Circulația substanțelor în biosferă este un proces ciclic, repetitiv, de transformare și mișcare comună, interconectată a substanțelor. Prezenţa unui ciclu de substanţe este conditie necesara existența biosferei. După ce au fost folosite de unele organisme, substanțele trebuie să treacă într-o formă accesibilă altor organisme. O astfel de tranziție a substanțelor de la o legătură la alta necesită costuri energetice, prin urmare, este posibilă numai cu participarea energiei Soarelui. Odată cu utilizarea energiei solare, pe planetă apar două cicluri interconectate de substanțe: mare - geologic și mic - biologic (biotic).
Circulația geologică a substanțelor- procesul de migrare a substanțelor, desfășurat sub influența factorilor abiotici: intemperii, eroziune, mișcarea apei etc. Organismele vii nu iau parte la el.
Odată cu apariția materiei vii pe planetă, circulaţie biologică (biotică).... Toate organismele vii iau parte la ea, absorbind unele substanțe din mediu și eliberând altele. De exemplu, plantele în curs de viață consumă dioxid de carbon, apă, mineraleși eliberează oxigen. Animalele folosesc oxigenul eliberat de plante pentru respirație. Ei mănâncă plante și, ca urmare a digestiei, le asimilează pe cele formate în procesul de fotosinteză. materie organică... Ei degajă dioxid de carbon și resturi alimentare nedigerate. După moarte, plantele și animalele formează o masă de materie organică moartă (detritus). Detritusul este disponibil pentru descompunere (mineralizare) de către ciuperci și bacterii microscopice. Ca urmare a activității lor vitale, o cantitate suplimentară de dioxid de carbon... Și substanțele organice sunt transformate în componente anorganice originale - biogeni. Compușii minerali formați, ajungând în corpurile de apă și în sol, devin din nou disponibili plantelor pentru fixare prin fotosinteză. Acest proces se repetă la nesfârșit și este închis în natură (circulație). De exemplu, tot oxigenul atmosferic călătorește pe această cale în aproximativ 2 mii de ani, în timp ce dioxidul de carbon durează aproximativ 300 de ani pentru a face acest lucru.
Energia conținută în materia organică scade pe măsură ce se deplasează în lanțurile trofice. Cea mai mare parte este disipată în mediu sub formă de căldură sau este cheltuită pentru menținerea proceselor vitale ale organismelor. De exemplu, asupra respirației animalelor și plantelor, transportului de substanțe în plante, precum și asupra proceselor de biosinteză a organismelor vii. În plus, biogenii formați ca urmare a activității descompunetorilor nu conțin energia disponibilă organismelor. V în acest caz putem vorbi doar despre fluxul de energie în biosferă, dar nu despre ciclu. Prin urmare, condiția existenței stabile a biosferei este circulația constantă a substanțelor și fluxul de energie în biogeocenoze.
Ciclurile geologice și biologice formează împreună ciclul biogeochimic general al substanțelor, la baza căruia se află ciclurile azotului, apei, carbonului și oxigenului.
Ciclul azotului
Azotul este unul dintre cele mai abundente elemente din biosferă. Cea mai mare parte a azotului biosferic se află în atmosferă sub formă gazoasă. După cum știți din cursul chimiei, legăturile chimice dintre atomi din azotul molecular (N 2) sunt foarte puternice. Prin urmare, majoritatea organismelor vii nu îl pot folosi direct. Prin urmare, o etapă importantă în ciclul azotului este fixarea și transformarea acestuia într-o formă accesibilă organismelor. Există trei moduri de fixare a azotului.
Fixare atmosferică... Sub influența descărcărilor electrice atmosferice (fulger), azotul poate interacționa cu oxigenul pentru a forma oxid de azot (NO) și dioxid (NO 2). Oxidul de azot (NO) este foarte rapid oxidat de oxigen și transformat în dioxid de azot. Dioxidul de azot se dizolvă în vapori de apă și sub formă de acizi azotos (HNO 2 ) și acizi azotici ( HNO 3 ) cu precipitații intră în sol. În sol, ca urmare a disocierii acestor acizi, se formează ioni de nitriți (NO 2 -) și nitrați (NO 3 -). Ionii de nitriți și nitrați pot fi deja absorbiți de plante și incluși în ciclul biologic. Fixarea azotului atmosferic reprezintă aproximativ 10 milioane de tone de azot pe an, ceea ce reprezintă aproximativ 3% din fixarea anuală a azotului în biosferă.
Fixare biologică... Este realizat de bacterii fixatoare de azot, care transformă azotul în forme accesibile plantelor. Datorită microorganismelor, aproximativ jumătate din tot azotul este legat. Cele mai cunoscute bacterii fixează azotul în nodulii plantelor leguminoase. Ele furnizează azot plantelor sub formă de amoniac (NH3). Amoniacul este ușor solubil în apă cu formarea ionului de amoniu (NH 4 +), care este absorbit de plante. Prin urmare, leguminoasele sunt cei mai buni predecesori ai plantelor cultivate în rotația culturilor. După moartea animalelor și plantelor și descompunerea rămășițelor acestora, solul este îmbogățit cu compuși organici și minerali de azot. Apoi bacteriile putrefactive (amonifiante) descompun substanțele care conțin azot (proteine, uree, acizi nucleici) ale plantelor și animalelor la amoniac. Acest proces se numește amonificare... Cea mai mare parte a amoniacului este ulterior oxidată de bacteriile nitrificante în nitriți și nitrați, care sunt reutilizați de plante. Revenirea azotului în atmosferă are loc prin denitrificare, care este efectuată de un grup de bacterii denitrificatoare. Ca rezultat, compușii azotați sunt reduși la azot molecular. O parte din azot în nitrați și amoniu se formează cu scurgeri de suprafață intră în ecosistemele acvatice. Aici este absorbit azotul organisme acvatice sau pătrunde în sedimentele organice de fund.
Fixare industrială... O cantitate mare de azot este legată anual industrial în producția de îngrășăminte minerale cu azot. Azotul din astfel de îngrășăminte este asimilat de plante sub forme de amoniu și nitrat. Volumul de îngrășăminte cu azot produs în Belarus este în prezent de aproximativ 900 de mii de tone pe an. Cel mai mare producător este JSC GrodnoAzot. Această întreprindere produce uree, azotat de amoniu, sulfat de amoniu și alte îngrășăminte cu azot.
Aproximativ 1/10 din azotul aplicat artificial este folosit de plante. Restul cu scurgeri de suprafață și apă subterană trec în ecosistemele acvatice. Aceasta duce la acumularea în apă a unor cantități mari de compuși cu azot disponibili pentru asimilarea de către fitoplancton. Ca urmare, este posibilă reproducerea rapidă a algelor (eutrofizare) și, ca urmare, moartea în ecosistemele acvatice.
Ciclul apei
Apa este componenta principală a biosferei. Este un mediu pentru dizolvarea aproape a tuturor elementelor în timpul ciclului. Cea mai mare parte a apei biosferei este reprezentată de apă lichidă și apă de gheață eternă (mai mult de 99% din toate rezervele de apă din biosferă). O parte nesemnificativă a apei este în stare gazoasă - este vapori de apă atmosferici. Ciclul apei biosferice se bazează pe faptul că evaporarea acesteia de la suprafața Pământului este compensată de precipitații. Căzând pe suprafața pământului sub formă de precipitații, apa contribuie la distrugerea rocilor. Acest lucru face ca mineralele lor constitutive să fie disponibile organismelor vii. Evaporarea apei de la suprafața planetei este cea care determină ciclul geologic al acesteia. Consumă aproximativ jumătate din energia solară incidentă. Evaporarea apei de la suprafața mărilor și oceanelor are loc cu o rată mai mare decât revenirea ei cu precipitații. Această diferență este compensată de scurgerile de suprafață și de adâncime, datorită faptului că precipitațiile prevalează asupra evaporării pe continente.
Creșterea intensității evaporării apei pe uscat se datorează în mare măsură activității vitale a plantelor. Plantele extrag apa din sol si o transpira activ in atmosfera. O parte din apa din celulele plantelor este descompusă în timpul fotosintezei. În acest caz, hidrogenul este fixat sub formă compusi organici, iar oxigenul este eliberat în atmosferă.
Animalele folosesc apa pentru a menține echilibrul osmotic și de sare în organism și o eliberează în mediul extern împreună cu produsele metabolice.
