Toller geologischer Kreislauf. Große Enzyklopädie über Öl und Gas

Große (geologische) und kleine (biogeochemische) Stoffkreisläufe

Alle Stoffe auf unserem Planeten befinden sich im Umlauf. Sonnenenergie verursacht zwei Stoffkreisläufe auf der Erde:

Groß (geologisch oder abiotisch);

Klein (biotisch, biogen oder biologisch).

Die Kreisläufe der Materie und die Flüsse kosmischer Energie schaffen die Stabilität der Biosphäre. Der Kreislauf von Feststoffen und Wasser, der durch die Einwirkung abiotischer Faktoren (unbelebte Natur) entsteht, wird als großer geologischer Kreislauf bezeichnet. Mit einem großen geologischen Zyklus (Millionen von Jahren fließen) werden Gesteine ​​zerstört, verwittert, Stoffe lösen sich auf und gelangen in den Weltozean; Es finden geotektonische Veränderungen statt, das Absinken der Kontinente, das Anheben des Meeresbodens. Die Wasserzykluszeit in Gletschern beträgt 8.000 Jahre, in Flüssen 11 Tage. Es ist der große Kreislauf, der lebende Organismen mit Nährstoffen versorgt und maßgeblich ihre Existenzbedingungen bestimmt.

Ein großer, geologischer Kreislauf in der Biosphäre ist durch zwei wichtige Punkte gekennzeichnet: Sauerstoff, Kohlenstoff, geologisch

• a) durchgehend durchgeführt geologische Entwicklung Erde;
• b) ist ein moderner planetarischer Prozess, der eine führende Rolle spielt weitere Entwicklung Biosphäre.

Im gegenwärtigen Stadium der menschlichen Entwicklung werden durch eine große Zirkulation auch Schadstoffe über weite Strecken transportiert – Schwefel- und Stickstoffoxide, Staub, radioaktive Verunreinigungen. Die Gebiete der gemäßigten Breiten der nördlichen Hemisphäre waren der größten Verschmutzung ausgesetzt.

Ein kleiner, biogener oder biologischer Stoffkreislauf findet in fester, flüssiger und gasförmiger Phase unter Beteiligung lebender Organismen statt. Der biologische Kreislauf benötigt im Gegensatz zum geologischen Kreislauf weniger Energie. Ein kleiner Kreislauf ist Teil eines großen, findet auf der Ebene von Biogeozänosen (innerhalb von Ökosystemen) statt und liegt darin, dass sich Bodennährstoffe, Wasser und Kohlenstoff in Pflanzenmaterial ansammeln und für den Aufbau des Körpers aufgewendet werden. Die Zerfallsprodukte organischer Stoffe zerfallen in mineralische Bestandteile. Der kleine Kreislauf ist nicht geschlossen, was mit dem Eintrag von Stoffen und Energie von außen in das Ökosystem und deren Abgabe teilweise in den biosphärischen Kreislauf verbunden ist.

Viele chemische Elemente und ihre Verbindungen sind an großen und kleinen Kreisläufen beteiligt, aber die wichtigsten von ihnen bestimmen den aktuellen Entwicklungsstand der Biosphäre, der mit der menschlichen Wirtschaftstätigkeit verbunden ist. Dazu gehören die Kreisläufe von Kohlenstoff, Schwefel und Stickstoff (ihre Oxide sind die Hauptschadstoffe der Atmosphäre) sowie Phosphor (Phosphate sind der Hauptschadstoff kontinentaler Gewässer). Fast alle Schadstoffe wirken schädlich und werden als Xenobiotika eingestuft. Derzeit sind die Kreisläufe von Xenobiotika – toxischen Elementen – Quecksilber (ein Lebensmittelverunreinigungsstoff) und Blei (ein Bestandteil von Benzin) von großer Bedeutung. Darüber hinaus gelangen viele Stoffe anthropogenen Ursprungs (DDT, Pestizide, Radionuklide etc.) aus dem großen Kreislauf in den kleinen Kreislauf, was zu Schäden an Biota und der menschlichen Gesundheit führt.

Die Essenz des biologischen Kreislaufs ist der Ablauf zweier gegensätzlicher, aber miteinander verbundener Prozesse – der Entstehung organischer Materie und ihrer Zerstörung durch lebende Materie.

Im Gegensatz zum großen Zyklus hat der kleine eine andere Dauer: Es werden saisonale, jährliche, mehrjährige und säkulare kleine Zyklen unterschieden. Zirkulation von Chemikalien aus der anorganischen Umwelt durch Vegetation und Tiere zurück in die anorganische Umwelt unter Verwendung von Sonnenenergie chemische Reaktionen wird als biogeochemischer Kreislauf bezeichnet.

Die Gegenwart und Zukunft unseres Planeten hängt von der Beteiligung lebender Organismen am Funktionieren der Biosphäre ab. Im Stoffkreislauf erfüllt lebende Materie oder Biomasse biogeochemische Funktionen: Gas, Konzentration, Redox und biochemische Funktionen.

Der biologische Kreislauf findet unter Beteiligung lebender Organismen statt und besteht in der Vermehrung organischer Stoffe von anorganischen Stoffen und der Zersetzung dieser organischen Stoffe zu anorganischen Stoffen über die trophische Nahrungskette. Die Intensität der Produktions- und Zerstörungsprozesse im biologischen Kreislauf hängt von der Menge an Wärme und Feuchtigkeit ab. Beispielsweise hängt die geringe Zersetzungsrate organischer Stoffe in den Polarregionen vom Wärmedefizit ab.

Ein wichtiger Indikator für die Intensität des biologischen Kreislaufs ist die Zirkulationsrate chemischer Elemente. Die Intensität wird durch einen Index charakterisiert, der dem Verhältnis der Masse der Waldstreu zur Streu entspricht. Je höher der Index, desto geringer ist die Intensität des Zyklus.

Index in Nadelwäldern - 10 - 17; breitblättrig 3 - 4; Savanne nicht mehr als 0,2; feuchte tropische Wälder nicht mehr als 0,1, d.h. hier ist der biologische Kreislauf am intensivsten.

Der Fluss von Elementen (Stickstoff, Phosphor, Schwefel) durch Mikroorganismen ist um eine Größenordnung höher als durch Pflanzen und Tiere. Der biologische Kreislauf ist nicht vollständig umkehrbar, er steht in engem Zusammenhang mit dem biogeochemischen Kreislauf. Chemische Elemente zirkulieren in der Biosphäre auf verschiedenen Wegen des biologischen Kreislaufs:

• - von lebender Materie absorbiert und mit Energie aufgeladen;
• - lebende Materie verlassen und Energie an die äußere Umgebung abgeben.

Es gibt zwei Arten dieser Kreisläufe: die Zirkulation gasförmiger Substanzen; Sedimentzyklus (Reserve in der Erdkruste).

Die Zyklen selbst bestehen aus zwei Teilen:

• - Reservefonds (dies ist ein Teil der Substanz, der nicht mit lebenden Organismen verbunden ist);
• - mobiler (Austausch-)Fonds (ein kleinerer Teil der Substanz, der mit dem direkten Austausch zwischen Organismen und ihrer unmittelbaren Umgebung verbunden ist).

Zyklen sind unterteilt in:

• - Gaskreisläufe mit einem Reservefonds in der Erdkruste (Kreisläufe von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff) – fähig zur schnellen Selbstregulierung;
• - Sedimentkreisläufe mit einem Reservefonds in der Erdkruste (Kreisläufe von Phosphor, Kalzium, Eisen etc.) - sind träger, der Großteil der Substanz liegt in einer für lebende Organismen „unzugänglichen“ Form vor.

Zyklen können auch unterteilt werden in:

• - geschlossen (Kreislauf gasförmiger Stoffe, zum Beispiel Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff – eine Reserve in der Atmosphäre und Hydrosphäre des Ozeans, sodass der Mangel schnell ausgeglichen wird);
• - offen (Schaffung eines Reservefonds in der Erdkruste, zum Beispiel Phosphor – daher werden Verluste schlecht ausgeglichen, d. h. es entsteht ein Defizit).

Die Energiebasis für die Existenz biologischer Kreisläufe auf der Erde und deren erste Verbindung ist der Prozess der Photosynthese. Jeder neue Zirkulationszyklus ist keine exakte Wiederholung des vorherigen. Während der Entwicklung der Biosphäre waren beispielsweise einige Prozesse irreversibel und führten zur Bildung und Ansammlung biogener Niederschläge, zu einer Erhöhung der Sauerstoffmenge in der Atmosphäre und zu einer Änderung der Mengenverhältnisse der Isotope einer Reihe von Elemente usw.

Der Stoffkreislauf wird allgemein als biogeochemische Kreisläufe bezeichnet. Die wichtigsten biogeochemischen (biosphärischen) Stoffkreisläufe: der Wasserkreislauf, der Sauerstoffkreislauf, der Stickstoffkreislauf (Beteiligung stickstofffixierender Bakterien), der Kohlenstoffkreislauf (Beteiligung aerober Bakterien; jährlich werden etwa 130 Tonnen Kohlenstoff in die Geologie abgegeben Kreislauf), der Phosphorkreislauf (Beteiligung von Bodenbakterien; jährlich werden 14 Millionen Tonnen Phosphor aus den Ozeanen ausgewaschen), der Schwefelkreislauf, der Kreislauf der Metallkationen.

Der Wasserkreislauf

Der Wasserkreislauf ist ein geschlossener Kreislauf, der, wie oben erwähnt, auch ohne Leben funktionieren kann, aber von lebenden Organismen verändert wird.

Der Kreislauf basiert auf dem Prinzip, dass die Gesamtverdunstung durch Niederschlag ausgeglichen wird. Für den gesamten Planeten gleichen sich Verdunstung und Niederschlag aus. Gleichzeitig verdunstet mehr Wasser aus dem Meer, als durch Niederschläge zurückkommt. An Land hingegen fällt mehr Niederschlag, der Überschuss fließt jedoch in Seen und Flüsse und von dort wieder ins Meer. Das Feuchtigkeitsgleichgewicht zwischen Kontinenten und Ozeanen wird durch Flussabfluss aufrechterhalten.

Somit besteht der globale Wasserkreislauf aus vier Hauptflüssen: Niederschlag, Verdunstung, Feuchtigkeitstransport und Transpiration.

Wasser – der häufigste Stoff in der Biosphäre – dient vielen Organismen nicht nur als Lebensraum, sondern ist es auch Bestandteil Körper aller Lebewesen. Trotz der enormen Bedeutung von Wasser für alle Lebensprozesse in der Biosphäre spielt lebende Materie im großen Wasserkreislauf auf der Erde keine entscheidende Rolle. Die treibende Kraft dieses Kreislaufs ist die Energie der Sonne, die für die Verdunstung von Wasser von der Oberfläche von Wasserbecken oder Land aufgewendet wird. Verdunstete Feuchtigkeit kondensiert in der Atmosphäre in Form vom Wind verwehter Wolken; Wenn die Wolken abkühlen, fällt Niederschlag.

Die Gesamtmenge an freiem ungebundenem Wasser (der Anteil der Ozeane und Meere, in denen sich flüssiges Salzwasser befindet) macht 86 bis 98 % aus. Der Rest des Wassers (Süßwasser) wird in Polkappen und Gletschern gespeichert und bildet Wasserbecken und deren Grundwasser. Niederschlag, der auf die Oberfläche von mit Vegetation bedecktem Land fällt, wird teilweise von der Blattoberfläche zurückgehalten und verdunstet anschließend in die Atmosphäre. In den Boden gelangende Feuchtigkeit kann sich mit dem Oberflächenabfluss verbinden oder vom Boden absorbiert werden. Überschüssiges Sediment wird vollständig vom Boden absorbiert (dies hängt von der Bodenart, der Gesteinsbeschaffenheit und der Vegetationsbedeckung ab) und kann tief in das Grundwasser versickern. Wenn die Niederschlagsmenge die Wasserkapazität übersteigt obere Schichten Boden beginnt ein Oberflächenabfluss, dessen Geschwindigkeit von der Bodenbeschaffenheit, der Hangsteilheit, der Niederschlagsdauer und der Beschaffenheit der Vegetation abhängt (Vegetation kann den Boden vor Wassererosion schützen). Im Boden eingeschlossenes Wasser kann von der Oberfläche verdunsten oder nach Aufnahme durch Pflanzenwurzeln über die Blätter in die Atmosphäre gelangen (verdunsten).

Der Transpirationsfluss des Wassers (Boden – Pflanzenwurzeln – Blätter – Atmosphäre) ist der Hauptweg des Wassers durch lebende Materie in seinem großen Kreislauf auf unserem Planeten.

Der Kohlenstoffkreislauf

Die gesamte Vielfalt organischer Substanzen, biochemischer Prozesse und Lebensformen auf der Erde hängt von den Eigenschaften und Eigenschaften des Kohlenstoffs ab. Der Kohlenstoffgehalt der meisten lebenden Organismen beträgt etwa 45 % ihrer trockenen Biomasse. Die gesamte lebende Materie des Planeten ist am Kreislauf der organischen Materie und des gesamten Kohlenstoffs der Erde beteiligt, der kontinuierlich entsteht, mutiert, stirbt, zerfällt und in dieser Reihenfolge Kohlenstoff von einer organischen Substanz auf den Aufbau einer anderen übertragen wird Nahrungskette. Darüber hinaus atmen alle Lebewesen und setzen dabei Kohlendioxid frei.

Der Kohlenstoffkreislauf an Land. Der Kohlenstoffkreislauf wird durch Photosynthese von Landpflanzen und ozeanischem Phytoplankton aufrechterhalten. Durch die Aufnahme von Kohlendioxid (Fixierung von anorganischem Kohlenstoff) nutzen Pflanzen die Energie des Sonnenlichts, um es in organische Verbindungen umzuwandeln und so ihre eigene Biomasse zu erzeugen. Nachts atmen Pflanzen wie alle Lebewesen und setzen dabei Kohlendioxid frei.

Abgestorbene Pflanzen, Leichen und Exkremente von Tieren dienen zahlreichen heterotrophen Organismen (Tiere, Saprophytenpflanzen, Pilze, Mikroorganismen) als Nahrung. Alle diese Organismen leben hauptsächlich im Boden und erzeugen im Laufe ihres Lebens ihre eigene Biomasse, zu der auch organischer Kohlenstoff gehört. Außerdem setzen sie Kohlendioxid frei und sorgen so für eine „Bodenatmung“. Oftmals werden abgestorbene organische Stoffe nicht vollständig abgebaut und Humus (Humus) reichert sich im Boden an, was eine wichtige Rolle für die Bodenfruchtbarkeit spielt. Der Grad der Mineralisierung und Humifizierung organischer Stoffe hängt von vielen Faktoren ab: Feuchtigkeit, Temperatur, physikalische Eigenschaften des Bodens, Zusammensetzung organischer Rückstände usw. Unter Einwirkung von Bakterien und Pilzen kann Humus zu Kohlendioxid und Mineralstoffen zerfallen.

