygeninnholdet i atmosfæren og hydrosfæren. I vann er det omtrent 21 ganger mindre.
Ris. 6. Oksygensyklusdiagram: fete piler - hovedstrømmer av oksygeninntak og forbruk
Det frigjorte oksygenet brukes intensivt på respirasjonsprosessene til alle aerobe organismer og på oksidasjon av forskjellige mineralforbindelser. Disse prosessene foregår i atmosfæren, jord, vann, silt og bergarter. Det er vist at en betydelig del av oksygenet bundet i sedimentære bergarter er av fotosyntetisk opprinnelse. Exchange fond O, i atmosfæren er ikke mer enn 5% av den totale produksjonen av fotosyntese. Mange anaerobe bakterier oksiderer også organisk materiale under anaerob respirasjon ved hjelp av sulfater eller nitrater.
Den fullstendige nedbrytningen av organisk materiale skapt av planter krever nøyaktig samme mengde oksygen som ble frigjort under fotosyntesen. Nedgraving av organisk materiale i sedimentære bergarter, kull, torv fungerte som grunnlag for å opprettholde utvekslingsfondet for oksygen i atmosfæren. Alt oksygenet i den går gjennom en hel syklus gjennom levende organismer på omtrent 2000 år.
For tiden er en betydelig del av atmosfærisk oksygen bundet som følge av transport, industri og andre former for menneskeskapt aktivitet. Det er kjent at menneskeheten allerede bruker mer enn 10 milliarder tonn fritt oksygen av den totale mengden på 430-470 milliarder tonn levert av fotosynteseprosessene. Hvis vi tar i betraktning at bare en liten del av fotosyntetisk oksygen kommer inn i utvekslingsfondet, begynner aktiviteten til mennesker i denne forbindelse å få alarmerende proporsjoner.
Oksygensyklusen er nært knyttet til karbonsyklusen.
Karbonkretsløpet i biosfæren
Karbon, som et kjemisk grunnstoff, er grunnlaget for liv. Han kan forskjellige måter kombineres med mange andre elementer, og danner enkle og komplekse organiske molekyler som utgjør levende celler. Når det gjelder distribusjon på planeten, rangerer karbon som ellevte (0,35 % av vekten av jordskorpen), men i levende materie utgjør det i gjennomsnitt omtrent 18 eller 45 % av tørr biomasse.
I atmosfæren er karbon inkludert i sammensetningen av karbondioksid CO2, i mindre grad - i sammensetningen av metan CH4. I hydrosfæren er CO2 oppløst i vann, og dets totale innhold er mye høyere enn atmosfærisk. Havet fungerer som en kraftig buffer for regulering av CO2 i atmosfæren: med en økning i konsentrasjonen i luften, øker absorpsjonen av karbondioksid av vann. Noen av CO2-molekylene reagerer med vann og danner karbonsyre, som deretter dissosieres til HCO 3 - og CO 2 - 3-ioner. Disse ionene reagerer med kalsium- eller magnesiumkationer for å felle ut karbonater. Lignende reaksjoner ligger til grunn for havbuffersystemet, og opprettholder en konstant pH i vann.
Karbondioksid i atmosfæren og hydrosfæren er et utvekslingsfond i karbonkretsløpet, hvorfra det hentes landplanter og alger. Fotosyntese ligger til grunn for alle biologiske sykluser på jorden. Frigjøringen av fiksert karbon skjer under respirasjonsaktiviteten til de fotosyntetiske organismene selv og alle heterotrofer - bakterier, sopp, dyr, som inngår i næringskjeden på grunn av levende eller dødt organisk materiale.
Ris. 7. Karbonsyklus
Spesielt aktiv er returen av CO2 fra jorda til atmosfæren, hvor aktiviteten til mange grupper av organismer er konsentrert, nedbryting av restene av døde planter og dyr og respirasjon av plantens rotsystemer utføres. Denne integrerte prosessen er betegnet som "jordrespirasjon" og gir et betydelig bidrag til påfyll av utvekslingsfondet av CO2 i luften. Parallelt med prosessene for mineralisering av organisk materiale, dannes humus i jord - et komplekst og stabilt molekylært kompleks rikt på karbon. Jordsmonnets humus er et av de viktige karbonreservoarene på land.