Ciclul carbonului
Carbon ca element chimic prezente în atmosferă în compoziţia dioxidului de carbon. Aceasta determină participarea obligatorie a organismelor vii la ciclul acestui element de pe planeta Pământ. Principala cale prin care carbonul provine compuși anorganici intră în compoziția substanțelor organice, unde este un element chimic obligatoriu - acesta este procesul de fotosinteză. O parte din carbon este eliberată în atmosferă în compoziția dioxidului de carbon în timpul respirației organismelor vii și în timpul descompunerii materiei organice moarte de către bacterii. Carbonul absorbit de plante este consumat de animale. Pe lângă polipii de corali, moluștele folosesc compuși de carbon pentru a construi formațiuni scheletice și cochilii. După ce mor și se așează pe fund, se formează depozite de calcar. Astfel, carbonul poate fi eliminat din ciclu. Eliminarea carbonului din ciclu pentru o lungă perioadă de timp se realizează prin formarea de minerale: cărbune, petrol, turbă.
De-a lungul existenței planetei noastre, carbonul eliminat din ciclu a fost compensat de dioxidul de carbon care a pătruns în atmosferă atunci când erupții vulcanice iar în altele procese naturale... În prezent, o cantitate semnificativă a fost adăugată proceselor naturale de completare a carbonului în atmosferă. impact antropic... De exemplu, la arderea combustibililor cu hidrocarburi. Acest lucru perturbă ciclul carbonului vechi de secole de pe Pământ.
O creștere a concentrației de dioxid de carbon cu doar 0,01% peste un secol a dus la o manifestare vizibilă a efectului de seră. Temperatura medie anuală a planetei a crescut cu 0,5 ° C, iar nivelul Oceanului Mondial a crescut cu aproape 15 cm. Oamenii de știință prevăd că dacă temperatura medie anuală crește cu încă 3-4 ° C, gheața veșnică va începe. a se topi. În același timp, nivelul Oceanului Mondial va crește cu 50-60 cm, ceea ce va duce la inundarea unei părți semnificative a pământului. Acest lucru este considerat global catastrofie ecologică, deoarece aceste teritorii găzduiesc aproximativ 40% din populația lumii.
Ciclul oxigenului
În funcționarea biosferei, oxigenul joacă un rol extrem de important în procesele metabolice și în respirația organismelor vii. Scăderea cantității de oxigen din atmosferă ca urmare a proceselor de respirație, ardere și degradare a combustibilului este compensată de oxigenul eliberat de plante în timpul fotosintezei.
Oxigenul s-a format în atmosfera primară a Pământului în timpul răcirii sale. Datorită reactivității sale ridicate, a trecut de la starea gazoasă la compoziția diverșilor compuși anorganici (carbonați, sulfați, oxizi de fier etc.). Atmosfera de astăzi, care conține oxigen, a planetei s-a format exclusiv datorită fotosintezei efectuate de organismele vii. Conținutul de oxigen din atmosferă a crescut la valorile actuale de mult timp. Menținerea cantității sale la un nivel constant este posibilă în prezent doar datorită organismelor fotosintetice.
Din păcate, în ultimele decenii, activitățile umane care duc la defrișare, eroziunea solului, reduc intensitatea fotosintezei. Și aceasta, la rândul său, perturbă cursul natural al ciclului oxigenului în zone mari ale Pământului.
O mică parte din oxigenul atmosferic este implicată în formarea și distrugerea ecranului de ozon sub acțiunea radiațiilor ultraviolete de la Soare.
Baza ciclului biogenic al substanțelor este energia solară. Condiția principală pentru existența stabilă a biosferei este circulația constantă a substanțelor și fluxul de energie în biogeocenoze. În ciclurile azotului, carbonului și oxigenului, rolul principal revine organismelor vii. Baza ciclului global al apei în biosferă este asigurată de procesele fizice.
Ciclul și ciclurile biogeochimice ale substanțelor
Explicați semnificația ciclului geologic folosind exemplul ciclului apei.
Cum are loc ciclul biologic?
Care este legea migrării biogene a atomilor V.I. Vernadsky?
Care sunt fondurile de rezervă și de schimb ale ciclului natural? Care este diferența dintre ele?
Pământul ca superorganism viu
* Pentru ca biosfera să existe și să se dezvolte, trebuie să existe întotdeauna un ciclu biologic substanțe importante, adică după utilizare, trebuie să treacă din nou într-o formă asimilabilă pentru alte organisme. Această tranziție a substanțelor importante din punct de vedere biologic poate fi efectuată numai cu o anumită cheltuială de energie, a cărei sursă este Soarele.
Omul de știință V.R. Williams crede că energia solară oferă două cicluri de materie pe Pământ - geologice , sau mare, circulație și biologic , mic, circulatie.
Geologic la Circulația se manifestă cel mai clar în ciclul apei. Pământul primește 5,24ґ1024 J de energie radiată anual de la Soare. Aproximativ jumătate din ea este cheltuită pentru evaporarea apei. În același timp, din ocean se evaporă mai multă apă decât revine cu precipitații. Pe uscat, pe de altă parte, cad mai multe precipitații decât se evaporă apa. Surplusul său se varsă în râuri și lacuri, iar de acolo - înapoi în ocean (în timp ce transferă o anumită cantitate de compuși minerali). Acesta este ceea ce determină ciclul mare în biosferă, pe baza faptului că evaporarea totală a apei de pe Pământ este compensată de precipitații.
** Odată cu apariția materiei vii pe baza ciclului geologic, ciclul organicului alambicuri, circulație biologică (mică).
Ciclul apei ca exemplu de ciclu geologic
(de H. Penman)
Pe măsură ce materia vie se dezvoltă, tot mai multe elemente sunt extrase constant din ciclul geologic, care intră într-un nou ciclu biologic. Spre deosebire de simplul transfer de substanţe minerale în circulaţia mare, atât sub formă de soluţii, cât şi sub formă de sedimente mecanice, în circulaţia mică cele mai importante momente sunt sinteza şi distrugerea compuşilor organici. Spre deosebire de cel geologic, ciclul biologic are energie neglijabilă. După cum se știe, doar 0,1-0,2% din toată energia solară furnizată Pământului este cheltuită pentru crearea de materie organică (până la 50% pentru circulația geologică). În ciuda acestui fapt, energia implicată în ciclul biologic face o cantitate enormă de muncă pentru a crea produse primare.
Ciclul biologic
Odată cu apariția materiei vii pe Pământ, elementele chimice circulă continuu în biosferă, trecând din mediul extern.
în organisme și din nou în mediul extern. O astfel de circulație a substanțelor pe căi mai mult sau mai puțin închise se numește ciclu biogeochimic.
Principalele cicluri biogeochimice sunt ciclurile oxigenului, carbonului, apei, azotului, fosforului, sulfului și altor elemente biogene.
*** Migrarea biogenă a materiei - una dintre formele de migrare generală a elementelor în natură. Migrația geochimică biogenă trebuie înțeleasă ca migrarea materiei organice și inerte implicate în creșterea și dezvoltarea organismelor vii și produsă de acestea din urmă ca urmare a unor procese biochimice și biogeochimice complexe. IN SI. a formulat Vernadsky legea migrării biogene a atomilor în următoarea formă:
Migrarea elementelor chimice în biosferă se realizează fie cu participarea directă a materiei vii (migrația biogenă), fie are loc într-un mediu ale cărui caracteristici geochimice (O2, CO2, H2 etc.) se datorează vieții. materia (cea care locuiește în biosferă în prezent și cea care a funcționat pe Pământ de-a lungul istoriei geologice).
Omul afectează în primul rând biosfera și populația ei vie, prin urmare, el modifică condițiile de migrare biogenă a atomilor, creând premisele pentru schimbări chimice profunde. Astfel, procesul poate deveni auto-dezvoltat, independent de dorința umană și practic incontrolabil la scară globală.
Din punct de vedere al circulației planetare a materiei, cele mai importante sunt ciclurile sol-peisaj, hidrosfera și profunde (intraterestre). Prima dintre ele presupune extracția elementelor chimice din roci, apă, aer, descompunerea materiei organice, absorbția și sinteza diverșilor compuși organici și organo-minerali. În ciclul hidrosferic rolul principal compoziţia apei şi activitatea biologică a organismelor vii joacă. Bioproducția de materie aici se realizează cu participarea predominantă a fito și zooplanctonului. În ciclul profund al migrației biogene, rolul cel mai important revine activității microorganismelor anaerobe.
**** Procesele care au loc în diferite învelișuri ale Pământului se află într-o stare de echilibru dinamic, iar o schimbare în cursul oricăreia dintre ele implică lanțuri nesfârșite de fenomene uneori ireversibile. În fiecare ciclu natural, este recomandabil să se facă distincția între două părți sau două „fonduri”:
fond de rezervă- o masă mare de substanțe care se mișcă încet, în principal de natură anorganică;
mobil, sau schimb, fond- mai mic, dar mai activ, care se caracterizează printr-un schimb rapid între organisme și mediu.