Der Kohlenstoffkreislauf in den Ozeanen. Der Kohlenstoffkreislauf im Ozean unterscheidet sich von dem an Land. Im Ozean ist das schwache Glied der Organismen höherer trophischer Ebenen und damit aller Glieder des Kohlenstoffkreislaufs. Die Transitzeit von Kohlenstoff durch die trophische Verbindung des Ozeans ist kurz und die Menge an freigesetztem Kohlendioxid ist unbedeutend.

Der Ozean spielt die Rolle des Hauptregulators des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre. Zwischen Ozean und Atmosphäre findet ein intensiver Kohlendioxidaustausch statt. Meerwasser verfügt über ein großes Lösungs- und Puffervermögen. Das System aus Kohlensäure und ihren Salzen (Karbonaten) ist eine Art Kohlendioxiddepot, das durch die Diffusion von CO mit der Atmosphäre verbunden ist? vom Wasser in die Atmosphäre und umgekehrt.

Die Photosynthese von Phytoplankton läuft tagsüber im Ozean intensiv ab, während freies Kohlendioxid intensiv verbraucht wird, Karbonate dienen als zusätzliche Quelle seiner Bildung. Nachts, wenn der Gehalt an freier Säure durch die Atmung von Tieren und Pflanzen ansteigt, gelangt ein erheblicher Teil davon wieder in die Zusammensetzung der Carbonate. Die laufenden Prozesse gehen in folgende Richtungen: Lebende Materie? CO?? H?CO?? Sa(NSO?)?? CaCO?.

In der Natur wird eine bestimmte Menge an organischem Material aufgrund von Sauerstoffmangel, hohem Säuregehalt der Umgebung, besonderen Vergrabungsbedingungen usw. nicht mineralisiert. Ein Teil des Kohlenstoffs verlässt den biologischen Kreislauf in Form anorganischer (Kalkstein, Kreide, Korallen) und organischer (Schiefer, Öl, Kohle) Ablagerungen.

Menschliche Aktivitäten verändern den Kohlenstoffkreislauf auf unserem Planeten erheblich. Landschaften, Vegetationstypen, Biozönosen und ihre Nahrungsketten verändern sich, weite Teile der Landoberfläche werden entwässert oder bewässert, die Bodenfruchtbarkeit verbessert (oder verschlechtert sich), Düngemittel und Pestizide werden eingesetzt usw. Am gefährlichsten ist die Freisetzung von Kohlendioxid in die Atmosphäre durch die Verbrennung von Kraftstoff. Dies erhöht die Geschwindigkeit des Kohlenstoffkreislaufs und verkürzt seinen Zyklus.

Sauerstoffkreislauf

Sauerstoff ist eine Voraussetzung für die Existenz von Leben auf der Erde. Es ist in fast allen biologischen Verbindungen enthalten, beteiligt sich an biochemischen Oxidationsreaktionen organischer Substanzen und liefert Energie für alle lebenswichtigen Prozesse von Organismen in der Biosphäre. Sauerstoff sorgt für die Atmung von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen in der Atmosphäre, im Boden und im Wasser und ist an chemischen Oxidationsreaktionen beteiligt, die in Gesteinen, Böden, Schlick und Grundwasserleitern auftreten.

Die Hauptzweige des Sauerstoffkreislaufs:

• - die Bildung von freiem Sauerstoff bei der Photosynthese und seine Aufnahme bei der Atmung lebender Organismen (Pflanzen, Tiere, Mikroorganismen in der Atmosphäre, Boden, Wasser);
• - Bildung eines Ozonschirms;
• - Schaffung einer Redox-Zonierung;
• - Oxidation von Kohlenmonoxid bei Vulkanausbrüchen, Ansammlung von Sulfat-Sedimentgesteinen, Sauerstoffverbrauch bei menschlichen Aktivitäten usw.; Überall ist molekularer Sauerstoff an der Photosynthese beteiligt.

Stickstoffkreislauf

Stickstoff ist Teil der biologisch wichtigen organischen Substanzen aller lebenden Organismen: Proteine, Nukleinsäuren, Lipoproteine, Enzyme, Chlorophyll usw. Trotz des Stickstoffgehalts (79 %) ist die Luft für lebende Organismen mangelhaft.

Stickstoff in der Biosphäre liegt in gasförmiger Form (N2) vor und ist für Organismen unzugänglich – er ist chemisch wenig aktiv und kann daher von höheren Pflanzen (und den meisten niederen Pflanzen) und der Tierwelt nicht direkt genutzt werden. Pflanzen nehmen Stickstoff aus dem Boden in Form von Ammoniumionen oder Nitrationen auf, d. h. sogenannter fester Stickstoff.

Es gibt atmosphärische, industrielle und biologische Stickstofffixierung.

Die atmosphärische Fixierung erfolgt bei der Ionisierung der Atmosphäre durch kosmische Strahlung und bei starken elektrischen Entladungen bei Gewittern, während aus dem molekularen Stickstoff der Luft Stickstoff- und Ammoniakoxide entstehen, die durch atmosphärische Niederschläge in Ammonium, Nitrit, Nitratstickstoff usw. umgewandelt werden gelangen in den Boden und in Wasserbecken.

Die industrielle Fixierung erfolgt als Folge menschlicher Aktivitäten. Die Atmosphäre wird durch Pflanzen, die Stickstoffverbindungen produzieren, mit Stickstoffverbindungen belastet. Heiße Emissionen aus Wärmekraftwerken, Fabriken, Raumfahrzeugen und Überschallflugzeugen oxidieren Stickstoff in der Luft. Stickoxide, die bei Niederschlägen mit Luftwasserdampf interagieren, kehren zum Boden zurück und gelangen in ionischer Form in den Boden.

Im Stickstoffkreislauf spielt die biologische Fixierung eine wichtige Rolle. Es wird von Bodenbakterien durchgeführt:

• - stickstofffixierende Bakterien (und Blaualgen);
• - Mikroorganismen, die in Symbiose mit höheren Pflanzen leben (Knöllchenbakterien);
• - ammonisierend;
• - nitrifizierend;
• - denitrifizierend.

Stickstofffixierende aerobe (in Gegenwart von Sauerstoff lebende) Bakterien (Azotobacter), die frei im Boden leben, sind in der Lage, atmosphärischen molekularen Stickstoff aufgrund der Energie zu binden, die aus der Oxidation organischer Bodensubstanz während der Atmung gewonnen wird, und ihn schließlich mit Wasserstoff zu binden Einführung in Form einer Aminogruppe (-NH2) in die Zusammensetzung der Aminosäuren in Ihrem Körper. Molekularer Stickstoff ist auch in der Lage, einige im Boden vorkommende anaerobe (ohne Sauerstoff lebende) Bakterien (Clostridien) zu binden. Beim Absterben reichern sowohl diese als auch andere Mikroorganismen den Boden mit organischem Stickstoff an.

Auch Blaualgen, die besonders für die Böden von Reisfeldern wichtig sind, sind zur biologischen Fixierung von molekularem Stickstoff fähig.

Die wirksamste biologische Bindung von Luftstickstoff erfolgt durch Bakterien, die in Symbiose in den Knöllchen von Hülsenfrüchten leben (Knöllchenbakterien).

Diese Bakterien (Rizobium) nutzen die Energie der Wirtspflanze, um Stickstoff zu binden und gleichzeitig die Landorgane des Wirts mit verfügbaren Stickstoffverbindungen zu versorgen.

Durch die Aufnahme von Stickstoffverbindungen aus dem Boden in Nitrat- und Ammoniumform bauen Pflanzen die notwendigen stickstoffhaltigen Verbindungen ihres Körpers auf (Nitratstickstoff wird in Pflanzenzellen vorläufig wiederhergestellt). Erzeugerpflanzen versorgen das Ganze mit stickstoffhaltigen Stoffen Tierwelt und Menschlichkeit. Abgestorbene Pflanzen werden entsprechend der trophischen Kette von Bioreduktionsmitteln genutzt.

Ammonisierende Mikroorganismen zersetzen stickstoffhaltige organische Stoffe (Aminosäuren, Harnstoff) unter Bildung von Ammoniak. Ein Teil des organischen Stickstoffs im Boden wird nicht mineralisiert, sondern in Huminstoffe, Bitumen und Bestandteile von Sedimentgesteinen umgewandelt.

Ammoniak (als Ammoniumion) kann in das Wurzelsystem von Pflanzen gelangen oder in Nitrifikationsprozessen verwendet werden.

Nitrifizierende Mikroorganismen sind Chemosynthetiker, sie nutzen die Energie der Ammoniakoxidation zu Nitraten und Nitriten zu Nitraten, um alle Lebensprozesse sicherzustellen. Aufgrund dieser Energie stellen Nitrifizierer Kohlendioxid wieder her und bauen die organischen Substanzen ihres Körpers auf. Die Oxidation von Ammoniak während der Nitrifikation verläuft nach folgenden Reaktionen:

NH? + 3O? ? 2HNO? + 2H?O + 600 kJ (148 kcal).

HNO? +O? ? 2HNO? + 198 kJ (48 kcal).

Bei den Nitrifikationsprozessen entstehende Nitrate gelangen wieder in den biologischen Kreislauf, werden von den Wurzeln der Pflanzen aus dem Boden aufgenommen oder gelangen mit dem Wasserabfluss in Wasserbecken – Phytoplankton und Phytobenthos.

Neben Organismen, die Luftstickstoff binden und nitrifizieren, gibt es in der Biosphäre Mikroorganismen, die Nitrate oder Nitrite zu molekularem Stickstoff reduzieren können. Solche Mikroorganismen, sogenannte Denitrifikatoren, nutzen bei einem Mangel an freiem Sauerstoff im Wasser oder Boden den Sauerstoff von Nitraten, um organische Substanzen zu oxidieren:

C?H??O?(Glukose) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6CO? + 12N? + 18H?O + Energie

Die dabei freigesetzte Energie dient gleichzeitig als Grundlage aller lebenswichtigen Aktivitäten denitrifizierender Mikroorganismen.

Somit spielen lebende Substanzen in allen Gliedern des Kreislaufs eine herausragende Rolle.

Die industrielle Fixierung von Luftstickstoff durch den Menschen spielt derzeit eine immer wichtigere Rolle für den Stickstoffhaushalt von Böden und damit für den gesamten Stickstoffkreislauf in der Biosphäre.

Phosphorkreislauf

Der Phosphorkreislauf ist einfacher. Während das Stickstoffreservoir die Luft ist, ist das Phosphorreservoir das Gestein, aus dem es bei der Erosion freigesetzt wird.

Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff wandern in der Atmosphäre leichter und schneller, da sie in gasförmiger Form vorliegen und in biologischen Kreisläufen gasförmige Verbindungen bilden. Für alle anderen Elemente außer Schwefel, die für die Existenz lebender Materie notwendig sind, ist die Bildung gasförmiger Verbindungen in biologischen Kreisläufen uncharakteristisch. Diese Elemente wandern hauptsächlich in Form von im Wasser gelösten Ionen und Molekülen.

Phosphor wird von Pflanzen in Form von Orthophosphorsäureionen aufgenommen und spielt eine wichtige Rolle im Leben aller lebenden Organismen. Es ist Teil von ADP, ATP, DNA, RNA und anderen Verbindungen.

Der Phosphorkreislauf in der Biosphäre ist offen. In terrestrischen Biogeozänosen gelangt Phosphor nach der Aufnahme durch Pflanzen aus dem Boden über die Nahrungskette wieder in Form von Phosphaten in den Boden. Der Großteil des Phosphors wird wieder über das Wurzelsystem der Pflanzen aufgenommen. Teilweise kann Phosphor durch das Abfließen von Regenwasser aus dem Boden in Wasserbecken ausgewaschen werden.

In natürlichen Biogeozänosen mangelt es häufig an Phosphor, in alkalischem und oxidiertem Milieu liegt er meist in Form unlöslicher Verbindungen vor.

Eine große Menge an Phosphaten ist in Gesteinen der Lithosphäre enthalten. Einige von ihnen gelangen nach und nach in den Boden, andere werden vom Menschen zur Herstellung von Phosphatdüngern entwickelt, die meisten werden ausgelaugt und in die Hydrosphäre gespült. Dort werden sie von Phytoplankton und verwandten Organismen auf verschiedenen trophischen Ebenen komplexer Nahrungsketten genutzt.

Im Weltmeer kommt es durch die Ablagerung von Pflanzen- und Tierresten in großen Tiefen zum Verlust von Phosphaten aus dem biologischen Kreislauf. Da sich Phosphor mit Wasser hauptsächlich von der Lithosphäre in die Hydrosphäre bewegt, wandert er biologisch in die Lithosphäre (Fischfresser durch Seevögel, Verwendung benthischer Algen und Fischmehl als Dünger usw.).

Von allen Elementen der mineralischen Ernährung von Pflanzen kann Phosphor als mangelhaft angesehen werden.

Schwefelkreislauf

Für lebende Organismen ist Schwefel von großer Bedeutung, da er zu den schwefelhaltigen Aminosäuren (Cystin, Cystein, Methionin etc.) gehört. Schwefelhaltige Aminosäuren sorgen in der Zusammensetzung von Proteinen für die notwendige dreidimensionale Struktur von Proteinmolekülen.

Schwefel wird von Pflanzen nur in oxidierter Form, in Form eines Ions, aus dem Boden aufgenommen. In Pflanzen ist Schwefel reduziert und in Form von Sulfhydryl- (-SH) und Disulfidgruppen (-S-S-) Bestandteil von Aminosäuren.

Tiere nehmen nur reduzierten Schwefel auf, der Teil der organischen Substanz ist. Nach dem Absterben pflanzlicher und tierischer Organismen gelangt Schwefel in den Boden zurück, wo er durch die Aktivität zahlreicher Mikroorganismen umgewandelt wird.

Unter aeroben Bedingungen oxidieren einige Mikroorganismen organischen Schwefel zu Sulfaten. Sulfationen werden durch die Aufnahme durch die Wurzeln der Pflanzen wieder in den biologischen Kreislauf einbezogen. Einige Sulfate können in die Wassermigration einbezogen und aus dem Boden entfernt werden. In Böden, die reich an Huminstoffen sind, liegt ein erheblicher Anteil des Schwefels in organischen Verbindungen vor, was dessen Auswaschung verhindert.

Unter anaeroben Bedingungen entsteht bei der Zersetzung organischer Schwefelverbindungen Schwefelwasserstoff. Befinden sich Sulfate und organische Stoffe in einer sauerstofffreien Umgebung, wird die Aktivität sulfatreduzierender Bakterien aktiviert. Sie nutzen den Sauerstoff von Sulfaten, um organische Stoffe zu oxidieren und so die für ihre Existenz notwendige Energie zu gewinnen.