Under forhold hvor aktiviteten til destruktorer hemmes av miljøfaktorer (for eksempel når et anaerobt regime oppstår i jordsmonn og på bunnen av vannforekomster), brytes ikke det organiske materialet akkumulert av vegetasjon ned, og blir over tid til bergarter som kull eller brunkull, torv, sapropeller, oljeskifer og andre rike på lagret solenergi. De fyller på karbonreservefondet, og stenger ned fra det biologiske kretsløpet i lang tid. Karbon avsettes også midlertidig i levende biomasse, dødt søppel, oppløst organisk materiale i havet, etc. men hovedkarbonreserven på skriv er ikke levende organismer og ikke fossilt brensel, men sedimentære bergarter - kalksteiner og dolomitter. Dannelsen deres er også assosiert med aktiviteten til levende materie. Karbonet til disse karbonatene er begravet i lang tid i jordens tarmer og kommer inn i syklusen bare under erosjon når bergarter blir eksponert i tektoniske sykluser.
Bare brøkdeler av en prosent av karbon fra den totale mengden på jorden er involvert i den biogeokjemiske syklusen. Karbonet i atmosfæren og hydrosfæren passerer gjennom levende organismer mange ganger. Landplanter er i stand til å tømme reservene i luften om 4-5 år, reserver i jordhumus om 300-400 år. Hovedavkastningen av karbon til utvekslingsfondet skjer på grunn av aktiviteten til levende organismer, og bare en liten del av det (tusendeler av en prosent) blir kompensert ved frigjøring av vulkanske gasser fra jordens indre.
For tiden er utvinning og brenning av enorme reserver av fossilt brensel i ferd med å bli en kraftig faktor i overføringen av karbon fra reserven til biosfærens utvekslingsfond.
Nitrogenkretsløpet i biosfæren
Atmosfæren og levende stoffer inneholder mindre enn 2 % av alt nitrogen på jorden, men det er dette nitrogenet som støtter livet på planeten. Nitrogen er en del av de viktigste organiske molekylene - DNA, proteiner, lipoproteiner, ATP, klorofyll osv. I plantevev er forholdet med karbon i gjennomsnitt 1:30, og i tang I: 6. Nitrogens biologiske kretsløp er derfor også nært knyttet til karbonkretsløpet.
Molekylært nitrogen i atmosfæren er utilgjengelig for planter, som bare kan assimilere dette elementet i form av ammoniumioner, nitrater eller fra jord eller vandige løsninger... Derfor er mangelen på nitrogen ofte en faktor som begrenser primærproduksjonen - arbeidet til organismer knyttet til dannelsen av organiske stoffer fra uorganiske. Ikke desto mindre er atmosfærisk nitrogen mye involvert i den biologiske syklusen på grunn av aktiviteten til spesielle bakterier (nitrogenfiksere).
Ammonifiserende mikroorganismer tar også en stor del i nitrogenkretsløpet. De bryter ned proteiner og annet nitrogenholdig organisk materiale til ammoniakk. I ammoniumformen blir nitrogen delvis reabsorbert av planterøtter, og delvis oppfanget av nitrifiserende mikroorganismer, som er motsatt av funksjonene til en gruppe mikroorganismer - denitrifiers.
Ris. 8. Nitrogenkretsløpet
Under anaerobe forhold i jord eller vann bruker de oksygenet fra nitrater til å oksidere organisk materiale, og får energi for livet. I dette tilfellet reduseres nitrogen til molekylært nitrogen. Nitrogenfiksering og denitrifikasjon i naturen er tilnærmet balansert. Nitrogensyklusen avhenger derfor hovedsakelig av bakterieaktiviteten, mens planter integreres i den, ved å bruke mellomproduktene fra denne syklusen og øke omfanget av nitrogensirkulasjon i biosfæren på grunn av produksjonen av biomasse.