Fondul de schimb se formează din cauza substanțelor care revin în circulație fie datorită excreției primare (din latinescul excretum – alocat) de către animale, fie în timpul descompunerii detritusului de către microorganisme.
Dacă avem în vedere biosfera în ansamblu, atunci ciclurile biogeochimice pot fi împărțite în două tipuri principale:
circulația substanțelor gazoase cu fond de rezervă în atmosferă sau hidrosferă;
ciclu sedimentar cu un fond de rezervă în scoarța terestră.
^ CIRCUITUL BIOLOGIC AL SUBSTANȚELOR DIN NATURĂ
Conceptul general al ciclului biologic al substanțelor
Circulația biologică a substanțelor ca formă de dezvoltare a planetei Pământ
Elemente ale ciclului biogeochimic al substanțelor din natură
Parametrii ciclului biogeochimic pe uscat
Circulația biologică și formarea solului
^ CONCEPTUL GENERAL
Ciclul biologic al substanțelor este o combinație a proceselor de intrare a elementelor chimice din sol și atmosferă în organismele vii, sinteza biochimică de noi compuși complecși și întoarcerea elementelor în sol și atmosferă cu o scădere anuală în parte a materia organica. Ciclul biologic al substanțelor nu este un ciclu închis pe deplin compensat, prin urmare, în cursul acestuia, solul este îmbogățit cu humus și azot, elemente de nutriție minerală (așa-numitele elemente biogene), ceea ce creează o bază favorabilă existenței. a organismelor vegetale.
Semnificația biologică, biochimică și geochimică a proceselor care au loc în circulația biologică a substanțelor a fost demonstrată pentru prima dată de V.V.Dokuchaev, care a creat teoria zonelor naturii. Mai mult, a fost dezvăluit în lucrările lui V.I. Vernadsky, B. B. Polynov, D. N. Pryanishnikov, V. N. Sukachev, N. P. Remezov, L. E. Rodin, N. I. Bazilevich, V. A. Kovda și alți cercetători.
Uniunea internațională Științe biologice(Uniunea Internațională de Științe Biologice) a desfășurat un amplu program de cercetare privind productivitatea biologică a biogeocenozelor corpurilor de pământ și apă. Programul Biologic Internațional a fost înființat pentru a ghida această cercetare. Pentru a unifica termenii și conceptele utilizate în literatura modernă privind Bioprogramul internațional, anumită muncă... Înainte de a începe să studiem ciclurile biologice naturale ale substanțelor, este necesar să explicăm termenii cei mai des utilizați.
Biomasa - masa de materie vie acumulată la acest moment timp.
^ Biomasa vegetală (sinonim - fitomasă) - masa de organisme vii și moarte ale comunităților de plante de pe orice zonă care și-au păstrat structura anatomică până în prezent.
^ Structura biomasei - raportul dintre părțile subterane și supraterane ale plantelor, precum și părțile anuale și perene, fotosintetice și nefotosintetice ale plantelor.
zdrențe - părți ale plantelor moarte care au păstrat o legătură mecanică cu planta.
^ Așternut - cantitatea de materie organică a plantelor care s-a stins în părțile supraterane și subterane pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp.
gunoi - masa de reziduuri de plante perene grade diferite mineralizare.
Creștere - masa unui organism sau a unei comunități de organisme, acumulată pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp.
^ Câștig adevărat - raportul dintre creștere și cantitatea de gunoi pe unitatea de timp pe unitatea de suprafață.
Productie primara - masa de materie vie creată de autotrofe (plante verzi) pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp.
^ produse secundare - masa de materie organică creată de heterotrofi pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp.
Capacitatea ciclului biologic - cantitatea de elemente chimice din compoziția masei unei biocenoze mature (fitocenoză).
Intensitatea ciclului biologic este cantitatea de elemente chimice conținute în creșterea fitocenozei pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp.
Viteza ciclului biologic este perioada de timp în care un element trece de la absorbția sa de către o substanță vie până la eliberarea sa din compoziția unei substanțe vii. Determinat folosind atomi trasori.
Potrivit lui L. Ye. Rodin, N. I. Bazilevich (1965), ciclul complet al ciclului biologic al elementelor este format din următoarele componente.
Absorbția de către suprafața asimilatoare a plantelor din atmosfera de carbon și de către sistemele radiculare din sol - azot, elemente de cenușă și apă, fixarea acestora în corpurile organismelor vegetale, pătrunderea în sol cu plante moarte sau părți ale acestora, descompunere de gunoi și eliberarea elementelor conținute în acestea.
Înstrăinarea părților plantelor de către animalele care se hrănesc cu ele, transformarea lor în corpurile animalelor în noi compuși organici și consolidarea unora dintre ele în organismele animale, intrarea ulterioară a acestora în sol cu excrementele animalelor sau cu cadavrele lor, descompunerea ambelor și a acestora. eliberarea elementelor conținute în acestea.
Schimbul de gaze între suprafața plantei asimilatoare și atmosferă, între sistemul radicular și aerul din sol.
Excreția vitală de către organele plantei supraterane și, în special, de către sistemele radiculare a unor elemente direct în sol.
^ CIRCUITUL BIOLOGIC AL SUBSTANTELOR CA FORMA DE DEZVOLTARE A PLANETEI PAMANT
Structura biosferei în forma sa cea mai generală reprezintă cele două cele mai mari complexe naturale de prim rang - continentală și oceanică. Plantele, animalele și acoperirea solului formează un sistem ecologic mondial complex pe uscat. Prin legarea și redistribuirea energiei solare, carbon atmosferic, umiditate, oxigen, hidrogen, azot, fosfor, sulf, calciu și alte elemente biofile, acest sistem formează biomasă și generează oxigen liber.
Plantele acvatice și oceanul formează un alt sistem ecologic mondial care îndeplinește pe planetă aceleași funcții de legare a energiei solare, carbon, azot, fosfor și alți biofili prin formarea fitobiomasei și eliberarea de oxigen în atmosferă.
Există trei forme de acumulare și redistribuire a energiei cosmice în biosferă. ^ Esența primei Dintre acestea, organismele vegetale și prin lanțurile trofice și animalele și bacteriile asociate implică mulți compuși în țesuturile lor. Acești compuși conțin H 2, O 2, N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Al, Mn și alți biofili, multe oligoelemente (I, Co, Cu, Zn etc.). În acest caz, există o selecție de izotopi ușori (C, H, O, N, S) dintre cei mai grei. In vivo și postum, organismele pământului, apei și aerului, aflându-se într-o stare de schimb continuu cu mediul înconjurător, percep și emană un spectru larg și variat de compuși minerali și organici. Masa totală și volumul produselor din metabolismul vital al organismelor și al mediului (metaboliți) depășesc de mai multe ori biomasa materiei vii.
^ A doua formă acumularea, reținerea și redistribuirea energiei cosmice a Soarelui pe planetă în biosfera sa se manifestă prin încălzirea maselor de apă, formarea și condensarea vaporilor, precipitații și deplasarea apelor de suprafață și subterane de-a lungul unei pante din zonele de alimentare. la zonele de evaporare. Încălzirea neuniformă a aerului și apei provoacă mișcări planetare ale apei și masele de aer, formarea gradienților de densitate și presiune, a curenților oceanici și a proceselor grandioase de circulație atmosferică.
Eroziunea, denudarea chimică, transportul, redistribuirea, depunerea și acumularea de sedimente mecanice și chimice pe uscat și în ocean sunt a treia formă de transfer și transformare a acestei energii.
Toate aceste trei procese planetare sunt strâns legate între ele; formând o circulaţie terestră generală şi un sistem de circulaţie locală a materiei. Astfel, pe parcursul a miliarde de ani de istorie biologică a planetei, s-a dezvoltat o mare circulație biogeochimică și diferențiere a elementelor chimice din natură. Ei au creat biosfera modernă și stau la baza funcționării sale normale.
^ ELEMENTE ALE CIRCUITULUI BIOGEOCHIMIC AL SUBSTANTELOR DIN NATURA
Elementele circulației biogeochimice a substanțelor sunt următoarele componente.
Procese care se repetă în mod regulat sau care curg continuu de aflux de energie, formare și sinteza de noi compuși.
Procese constante sau periodice de transfer sau redistribuire a energiei și procese de îndepărtare și mișcare direcțională a compușilor sintetizați sub influența agenților fizici, chimici și biologici.