Sulfatreduzierende Bakterien kommen häufig im Grundwasser, im Schlamm und im stehenden Meerwasser vor. Schwefelwasserstoff ist für die meisten lebenden Organismen ein Gift und reichert sich daher in wassergefüllten Böden, Seen, Flussmündungen usw. an. lebenswichtige Prozesse werden deutlich reduziert oder sogar ganz gestoppt. Ein solches Phänomen wird im Schwarzen Meer in einer Tiefe von weniger als 200 m über seiner Oberfläche beobachtet.

Um ein günstiges Umfeld zu schaffen, ist es daher notwendig, Schwefelwasserstoff zu Sulfationen zu oxidieren, wodurch die schädliche Wirkung von Schwefelwasserstoff zerstört wird. Schwefel wird in eine für Pflanzen zugängliche Form umgewandelt - in Form von Sulfatsalzen. Diese Rolle wird in der Natur von einer speziellen Gruppe von Schwefelbakterien (farblos, grün, violett) und Thionbakterien übernommen.

Farblose Schwefelbakterien sind chemosynthetisch: Sie nutzen die Energie, die bei der Oxidation von Schwefelwasserstoff durch Sauerstoff zu elementarem Schwefel und seiner weiteren Oxidation zu Sulfaten gewonnen wird.

Farbige Schwefelbakterien sind photosynthetische Organismen, die Schwefelwasserstoff als Wasserstoffspender nutzen, um Kohlendioxid zu reduzieren.

Der entstehende elementare Schwefel wird bei grünen Schwefelbakterien aus den Zellen freigesetzt, bei violetten Bakterien reichert er sich im Zellinneren an.

Die Gesamtreaktion dieses Prozesses ist die Photoreduktion:

CO?+ 2H?S leicht? (CH?O) + H?O +2S.

Thionbakterien oxidieren elementaren Schwefel und seine verschiedenen reduzierten Verbindungen auf Kosten von freiem Sauerstoff zu Sulfaten und führen ihn so wieder in den Hauptstrom des biologischen Kreislaufs zurück.

In den Prozessen des biologischen Kreislaufs, in dem Schwefel umgewandelt wird, spielen lebende Organismen, insbesondere Mikroorganismen, eine große Rolle.

Das wichtigste Schwefelreservoir auf unserem Planeten ist der Weltozean, da ständig Sulfationen aus dem Boden in ihn gelangen. Ein Teil des Schwefels aus dem Ozean kehrt nach dem Schema Schwefelwasserstoff über die Atmosphäre an Land zurück – oxidiert ihn zu Schwefeldioxid – löst ihn im Regenwasser unter Bildung von Schwefelsäure und Sulfaten auf – und gibt Schwefel mit Niederschlägen an die Bodenbedeckung der Erde zurück.

Zyklus anorganischer Kationen

Zusätzlich zu den Grundelementen, aus denen lebende Organismen bestehen (Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Phosphor und Schwefel), sind viele andere Makro- und Mikroelemente – anorganische Kationen – lebenswichtig. In Wasserbecken erhalten Pflanzen die benötigten Metallkationen direkt aus der Umwelt. An Land ist die Hauptquelle anorganischer Kationen der Boden, der sie bei der Zerstörung des Muttergesteins aufgenommen hat. Bei Pflanzen wandern die von den Wurzelsystemen aufgenommenen Kationen zu den Blättern und anderen Organen; einige von ihnen (Magnesium, Eisen, Kupfer und einige andere) sind Teil biologisch wichtiger Moleküle (Chlorophyll, Enzyme); andere, die in freier Form verbleiben, sind an der Aufrechterhaltung der notwendigen kolloidalen Eigenschaften des Zellprotoplasmas beteiligt und erfüllen verschiedene andere Funktionen.

Wenn lebende Organismen sterben, kehren anorganische Kationen im Rahmen der Mineralisierung organischer Substanzen in den Boden zurück. Der Verlust dieser Bestandteile aus dem Boden erfolgt durch Auswaschung und Entfernung von Metallkationen mit Regenwasser, Abstoßung und Entfernung organischer Stoffe durch den Menschen beim Anbau landwirtschaftlicher Pflanzen, beim Holzeinschlag, beim Mähen von Gras für Viehfutter usw.

Der rationelle Einsatz von Mineraldüngern, die Bodensanierung, der Einsatz organischer Düngemittel und die richtige Agrartechnologie werden dazu beitragen, das Gleichgewicht der anorganischen Kationen in den Biozönosen der Biosphäre wiederherzustellen und aufrechtzuerhalten.

Anthropogener Kreislauf: Kreislauf von Xenobiotika (Quecksilber, Blei, Chrom)

Der Mensch ist Teil der Natur und kann nur in ständiger Interaktion mit ihr existieren.

Es gibt Ähnlichkeiten und Widersprüche zwischen dem natürlichen und dem anthropogenen Stoff- und Energiekreislauf in der Biosphäre.

Der natürliche (biogeochemische) Lebenszyklus weist folgende Merkmale auf:

• - die Nutzung der Sonnenenergie als Lebensquelle und aller ihrer Erscheinungsformen auf der Grundlage thermodynamischer Gesetze;
• - es erfolgt abfallfrei, d.h. Alle Produkte seiner lebenswichtigen Aktivität werden mineralisiert und wieder in den nächsten Zyklus des Stoffkreislaufs einbezogen. Gleichzeitig wird verbrauchte, entwertete Wärmeenergie außerhalb der Biosphäre abgeführt. Im biogeochemischen Stoffkreislauf entstehen Abfälle, d.h. Reserven in Form von Kohle, Öl, Gas und anderen Bodenschätze. Im Gegensatz zum abfallfreien natürlichen Kreislauf geht der anthropogene Kreislauf jedes Jahr mit einem Anstieg der Abfälle einher.

In der Natur gibt es nichts Nutzloses oder Schädliches, auch Vulkanausbrüche haben Vorteile, denn mit vulkanischen Gasen gelangen die notwendigen Elemente (zum Beispiel Stickstoff) in die Luft.

Es gibt ein Gesetz der globalen Schließung des biogeochemischen Kreislaufs in der Biosphäre, das in allen Phasen seiner Entwicklung gilt, sowie eine Regel zur zunehmenden Schließung des biogeochemischen Kreislaufs im Laufe der Sukzession.

Der Mensch spielt eine große Rolle im biogeochemischen Kreislauf, allerdings in die entgegengesetzte Richtung. Der Mensch verletzt die bestehenden Stoffkreisläufe und zeigt dadurch seine geologische Kraft – zerstörerisch gegenüber der Biosphäre. Durch anthropogene Aktivität nimmt der Isolationsgrad biogeochemischer Kreisläufe ab.

Der anthropogene Kreislauf beschränkt sich nicht auf die Energie des Sonnenlichts, das von den grünen Pflanzen des Planeten eingefangen wird. Die Menschheit nutzt die Energie von Brennstoff-, Wasser- und Kernkraftwerken.

Man kann argumentieren, dass die anthropogene Aktivität im gegenwärtigen Stadium eine enorme zerstörerische Kraft für die Biosphäre darstellt.

Die Biosphäre hat eine besondere Eigenschaft – eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schadstoffen. Diese Stabilität beruht auf der natürlichen Fähigkeit der verschiedenen Komponenten natürlichen Umgebung zur Selbstreinigung und Selbstheilung. Aber nicht grenzenlos. Die mögliche globale Krise machte es erforderlich, ein mathematisches Modell der Biosphäre als Ganzes (das „Gaia“-System) zu erstellen, um Informationen über den möglichen Zustand der Biosphäre zu erhalten.

Ein Xenobiotikum ist ein für lebende Organismen fremder Stoff, der durch anthropogene Aktivitäten (Pestizide, Haushaltschemikalien und andere Schadstoffe) entsteht und biotische Prozesse, einschließlich der Umwelt, beeinträchtigen kann. Krankheit oder Tod. Solche Schadstoffe werden nicht biologisch abgebaut, sondern reichern sich in trophischen Ketten an.

Quecksilber ist ein sehr seltenes Element. Es ist in der Erdkruste verteilt und nur in wenigen Mineralien, wie zum Beispiel Zinnober, in konzentrierter Form enthalten. Quecksilber ist am Stoffkreislauf der Biosphäre beteiligt und wandert im gasförmigen Zustand und in wässrigen Lösungen.

Es gelangt aus der Hydrosphäre bei der Verdunstung, bei der Freisetzung aus Zinnober, mit vulkanischen Gasen und Gasen aus Thermalquellen in die Atmosphäre. Ein Teil des gasförmigen Quecksilbers in der Atmosphäre geht in die feste Phase über und wird aus der Luft entfernt. Gefallenes Quecksilber wird von Böden, insbesondere Ton, Wasser und Gestein, absorbiert. In brennbaren Mineralien – Öl und Kohle – ist Quecksilber bis zu 1 mg/kg enthalten. Die Wassermasse der Ozeane beträgt etwa 1,6 Milliarden Tonnen, die Bodensedimente 500 Milliarden Tonnen und das Plankton etwa 2 Millionen Tonnen. Etwa 40.000 Tonnen werden jedes Jahr durch Flusswasser vom Land transportiert, das ist zehnmal weniger als das, was bei der Verdunstung in die Atmosphäre gelangt (400.000 Tonnen). Jährlich fallen etwa 100.000 Tonnen auf die Landoberfläche.

Quecksilber hat sich von einem natürlichen Bestandteil der natürlichen Umwelt zu einer der gefährlichsten vom Menschen verursachten Emissionen in die Biosphäre für die menschliche Gesundheit entwickelt. Es wird häufig in der Metallurgie-, Chemie-, Elektro-, Elektronik-, Zellstoff- und Papierindustrie sowie in der Pharmaindustrie eingesetzt und wird zur Herstellung von Sprengstoffen, Lacken und Farben sowie in der Medizin verwendet. Industrieabwässer und atmosphärische Emissionen sowie Quecksilberbergwerke, Quecksilberproduktionsanlagen und Wärmekraftwerke (KWK und Kesselhäuser), die Kohle, Öl und Ölprodukte verwenden, sind die Hauptquellen der Biosphärenverschmutzung mit dieser toxischen Komponente. Darüber hinaus ist Quecksilber ein Bestandteil quecksilberorganischer Pestizide, die in der Landwirtschaft zur Behandlung von Saatgut und zum Schutz von Nutzpflanzen vor Schädlingen eingesetzt werden. Es gelangt mit der Nahrung (Eier, eingelegtes Getreide, Fleisch von Tieren und Vögeln, Milch, Fisch) in den menschlichen Körper.

Quecksilber im Wasser und im Bodensediment von Flüssen

Es wurde festgestellt, dass etwa 80 % des Quecksilbers, das in natürliche Gewässer gelangt, in gelöster Form vorliegt, was letztendlich zu seiner Ausbreitung über große Entfernungen zusammen mit den Wasserströmen beiträgt. Das reine Element ist ungiftig.

Quecksilber kommt im Bodenschlammwasser häufiger in relativ harmlosen Konzentrationen vor. Anorganische Quecksilberverbindungen werden durch Bakterien, die in Detritus und Sedimenten, im Grundschlamm von Seen und Flüssen und im Schleim, der die Körper bedeckt, leben, in giftige organische Quecksilberverbindungen wie Methylquecksilber CH?Hg und Ethylquecksilber C?H?Hg umgewandelt Fisch und auch im Fischmagenschleim. Diese Verbindungen sind leicht löslich, mobil und hochgiftig. Die chemische Grundlage der aggressiven Wirkung von Quecksilber ist seine Affinität zu Schwefel, insbesondere zur Schwefelwasserstoffgruppe in Proteinen. Diese Moleküle binden an Chromosomen und Gehirnzellen. Fisch und Schalentiere können für den Verzehr gefährliche Werte anreichern und die Minamata-Krankheit verursachen.

Metallisches Quecksilber und seine anorganischen Verbindungen wirken hauptsächlich auf Leber, Nieren und Darmtrakt, werden jedoch unter normalen Bedingungen relativ schnell aus dem Körper ausgeschieden und die für den menschlichen Körper gefährliche Menge hat keine Zeit, sich anzusammeln. Methylquecksilber und andere Alkylquecksilberverbindungen sind viel gefährlicher, da es zu einer Kumulation kommt – das Toxin gelangt schneller in den Körper als es aus dem Körper ausgeschieden wird und wirkt sich auf das Zentralnervensystem aus.

Bodensedimente sind ein wichtiges Merkmal aquatischer Ökosysteme. Durch die Anreicherung von Schwermetallen, Radionukliden und hochgiftigen organischen Stoffen tragen Bodensedimente einerseits zur Selbstreinigung der Gewässer bei und sind andererseits eine ständige Quelle sekundärer Gewässerverschmutzung. Ein vielversprechendes Untersuchungsobjekt sind Bodensedimente, die ein langfristiges Verschmutzungsmuster (insbesondere in langsam fließenden Gewässern) widerspiegeln. Darüber hinaus wird insbesondere in Flussmündungen die Anreicherung von anorganischem Quecksilber in Bodensedimenten beobachtet. Eine angespannte Situation kann entstehen, wenn die Adsorptionsfähigkeit von Sedimenten (Schluff, Niederschlag) erschöpft ist. Bei Erreichen der Adsorptionskapazität werden Schwermetalle, inkl. Quecksilber gelangt ins Wasser.

Es ist bekannt, dass Quecksilber unter anaeroben Meeresbedingungen in den Sedimenten abgestorbener Algen Wasserstoff anlagert und in flüchtige Verbindungen übergeht.

Unter Beteiligung von Mikroorganismen kann metallisches Quecksilber in zwei Stufen methyliert werden:

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

Methylquecksilber kommt in der Umwelt praktisch nur bei der Methylierung von anorganischem Quecksilber vor.

Die biologische Halbwertszeit von Quecksilber ist lang und beträgt für die meisten Gewebe des menschlichen Körpers 70-80 Tage.

Große Fische wie Schwertfisch und Thunfisch sind bekanntermaßen zu Beginn der Nahrungskette mit Quecksilber kontaminiert. Gleichzeitig ist es nicht uninteressant festzustellen, dass sich in Austern Quecksilber in noch größerem Maße als in Fisch anreichert.

Quecksilber gelangt über die Atmung, mit der Nahrung und über die Haut nach folgendem Schema in den menschlichen Körper:

Erstens gibt es eine Umwandlung von Quecksilber. Dieses Element kommt in der Natur in verschiedenen Formen vor.

Metallisches Quecksilber, das in Thermometern verwendet wird, und seine anorganischen Salze (z. B. Chlorid) werden relativ schnell aus dem Körper ausgeschieden.

Wesentlich giftiger sind Alkylquecksilberverbindungen, insbesondere Methyl- und Ethylquecksilber. Diese Verbindungen werden sehr langsam aus dem Körper ausgeschieden – nur etwa 1 % der Gesamtmenge pro Tag. Obwohl das meiste Quecksilber, das in natürliche Gewässer gelangt, in Form anorganischer Verbindungen vorliegt, gelangt es immer in Form des viel giftigeren Methylquecksilbers in Fische. Bakterien im Bodenschlamm von Seen und Flüssen, im Schleim, der die Körper von Fischen bedeckt, sowie im Schleim des Fischmagens sind in der Lage, anorganische Quecksilberverbindungen in Methylquecksilber umzuwandeln.