Bakterienes rolle i nitrogensyklusen er så stor at hvis bare 20 av artene deres blir ødelagt, vil livet på planeten vår opphøre.
Ikke-biologisk fiksering av nitrogen og inntrengning av dets oksider og ammoniakk i jorda skjer også med nedbør under ionisering av atmosfæren og lynutslipp. Den moderne gjødselindustrien fikserer atmosfærisk nitrogen i overkant av naturlig nitrogenfiksering for å øke avlingsproduksjonen.
For tiden påvirker menneskelig aktivitet i økende grad nitrogensyklusen, hovedsakelig i retning av å overskride omdannelsen til bundne former over prosessene med å gå tilbake til molekylær tilstand.
Fosforsyklusen i biosfæren
Dette elementet, som er nødvendig for syntesen av mange organiske stoffer, inkludert ATP, DNA, RNA, assimileres av planter bare i form av fosforsyreioner (P0 3 4 +). Det tilhører elementene som begrenser primærproduksjonen både på land, og spesielt i havet, siden det utskiftbare fosforfondet i jord og vann er lite. Syklusen til dette elementet på biosfærens skala er ikke lukket.
På land trekker planter ut fosfater fra jorda, frigjort av nedbrytere fra nedbrytende organiske rester. I alkalisk eller sur jord faller imidlertid løseligheten av fosforforbindelser kraftig. Hovedreservefondet for fosfater er inneholdt i bergarter skapt på havbunnen i den geologiske fortiden. I løpet av utvasking av bergarter går deler av disse reservene inn i jorda og vaskes ut i vannmasser i form av suspensjoner og løsninger. I hydrosfæren brukes fosfater av planteplankton, og passerer langs næringskjeder til andre vannlevende organismer. Men i havet er de fleste fosforforbindelsene begravet med rester av dyr og planter på bunnen, etterfulgt av en overgang med sedimentære bergarter inn i den store geologiske sirkulasjonen. På dypet binder oppløste fosfater seg til kalsium for å danne fosforitter og apatitter. I biosfæren er det faktisk en ensrettet strøm av fosfor fra bergartene i landet til dypet av havet, derfor er utvekslingsfondet i hydrosfæren svært begrenset.
Ris. 9. Fosforsyklusen
Jordforekomster av fosforitter og apatitter brukes til produksjon av gjødsel. Inntrengning av fosfor i ferskvannsforekomster er en av hovedårsakene til deres "blomstring".
Svovelsyklusen i biosfæren
Svovelsyklusen, nødvendig for konstruksjonen av en rekke aminosyrer, er ansvarlig for den tredimensjonale strukturen til proteiner, opprettholdes i biosfæren et stort spekter bakterie. Aerobe mikroorganismer, som oksiderer svovel av organiske rester til sulfater, samt anaerobe sulfatreduserende midler, som reduserer sulfater til hydrogensulfid, deltar i individuelle ledd i denne syklusen. I tillegg til de listede gruppene av svovelbakterier, oksideres hydrogensulfid til elementært svovel og videre til sulfater. Planter assimilerer bare SO 2-4 ioner fra jord og vann.
Ringen i midten illustrerer oksidasjons- (O) og reduksjons- (R) prosessene som utveksler svovel mellom det tilgjengelige sulfatbassenget og jernsulfidbassenget dypt i jord og sediment.
Ris. 10. Svovelkretsløpet. Ringen i midten illustrerer prosessen med oksidasjon (0) og reduksjon (R), på grunn av hvilken utveksling av svovel skjer mellom bassenget av tilgjengelig sulfat og bassenget av jernsulfider som ligger dypt i jorda og sedimenter.