Procese dirijate ritmice sau periodice de transformare secvențială: descompunerea, distrugerea compușilor sintetizati anterior sub influența influențelor mediului biogene sau abiogene.
În natură apar atât ciclurile biologice ale substanțelor, cât și ciclurile abiogene.
^ Cicluri biologice - din cauza în toate linkurile activitatea vitală a organismelor (nutriție, conexiuni alimentare, reproducere, creștere, mișcare a metaboliților, moarte, descompunere, mineralizare).
^ Cicluri abiogene - formate pe planetă mult mai devreme decât cele biogene. Acestea includ întregul complex de procese geologice, geochimice, hidrologice, atmosferice.
În perioada prebiogene a planetei, migrația și acumularea apei și a aerului au jucat un rol decisiv în ciclurile geologice, hidrologice, geochimice, atmosferice. Într-o biosferă dezvoltată, circulația substanțelor este dirijată de acțiunea combinată a factorilor biologici, geologici și geochimici. Raportul dintre ele poate fi diferit, dar acțiunea este neapărat comună! În acest sens sunt folosiți termenii - circulație biogeochimică a substanțelor, cicluri biogeochimice.
Ciclurile biogeochimice netulburate sunt aproape circulare, aproape închise. Gradul de reproducere repetitivă a ciclurilor în natură este foarte mare și, probabil, potrivit lui V. A. Kovda, ajunge la 90-98%. Astfel, se menține o anumită constanță și echilibru al compoziției, cantității și concentrației componentelor implicate în ciclu, precum și fitnessul și armonia genetică și fiziologică a organismelor și a mediului. Dar izolarea incompletă a ciclurilor biogeochimice în timpul geologic duce la migrarea și diferențierea elementelor și compușilor acestora în spațiu și în diverse medii, la concentrarea sau dispersarea elementelor. De aceea observăm acumularea biogene de azot și oxigen în atmosferă, acumularea biogene și chimiogenă de compuși ai carbonului în scoarța terestră (petrol, cărbune, calcar).
^ PARAMETRII CIRCUITULUI BIOGEOCHIMIC DE PE TEREN
Următorii indicatori sunt parametri obligatorii pentru studierea ciclurilor biogeochimice din natură.
Biomasa și creșterea ei reală (fito-, zoo-, masa microbiană separat).
Așternut organic (cantitate, compoziție).
Materia organică din sol (humus, reziduuri organice necompuse).
Compoziția elementară a solului, apei, aerului, precipitațiilor, fracțiunilor de biomasă.
Rezerve terestre și subterane de energie biogene.
Metaboliți vitali.
Număr de specii, abundență, compoziție.
Durata de viață a speciilor, dinamica și ritmul de viață al populațiilor și al solurilor.
Mediul ecologic și meteorologic: contextul și evaluarea intervenției umane.
Acoperirea prin puncte de observare a bazinului hidrografic, versanților, teraselor, văilor râurilor, lacurilor.
Numărul de poluanți, chimici, fizici, proprietăți biologice(în special CO, CO2, SO2, P, NO3, NH3Hg, Pb, Cd, H2S, hidrocarburi).
1. Conținutul de cenușă, carbon și azot din biomasă (suprateran, subteran, fito-, zoo-, microbian). Conținutul acestor elemente poate fi exprimat în% sau în g/m2, t/ha suprafață. Principalele elemente constitutive ale materiei vii în greutate sunt O (65-70%) și H (10%). Toate celelalte reprezintă 30-35%: C, N, Ca (1-10%); S, P, K, Si (0,1-1%); Fe, Na, CI, Al, Mg (0,01-0,1%).
Compoziția chimică a fitomasei variază foarte mult. Compoziția fitomasei pădurilor de conifere și foioase, a vegetației erbacee și a halofitelor este deosebit de diferită (Tabelul 13).
Tabelul 13 - Compoziția minerală grupuri diferite plante de sushi
| Tipul de vegetație | Continut de cenusa,% | Cifra de afaceri anuală de minerale Componente, kg/ha | Componentele predominante |
| Păduri de conifere | 3-7 | 100-300 | Si, Ca, P, Mg, K |
| Păduri de foioase | 5-10 | 460-850 | Ca, K, P, Al, Si |
| Junglă | 3-4 | 1000-2000 | Ca, K, Mg, Al |
| Pajiști, stepe | 5-7 | 800-1200 | Si, Ca, K, S, P |
| Comunități halofitice | 20-45 | 500-1000 | CI, S04, Na, Mg, K |
Semnificația individuală a unui anumit element chimic este evaluată prin coeficientul biologic de absorbție (BCF). Calculați-l cu formula:
În 1966, V.A.Kovda a propus utilizarea raportului dintre fitobiomasa înregistrată și creșterea fotosintetică anuală a fitomasei pentru a caracteriza durata medie a ciclului total al carbonului. Acest coeficient caracterizează durata medie a ciclului general de sinteză - mineralizarea biomasei într-o zonă dată (sau pe teren în ansamblu). Calculele au arătat că pentru terenul în ansamblu, acest ciclu se încadrează în perioada de 300-400 și nu mai mult de 1000 de ani. În consecință, cu această rată medie are loc eliberarea compușilor minerali legați în biomasă, formarea și mineralizarea humusului în sol.
Pentru o evaluare generală a semnificației biogeochimice a componentelor minerale ale materiei vii a biosferei, VAKovda a sugerat compararea aprovizionării cu minerale din biomasă, a cantității de minerale implicate anual în circulație cu creștere și gunoi, cu scurgerea chimică anuală a râurilor. . S-a dovedit că aceste valori sunt apropiate: 10 8-9 substanțe de cenușă sunt implicate în creștere și gunoi, iar 10 9 - în scurgerea chimică anuală a râurilor.
Indicele BGHK = S b / S X,
Unde S b - suma elementelor (sau cantitatea unui element) din creșterea anuală a biomasei; S x - suma acelorași elemente (sau un element) efectuată de apele râurilor din bazinul dat (sau o parte a bazinului).
S-a dovedit că indicii ciclului biogeochimic variază foarte mult în diferite condiții climatice, sub acoperirea diferitelor comunități de plante, în diferite condiții de drenaj natural.
4. NI Bazilevich, LE Rodin (1964) au propus să se calculeze coeficientul care caracterizează intensitatea descompunerii așternutului și a duratei retenției așternutului în condițiile unei biogeocenoze date:
Potrivit lui N.I.Bazilevich și L.E.Rodina, indicii intensității descompunerii fitomasei sunt cei mai mari în tundră și mlaștinile din nord, iar cei mai mici (aproximativ egali cu 1) în stepe și semi-deșerturi.
5. B. B. Polynov (1936) a sugerat calcularea indicelui de migrare a apei:
IVM = X H2O / X zk,
Unde ICM este indicele migrației apei; Х Н2О - cantitatea de element din reziduul mineral al apei de râu sau subterane evaporate; X zk - conținutul aceluiași element din scoarța sau roca terestră.
Calculul indicilor de migrare a apei a arătat că cei mai mobili migranți din biosferă sunt Cl, S, B, Br, I, Ca, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo. Cele mai pasive în acest sens sunt Si, K, P, Ba, Mn, Rb, Cu, Ni, Co, As, Li, Al, Fe.
^ CIRCUIT BIOLOGIC ȘI FORMAREA SOLULUI
Datele geologice și paleobotanice au permis lui V.A.Kovda să schiță generală introduce etape critice dezvoltarea procesului de formare a solului în legătură cu istoria dezvoltării plantelor și a acoperirii vegetale (1973). Începutul procesului de formare a solului pe Pământ este asociat cu apariția bacteriilor autotrofe capabile să existe independent în cele mai nefavorabile condiții hidrotermale. Acest proces inițial de expunere organisme inferioare pe rocile scoarței terestre, VR Williams a numit procesul primar de formare a solului. Bacteriile autotrofe, descoperite de S. N. Vinogradov la sfârșitul secolului al XIX-lea, sunt cele mai simple organisme unicelulare, numărând aproximativ o sută de specii. Au capacitatea de a se reproduce foarte repede: 1 individ poate da trilioane de organisme pe zi. Printre autotrofele moderne se numără bacteriile sulfuroase, bacteriile de fier etc., care joacă un rol extrem de important în procesele intrasol. Apariția bacteriilor autotrofe datează aparent din Precambrian.