Zweitens erhöht die selektive Anreicherung oder biologische Anreicherung (Konzentration) den Quecksilbergehalt in Fischen und Schalentieren auf Werte, die um ein Vielfaches höher sind als im Buchtwasser. Fische und Schalentiere, die im Fluss leben, reichern Methylquecksilber in Konzentrationen an, die für Menschen, die es als Nahrung verwenden, gefährlich sind.

% des weltweiten Fischfangs enthalten Quecksilber in einer Menge von nicht mehr als 0,5 mg/kg und 95 % - unter 0,3 mg/kg. Fast das gesamte Quecksilber in Fisch liegt in Form von Methylquecksilber vor.

Aufgrund der unterschiedlichen Toxizität von Quecksilberverbindungen für den Menschen in Lebensmitteln ist die Bestimmung von anorganischem (Gesamt) und organisch gebundenem Quecksilber erforderlich. Wir ermitteln lediglich den Gesamtgehalt an Quecksilber. Gemäß medizinischen und biologischen Anforderungen darf der Quecksilbergehalt in Süßwasser-Raubfischen 0,6 mg/kg, in Meeresfischen 0,4 mg/kg, in Süßwasser-Fischen nur 0,3 mg/kg und in Thunfischen bis zu 0,7 mg betragen /kg. kg. Bei Produkten Babynahrung Der Quecksilbergehalt sollte in Fleischkonserven 0,02 mg/kg, in Fischkonserven 0,15 mg/kg und im Rest 0,01 mg/kg nicht überschreiten.

Blei kommt in fast allen Bestandteilen der natürlichen Umwelt vor. Es enthält 0,0016 % in der Erdkruste. Der natürliche Bleigehalt in der Atmosphäre beträgt 0,0005 mg/m3. Der größte Teil davon wird mit Staub abgelagert, etwa 40 % fallen durch atmosphärische Niederschläge. Pflanzen nehmen Blei aus dem Boden, Wasser und atmosphärischen Niederschlägen auf, während Tiere Blei aus Pflanzen und Wasser aufnehmen. Metall gelangt mit Nahrung, Wasser und Staub in den menschlichen Körper.

Die Hauptquellen der Bleiverschmutzung in der Biosphäre sind Benzinmotoren, deren Abgase Triethylblei enthalten, Kohlekraftwerke, Bergbau, Hütten- und Chemieindustrie. Mit dem als Dünger genutzten Abwasser gelangt eine erhebliche Menge Blei in den Boden. Um den brennenden Reaktor des Kernkraftwerks Tschernobyl zu löschen, wurde auch Blei verwendet, das in das Luftbecken gelangte und sich über weite Gebiete verteilte. Mit zunehmender Umweltbelastung mit Blei nimmt die Ablagerung in Knochen, Haaren und Leber zu.

Chrom. Am gefährlichsten ist giftiges Chrom (6+), das in sauren und alkalischen Böden, in Süß- und Meerwasser mobilisiert wird. IN Meerwasser Chrom wird zu 10 - 20 % in der Cr (3+)-Form, zu 25 - 40 % in Cr (6+) und zu 45 - 65 % in der organischen Form dargestellt. Im pH-Bereich 5 - 7 überwiegt Cr (3+), bei pH > 7 - Cr (6+). Es ist bekannt, dass Cr (6+) und organische Chromverbindungen im Meerwasser nicht gemeinsam mit Eisenhydroxid ausfallen.

Natürliche Stoffkreisläufe sind praktisch geschlossen. In natürlichen Ökosystemen wird mit Materie und Energie sparsam umgegangen, und der Abfall einiger Organismen ist eine wichtige Voraussetzung für die Existenz anderer. Der anthropogene Stoffkreislauf geht mit einem enormen Verbrauch natürlicher Ressourcen und einer großen Menge an Abfällen einher, die eine Umweltverschmutzung verursachen. Die Schaffung selbst modernster Behandlungsanlagen löst das Problem nicht, daher ist es notwendig, abfallarme und abfallfreie Technologien zu entwickeln, die es ermöglichen, den anthropogenen Kreislauf so geschlossen wie möglich zu machen. Theoretisch ist es möglich, eine abfallfreie Technologie zu entwickeln, aber abfallarme Technologien sind real.

Anpassung an Naturphänomene

Anpassungen sind verschiedene Anpassungen an die Umwelt, die Organismen (von den einfachsten bis zu den höchsten) im Laufe der Evolution entwickeln. Die Fähigkeit zur Anpassung ist eine der Haupteigenschaften der Lebewesen und ermöglicht ihre Existenz.

Zu den Hauptfaktoren, die den Anpassungsprozess entwickeln, gehören: Vererbung, Variabilität, natürliche (und künstliche) Selektion.

Die Toleranz kann sich ändern, wenn der Körper anderen äußeren Bedingungen ausgesetzt ist. Wenn er nach einer Weile in solche Bedingungen gerät, gewöhnt er sich sozusagen daran, passt sich ihnen an (von lat. Anpassung – sich anpassen). Die Folge davon ist eine Veränderung der Bestimmungen des physiologischen Optimums.

Die Eigenschaft von Organismen, sich an die Existenz in einem bestimmten Bereich anzupassen Umweltfaktor sogenannte ökologische Plastizität.

Je breiter der Bereich des ökologischen Faktors ist, in dem ein bestimmter Organismus leben kann, desto größer ist seine ökologische Plastizität. Je nach Plastizitätsgrad werden zwei Arten von Organismen unterschieden: Stenobiont (Stenoeks) und Eurybiont (Euryeks). Somit sind Stenobionten ökologisch nicht plastisch (Flunder lebt beispielsweise nur in Salzwasser und Karausche nur in Süßwasser), d. h. kurzhart und Eurybionten sind ökologisch plastisch, d.h. sind robuster (zum Beispiel kann der Dreistachlige Stichling sowohl in Süß- als auch in Salzgewässern leben).

Anpassungen sind mehrdimensional, da sich ein Organismus gleichzeitig an viele verschiedene Umweltfaktoren anpassen muss.

Es gibt drei Hauptmethoden zur Anpassung von Organismen an Umweltbedingungen: aktiv; passiv; Vermeidung von Nebenwirkungen.

Der aktive Weg der Anpassung ist die Stärkung der Widerstandskraft, die Entwicklung regulatorischer Prozesse, die es ermöglichen, trotz Abweichung des Faktors vom Optimum alle lebenswichtigen Funktionen des Körpers auszuführen. Warmblüter beispielsweise halten eine konstante Körpertemperatur aufrecht – optimal für die darin ablaufenden biochemischen Prozesse.

Der passive Anpassungsweg ist die Unterordnung der lebenswichtigen Funktionen von Organismen unter Veränderungen der Umweltfaktoren. Beispielsweise geraten viele Organismen unter widrigen Umweltbedingungen in einen Zustand der Anabiose ( verborgenes Leben), bei dem der Stoffwechsel im Körper praktisch zum Stillstand kommt (Zustand der Winterruhe, Betäubung der Insekten, Winterschlaf, Erhaltung von Sporen im Boden in Form von Sporen und Samen).

Vermeidung schädlicher Auswirkungen – die Entwicklung von Anpassungen, des Verhaltens von Organismen (Anpassung), die dazu beitragen, widrige Bedingungen zu vermeiden. In diesem Fall können Anpassungen sein: morphologisch (die Struktur des Körpers verändert sich: Veränderung der Blätter eines Kaktus), physiologisch (das Kamel versorgt sich durch die Oxidation von Fettreserven mit Feuchtigkeit), ethologisch (Verhaltensänderungen: saisonal). Vogelzüge, Winterschlaf).

Lebende Organismen sind gut an periodische Faktoren angepasst. Nichtperiodische Faktoren können Krankheiten und sogar den Tod des Organismus verursachen (z. B. Medikamente, Pestizide). Bei längerer Exposition kann es jedoch auch zu einer Anpassung an sie kommen.

Organismen, die an tägliche, saisonale, Gezeitenrhythmen, Rhythmen der Sonnenaktivität, Mondphasen und andere streng periodische Phänomene angepasst sind. Unter saisonaler Anpassung versteht man also die Saisonalität in der Natur und den Zustand der Winterruhe.

Saisonalität in der Natur. Der führende Wert für Pflanzen und Tiere bei der Anpassung von Organismen ist die jährliche Temperaturschwankung. Die lebensgünstige Zeit dauert in unserem Land im Durchschnitt etwa sechs Monate (Frühling, Sommer). Noch vor dem Einsetzen stabiler Fröste beginnt in der Natur eine Periode der Winterruhe.

Winterruhe. Die Winterruhe ist nicht nur ein Entwicklungsstopp niedrige Temperaturen, sondern eine komplexe physiologische Anpassung, die darüber hinaus erst in einem bestimmten Entwicklungsstadium auftritt. Beispielsweise überwintern die Malariamücke und der Brennnesselmotte im adulten Insektenstadium, der Kohlfalter im Puppenstadium und der Zigeunermotte im Eistadium.

Biorhythmen. Jede Art hat im Laufe der Evolution einen charakteristischen jährlichen Zyklus intensiven Wachstums und intensiver Entwicklung, Fortpflanzung, Vorbereitung auf den Winter und Überwinterung entwickelt. Dieses Phänomen wird biologischer Rhythmus genannt. Das Zusammentreffen jeder Periode des Lebenszyklus mit der entsprechenden Jahreszeit ist entscheidend für die Existenz der Art.

Der Hauptfaktor bei der Regulierung saisonaler Zyklen ist bei den meisten Pflanzen und Tieren die Veränderung der Tageslänge.

Biorhythmen sind:

exogene (äußere) Rhythmen (entstehen als Reaktion auf periodische Veränderungen der Umwelt (Wechsel von Tag und Nacht, Jahreszeiten, Sonnenaktivität) endogene (innere Rhythmen) werden vom Körper selbst erzeugt

Endogen wiederum werden unterteilt in:

Physiologische Rhythmen (Herzschlag, Atmung, endokrine Drüsen, DNA, RNA, Proteinsynthese, Enzyme, Zellteilung usw.)

Ökologische Rhythmen (täglich, jährlich, Gezeiten, Mond usw.)

Die Prozesse der DNA, RNA, Proteinsynthese, Zellteilung, Herzschlag, Atmung usw. haben einen Rhythmus. Äußere Einflüsse können die Phasen dieser Rhythmen verschieben und ihre Amplitude verändern.

Physiologische Rhythmen variieren je nach Zustand des Körpers, während Umweltrhythmen stabiler sind und externen Rhythmen entsprechen. Mit endogenen Rhythmen kann der Körper rechtzeitig navigieren und sich im Voraus auf bevorstehende Veränderungen in der Umwelt vorbereiten – das ist die biologische Uhr des Körpers. Viele lebende Organismen zeichnen sich durch zirkadiane und zirkanische Rhythmen aus.

Zirkadiane Rhythmen (zirkadian) – wiederkehrende Intensitäten und Art biologischer Prozesse und Phänomene mit einem Zeitraum von 20 bis 28 Stunden. Zirkadiane Rhythmen hängen mit der Aktivität von Tieren und Pflanzen während des Tages zusammen und hängen in der Regel von der Temperatur und der Lichtintensität ab. Fledermäuse fliegen beispielsweise in der Dämmerung und ruhen tagsüber, viele Planktonorganismen bleiben nachts an der Wasseroberfläche und tauchen tagsüber in die Tiefe ab.

Saisonale biologische Rhythmen sind mit dem Einfluss von Licht verbunden – der Photoperiode. Die Reaktion von Organismen auf die Tageslänge wird Photoperiodismus genannt. Photoperiodismus ist eine weit verbreitete wichtige Anpassung, die saisonale Phänomene in einer Vielzahl von Organismen reguliert. Die Untersuchung des Photoperiodismus bei Pflanzen und Tieren zeigte, dass die Reaktion von Organismen auf Licht auf dem Wechsel von Licht- und Dunkelheitsperioden einer bestimmten Dauer während des Tages beruht. Die Reaktion von Organismen (vom Einzeller bis zum Menschen) auf die Länge von Tag und Nacht zeigt, dass sie in der Lage sind, Zeit zu messen, d.h. Ich habe eine Art biologische Uhr. Die biologische Uhr steuert neben saisonalen Zyklen viele andere biologische Phänomene, bestimmt den richtigen Tagesrhythmus sowohl der Aktivität ganzer Organismen als auch der Prozesse, die auch auf der Ebene der Zellen, insbesondere der Zellteilung, ablaufen.

Eine universelle Eigenschaft aller Lebewesen, von Viren und Mikroorganismen bis hin zu höheren Pflanzen und Tieren, ist die Fähigkeit, Mutationen hervorzurufen – plötzliche, natürliche und künstlich verursachte, vererbte Veränderungen im genetischen Material, die zu einer Veränderung bestimmter Merkmale des Organismus führen. Mutationsvariabilität entspricht nicht den Umweltbedingungen und stört in der Regel bestehende Anpassungen.

Viele Insekten fallen in einem bestimmten Entwicklungsstadium in die Diapause (einen langen Entwicklungsstopp), der nicht mit einem Ruhezustand unter widrigen Bedingungen verwechselt werden sollte. Die Fortpflanzung vieler Meerestiere wird durch Mondrhythmen beeinflusst.

Zirkanische (nahejährliche) Rhythmen sind wiederkehrende Veränderungen in der Intensität und Art biologischer Prozesse und Phänomene mit einem Zeitraum von 10 bis 13 Monaten.

Auch der physische und psychische Zustand eines Menschen hat rhythmischen Charakter.

Der gestörte Arbeits- und Ruherhythmus verringert die Leistungsfähigkeit und wirkt sich negativ auf die menschliche Gesundheit aus. Der menschliche Zustand in extreme Bedingungen wird vom Grad seiner Vorbereitung auf diese Bedingungen abhängen, da praktisch keine Zeit für Anpassung und Genesung bleibt.

Alle Stoffe auf dem Planeten befinden sich im Umlauf. Sonnenenergie verursacht zwei Stoffkreisläufe auf der Erde: groß (geologisch, biosphärisch) Und klein (biologisch).

Der große Stoffkreislauf in der Biosphäre zeichnet sich durch zwei wichtige Punkte aus: Er findet während der gesamten geologischen Entwicklung der Erde statt und ist ein moderner planetarischer Prozess, der eine führende Rolle bei der Weiterentwicklung der Biosphäre spielt.