Hovedakkumuleringen av svovel skjer i havet, hvor sulfationer kontinuerlig tilføres fra land med elveavrenning. Når hydrogensulfid frigjøres fra vann, blir svovel delvis returnert til atmosfæren, hvor det oksideres til dioksid, og blir til svovelsyre i regnvann. Industriell bruk et stort antall sulfater og elementært svovel og forbrenning av fossilt brensel frigjør store mengder svoveldioksid til atmosfæren. Det skader vegetasjon, dyr, mennesker og fungerer som en kilde til sur nedbør, og forverrer de negative effektene av menneskelig innblanding i svovelsyklusen.
Sirkulasjonshastigheten til stoffer
Alle sykluser av stoffer skjer med forskjellige hastigheter (fig. 11)
Dermed støttes syklusene til alle næringsstoffer på planeten av en kompleks interaksjon av forskjellige deler. De er dannet av aktiviteten til grupper av organismer med forskjellige funksjoner, systemet med avrenning og fordampning som forbinder hav og land, prosessene for sirkulasjon av vann og luftmasser, virkningen av gravitasjonskrefter, tektonikk av litosfæriske plater og andre store- skala geologiske og geofysiske prosesser.
Biosfæren fungerer som en et komplekst system, der ulike sykluser av stoffer finner sted. Hovedmotoren til disse sirkulasjon er det levende stoffet på planeten, alle levende organismer, gir prosessene for syntese, transformasjon og nedbrytning av organisk materiale.
Ris. 11. Sirkulasjonshastigheter for stoffer (P. Cloud, A. Jibor, 1972)
Det økologiske synet på verden er basert på ideen om at hver levende skapning er omgitt av mange som påvirker den ulike faktorer danner sitt habitat i komplekset - en biotop. Derfor, biotop - et stykke territorium som er homogent når det gjelder levekår for visse arter av planter eller dyr(ravineskråning, urban skogpark, liten innsjø eller del av en stor, men med ensartede forhold - kystdel, dypvannsdel).
Organismer som er karakteristiske for en bestemt biotop utgjør livsfellesskap, eller biocenose(dyr, planter og mikroorganismer i innsjøen, eng, kyststripe).
Livssamfunnet (biocenose) danner en helhet med sin biotop, som kalles økologisk system (økosystem). Et eksempel på naturlige økosystemer er en maurtue, innsjø, dam, eng, skog, by, gård. Et klassisk eksempel kunstig økosystem er et romskip. Som du kan se, er det ingen streng romlig struktur... Nær begrepet økosystem er begrepet biogeocenose.
Hovedkomponentene i økosystemene er:
- livløst (abiotisk) miljø. Dette er vann, mineraler, gasser, samt organiske stoffer og humus;
- biotiske komponenter. Disse inkluderer: produsenter eller produsenter (grønne planter), forbrukere eller forbrukere (levende ting som lever av produsenter), og nedbrytere eller nedbrytere (mikroorganismer).
Naturen jobber ekstremt økonomisk. Dermed overføres biomassen skapt av organismer (stoffet i organismenes kropper) og energien i dem til andre medlemmer av økosystemet: dyr spiser planter, disse dyrene blir spist av andre dyr. Denne prosessen kalles mat, eller trofisk, kjede. I naturen overlapper næringskjedene ofte hverandre, danner et næringsnett.
Eksempler av matkjeder: plante - planteetende dyr - rovdyr; korn - markmus - rev osv. og næringsnettet er vist i fig. 12.
Således er likevektstilstanden i biosfæren basert på samspillet mellom biotiske og abiotiske miljøfaktorer, som opprettholdes på grunn av kontinuerlig utveksling av materie og energi mellom alle komponenter i økosystemene.
I de lukkede syklusene til naturlige økosystemer, sammen med andre, må to faktorer delta: tilstedeværelsen av nedbrytere og konstant tilførsel av solenergi. I urbane og kunstige økosystemer er det få eller ingen nedbrytere; derfor samler flytende, fast og gassformig avfall seg opp og forurenser miljøet.
Ris. 12. Næringsvev og materiens strømningsretning
Laster inn ...