Astfel, prima sinteza a materiei organice si ciclurile biologice C, S, N, Fe, Mn, O 2, H 2 din scoarta terestra au fost asociate cu activitatea bacteriilor autotrofe care folosesc oxigenul compusilor minerali. În dezvoltarea procesului de formare a solului, este posibil ca, alături de bacteriile autotrofe, forme de viață necelulare, cum ar fi virușii și bacteriofagii, să fi jucat un rol. Desigur, acesta nu a fost un proces de formare a solului în formă modernăîntrucât nu existau plante rădăcinoase, nu existau acumulări de compuși humici și nici un mecanism biogenic. Și, aparent, este mai corect să vorbim despre meteorizarea biogeochimică primară a rocilor sub influența organismelor inferioare.
În Precambrian au apărut alge unicelulare albastre-verzi. Din Silurian și Devonian, algele multicelulare se răspândesc - verzi, maro, purpuriu. Procesul de formare a solului a devenit mai complicat, accelerat, sinteza materiei organice a început în cantități vizibile și s-a conturat o extindere a micului ciclu biologic de O, H, N, S și alți nutrienți. Aparent, potrivit lui V.A. Kovda, procesul de formare a solului în aceste etape a fost însoțit de acumularea de pământ fin biogen. Etapa de formare inițială a solului a fost foarte lungă și a fost însoțită de o acumulare lentă, dar continuă, de pământ fin biogen îmbogățit cu materie organică și elemente implicate în ciclul biologic: H, O, C, N, P, S, Ca, K, Fe, Si, A1. În această etapă, sinteza biogenă a mineralelor secundare putea avea deja loc: aluminiu și ferisilicați, fosfați, sulfați, carbonați, nitrați, cuarț, iar formarea solului a fost limitată la zonele puțin adânci. Pe uscat avea un caracter stâncos și mlaștinos.
În Cambrian au apărut și psilofitele - plante subdimensionate de tip arbust, care nici măcar nu aveau rădăcini. Au câștigat o anumită distribuție în Silurian și o dezvoltare semnificativă în Devonian. În același timp, apar coada-calului și ferigi - locuitori ai zonelor joase umede. Astfel, o formă relativ dezvoltată a procesului de formare a solului a început cu Silurianul și Devonianul, adică. acum aproximativ 300-400 de milioane de ani. Cu toate acestea, nu s-a observat niciun proces de sodiu, deoarece nu a existat vegetație erbacee. Conținutul de cenușă de ferigi și lire nu este mare (4-6%), coada calului este mult mai mare (20%). Compoziția de cenușă a fost dominată de K (30%), Si (28%) și C1 (10%). Microflora fungică a promovat implicarea P și K în ciclul biologic, iar lichenii - Ca, Fe, Si. Este probabilă formarea solurilor acide (caolinit alitic, bauxită) și a solurilor hidromorfe îmbogățite cu compuși de fier.
Procesul de formare a solului dezvoltat aparent a luat forma abia la sfârșitul Paleozoicului (Carbonifer, Permian). În această perioadă oamenii de știință atribuie aspectul unei acoperiri vegetative continue pe uscat. Pe lângă ferigi, au apărut licopode, coada-calului, gimnosperme. Peisajele de păduri și mlaștini au predominat, zonarea climatică s-a format pe fundalul dominației calde tropicale și subtropicale. În consecință, în această perioadă au predominat procesele de formare a solului tropical de mlaștină și pădure.
Acest regim a durat până la jumătatea perioadei Permian, când s-a instalat treptat răcirea și uscarea climatului. Au contribuit uscăciunea și vremea rece dezvoltare ulterioară zonarea. În această perioadă (a doua jumătate a Permianului, Triasic) gimnospermele s-au dezvoltat pe scară largă. La latitudini mari în acest moment a avut loc formarea solurilor podzolice acide, la latitudini joase, formarea solului a procedat pe calea dezvoltării solurilor galbene, roșii și bauxitelor. Conținutul scăzut de cenușă (aproximativ 4%), conținutul neglijabil de Cl, Na, conținutul ridicat de Si (16%), Ca (2%), S (6%), K (6,5%) în ace de pin au dus la o creștere a participarea la circulația biologică și la formarea solului rolul Ca, S, P și o scădere a rolului Si, K, Na, C1.
Diatomeele apar în Jurasic, iar angiospermele apar în perioada Cretacică care urmează. De la mijlocul perioadei cretacice s-au răspândit speciile de foioase - arțar, stejar, mesteacăn, salcie, eucalipt, nuc, fag, carpen. Sub baldachinul lor, procesul de formare a podzolului începe să slăbească, deoarece compoziția așternutului acestor plante conține o proporție mare de Ca, Mg, K.
În epoca terțiară, flora tropicală a predominat pe glob: palmieri, magnolii, sequoia, fag și castan. Compoziția minerală a substanțelor implicate în mișcarea circulară a acestor păduri a fost caracterizată printr-o participare semnificativă a Ca, Mg, K, P, S, Si, Al. Astfel, au fost create premisele ecologice pentru apariția și dezvoltarea vegetației erbacee: scăderea acidității solurilor și rocilor, acumularea de nutrienți.
Schimbarea dominanței vegetației erbacee lemnoase a avut o importanță fundamentală extraordinară în schimbarea naturii proceselor de formare a solului. Puternicul sistem radicular al arborilor a implicat o masă semnificativă de substanțe minerale în ciclul biologic, mobilizându-le pentru așezarea ulterioară a vegetației erbacee. Durata scurtă de viață a vegetației erbacee și concentrarea maselor de rădăcină în straturile superioare ale solului asigură, sub acoperirea ierburilor, o concentrare spațială a circulației biologice a mineralelor într-un strat mai puțin gros de orizonturi cu acumularea de elemente nutritive de cenușă în acestea. . Astfel, incepand din a doua jumatate a Cretacicului, in perioada Tertiara si mai ales in perioadele cuaternare, sub influenta dominatiei vegetatiei erbacee, s-a raspandit procesul de formare a solului sodic.
Deci, rolul materiei vii și al circulației biologice în istoria geologică a Pământului și dezvoltarea procesului de formare a solului a crescut continuu. Dar formarea solului a devenit treptat una dintre verigile principale în ciclul biologic al substanțelor.
Solul asigură interacțiunea constantă a unor cicluri geologice mari și biologice mici de substanțe de pe suprafața pământului. Solul este o verigă de legătură și un regulator al interacțiunii acestor două cicluri globale de materie.
Solul - acumulează materia organică și energia chimică asociată, elemente chimice, reglând astfel rata de circulație biologică a substanțelor.
Solul, având capacitatea de a-și reproduce în mod dinamic fertilitatea, reglează procesele biosferice. În special, densitatea vieții pe Pământ, împreună cu factorii climatici, este în mare măsură determinată de eterogenitatea geografică a solului.
Circulația substanțelor în natură este cel mai important concept ecologic.
În fig. ciclul biologic este prezentat în combinație cu o diagramă simplificată a fluxului energetic. Substanțele sunt implicate în ciclu, iar fluxul de energie este unidirecțional de la plante care transformă energia soarelui în energia legăturilor chimice, la animale care folosesc această energie și apoi la microorganisme care distrug materia organică.
Un flux unidirecțional de energie pune în mișcare circulația substanțelor. Fiecare element chimic, făcând un ciclu în ecosistem, trece alternativ de la forma organică la cea anorganică și invers.
Orez. 1. Fluxul de energie și ciclul elementelor biogene din biosferă
Fotosinteză- crearea de substanțe organice (glucoză, amidon, celuloză etc.) din dioxid de carbon și apă cu participarea clorofilei sub acțiunea energiei solare:
6CO 2 + 12H 2 O + hν (673 kcal) = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
Fotosinteza este procesul de captare a energiei solare de către organismele fotosintetice și de transformare a acesteia în energie din biomasă.
În fiecare an, lumea vegetală stochează energie gratuită de 10 ori mai mare decât cantitatea de energie minerală consumată anual de întreaga populație a Pământului. Aceste minerale în sine (cărbune, petrol și gaze naturale) sunt, de asemenea, produse ale fotosintezei care a avut loc cu milioane de ani în urmă.
În fiecare an, fotosinteza asimilează 200 de miliarde de tone de dioxid de carbon și eliberează până la 320 de miliarde de tone de oxigen. Tot dioxidul de carbon din atmosferă trece prin materia vie în 6-7 ani.
Procesele de distrugere a materiei organice la cele mai simple molecule: CO 2, H 2 O, NH 3 au loc si in biosfera. Descompunerea compușilor organici are loc în organismele animalelor, la plante în timpul respirației cu formarea de CO 2 și H 2 O.
Mineralizarea substanțelor organice, descompunerea materiei organice moarte în compuși anorganici simpli are loc sub acțiunea microorganismelor.