Der geologische Kreislauf ist mit der Bildung und Zerstörung von Gesteinen und der anschließenden Bewegung von Zerstörungsprodukten – Schuttmaterial und chemischen Elementen – verbunden. Eine wesentliche Rolle bei diesen Prozessen spielten und spielen die thermischen Eigenschaften der Land- und Wasseroberfläche: die Absorption und Reflexion des Sonnenlichts, die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität. Das instabile hydrothermale Regime der Erdoberfläche bestimmte zusammen mit dem planetarischen atmosphärischen Zirkulationssystem die geologische Stoffzirkulation, die im Anfangsstadium der Erdentwicklung neben endogenen Prozessen mit der Bildung von Kontinenten, Ozeanen und Moderne verbunden war Geosphären. Mit der Entstehung der Biosphäre wurden die Lebensprodukte der Organismen in den großen Kreislauf einbezogen. Der geologische Kreislauf versorgt lebende Organismen mit Nährstoffen und bestimmt maßgeblich ihre Existenzbedingungen.

Wichtigste chemische Elemente Lithosphären: Sauerstoff, Silizium, Aluminium, Eisen, Magnesium, Natrium, Kalium und andere – nehmen an einer großen Zirkulation teil, die von den tiefen Teilen des oberen Erdmantels bis zur Oberfläche der Lithosphäre gelangt. Bei der Kristallisation entstand magmatisches Gestein

Magma, das aus den Tiefen der Erde an die Oberfläche der Lithosphäre gelangt ist, unterliegt in der Biosphäre der Zersetzung und Verwitterung. Verwitterungsprodukte gehen in einen mobilen Zustand über, werden von Wasser und Wind zu Tieflandstellen getragen, fallen in Flüsse, ins Meer und bilden dicke Sedimentgesteinsschichten, die im Laufe der Zeit in Gebieten mit erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in die Tiefe absinken Metamorphose, also „umgeschmolzen“. Bei diesem Umschmelzen entsteht ein neues metamorphes Gestein, das in die oberen Horizonte der Erdkruste eindringt und wieder in den Stoffkreislauf eintritt. (Abb. 32).

Reis. 32. Geologischer (großer) Stoffkreislauf

Leicht bewegliche Stoffe – Gase und natürliche Wässer, aus denen die Atmosphäre und Hydrosphäre des Planeten besteht – unterliegen der intensivsten und schnellsten Zirkulation. Das Material der Lithosphäre zirkuliert viel langsamer. Im Allgemeinen ist jeder Kreislauf eines chemischen Elements Teil des allgemeinen großen Stoffkreislaufs auf der Erde und alle sind eng miteinander verbunden. Die lebende Materie der Biosphäre leistet in diesem Kreislauf eine enorme Aufgabe bei der Umverteilung der chemischen Elemente, die kontinuierlich in der Biosphäre zirkulieren und von der äußeren Umgebung zu Organismen und wieder in die äußere Umgebung gelangen.

Kleiner oder biologischer Stoffkreislauf- Das

Stoffzirkulation zwischen Pflanzen, Tieren, Pilzen, Mikroorganismen und Boden. Die Essenz des biologischen Kreislaufs ist der Ablauf zweier gegensätzlicher, aber miteinander verbundener Prozesse – der Entstehung organischer Substanzen und deren Zerstörung. Die Entstehung organischer Stoffe beginnt mit der Photosynthese grüner Pflanzen, also der Bildung lebender Materie aus Kohlendioxid, Wasser und einfachen Mineralverbindungen unter Nutzung der Sonnenenergie. Pflanzen (Produzenten) extrahieren in einer Lösung Moleküle aus Schwefel, Phosphor, Kalzium, Kalium, Magnesium, Mangan, Silizium, Aluminium, Zink, Kupfer und anderen Elementen aus dem Boden. Pflanzenfressende Tiere (Konsumenten erster Ordnung) nehmen Verbindungen dieser Elemente bereits in Form von Nahrungsmitteln pflanzlichen Ursprungs auf. Raubtiere (Konsumenten zweiter Ordnung) ernähren sich von pflanzenfressenden Tieren und nehmen Nahrung mit komplexerer Zusammensetzung zu sich, darunter Proteine, Fette, Aminosäuren und andere Substanzen. Bei der Zerstörung organischer Stoffe abgestorbener Pflanzen und Tierreste durch Mikroorganismen (Zersetzer) gelangen einfache Mineralverbindungen in den Boden und in die Gewässer, stehen den Pflanzen zur Assimilation zur Verfügung und die nächste Runde des biologischen Kreislaufs beginnt. (Abb. 33).

Kleiner (biologischer) Kreislauf

Die Masse der lebenden Materie in der Biosphäre ist relativ gering. Wenn es über die Erdoberfläche verteilt wird, erhält man eine Schicht von nur 1,5 cm. Tabelle 4.1 vergleicht einige quantitative Eigenschaften der Biosphäre und anderer Geosphären der Erde. Die Biosphäre, die weniger als 10-6 Massen anderer Hüllen des Planeten ausmacht, weist eine unvergleichlich größere Vielfalt auf und erneuert ihre Zusammensetzung millionenfach schneller.

Tabelle 4.1

Vergleich der Biosphäre mit anderen Geosphären der Erde

*Lebendsubstanz basierend auf Lebendgewicht

4.4.1. Funktionen der Biosphäre

Dank der Biota der Biosphäre wird der überwiegende Teil der chemischen Umwandlungen auf dem Planeten durchgeführt. Daher das Urteil von V.I. Wernadskij über die enorme transformative geologische Rolle lebender Materie. Im Laufe der organischen Evolution sind lebende Organismen durch sich selbst, durch ihre Organe, Gewebe, Zellen, Blut, die gesamte Atmosphäre, das gesamte Volumen des Weltmeeres, den größten Teil der Bodenmasse, eine riesige Masse mineralischer Substanzen durch sich selbst hindurchgegangen ihre Organe, Gewebe, Zellen, Blut tausendmal (für verschiedene Zyklen von 103 bis 105 Mal). Und sie vermissten es nicht nur, sondern veränderten auch die irdische Umwelt entsprechend ihren Bedürfnissen.

Dank der Fähigkeit, Sonnenenergie in die Energie chemischer Bindungen umzuwandeln, erfüllen Pflanzen und andere Organismen eine Reihe grundlegender biogeochemischer Funktionen auf planetarischer Ebene.

Gasfunktion. Lebewesen tauschen im Rahmen der Photosynthese und Atmung ständig Sauerstoff und Kohlendioxid mit der Umwelt aus. Pflanzen spielten eine entscheidende Rolle beim Wandel von einer reduzierenden zu einer oxidierenden Umgebung in der geochemischen Entwicklung des Planeten und bei der Bildung der Gaszusammensetzung der modernen Atmosphäre. Pflanzen kontrollieren streng die Konzentrationen von O2 und CO2, die für die Gesamtheit aller modernen Lebewesen optimal sind.

Konzentrationsfunktion. Indem sie große Mengen an Luft und natürlichen Lösungen durch ihren Körper leiten, führen lebende Organismen eine biogene Migration (die Bewegung von Chemikalien) und die Konzentration chemischer Elemente und ihrer Verbindungen durch. Dies bezieht sich auf die Biosynthese organischer Stoffe, die Bildung von Koralleninseln, den Aufbau von Muscheln und Skeletten, die Entstehung sedimentärer Kalksteinschichten, die Ablagerung bestimmter Metallerze, die Ansammlung von Eisen-Mangan-Knollen auf dem Meeresboden usw. Die frühen Stadien der biologischen Evolution fanden statt aquatische Umgebung. Organismen haben gelernt, die benötigten Stoffe aus einer verdünnten wässrigen Lösung zu extrahieren und so deren Konzentration in ihrem Körper um ein Vielfaches zu steigern.

Die Redoxfunktion lebender Materie steht in engem Zusammenhang mit der biogenen Migration von Elementen und der Konzentration von Stoffen. Viele Stoffe in der Natur sind stabil und werden unter normalen Bedingungen nicht oxidiert, beispielsweise ist molekularer Stickstoff eines der wichtigsten biogenen Elemente. Aber lebende Zellen verfügen über so starke Katalysatoren – Enzyme, dass sie viele Redoxreaktionen millionenfach schneller durchführen können, als dies in einer abiotischen Umgebung möglich wäre.

Informationsfunktion der lebenden Materie der Biosphäre. Mit dem Aufkommen der ersten primitiven Lebewesen erschienen auf dem Planeten aktive („lebende“) Informationen, die sich von den „toten“ Informationen unterscheiden, die lediglich eine Widerspiegelung der Struktur darstellen. Es stellte sich heraus, dass Organismen Informationen empfangen können, indem sie den Energiefluss mit einer aktiven molekularen Struktur verbinden, die die Rolle eines Programms spielt. Die Fähigkeit, molekulare Informationen wahrzunehmen, zu speichern und zu verarbeiten, hat in der Natur eine fortgeschrittene Evolution durchlaufen und ist zum wichtigsten ökologischen Systembildungsfaktor geworden. Der Gesamtbestand an genetischen Informationen der Biota wird auf 1015 Bits geschätzt. Die Gesamtleistung des Flusses molekularer Informationen, die mit dem Stoffwechsel und der Energie in allen Zellen der globalen Biota verbunden sind, erreicht 1036 Bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Bestandteile des biologischen Kreislaufs.

Der biologische Kreislauf findet zwischen allen Bestandteilen der Biosphäre statt (also zwischen Boden, Luft, Wasser, Tieren, Mikroorganismen usw.). Es geschieht unter obligatorischer Beteiligung lebender Organismen.

Die Sonnenstrahlung, die die Biosphäre erreicht, trägt eine Energie von etwa 2,5 * 1024 J pro Jahr. Nur 0,3 % davon werden im Prozess der Photosynthese direkt in Energie chemischer Bindungen organischer Stoffe umgewandelt, d. h. am biologischen Kreislauf beteiligt. Und es stellt sich heraus, dass 0,1 - 0,2 % der auf die Erde fallenden Sonnenenergie in der Nettoprimärproduktion enthalten sind. Weiteres Schicksal Diese Energie ist mit der Übertragung organischer Nahrungssubstanz durch die Kaskaden trophischer Ketten verbunden.

Der biologische Kreislauf kann bedingt in miteinander verbundene Komponenten unterteilt werden: den Stoffkreislauf und den Energiekreislauf.

4.4.3. Energiekreislauf. Energieumwandlung in der Biosphäre

Ein Ökosystem kann als eine Ansammlung lebender Organismen beschrieben werden, die kontinuierlich Energie, Materie und Informationen austauschen. Energie kann als die Fähigkeit definiert werden, Arbeit zu verrichten. Die Eigenschaften von Energie, einschließlich der Energiebewegung in Ökosystemen, werden durch die Gesetze der Thermodynamik beschrieben.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik oder der Energieerhaltungssatz besagt, dass Energie nicht verschwindet und nicht neu erzeugt wird, sondern nur von einer Form in eine andere wechselt.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie nur in einem geschlossenen System zunehmen kann. Im Hinblick auf Energie in Ökosystemen bietet sich folgende Formulierung an: Die mit der Energieumwandlung verbundenen Prozesse können nur dann spontan ablaufen, wenn die Energie von einer konzentrierten in eine diffuse Form übergeht, also abgebaut wird. Ein Maß für die Energiemenge, die nicht mehr zur Nutzung zur Verfügung steht, oder auf andere Weise ein Maß für die Ordnungsänderung, die auftritt, wenn Energie abgebaut wird, ist die Entropie. Je höher die Ordnung des Systems ist, desto geringer ist seine Entropie.

Mit anderen Worten: Lebende Materie empfängt und wandelt die Energie des Kosmos, der Sonne, in die Energie terrestrischer Prozesse (chemische, mechanische, thermische, elektrische) um. Es bezieht diese Energie und anorganische Materie in den kontinuierlichen Stoffkreislauf in der Biosphäre ein. Der Energiefluss in der Biosphäre hat eine Richtung – von der Sonne über Pflanzen (Autotrophe) zu Tieren (Heterotrophe). Natürliche unberührte Ökosysteme in einem stabilen Zustand mit konstanten wichtigen Umweltindikatoren (Homöostase) sind die geordnetsten Systeme und zeichnen sich durch die niedrigste Entropie aus.

4.4.4. Der Stoffkreislauf in der Natur

Die Bildung lebender Materie und ihre Zersetzung sind zwei Seiten eines einzigen Prozesses, der als biologischer Kreislauf chemischer Elemente bezeichnet wird. Leben ist die Zirkulation chemischer Elemente zwischen Organismen und der Umwelt.

Der Grund für den Kreislauf ist die Begrenztheit der Elemente, aus denen die Körper von Organismen aufgebaut sind. Jeder Organismus entzieht der Umwelt die lebensnotwendigen Stoffe und gibt sie ungenutzt zurück. Dabei:

Einige Organismen nehmen Mineralien direkt aus der Umwelt auf.

andere verwenden zuerst verarbeitete und isolierte Produkte;

der dritte - der zweite usw., bis die Stoffe in ihrem ursprünglichen Zustand in die Umwelt zurückkehren.

In der Biosphäre ist die Notwendigkeit der Koexistenz verschiedener Organismen, die die Abfallprodukte anderer nutzen können, offensichtlich. Wir sehen eine praktisch abfallfreie biologische Produktion.

Der Stoffkreislauf in lebenden Organismen lässt sich bedingt auf vier Prozesse reduzieren:

1. Photosynthese. Durch die Photosynthese absorbieren und akkumulieren Pflanzen Sonnenenergie und synthetisieren organische Substanzen – primäre biologische Produkte – und Sauerstoff aus anorganischen Substanzen. Primäre biologische Produkte sind sehr vielfältig – sie enthalten Kohlenhydrate (Glukose), Stärke, Ballaststoffe, Proteine, Fette.

Das Schema der Photosynthese des einfachsten Kohlenhydrats (Glukose) sieht wie folgt aus:

Dieser Vorgang findet nur tagsüber statt und geht mit einer Zunahme der Pflanzenmasse einher.

Auf der Erde werden durch Photosynthese jährlich etwa 100 Milliarden Tonnen organisches Material gebildet, etwa 200 Milliarden Tonnen Kohlendioxid aufgenommen und etwa 145 Milliarden Tonnen Sauerstoff freigesetzt.

Die Photosynthese spielt eine entscheidende Rolle für die Existenz des Lebens auf der Erde. Ihre globale Bedeutung erklärt sich aus der Tatsache, dass die Photosynthese der einzige Prozess ist, bei dem Energie im thermodynamischen Prozess nach dem minimalistischen Prinzip nicht verloren geht, sondern sich ansammelt.

Durch die Synthese der für den Proteinaufbau notwendigen Aminosäuren können Pflanzen relativ unabhängig von anderen lebenden Organismen existieren. Darin manifestiert sich die Autotrophie der Pflanzen (Selbstversorgung mit Nährstoffen). Gleichzeitig sind die grüne Masse der Pflanzen und der bei der Photosynthese entstehende Sauerstoff die Grundlage für die Erhaltung des Lebens der nächsten Gruppe lebender Organismen – Tiere, Mikroorganismen. Dies zeigt die Heterotrophie dieser Organismengruppe.

2. Atmung. Der Prozess ist die Umkehrung der Photosynthese. Kommt in allen lebenden Zellen vor. Bei der Atmung wird organisches Material durch Sauerstoff oxidiert, wodurch Kohlendioxid, Wasser und Energie entstehen.

3. Ernährungsbeziehungen (trophische Beziehungen) zwischen autotrophen und heterotrophen Organismen. In diesem Fall kommt es zu einer Energie- und Stoffübertragung entlang der Glieder der Nahrungskette, auf die wir zuvor ausführlicher eingegangen sind.

4. Der Prozess der Transpiration. Einer der wichtigsten Prozesse im biologischen Kreislauf.

Schematisch lässt es sich wie folgt beschreiben. Pflanzen nehmen über ihre Wurzeln Bodenfeuchtigkeit auf. Gleichzeitig gelangen im Wasser gelöste Mineralstoffe in sie, die absorbiert werden und Feuchtigkeit verdunstet je nach Umgebungsbedingungen mehr oder weniger intensiv.

4.4.5. Biogeochemische Kreisläufe

Geologische und biologische Kreisläufe sind miteinander verbunden – sie existieren als ein einziger Prozess und führen zu Stoffkreisläufen, den sogenannten biogeochemischen Kreisläufen (BGCC). Diese Zirkulation der Elemente ist auf die Synthese und den Zerfall organischer Substanzen im Ökosystem zurückzuführen (Abb. 4.1). An BHCC sind nicht alle Elemente der Biosphäre beteiligt, sondern nur biogene. Aus ihnen bestehen lebende Organismen, diese Elemente gehen zahlreiche Reaktionen ein und nehmen an den Prozessen teil, die in lebenden Organismen ablaufen. In Prozent ausgedrückt besteht die Gesamtmasse der lebenden Materie der Biosphäre aus den folgenden biogenen Hauptelementen: Sauerstoff – 70 %, Kohlenstoff – 18 %, Wasserstoff – 10,5 %, Kalzium – 0,5 %, Kalium – 0,3 %, Stickstoff – 0 , 3 %, (Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff sind in allen Landschaften vorhanden und bilden die Grundlage lebender Organismen – 98 %).

Essenz der biogenen Migration chemischer Elemente.

Somit gibt es in der Biosphäre einen biogenen Stoffkreislauf (also einen Kreislauf, der durch die lebenswichtige Aktivität von Organismen verursacht wird) und einen unidirektionalen Energiefluss. Die biogene Migration chemischer Elemente wird hauptsächlich durch zwei gegensätzliche Prozesse bestimmt:

1. Die Bildung lebender Materie aus den Elementen der Umwelt durch Sonnenenergie.

2. Die Zerstörung organischer Stoffe, begleitet von der Freisetzung von Energie. Gleichzeitig gelangen Elemente mineralischer Stoffe immer wieder in lebende Organismen, gelangen so in die Zusammensetzung komplexer organischer Verbindungen, Formen und nehmen bei deren Zerstörung wieder eine mineralische Form an.

Es gibt Elemente, die Teil lebender Organismen sind, aber nicht mit biogenen verwandt sind. Solche Elemente werden nach ihrem Gewichtsanteil in Organismen klassifiziert:

Makronährstoffe – Bestandteile von mindestens 10-2 % der Masse;

Spurenelemente - Bestandteile von 9 * 10-3 bis 1 * 10-3 % der Masse;

Ultramikroelemente – weniger als 9 * 10-6 % der Masse;

Um den Platz biogener Elemente unter anderen chemischen Elementen der Biosphäre zu bestimmen, betrachten wir die in der Ökologie übernommene Klassifizierung. Entsprechend der Aktivität, die in den in der Biosphäre ablaufenden Prozessen gezeigt wird, werden alle chemischen Elemente in 6 Gruppen eingeteilt:

Die Edelgase sind Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon. Inerte Gase sind kein Bestandteil lebender Organismen.

Edelmetalle - Ruthenium, Radium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin, Gold. Diese Metalle gehen in der Erdkruste fast keine Verbindungen ein.

Zyklische oder biogene Elemente (sie werden auch als wandernd bezeichnet). Diese Gruppe biogener Elemente in der Erdkruste macht 99,7 % der Gesamtmasse aus, die restlichen 5 Gruppen machen 0,3 % aus. Daher handelt es sich bei dem Großteil der Elemente um Migranten, die in der Region zirkulieren geografische Hülle, und der Anteil inerter Elemente ist sehr gering.

Verstreute Elemente, gekennzeichnet durch das Überwiegen freier Atome. Sie gehen chemische Reaktionen ein, ihre Verbindungen kommen jedoch selten in der Erdkruste vor. Sie sind in zwei Untergruppen unterteilt. Die ersten – Rubidium, Cäsium, Niob, Tantal – bilden Verbindungen in den Tiefen der Erdkruste und an der Oberfläche werden ihre Mineralien zerstört. Die zweiten – Jod, Brom – reagieren nur an der Oberfläche.

Radioaktive Elemente - Polonium, Radon, Radium, Uran, Neptunium, Plutonium.

Seltenerdelemente – Yttrium, Samarium, Europium, Thulium usw.

Das ganze Jahr über setzen biochemische Kreisläufe etwa 480 Milliarden Tonnen Materie in Gang.

IN UND. Wernadskij formulierte drei biogeochemische Prinzipien, die das Wesen der biogenen Migration chemischer Elemente erklären:

Die biogene Migration chemischer Elemente in der Biosphäre strebt immer nach ihrer maximalen Ausprägung.

Die Entwicklung der Arten im Laufe der geologischen Zeit, die zur Entstehung nachhaltiger Lebensformen führt, verläuft in eine Richtung, die die biogene Migration von Atomen fördert.

Lebende Materie steht in ständigem chemischen Austausch mit ihrer Umwelt, was ein Faktor ist, der die Biosphäre wiederherstellt und erhält.

Betrachten wir, wie sich einige dieser Elemente in der Biosphäre bewegen.

Der Kohlenstoffkreislauf. Der Hauptteilnehmer am biotischen Kreislauf ist Kohlenstoff als Grundlage organischer Substanzen. Der Kohlenstoffkreislauf findet hauptsächlich zwischen lebender Materie und atmosphärischem Kohlendioxid im Prozess der Photosynthese statt. Pflanzenfresser nehmen es über die Nahrung auf, Raubtiere über Pflanzenfresser. Beim Atmen, Verrotten gelangt Kohlendioxid teilweise in die Atmosphäre zurück, die Rückkehr erfolgt bei der Verbrennung organischer Mineralien.

Ohne eine Rückkehr des Kohlenstoffs in die Atmosphäre würde dieser von grünen Pflanzen in 7–8 Jahren verbraucht werden. Die Geschwindigkeit des biologischen Kohlenstoffumsatzes durch Photosynthese beträgt 300 Jahre. Die Ozeane spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre. Steigt der CO2-Gehalt in der Atmosphäre, löst sich ein Teil davon in Wasser und reagiert mit Kalziumkarbonat.

Der Sauerstoffkreislauf.

Sauerstoff hat eine hohe chemische Aktivität und geht mit fast allen Elementen der Erdkruste Verbindungen ein. Es kommt hauptsächlich in Form von Verbindungen vor. Jedes vierte Atom lebender Materie ist ein Sauerstoffatom. Fast der gesamte molekulare Sauerstoff in der Atmosphäre entsteht durch die Aktivität grüner Pflanzen und wird auf einem konstanten Niveau gehalten. Luftsauerstoff, der bei der Atmung gebunden und bei der Photosynthese freigesetzt wird, durchdringt in 200 Jahren alle lebenden Organismen.

Der Stickstoffkreislauf. Stickstoff ist ein integraler Bestandteil aller Proteine. Das Gesamtverhältnis von gebundenem Stickstoff als Bestandteil organischer Substanz zu Stickstoff in der Natur beträgt 1:100.000. Die chemische Bindungsenergie im Stickstoffmolekül ist sehr hoch. Daher erfordert die Verbindung von Stickstoff mit anderen Elementen – Sauerstoff, Wasserstoff (der Prozess der Stickstofffixierung) – viel Energie. Die industrielle Stickstofffixierung erfolgt in Gegenwart von Katalysatoren bei einer Temperatur von -500 °C und einem Druck von -300 atm.

Wie Sie wissen, enthält die Atmosphäre mehr als 78 % molekularen Stickstoff, der jedoch in diesem Zustand für grüne Pflanzen nicht verfügbar ist. Für ihre Ernährung können Pflanzen nur Salze der Salpetersäure und salpetrigen Säuren verwenden. Auf welchen Wegen entstehen diese Salze? Hier sind einige davon:

In der Biosphäre wird die Stickstofffixierung aufgrund der hohen Effizienz der Biokatalyse von mehreren Gruppen anaerober Bakterien und Cyanobakterien bei normaler Temperatur und normalem Druck durchgeführt. Es wird angenommen, dass Bakterien etwa 1 Milliarde Tonnen Stickstoff pro Jahr in eine gebundene Form umwandeln (das weltweite Volumen der industriellen Fixierung beträgt etwa 90 Millionen Tonnen).

Bodenstickstofffixierende Bakterien sind in der Lage, molekularen Stickstoff aus der Luft zu assimilieren. Sie reichern den Boden mit stickstoffhaltigen Verbindungen an, weshalb ihr Wert äußerst hoch ist.

Infolge der Zersetzung stickstoffhaltiger Verbindungen organischer Stoffe pflanzlichen und tierischen Ursprungs.

Unter Einwirkung von Bakterien wird Stickstoff in Nitrate, Nitrite und Ammoniumverbindungen umgewandelt. In Pflanzen sind Stickstoffverbindungen an der Synthese von Proteinverbindungen beteiligt, die in Nahrungsketten von Organismus zu Organismus übertragen werden.

Phosphorkreislauf. Ein weiteres wichtiges Element, ohne das die Proteinsynthese nicht möglich ist, ist Phosphor. Die Hauptquellen sind magmatische Gesteine ​​(Apatite) und Sedimentgesteine ​​(Phosphorite).

Anorganischer Phosphor ist durch natürliche Auslaugungsprozesse am Kreislauf beteiligt. Phosphor wird von lebenden Organismen aufgenommen, die unter ihrer Beteiligung eine Reihe organischer Verbindungen synthetisieren und auf verschiedene trophische Ebenen übertragen.

Nach Beendigung ihrer Reise entlang der trophischen Ketten werden organische Phosphate von Mikroben zersetzt und in mineralische Phosphate umgewandelt, die für grüne Pflanzen verfügbar sind.

Im Prozess des biologischen Kreislaufs, der die Bewegung von Materie und Energie gewährleistet, gibt es keinen Platz für die Ansammlung von Abfall. Die Abfallprodukte (also Abfallprodukte) jeder Lebensform sind der Nährboden für andere Organismen.

Theoretisch sollte die Biosphäre immer ein Gleichgewicht zwischen der Produktion von Biomasse und ihrem Abbau aufrechterhalten. In bestimmten geologischen Perioden kam es jedoch zu einer Störung des Gleichgewichts des biologischen Kreislaufs, als aufgrund bestimmter natürlicher Bedingungen, Naturkatastrophen, nicht alle biologischen Produkte assimiliert und umgewandelt wurden. Dabei entstanden Überschüsse an biologischen Produkten, die in der Erdkruste, unter der Wassersäule, in Sedimenten konserviert und abgelagert wurden und schließlich in die Permafrostzone gelangten. So entstanden Vorkommen von Kohle, Öl, Gas und Kalkstein. Es ist zu beachten, dass sie die Biosphäre nicht verschmutzen. Die im Prozess der Photosynthese angesammelte Sonnenenergie wird in organischen Mineralien konzentriert. Durch die Verbrennung organischer fossiler Brennstoffe setzt ein Mensch nun diese Energie frei.

Ist ein herausragender russischer Wissenschaftler, Akademiker V.I. Wernadski.

Biosphäre- die komplexe äußere Hülle der Erde, die die Gesamtheit der lebenden Organismen und den Teil der Substanz des Planeten enthält, der im ständigen Austausch mit diesen Organismen steht. Dies ist eine der wichtigsten Geosphären der Erde und der Hauptbestandteil der natürlichen Umwelt, die den Menschen umgibt.

Die Erde ist konzentrisch aufgebaut Muscheln(Geosphären) sowohl intern als auch extern. Die inneren sind der Kern und der Mantel, und die äußeren sind: Lithosphäre - die Steinhülle der Erde, einschließlich der Erdkruste (Abb. 1) mit einer Dicke von 6 km (unter dem Ozean) bis 80 km (Gebirgssysteme); Hydrosphäre - Wasserhülle der Erde; Atmosphäre- die gasförmige Hülle der Erde, bestehend aus einer Mischung verschiedener Gase, Wasserdampf und Staub.

In einer Höhe von 10 bis 50 km befindet sich eine Ozonschicht, deren maximale Konzentration in einer Höhe von 20 bis 25 km erreicht ist und die Erde vor übermäßiger ultravioletter Strahlung schützt, die für den Körper tödlich ist. Auch die Biosphäre gehört hierher (zu den äußeren Geosphären).

Biosphäre - die äußere Hülle der Erde, die einen Teil der Atmosphäre bis zu einer Höhe von 25-30 km (bis zur Ozonschicht), fast die gesamte Hydrosphäre und den oberen Teil der Lithosphäre bis zu einer Tiefe von etwa 3 km umfasst

Reis. 1. Schema der Struktur der Erdkruste

(Abb. 2). Die Besonderheit dieser Teile besteht darin, dass sie von lebenden Organismen bewohnt werden, die die lebende Substanz des Planeten bilden. Interaktion abiotischer Teil der Biosphäre- Luft, Wasser, Steine ​​und organische Stoffe - Biota führte zur Bildung von Böden und Sedimentgesteinen.

Reis. 2. Die Struktur der Biosphäre und das Verhältnis der von den Hauptstruktureinheiten eingenommenen Oberflächen

Der Stoffkreislauf in der Biosphäre und den Ökosystemen

Alles für lebende Organismen verfügbar Chemische Komponenten in der Biosphäre begrenzt. Die Erschöpfung der zur Assimilation geeigneten chemischen Substanzen behindert häufig die Entwicklung bestimmter Organismengruppen in lokalen Bereichen des Landes oder des Ozeans. Laut Akademiker V.R. Williams zufolge besteht die einzige Möglichkeit, die endlichen Eigenschaften des Unendlichen zu vermitteln, darin, es entlang einer geschlossenen Kurve rotieren zu lassen. Somit bleibt die Stabilität der Biosphäre durch die Zirkulation von Stoffen und Energieflüssen erhalten. Verfügbar zwei Hauptstoffkreisläufe: groß – geologisch und klein – biogeochemisch.