Procesele opuse de formare și distrugere a materiei organice din biosferă formează un singur ciclu biologic de atomi. În procesul de mineralizare a compușilor organici, se eliberează energie, care a fost absorbită în timpul fotosintezei. Este eliberat sub formă de căldură și, de asemenea, ca energie chimică.
Ciclul biologiceste un set de procese pentru intrarea elementelor chimice în organismele vii, biosinteza de noi compuși complecși și întoarcerea elementelor în sol, atmosferă și hidrosferă.
Intensitatea ciclului biologic (BIR) este determinată de temperatura ambiantă și de cantitatea de apă. Ciclul biologic este mai intens în pădurile tropicale decât în tundra.
Cel mai important rezultat al ciclului biologic al substanțelor este formarea unui orizont humus al solurilor pe uscat.
Ciclul biologic este caracterizat de următorii indicatori.
Biomasa - masa de materie vie acumulată la un moment dat în timp (fito-, zoo-, microbiomasă).
Biomasa vegetală(fitomasă) - masa de organisme vegetale vii și moarte.
gunoi - cantitatea de materie organică a plantelor care s-a stins pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp.
Creştere- biomasa acumulată pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp.
Compoziția chimică a plantelor depinde de doi factori principali:
1) ecologic, - mediul de creștere a plantelor, - nivelurile conținutului de elemente din mediu, formele de amplasare, inclusiv cele mobile, disponibile plantelor;
2) genetică, datorită particularităților originii speciei de plante.
În condiții de poluare a mediului, concentrația elementelor în plante este determinată de primul factor. În peisajele de fundal (netulburate), ambii factori sunt importanți.
În funcție de reacția la factorul chimic al mediului (la conținutul de elemente chimice), se pot distinge 2 grupe de plante:
1) adaptat la modificări ale concentrației elementelor chimice;
2) neadaptat la modificări ale concentraţiei elementelor chimice.
Modificările concentrațiilor de elemente chimice din mediul înconjurător la plantele neadaptate provoacă tulburări fiziologice care conduc la boli; dezvoltarea plantelor este suprimată, specia se stinge.
Unele specii de plante sunt bine adaptate la transferul de concentrații mari de elemente. Acestea sunt plante sălbatice care cresc mult timp într-o zonă dată, care, ca urmare a selecției naturale, dobândesc rezistență la condiții de viață nefavorabile.
Plantele care concentrează elemente chimice se numesc concentratoare. De exemplu: floarea soarelui, cartofi concentrat de potasiu, ceai - aluminiu, mușchi - fier. Pelin, coada-calului, porumb, stejar acumulează aur.
Un om de știință rus remarcabil, academicianul V.I. Vernadsky.
Biosferă- învelișul exterior complex al Pământului, care conține întreaga totalitate a organismelor vii și acea parte a substanței planetei, care se află în proces de schimb continuu cu aceste organisme. Este una dintre cele mai importante geosfere ale Pământului, care este componenta principală a mediului natural din jurul oamenilor.
Pământul este compus din concentrice scoici(geosfere) atât interne cât și externe. Cele interioare includ miezul și mantaua, iar cele exterioare: litosfera - coajă de piatră a Pământului, inclusiv scoarța terestră (Fig. 1) cu o grosime de 6 km (sub ocean) până la 80 km (sisteme montane); hidrosfera -învelișul de apă al Pământului; atmosfera- învelișul de gaz al Pământului, format dintr-un amestec de diverse gaze, vapori de apă și praf.
La o altitudine de 10 până la 50 km, există un strat de ozon, cu concentrația maximă la o altitudine de 20-25 km, care protejează Pământul de radiațiile ultraviolete excesive, care sunt fatale organismului. Aici aparține și biosfera (geosferelor exterioare).
Biosfera -învelișul exterior al Pământului, care include o parte din atmosferă până la o altitudine de 25-30 km (până la stratul de ozon), aproape întreaga hidrosferă și top parte litosfera la o adâncime de 3 km
Orez. 1. Schema structurii scoarței terestre
(fig. 2). Particularitatea acestor părți este că sunt locuite de organisme vii care alcătuiesc materia vie a planetei. Interacţiune partea abiotică a biosferei- aer, apă, roci și materie organică - biota a determinat formarea solurilor si a rocilor sedimentare.
Orez. 2. Structura biosferei și raportul suprafețelor ocupate de principalele unități structurale
Ciclul materiei în biosferă și ecosisteme
Tot ce este disponibil pentru organismele vii compuși chimiciîn biosferă sunt limitate. Epuizare potrivită pentru asimilare substanțe chimice inhibă adesea dezvoltarea anumitor grupuri de organisme în zonele locale de uscat sau ocean. Potrivit academicianului V.R. Williams, singura modalitate de a da finitului proprietățile infinitului este de a-l face să se rotească de-a lungul unei curbe închise. In consecinta, stabilitatea biosferei se mentine datorita circulatiei substantelor si a fluxurilor de energie. Sunt două cicluri principale de substanțe: mare - geologic și mic - biogeochimic.
Circulație geologică mare(fig. 3). Rocile cristaline (ignee) se transformă în roci sedimentare sub influența factorilor fizici, chimici și biologici. Nisipul și argila sunt sedimente tipice, produse ale transformării rocilor adânci. Cu toate acestea, formarea precipitațiilor are loc nu numai din cauza distrugerii deja rasele existente, dar și prin sinteza mineralelor biogene - scheletele microorganismelor - din resurse naturale- apele oceanului, mărilor și lacurilor. Sedimente apoase libere, deoarece sunt izolate la fundul rezervoarelor cu noi porțiuni de material sedimentar, scufundare până la adâncime, căderea în noi condiții termodinamice (mai mult temperaturi mariși presiune) pierd apă, se solidifică, transformându-se în roci sedimentare.
Ulterior, aceste roci se cufundă în orizonturi și mai adânci, unde au loc procesele de transformare profundă a lor în condiții noi de temperatură și barică - au loc procesele de metamorfism.
Sub influența fluxurilor de energie endogene, rocile adânci sunt retopite, formând magma - sursa de noi roci magmatice. După ridicarea acestor roci la suprafața Pământului, sub influența proceselor de intemperii și transfer, ele sunt din nou transformate în noi roci sedimentare.
Astfel, marea circulație se datorează interacțiunii energiei solare (exogene) cu energia profundă (endogenă) a Pământului. Redistribuie substanțele între biosferă și orizonturile mai profunde ale planetei noastre.
Orez. 3. Circulația mare (geologică) a materiei (săgeți subțiri) și modificarea diversității în scoarța terestră (săgeți late solide - creștere, intermitentă - scădere a diversității)
Marele vârtej se mai numește și ciclul apei dintre hidrosferă, atmosferă și litosferă, care se mișcă prin energia Soarelui. Apa se evaporă de pe suprafața corpurilor de apă și a pământului și apoi reintră pe Pământ sub formă de precipitații. Peste ocean, evaporarea depaseste precipitatiile, peste uscat, dimpotriva. Aceste diferențe sunt compensate de debitele râurilor. Vegetația terestră joacă un rol important în ciclul global al apei. Transpirația plantelor în anumite zone ale suprafeței pământului poate reprezenta până la 80-90% din precipitațiile care cad aici și, în medie, pentru toate zonele climatice- aproximativ 30%. Spre deosebire de circulația mare și mică a substanțelor are loc numai în biosferă. Relația dintre ciclul mare și cel mic al apei este prezentată în Fig. 4.
Ciclurile la scară planetară sunt create din nenumăratele mișcări ciclice locale ale atomilor, conduse de activitatea vitală a organismelor din ecosistemele individuale, și acele mișcări care sunt cauzate de acțiunea unor motive peisagistice și geologice (scurgere de suprafață și subterană, eroziune eoliană, mișcare). a fundului mării, vulcanism, construcție montană etc.) ).
Orez. 4. Interrelația dintre ciclul geologic mare (BGC) al apei cu ciclul biogeochimic mic (MBC) al apei
Spre deosebire de energia, care odinioară este folosită de organism, se transformă în căldură și se pierde, substanțele circulă în biosferă, creând cicluri biogeochimice. Din cele nouăzeci de elemente găsite în natură, organismele vii au nevoie de aproximativ patruzeci. Cele mai importante sunt necesare pentru ei în cantități mari - carbon, hidrogen, oxigen, azot. Ciclurile elementelor și substanțelor se desfășoară datorită proceselor de autoreglare la care participă toate părțile constitutive. Aceste procese nu fac deșeuri. Există legea închiderii globale a ciclului biogeochimic din biosferă acţionând în toate etapele dezvoltării sale. Pe parcursul evoluției biosferei, rolul componentei biologice în închiderea biogeochimice.
pe care ciclul. Omul are o influență și mai mare asupra circulației biogeochimice. Dar rolul său se manifestă în sens invers (ciclurile devin deschise). La baza circulației biogeochimice a substanțelor se află energia Soarelui și clorofila plantelor verzi. Celelalte cicluri cele mai importante - apa, carbonul, azotul, fosforul și sulful - sunt asociate și contribuie la biogeochimia.