Toller geologischer Kreislauf(Abb. 3). Kristalline Gesteine ​​(magmatisch) werden unter dem Einfluss physikalischer, chemischer und biologischer Faktoren in Sedimentgesteine ​​umgewandelt. Sand und Ton sind typische Sedimente, Produkte der Umwandlung tiefer Gesteine. Die Bildung von Sedimenten erfolgt jedoch nicht nur durch die Zerstörung vorhandener Gesteine, sondern auch durch die Synthese biogener Mineralien – der Skelette von Mikroorganismen – aus natürlichen Ressourcen – Meerwasser, Meeren und Seen. Lockere wässrige Sedimente, die am Boden von Stauseen durch neue Sedimentanteile isoliert werden, in die Tiefe eintauchen, in neue thermodynamische Bedingungen (höhere Temperaturen und Drücke) geraten, Wasser verlieren, aushärten und sich in Sedimentgesteine ​​verwandeln.

In Zukunft sinken diese Gesteine ​​​​in noch tiefere Horizonte, wo die Prozesse ihrer tiefgreifenden Umwandlung in neue Temperatur- und Druckbedingungen stattfinden – die Prozesse der Metamorphose.

Unter dem Einfluss endogener Energieströme werden tiefe Gesteine ​​​​umgeschmolzen und bilden Magma – die Quelle neuer magmatischer Gesteine. Nach dem Aufstieg dieser Gesteine ​​​​an die Erdoberfläche werden sie unter dem Einfluss von Verwitterungs- und Transportprozessen wieder in neue Sedimentgesteine ​​umgewandelt.

Somit ist eine große Zirkulation auf die Wechselwirkung der solaren (exogenen) Energie mit der tiefen (endogenen) Energie der Erde zurückzuführen. Es verteilt Stoffe zwischen der Biosphäre und den tieferen Horizonten unseres Planeten neu.

Reis. 3. Große (geologische) Stoffzirkulation (dünne Pfeile) und Veränderung der Diversität in der Erdkruste (durchgezogene breite Pfeile – Wachstum, gestrichelt – Abnahme der Diversität)

Großer Kreis auch Wasserkreislauf zwischen Hydrosphäre, Atmosphäre und Lithosphäre genannt, der durch die Energie der Sonne angetrieben wird. Wasser verdunstet von der Oberfläche von Gewässern und Land und kehrt dann in Form von Niederschlag zur Erde zurück. Die Verdunstung übersteigt den Niederschlag über dem Ozean und umgekehrt über dem Land. Diese Unterschiede werden durch Flussflüsse ausgeglichen. Die Landvegetation spielt eine wichtige Rolle im globalen Wasserkreislauf. Die Transpiration von Pflanzen in bestimmten Bereichen der Erdoberfläche kann bis zu 80-90 % des hier fallenden Niederschlags ausmachen, im Durchschnitt aller Klimazonen etwa 30 %. Im Gegensatz zum großen Kreislauf findet der kleine Stoffkreislauf nur innerhalb der Biosphäre statt. Die Beziehung zwischen dem großen und dem kleinen Wasserkreislauf ist in Abb. dargestellt. 4.

Zyklen auf planetarischer Ebene entstehen aus unzähligen lokalen zyklischen Bewegungen von Atomen, die durch die lebenswichtige Aktivität von Organismen in einzelnen Ökosystemen angetrieben werden, und solchen Bewegungen, die durch die Wirkung von Landschafts- und geologischen Faktoren (Oberflächen- und Untergrundabfluss, Winderosion, Bewegung von …) verursacht werden Meeresboden, Vulkanismus, Gebirgsbildung usw. ).

Reis. 4. Zusammenhang zwischen dem großen geologischen Kreislauf (GBC) von Wasser und dem kleinen biogeochemischen Kreislauf (MBC) von Wasser

Im Gegensatz zu Energie, die einmal vom Körper verbraucht wird, in Wärme umgewandelt wird und verloren geht, zirkulieren Substanzen in der Biosphäre und erzeugen biogeochemische Kreisläufe. Von den mehr als neunzig in der Natur vorkommenden Elementen benötigen lebende Organismen etwa vierzig. Die wichtigsten für sie werden in großen Mengen benötigt – Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff. Die Kreisläufe von Elementen und Stoffen erfolgen durch selbstregulierende Prozesse, an denen alle Komponenten beteiligt sind. Diese Prozesse sind kein Abfall. Existiert das Gesetz der globalen Schließung des biogeochemischen Kreislaufs in der Biosphäre in allen Phasen seiner Entwicklung tätig. Im Evolutionsprozess der Biosphäre spielt die biologische Komponente eine Rolle bei der Schließung der biogeochemischen Komponente
wem der Zyklus. Der Mensch hat einen noch größeren Einfluss auf den biogeochemischen Kreislauf. Aber seine Rolle manifestiert sich in der entgegengesetzten Richtung (die Zirkulationen werden geöffnet). Grundlage des biogeochemischen Stoffkreislaufs ist die Energie der Sonne und das Chlorophyll grüner Pflanzen. Andere wichtige Kreisläufe – Wasser, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel – sind mit der Biogeochemie verbunden und tragen dazu bei.

Der Wasserkreislauf in der Biosphäre

Pflanzen nutzen während der Photosynthese Wasserwasserstoff, um organische Verbindungen aufzubauen und dabei molekularen Sauerstoff freizusetzen. Bei den Atmungsprozessen aller Lebewesen entsteht bei der Oxidation organischer Verbindungen wieder Wasser. In der Geschichte des Lebens hat das gesamte freie Wasser der Hydrosphäre wiederholt Zyklen der Zersetzung und Neubildung in der lebenden Materie des Planeten durchlaufen. Jährlich sind etwa 500.000 km 3 Wasser am Wasserkreislauf auf der Erde beteiligt. Der Wasserkreislauf und seine Reserven sind in Abb. dargestellt. 5 (relativ gesehen).

Der Sauerstoffkreislauf in der Biosphäre

Dem Prozess der Photosynthese verdankt die Erde ihre einzigartige Atmosphäre mit einem hohen Gehalt an freiem Sauerstoff. Die Bildung von Ozon in den hohen Schichten der Atmosphäre steht in engem Zusammenhang mit dem Sauerstoffkreislauf. Sauerstoff wird aus Wassermolekülen freigesetzt und ist im Wesentlichen ein Nebenprodukt der Photosyntheseaktivität in Pflanzen. Abiotisch entsteht Sauerstoff in der oberen Atmosphäre durch die Photodissoziation von Wasserdampf, aber diese Quelle macht nur ein Tausendstel Prozent des durch Photosynthese bereitgestellten Sauerstoffs aus. Zwischen dem Sauerstoffgehalt der Atmosphäre und der Hydrosphäre besteht ein bewegliches Gleichgewicht. Im Wasser ist es etwa 21-mal weniger.

Reis. Abb. 6. Schema des Sauerstoffkreislaufs: fette Pfeile – die Hauptflüsse der Sauerstoffversorgung und des Sauerstoffverbrauchs

Der freigesetzte Sauerstoff wird intensiv für die Atmungsprozesse aller aeroben Organismen und für die Oxidation verschiedener Mineralverbindungen aufgewendet. Diese Prozesse finden in der Atmosphäre, im Boden, im Wasser, im Schluff und im Gestein statt. Es hat sich gezeigt, dass ein erheblicher Teil des in Sedimentgesteinen gebundenen Sauerstoffs photosynthetischen Ursprungs ist. Der Austauschfonds von O in der Atmosphäre beträgt nicht mehr als 5 % der gesamten Photosyntheseproduktion. Viele anaerobe Bakterien oxidieren bei der anaeroben Atmung auch organisches Material und nutzen dazu Sulfate oder Nitrate.

Für den vollständigen Abbau der von Pflanzen erzeugten organischen Substanz ist genau die gleiche Menge Sauerstoff erforderlich, die bei der Photosynthese freigesetzt wurde. Die Einbettung organischer Stoffe in Sedimentgestein, Kohlen und Torf diente als Grundlage für die Aufrechterhaltung des Sauerstoffaustauschfonds in der Atmosphäre. Der gesamte darin enthaltene Sauerstoff gelangt durch voller Zyklus durch lebende Organismen seit etwa 2000 Jahren.

Derzeit wird ein erheblicher Teil des Luftsauerstoffs durch Verkehr, Industrie und andere Formen anthropogener Aktivitäten gebunden. Es ist bekannt, dass die Menschheit bereits mehr als 10 Milliarden Tonnen freien Sauerstoffs von den insgesamt 430 bis 470 Milliarden Tonnen, die sie durch Photosyntheseprozesse liefert, verbraucht. Wenn wir berücksichtigen, dass nur ein kleiner Teil des photosynthetischen Sauerstoffs in den Austauschfonds gelangt, beginnt die Aktivität der Menschen in dieser Hinsicht besorgniserregende Ausmaße anzunehmen.

Der Sauerstoffkreislauf ist eng mit dem Kohlenstoffkreislauf verbunden.

Der Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre

Kohlenstoff als chemisches Element ist die Grundlage des Lebens. Er kann verschiedene Wege verbinden sich mit vielen anderen Elementen und bilden einfache und komplexe organische Moleküle, aus denen lebende Zellen bestehen. In Bezug auf die Verteilung auf dem Planeten nimmt Kohlenstoff den elften Platz ein (0,35 % des Gewichts der Erdkruste), aber in lebender Materie macht er durchschnittlich etwa 18 oder 45 % der trockenen Biomasse aus.

In der Atmosphäre ist Kohlenstoff in der Zusammensetzung von Kohlendioxid CO 2 enthalten, in geringerem Maße in der Zusammensetzung von Methan CH 4 . In der Hydrosphäre ist CO 2 in Wasser gelöst und sein Gesamtgehalt ist viel höher als in der Atmosphäre. Der Ozean dient als starker Puffer für die Regulierung von CO 2 in der Atmosphäre: Mit zunehmender Konzentration in der Luft nimmt die Aufnahme von Kohlendioxid durch Wasser zu. Einige der CO 2 -Moleküle reagieren mit Wasser unter Bildung von Kohlensäure, die dann in HCO 3 - und CO 2- 3 -Ionen dissoziiert. Diese Ionen reagieren mit Calcium- oder Magnesiumkationen, um Carbonate auszufällen. Ähnliche Reaktionen liegen dem Puffersystem des Ozeans zugrunde. den pH-Wert des Wassers konstant zu halten.

Kohlendioxid der Atmosphäre und Hydrosphäre ist ein Austauschmittel im Kohlenstoffkreislauf, aus dem es von Landpflanzen und Algen bezogen wird. Die Photosynthese liegt allen biologischen Kreisläufen auf der Erde zugrunde. Die Freisetzung von fixiertem Kohlenstoff erfolgt während der Atmungsaktivität der photosynthetischen Organismen selbst und aller Heterotrophen – Bakterien, Pilze, Tiere, die in der Nahrungskette enthalten sind – auf Kosten lebender oder toter organischer Stoffe.

Reis. 7. Kohlenstoffkreislauf

Besonders aktiv ist die Rückkehr von CO 2 aus dem Boden in die Atmosphäre, wo die Aktivität zahlreicher Organismengruppen konzentriert ist, die Überreste abgestorbener Pflanzen und Tiere zersetzt werden und die Atmung der Wurzelsysteme von Pflanzen erfolgt. Dieser integrale Prozess wird als „Bodenatmung“ bezeichnet und trägt wesentlich zur Wiederauffüllung des CO 2 -Austauschfonds in der Luft bei. Parallel zu den Mineralisierungsprozessen organischer Stoffe entsteht im Boden Humus – ein komplexer und stabiler kohlenstoffreicher Molekülkomplex. Bodenhumus ist einer der wichtigsten Kohlenstoffspeicher an Land.

Unter Bedingungen, unter denen die Aktivität von Zerstörern durch Umweltfaktoren gehemmt wird (z. B. wenn in Böden und am Grund von Gewässern ein anaerobes Regime herrscht), zersetzt sich die von der Vegetation angesammelte organische Substanz nicht und verwandelt sich im Laufe der Zeit in Gesteine ​​wie Kohle, Torf, Sapropel, Ölschiefer und andere, die reich an angesammelter Sonnenenergie sind. Sie füllen die Kohlenstoffreserven wieder auf und bleiben für lange Zeit vom biologischen Kreislauf abgeschaltet. Kohlenstoff wird auch vorübergehend in lebender Biomasse, in totem Müll, in gelöster organischer Substanz des Ozeans usw. abgelagert. Jedoch der Hauptreservefonds für Kohlenstoff beim Schreiben sind keine lebenden Organismen und keine brennbaren Fossilien, sondern Sedimentgesteine ​​sind Kalksteine ​​und Dolomite. Ihre Entstehung ist auch mit der Aktivität lebender Materie verbunden. Der Kohlenstoff dieser Karbonate bleibt lange Zeit im Erdinneren verborgen und gelangt erst bei der Erosion in den Kreislauf, wenn Gesteine ​​in tektonischen Zyklen freigelegt werden.

Nur Bruchteile eines Prozents des Kohlenstoffs auf der Erde nehmen am biogeochemischen Kreislauf teil. Atmosphärischer und hydrosphärischer Kohlenstoff durchdringt immer wieder lebende Organismen. Landpflanzen können ihre Reserven in der Luft in 4–5 Jahren erschöpfen, Reserven im Bodenhumus – in 300–400 Jahren. Die Hauptrückführung von Kohlenstoff in den Austauschfonds erfolgt durch die Aktivität lebender Organismen, und nur ein kleiner Teil davon (Tausendstel Prozent) wird durch die Freisetzung aus dem Erdinneren als Teil vulkanischer Gase ausgeglichen.

Gegenwärtig wird die Gewinnung und Verbrennung riesiger Reserven fossiler Brennstoffe zu einem wichtigen Faktor bei der Übertragung von Kohlenstoff aus der Reserve in den Austauschfonds der Biosphäre.

Stickstoffkreislauf in der Biosphäre

Die Atmosphäre und die lebende Materie enthalten weniger als 2 % des gesamten Stickstoffs auf der Erde, aber er ist es, der das Leben auf dem Planeten unterstützt. Stickstoff ist einer der wichtigsten organische Moleküle- DNA, Proteine, Lipoproteine, ATP, Chlorophyll usw. In Pflanzengeweben beträgt sein Verhältnis zu Kohlenstoff durchschnittlich 1:30 und in Algen I:6. Daher ist der biologische Kreislauf von Stickstoff auch eng mit Kohlenstoff verbunden.

Der molekulare Stickstoff der Atmosphäre steht Pflanzen nicht zur Verfügung, sie können dieses Element nur in Form von Ammoniumionen, Nitraten oder aus Boden- oder Wasserlösungen aufnehmen. Daher ist Stickstoffmangel oft ein limitierender Faktor Primärproduktion- die Arbeit von Organismen, die mit der Bildung organischer Substanzen aus anorganischen verbunden sind. Dennoch ist Luftstickstoff aufgrund der Aktivität spezieller Bakterien (Stickstofffixierer) in großem Umfang am biologischen Kreislauf beteiligt.

Auch ammonisierende Mikroorganismen spielen eine wichtige Rolle im Stickstoffkreislauf. Sie zersetzen Proteine ​​und andere stickstoffhaltige organische Substanzen zu Ammoniak. In der Ammoniumform wird Stickstoff teilweise von den Wurzeln der Pflanzen resorbiert und teilweise von nitrifizierenden Mikroorganismen abgefangen, was den Funktionen einer Gruppe von Mikroorganismen – Denitrifizierern – entgegengesetzt ist.

Reis. 8. Stickstoffkreislauf

Unter anaeroben Bedingungen in Böden oder Gewässern nutzen sie den Sauerstoff von Nitraten, um organische Stoffe zu oxidieren und so Energie für ihre Lebenstätigkeit zu gewinnen. Stickstoff wird zu molekularem Stickstoff reduziert. Stickstofffixierung und Denitrifikation sind in der Natur annähernd ausgeglichen. Der Stickstoffkreislauf hängt somit überwiegend von der bakteriellen Aktivität ab, während Pflanzen in ihn eintreten, indem sie die Zwischenprodukte dieses Kreislaufs nutzen und durch die Produktion von Biomasse die Stickstoffzirkulation in der Biosphäre stark steigern.

Die Rolle von Bakterien im Stickstoffkreislauf ist so groß, dass das Leben auf unserem Planeten erlöschen würde, wenn nur 20 ihrer Arten zerstört würden.

Auch bei Niederschlägen während der atmosphärischen Ionisierung und bei Blitzentladungen kommt es zu einer nichtbiologischen Fixierung von Stickstoff und dem Eintrag seiner Oxide und Ammoniak in den Boden. Die moderne Düngemittelindustrie bindet Luftstickstoff über die natürliche Stickstofffixierung hinaus, um die Pflanzenproduktion zu steigern.

Gegenwärtig beeinflusst menschliches Handeln zunehmend den Stickstoffkreislauf, vor allem in der Richtung, dass seine Umwandlung in gebundene Formen über die Prozesse der Rückkehr in den molekularen Zustand hinausgeht.

Phosphorkreislauf in der Biosphäre

Dieses Element, das für die Synthese vieler organischer Substanzen, einschließlich ATP, DNA, RNA, notwendig ist, wird von Pflanzen nur in Form von Orthophosphorsäureionen (PO 3 4 +) aufgenommen. Es gehört zu den Elementen, die die Primärproduktion sowohl an Land als auch insbesondere im Meer begrenzen, da der Austauschfonds für Phosphor in Böden und Gewässern gering ist. Die Zirkulation dieses Elements auf der Skala der Biosphäre ist nicht geschlossen.

An Land ziehen Pflanzen Phosphate aus dem Boden, die von Zersetzern aus verrottenden organischen Rückständen freigesetzt werden. In alkalischen oder sauren Böden nimmt die Löslichkeit von Phosphorverbindungen jedoch stark ab. Die Hauptreserven an Phosphaten sind in Gesteinen enthalten, die in der geologischen Vergangenheit auf dem Meeresboden entstanden sind. Ein Teil dieser Reserven gelangt im Zuge der Gesteinsauswaschung in den Boden und wird in Form von Suspensionen und Lösungen in Gewässer ausgewaschen. In der Hydrosphäre werden Phosphate vom Phytoplankton genutzt und gelangen über Nahrungsketten zu anderen Hydrobionten. Im Ozean sind die meisten Phosphorverbindungen jedoch mit den Überresten von Tieren und Pflanzen am Boden vergraben, gefolgt von einem Übergang mit Sedimentgesteinen in einen großen geologischen Kreislauf. In der Tiefe verbinden sich gelöste Phosphate mit Kalzium und bilden Phosphorite und Apatite. In der Biosphäre gibt es tatsächlich einen unidirektionalen Phosphorfluss von den Gesteinen des Landes in die Tiefen des Ozeans, daher ist sein Austauschfonds in der Hydrosphäre sehr begrenzt.

Reis. 9. Phosphorkreislauf

Bodenvorkommen von Phosphoriten und Apatiten werden zur Herstellung von Düngemitteln genutzt. Der Eintrag von Phosphor in Süßwasser ist einer der Hauptgründe für ihre „Blüte“.

Schwefelkreislauf in der Biosphäre

Der Schwefelkreislauf, der für den Aufbau einer Reihe von Aminosäuren notwendig ist, ist für die dreidimensionale Struktur von Proteinen verantwortlich und wird in der Biosphäre von einer Vielzahl von Bakterien unterstützt. An einzelnen Gliedern dieses Kreislaufs sind aerobe Mikroorganismen beteiligt, die den Schwefel organischer Rückstände zu Sulfaten oxidieren, sowie anaerobe Sulfatreduzierer, die Sulfate zu Schwefelwasserstoff reduzieren. Zusätzlich zu den aufgeführten Gruppen von Schwefelbakterien oxidieren sie Schwefelwasserstoff zu elementarem Schwefel und weiter zu Sulfaten. Pflanzen nehmen nur SO 2-4-Ionen aus Boden und Wasser auf.

Der Ring in der Mitte veranschaulicht die Oxidations- (O) und Reduktionsprozesse (R), die Schwefel zwischen dem verfügbaren Sulfatpool und dem Eisensulfidpool tief im Boden und Sediment austauschen.

Reis. 10. Schwefelkreislauf. Der Ring in der Mitte veranschaulicht die Oxidations- (0) und Reduktionsprozesse (R), die Schwefel zwischen dem verfügbaren Sulfatpool und dem Eisensulfidpool tief im Boden und Sediment austauschen.

Die Hauptanreicherung von Schwefel findet im Ozean statt, wo Sulfationen kontinuierlich vom Land mit Flussabflüssen zugeführt werden. Wenn Schwefelwasserstoff aus dem Wasser freigesetzt wird, gelangt Schwefel teilweise wieder in die Atmosphäre, wo er zu Kohlendioxid oxidiert und im Regenwasser zu Schwefelsäure wird. Durch die industrielle Nutzung großer Mengen an Sulfaten und elementarem Schwefel sowie die Verbrennung fossiler Brennstoffe werden große Mengen Schwefeldioxid in die Atmosphäre freigesetzt. Dies schadet der Vegetation, Tieren und Menschen und dient als Quelle für sauren Regen, der die negativen Auswirkungen menschlicher Eingriffe in den Schwefelkreislauf verstärkt.

Die Umlaufgeschwindigkeit von Stoffen

Alle Stoffkreisläufe laufen unterschiedlich schnell ab (Abb. 11)

Somit werden die Kreisläufe aller biogenen Elemente auf dem Planeten durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Teile unterstützt. Sie entstehen durch die Aktivität von Gruppen von Organismen mit unterschiedlichen Funktionen, durch das System des Abflusses und der Verdunstung, das Ozean und Land verbindet, durch die Zirkulationsprozesse von Wasser- und Luftmassen, durch die Wirkung von Gravitationskräften, durch die Tektonik der Lithosphärenplatte, und durch andere großräumige geologische und geophysikalische Prozesse.

Die Biosphäre fungiert als ein einziges komplexes System, in dem verschiedene Stoffkreisläufe ablaufen. Der Hauptmotor davon Zyklen ist die lebende Substanz des Planeten, aller lebenden Organismen, Bereitstellung von Prozessen der Synthese, Umwandlung und Zersetzung organischer Stoffe.

Reis. 11. Die Zirkulationsrate von Stoffen (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Grundlage des ökologischen Weltbildes ist die Vorstellung, dass jedes Lebewesen von vielen verschiedenen Einflussfaktoren umgeben ist, die zusammen seinen Lebensraum – ein Biotop – bilden. Somit, Biotop - ein Stück Territorium, das hinsichtlich der Lebensbedingungen für bestimmte Pflanzen- oder Tierarten homogen ist(der Hang einer Schlucht, eines städtischen Waldparks, eines kleinen Sees oder eines Teils eines großen Sees, aber mit homogenen Bedingungen – der Küstenteil, der Tiefwasserteil).

Für ein bestimmtes Biotop charakteristische Organismen sind Lebensgemeinschaft oder Biozönose(Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen des Sees, der Wiese, des Küstenstreifens).

Die Lebensgemeinschaft (Biozönose) bildet mit ihrem sogenannten Biotop ein Ganzes Ökosystem (Ökosystem). Als Beispiele für natürliche Ökosysteme können ein Ameisenhaufen, ein See, ein Teich, eine Wiese, ein Wald, eine Stadt oder ein Bauernhof dienen. Ein klassisches Beispiel für ein künstliches Ökosystem ist ein Raumschiff. Wie Sie sehen, gibt es hier keine strenge räumliche Struktur. Dem Konzept eines Ökosystems kommt das Konzept nahe Biogeozänose.

Die Hauptbestandteile von Ökosystemen sind:

• unbelebte (abiotische) Umgebung. Dies sind Wasser, Mineralien, Gase sowie organische Stoffe und Humus;
• biotische Komponenten. Dazu gehören: Produzenten oder Produzenten (grüne Pflanzen), Konsumenten oder Konsumenten (Lebewesen, die sich von Produzenten ernähren) und Zersetzer oder Zersetzer (Mikroorganismen).

Die Natur ist äußerst sparsam. So wird die von Organismen erzeugte Biomasse (die Substanz der Körper von Organismen) und die darin enthaltene Energie auf andere Mitglieder des Ökosystems übertragen: Tiere fressen Pflanzen, diese Tiere werden von anderen Tieren gefressen. Dieser Vorgang wird aufgerufen Nahrungskette oder trophische Kette. In der Natur überschneiden sich Nahrungsketten oft, ein Nahrungsnetz bilden.

Beispiele für Nahrungsketten: Pflanze – Pflanzenfresser – Raubtier; Getreide - Feldmaus - Fuchs usw. und das Nahrungsnetz sind in Abb. dargestellt. 12.

Somit basiert der Gleichgewichtszustand in der Biosphäre auf dem Zusammenspiel biotischer und abiotischer Umweltfaktoren, der durch den kontinuierlichen Stoff- und Energieaustausch zwischen allen Komponenten von Ökosystemen aufrechterhalten wird.

In geschlossenen Kreisläufen natürlicher Ökosysteme ist unter anderem die Beteiligung zweier Faktoren zwingend erforderlich: das Vorhandensein von Zersetzern und die ständige Versorgung mit Sonnenenergie. In städtischen und künstlichen Ökosystemen gibt es nur wenige oder keine Zersetzer, sodass sich flüssige, feste und gasförmige Abfälle ansammeln und die Umwelt verschmutzen.

Reis. 12. Nahrungsnetz und Richtung des Stoffflusses

Großer Stoffkreislauf in der Natur aufgrund der Wechselwirkung von Sonnenenergie mit der Tiefenenergie der Erde und verteilt Materie zwischen der Biosphäre und tieferen Horizonten der Erde neu.

Durch die Verwitterung magmatischer Gesteine ​​in den beweglichen Zonen der Erdkruste entstandene Sedimentgesteine ​​tauchen erneut in die Zone hoher Temperaturen und Drücke ein. Dort werden sie geschmolzen und bilden Magma – die Quelle neuer magmatischer Gesteine. Nach dem Aufstieg dieser Gesteine ​​an die Erdoberfläche und der Einwirkung von Verwitterungsprozessen werden sie wieder in neue Sedimentgesteine ​​umgewandelt. Der neue Zirkulationszyklus wiederholt nicht genau den alten, sondern führt etwas Neues ein, was im Laufe der Zeit zu sehr bedeutenden Veränderungen führt.

treibende Kraft große (geologische) Zirkulation Sind exogen und endogen geologische Prozesse.

Endogene Prozesse(Prozesse der inneren Dynamik) treten unter dem Einfluss der inneren Energie der Erde auf, die durch radioaktiven Zerfall, chemische Reaktionen der Mineralbildung, Kristallisation von Gesteinen usw. freigesetzt wird (z. B. tektonische Bewegungen, Erdbeben, Magmatismus). , Metamorphose).

Exogene Prozesse(Prozesse der äußeren Dynamik) laufen unter dem Einfluss der äußeren Energie der Sonne ab. Beispiele: Verwitterung von Gesteinen und Mineralien, Entfernung von Zerstörungsprodukten aus einigen Bereichen der Erdkruste und deren Übertragung in neue Bereiche, Ablagerung und Anreicherung von Zerstörungsprodukten unter Bildung von Sedimentgesteinen. Zu Ex.pr. Beziehung geologische Aktivität der Atmosphäre, der Hydrosphäre sowie lebender Organismen und des Menschen.

Die größten Landformen (Kontinente und ozeanische Senken) und große Landformen (Berge und Ebenen) wurden durch endogene Prozesse gebildet, während mittlere und kleine Landformen (Flusstäler, Hügel, Schluchten, Dünen usw.), die größeren Landformen überlagert waren, entstanden aufgrund exogener Prozesse. Somit sind endogene und exogene Prozesse gegensätzlich. Ersteres führt zur Bildung großer Geländeformen, letzteres zu deren Glättung.

Beispiele für den geologischen Kreislauf. Durch Verwitterung wandeln sich magmatische Gesteine ​​in Sedimentgesteine ​​um. In den beweglichen Zonen der Erdkruste sinken sie in die Tiefe der Erde. Dort schmelzen sie unter dem Einfluss hoher Temperaturen und Drücke und bilden Magma, das an die Oberfläche steigt und beim Erstarren magmatisches Gestein bildet.

Ein Beispiel für einen großen Kreislauf ist die Wasserzirkulation zwischen Land und Ozean durch die Atmosphäre (Abb. 2.1).

Reis. 2.1. Das allgemein anerkannte Schema der hydrologischen (klimatischen)

Wasserkreislauf in der Natur

Von der Oberfläche des Weltozeans verdunstete Feuchtigkeit (die fast die Hälfte der auf die Erdoberfläche gelangenden Sonnenenergie verbraucht) wird an Land übertragen, wo sie in Form von Niederschlag fällt, der in Form von Oberflächen- und Niederschlag wieder in den Ozean zurückkehrt unterirdischer Abfluss. Auch der Wasserkreislauf läuft nach einem einfacheren Schema ab: Verdunstung von Feuchtigkeit von der Meeresoberfläche – Kondensation von Wasserdampf – Niederschlag auf derselben Wasseroberfläche des Ozeans.

Der Wasserkreislauf als Ganzes prägt maßgeblich die natürlichen Verhältnisse auf unserem Planeten. Berücksichtigt man die Transpiration von Wasser durch Pflanzen und seine Aufnahme im biogeochemischen Kreislauf, verfällt der gesamte Wasservorrat auf der Erde und wird in 2 Millionen Jahren wiederhergestellt.

Somit verläuft der geologische Stoffkreislauf ohne Beteiligung lebender Organismen und verteilt die Materie zwischen der Biosphäre und den tieferen Erdschichten um.