Ciclul apei în biosferă
Plantele folosesc hidrogenul apei în fotosinteză pentru a construi compuși organici, eliberând oxigen molecular. În procesele de respirație ale tuturor viețuitoarelor, în timpul oxidării compușilor organici, se formează din nou apa. În istoria vieții, toată apa liberă a hidrosferei a trecut în mod repetat prin cicluri de descompunere și noi formațiuni în materia vie a planetei. Aproximativ 500.000 km 3 de apă este implicat anual în ciclul apei de pe Pământ. Ciclul apei și rezervele sale sunt prezentate în Fig. 5 (în termeni relativi).
Ciclul oxigenului în biosferă
Pământul își datorează atmosferei sale unice cu un conținut ridicat de oxigen liber procesului de fotosinteză. Formarea ozonului în straturile înalte ale atmosferei este strâns legată de ciclul oxigenului. Oxigenul este eliberat din moleculele de apă și este în esență un produs secundar al activității fotosintetice a plantelor. Oxigenul abiotic apare în atmosfera superioară datorită fotodisocierii vaporilor de apă, dar această sursă este doar miimi dintr-un procent din cea furnizată de fotosinteză. Există un echilibru în mișcare între conținutul de oxigen din atmosferă și hidrosferă. În apă, este de aproximativ 21 de ori mai puțin.
Orez. 6. Diagrama ciclului oxigenului: săgeți îndrăznețe - fluxurile principale ale aportului și consumului de oxigen
Oxigenul eliberat este cheltuit intens pe procesele de respirație ale tuturor organismelor aerobe și pe oxidarea diferiților compuși minerali. Aceste procese au loc în atmosferă, sol, apă, nămol și roci. S-a demonstrat că o parte semnificativă a oxigenului legat în rocile sedimentare este de origine fotosintetică. Fondul de schimb O, în atmosferă nu este mai mult de 5% din producția totală de fotosinteză. Multe bacterii anaerobe oxidează și materia organică în timpul respirației anaerobe folosind sulfați sau nitrați.
Descompunerea completă a materiei organice creată de plante necesită exact aceeași cantitate de oxigen care a fost eliberată în timpul fotosintezei. Îngroparea materiei organice în roci sedimentare, cărbuni, turbe a servit drept bază pentru menținerea fondului de schimb de oxigen în atmosferă. Tot oxigenul din el trece printr-un ciclu complet prin organismele vii în aproximativ 2000 de ani.
În prezent, o parte semnificativă a oxigenului atmosferic este legată ca urmare a transportului, industriei și a altor forme de activitate antropică. Se știe că omenirea cheltuiește deja peste 10 miliarde de tone de oxigen liber din cantitatea totală de 430-470 de miliarde de tone furnizată de procesele de fotosinteză. Dacă luăm în considerare că doar o mică parte din oxigenul fotosintetic intră în fondul de schimb, activitatea oamenilor în acest sens începe să capete proporții alarmante.
Ciclul oxigenului este strâns legat de ciclul carbonului.
Ciclul carbonului în biosferă
Carbonul, ca element chimic, este baza vieții. El poate căi diferite se combină cu multe alte elemente, formând molecule organice simple și complexe care alcătuiesc celulele vii. În ceea ce privește distribuția pe planetă, carbonul ocupă locul unsprezece (0,35% din greutatea scoarței terestre), dar în materie vie reprezintă în medie aproximativ 18 sau 45% din biomasa uscată.
În atmosferă, carbonul este inclus în compoziția dioxidului de carbon CO2, într-o măsură mai mică - în compoziția metanului CH4. În hidrosferă, CO2 este dizolvat în apă, iar conținutul său total este mult mai mare decât cel atmosferic. Oceanul servește ca un puternic tampon pentru reglarea CO2 în atmosferă: odată cu creșterea concentrației sale în aer, absorbția dioxidului de carbon de către apă crește. Unele dintre moleculele de CO2 reacţionează cu apa, formând acid carbonic, care apoi se disociază în ioni HCO 3 - şi CO 2 - 3. Aceşti ioni reacţionează cu cationii de calciu sau magneziu pentru a precipita carbonaţi. Astfel de reacţii stau la baza sistemului tampon al oceanului, menţinând un pH constant al apei.
Dioxidul de carbon al atmosferei și hidrosferei este un fond de schimb în ciclul carbonului, de unde se obține plante terestre si alge. Fotosinteza stă la baza tuturor ciclurilor biologice de pe Pământ. Eliberarea carbonului fix are loc în timpul activității respiratorii a organismelor fotosintetice înseși și a tuturor heterotrofelor - bacterii, ciuperci, animale, care sunt incluse în lanțul trofic datorită materiei organice vii sau moarte.
Orez. 7. Ciclul carbonului
Deosebit de activă este întoarcerea CO2 din sol în atmosferă, unde se concentrează activitatea a numeroase grupuri de organisme, descompunerea rămășițelor de plante și animale moarte și se realizează respirația sistemelor radiculare ale plantelor. Acest proces integral este denumit „respirația solului” și are o contribuție semnificativă la reînnoirea fondului de schimb de CO2 din aer. În paralel cu procesele de mineralizare a materiei organice, în sol se formează humus - un complex molecular complex și stabil bogat în carbon. Humusul solurilor este unul dintre importantele rezervoare de carbon de pe uscat.
În condițiile în care activitatea destructorilor este inhibată de factorii de mediu (de exemplu, când are loc un regim anaerob în sol și la fundul corpurilor de apă), materia organică acumulată de vegetație nu se descompune, transformându-se în timp în roci precum cărbunele. sau cărbune brun, turbă, sapropels, șisturi bituminoase și altele bogate în energie solară stocată. Aceștia completează fondul de rezervă de carbon, oprindu-se din ciclul biologic pentru o lungă perioadă de timp. Carbonul este de asemenea depozitat temporar în biomasa vie, așternutul mort, materia organică dizolvată în ocean etc. dar principala rezervă de carbon la scriere nu sunt organisme vii și nu combustibili fosili, dar roci sedimentare – calcare si dolomite. Formarea lor este, de asemenea, asociată cu activitatea materiei vii. Carbonul acestor carbonați este îngropat mult timp în intestinele Pământului și intră în ciclu doar în timpul eroziunii când rocile sunt expuse în cicluri tectonice.
Doar fracțiuni dintr-un procent de carbon din cantitatea totală de pe Pământ sunt implicate în ciclul biogeochimic. Carbonul din atmosferă și hidrosferă trece prin organismele vii de multe ori. Plantele terestre sunt capabile să-și epuizeze rezervele în aer în 4-5 ani, rezervele în humus de sol în 300-400 de ani. Returul principal al carbonului în fondul de schimb are loc datorită activității organismelor vii și doar o mică parte a acestuia (mii de procente) este compensată de eliberarea de gaze vulcanice din interiorul Pământului.
În prezent, extragerea și arderea rezervelor uriașe de combustibili fosili devine un factor puternic în transferul carbonului din rezervă către fondul de schimb al biosferei.
Ciclul azotului în biosferă
Atmosfera și materia vie conțin mai puțin de 2% din tot azotul de pe Pământ, dar acest azot este cel care susține viața pe planetă. Azotul face parte din cele mai importante molecule organice - ADN, proteine, lipoproteine, ATP, clorofilă etc. În țesuturile vegetale, raportul său cu carbonul este în medie de 1: 30, iar în alge I: 6. Ciclul biologic al azotului este, prin urmare, strâns legat de ciclul carbonului.
Azotul molecular din atmosferă este inaccesibil plantelor, care pot asimila acest element doar sub formă de ioni de amoniu, nitrați sau din sol sau solutii apoase... Prin urmare, lipsa azotului este adesea un factor care limitează producția primară - munca organismelor asociată cu crearea de substanțe organice din cele anorganice. Cu toate acestea, azotul atmosferic este implicat pe scară largă în ciclul biologic datorită activității bacteriilor speciale (fixatori de azot).
Microorganismele amonifiante joacă, de asemenea, un rol important în ciclul azotului. Ele descompun proteinele și alte materii organice care conțin azot în amoniac. În formă de amoniu, azotul este parțial reabsorbit de rădăcinile plantelor și parțial interceptat de microorganismele nitrificatoare, ceea ce este opus funcțiilor unui grup de microorganisme - denitrificatori.
Orez. 8. Ciclul azotului
În condiții anaerobe în sol sau ape, aceștia folosesc oxigenul nitraților pentru a oxida materia organică, obținând energie pentru viața lor. În acest caz, azotul este redus la azot molecular. Fixarea azotului și denitrificarea în natură sunt aproximativ echilibrate. Ciclul azotului, așadar, depinde în principal de activitatea bacteriilor, în timp ce plantele se integrează în acesta, folosind produșii intermediari ai acestui ciclu și crescând foarte mult scara circulației azotului în biosferă datorită producerii de biomasă.
Rolul bacteriilor în ciclul azotului este atât de mare încât dacă doar 20 dintre speciile lor sunt distruse, viața pe planeta noastră va înceta.
Fixarea nebiologică a azotului și pătrunderea oxizilor și amoniacului acestuia în sol are loc și odată cu precipitațiile în timpul ionizării atmosferei și a descărcărilor de fulgere. Industria modernă a îngrășămintelor fixează azotul atmosferic în exces față de fixarea naturală a azotului pentru a crește producția de culturi.
În prezent, activitatea umană afectează tot mai mult ciclul azotului, în principal în direcția depășirii conversiei acestuia în forme legate peste procesele de revenire la starea moleculară.
Ciclul fosforului în biosferă
Acest element, necesar sintezei multor substanțe organice, inclusiv ATP, ADN, ARN, este asimilat de plante numai sub formă de ioni de acid fosforic (P0 3 4 +). Aparține elementelor care limitează producția primară atât pe uscat, cât și mai ales în ocean, deoarece fondul de fosfor schimbabil din soluri și ape este mic. Ciclul acestui element la scara biosferei nu este închis.
Pe uscat, plantele extrag fosfații din sol, eliberați de descompozitori din reziduurile organice în descompunere. Cu toate acestea, în solurile alcaline sau acide, solubilitatea compușilor fosforului scade brusc. Principalul fond de rezervă de fosfați este conținut în roci create pe fundul oceanului în trecutul geologic. În cursul scurgerii rocilor, o parte din aceste rezerve trece în sol și, sub formă de suspensii și soluții, este spălată în corpurile de apă. În hidrosferă, fosfații sunt utilizați de fitoplancton, trecând de-a lungul lanțurilor trofice la alte organisme acvatice. Cu toate acestea, în ocean, majoritatea compușilor de fosfor sunt îngropați cu rămășițele de animale și plante la fund cu trecerea ulterioară cu roci sedimentare în marea circulație geologică. La adâncime, fosfații dizolvați se leagă de calciu pentru a forma fosforite și apatite. În biosferă, de fapt, există un flux unidirecțional de fosfor de la rocile pământului până în adâncurile oceanului, prin urmare, fondul său de schimb în hidrosferă este foarte limitat.
Orez. 9. Ciclul fosforului
Depozitele de pământ de fosforite și apatite sunt utilizate în producția de îngrășăminte. Pătrunderea fosforului în corpurile de apă dulce este unul dintre principalele motive pentru „înflorirea” acestora.
Ciclul sulfului în biosferă
Ciclul sulfului, necesar pentru construirea unui număr de aminoacizi, este responsabil pentru structura tridimensională a proteinelor, este menținut în biosferă o gamă largă bacterii. Microorganismele aerobe, care oxidează sulful reziduurilor organice la sulfați, precum și reductorii de sulfați anaerobi, care reduc sulfații la hidrogen sulfurat, participă la legăturile individuale ale acestui ciclu. În plus față de grupele enumerate de bacterii cu sulf, hidrogenul sulfurat este oxidat la sulf elementar și în continuare la sulfați. Plantele asimilează doar ionii de SO 2-4 din sol și apă.
Inelul din centru ilustrează procesele de oxidare (O) și reducere (R) care fac schimb de sulf între bazinul de sulfat disponibil și bazinul de sulfură de fier adânc în sol și sediment.
Orez. 10. Ciclul sulfului. Inelul din centru ilustrează procesul de oxidare (0) și reducere (R), datorită căruia are loc schimbul de sulf între bazinul de sulfat disponibil și bazinul de sulfuri de fier situat adânc în sol și sedimente.
Acumularea principală de sulf are loc în ocean, unde ionii de sulfat sunt furnizați în mod continuu de pe uscat cu scurgere de râu. Când hidrogenul sulfurat este eliberat din apă, sulful este parțial returnat în atmosferă, unde este oxidat în dioxid, transformându-se în acid sulfuric în apa de ploaie. Utilizare industrială un numar mare sulfații și sulful elementar și arderea combustibililor fosili eliberează cantități mari de dioxid de sulf în atmosferă. Dăunează vegetației, animalelor, oamenilor și servește ca sursă de ploi acide, exacerbând efectele negative ale interferenței umane în ciclul sulfului.
Viteza de circulație a substanțelor
Toate ciclurile de substanțe au loc la viteze diferite (Fig. 11)
Astfel, ciclurile tuturor nutrienților de pe planetă sunt susținute de o interacțiune complexă a diferitelor părți. Ele sunt formate din activitatea grupurilor de organisme cu diferite funcții, sistemul de scurgere și evaporare care leagă oceanul și pământul, procesele de circulație a maselor de apă și aer, acțiunea forțelor gravitaționale, tectonica plăcilor litosferice și alte mari. procese geologice și geofizice la scară.
Biosfera acționează ca una un sistem complex, în care au loc diverse cicluri de substanțe. Motorul principal al acestora circulația este materia vie a planetei, a tuturor organismelor vii, asigurarea proceselor de sinteza, transformare si descompunere a materiei organice.
Orez. 11. Ratele de circulație a substanțelor (P. Cloud, A. Jibor, 1972)
Viziunea ecologică asupra lumii se bazează pe ideea că fiecare creatură vie este înconjurată de mulți care o influențează diverși factori formându-și habitatul în complex - un biotop. Prin urmare, biotop - o bucată de teritoriu omogenă în ceea ce privește condițiile de viață pentru anumite specii de plante sau animale(panta ravenă, parc forestier urban, lac mic sau parte a unuia mare, dar cu condiții uniforme - partea de coastă, partea de adâncime).
Organismele caracteristice unui anumit biotop alcătuiesc comunitate de viață sau biocenoză(animale, plante și microorganisme ale lacului, pajiștii, fâșiei de coastă).
Comunitatea vieții (biocenoza) formează un singur întreg cu biotopul său, care se numește sistem ecologic (ecosistem). Un exemplu de ecosisteme naturale este un furnicar, un lac, un iaz, pajiște, pădure, oraș, fermă. Un exemplu clasic ecosistemul artificial este o navă spațială. După cum puteți vedea, nu există stricte structura spatiala... Aproape de conceptul de ecosistem este conceptul biogeocenoza.
Principalele componente ale ecosistemelor sunt:
- mediu neînsuflețit (abiotic). Acestea sunt apa, mineralele, gazele, precum și substanțele organice și humusul;
- componente biotice. Acestea includ: producători sau producători (plante verzi), consumatori sau consumatori (ființe vii care se hrănesc cu producători) și descompozitori sau descompunetori (microorganisme).
Natura funcționează extrem de economic. Astfel, biomasa creată de organisme (substanța corpurilor organismelor) și energia conținută în acestea sunt transferate altor membri ai ecosistemului: animalele mănâncă plante, aceste animale sunt mâncate de alte animale. Acest proces se numește lanț alimentar sau trofic.În natură, lanțurile trofice se suprapun adesea, formând o rețea trofica.
Exemple de lanturile alimentare: plantă - animal erbivor - prădător; cereale - șoarece de câmp - vulpe etc. și rețeaua trofică sunt prezentate în Fig. 12.
Astfel, starea de echilibru în biosferă se bazează pe interacțiunea factorilor de mediu biotici și abiotici, care se menține datorită schimbului continuu de materie și energie între toate componentele ecosistemelor.
În ciclurile închise ale ecosistemelor naturale, alături de alții, trebuie să participe doi factori: prezența descompunetorilor și furnizarea constantă de energie solară. În ecosistemele urbane și artificiale, există puțini sau deloc descompozitori; prin urmare, se acumulează deșeuri lichide, solide și gazoase, poluând mediul.
Orez. 12. Rețea trofica și direcția curgerii materiei
Se încarcă ...