Biologische und geologische Stoffkreisläufe. Stoffkreisläufe

geologischer Kreislauf Stoffe haben die größte Geschwindigkeit in der horizontalen Richtung zwischen Land und Meer. Die Bedeutung einer großen Zirkulation liegt darin, dass Gesteine ​​der Zerstörung und Verwitterung unterliegen und Verwitterungsprodukte, darunter auch wasserlösliche Nährstoffe, durch Wasserströme unter Bildung von Meeresschichten in den Weltozean transportiert werden und beispielsweise nur teilweise an Land zurückkehren , mit Niederschlägen oder mit vom Menschen aus dem Wasser entnommenen Organismen. Dann kommt es über einen langen Zeitraum zu langsamen geotektonischen Veränderungen – der Bewegung von Kontinenten, dem Heben und Senken des Meeresbodens, Vulkanausbrüchen usw., wodurch die gebildeten Schichten an Land zurückkehren und der Prozess von neuem beginnt.

Großer geologischer Stoffkreislauf. Unter dem Einfluss von Denudationsprozessen kommt es zur Zerstörung von Gesteinen und zur Sedimentation. Es entstehen Sedimentgesteine. In Gebieten mit stabiler Senkung (normalerweise der Meeresboden) gelangt die Substanz der geografischen Hülle in die tiefen Erdschichten. Darüber hinaus finden unter dem Einfluss von Temperatur und Druck metamorphe Prozesse statt, durch die sich Gesteine ​​bilden und die Substanz näher an den Erdmittelpunkt rückt. Magmatismus entsteht im Erdinneren bei sehr hohen Temperaturen: Gesteine ​​schmelzen, steigen in Form von Magma entlang von Verwerfungen an die Erdoberfläche und ergießen sich bei Eruptionen an die Erdoberfläche. Somit wird die Zirkulation der Materie durchgeführt. Der geologische Kreislauf wird komplizierter, wenn man den Stoffaustausch mit dem Weltraum berücksichtigt. Der große geologische Kreislauf ist nicht in dem Sinne geschlossen, dass ein Materieteilchen, das in das Erdinnere gefallen ist, nicht unbedingt an die Oberfläche gelangen wird und umgekehrt ein Teilchen, das während einer Eruption aufsteigt, niemals auf der Erdoberfläche gewesen sein könnte Vor.

Die wichtigsten Energiequellen natürlicher Prozesse auf der Erde

Sonnenstrahlung ist die Hauptenergiequelle auf der Erde. Seine Leistung wird durch die Solarkonstante charakterisiert – die Energiemenge, die senkrecht zu den Sonnenstrahlen durch die Fläche einer Flächeneinheit fließt. In einer Entfernung von einer Astronomischen Einheit (also in der Erdumlaufbahn) beträgt diese Konstante etwa 1370 W/m².

Lebende Organismen nutzen die Energie der Sonne (Photosynthese) und die Energie chemischer Bindungen (Chemosynthese). Diese Energie kann in verschiedenen natürlichen und künstlichen Prozessen genutzt werden. Ein Drittel der gesamten Energie wird von der Atmosphäre reflektiert, 0,02 % werden von Pflanzen für die Photosynthese verwendet und der Rest dient der Unterstützung vieler natürlicher Prozesse – der Erwärmung der Erde, des Ozeans, der Atmosphäre und der Luftbewegung. Gew. Direkte Solarwärme oder Energieumwandlung mittels Photovoltaikzellen können zur Stromerzeugung (Solarkraftwerke) oder anderen Aufgaben genutzt werden nützliche Arbeit. In der fernen Vergangenheit wurde die in Öl und anderen fossilen Brennstoffen gespeicherte Energie auch durch Photosynthese gewonnen.

Diese enorme Energie führt zur globalen Erwärmung, denn nachdem sie natürliche Prozesse durchlaufen hat, wird sie zurückgestrahlt und die Atmosphäre lässt sie nicht zurück.

2. Innere Energie der Erde; Manifestation - Vulkane, heiße Quellen

18. Energieumwandlungen biotischen und abiotischen Ursprungs

In einem funktionierenden natürlichen Ökosystem gibt es keinen Abfall. Alle lebenden oder toten Organismen sind potentiell Nahrung für andere Organismen: Eine Raupe frisst Blätter, eine Drossel frisst Raupen, ein Falke kann eine Drossel fressen. Wenn die Pflanzen, Raupe, Drossel und Habicht sterben, werden sie wiederum von Zersetzern verarbeitet.

Alle Organismen, die die gleiche Art von Nahrung zu sich nehmen, gehören derselben Art an trophische Ebene.

Organismen natürliche Ökosysteme sind in ein komplexes Netzwerk aus vielen miteinander verbundenen Nahrungsketten eingebunden. Ein solches Netzwerk heißt Nahrungsnetz.

Pyramiden der Energieflüsse: Bei jedem Übergang von einer trophischen Ebene zur anderen im Inneren die Nahrungskette oder Netzwerk wird Arbeit verrichtet und Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben, und zwar die Energiemenge Gute Qualität die von Organismen der nächsten trophischen Ebene genutzt wird, nimmt ab.

10 %-Regel: Beim Übergang von einer trophischen Ebene zur anderen gehen 90 % der Energie verloren und 10 % werden auf die nächste Ebene übertragen.

Je länger die Nahrungskette ist, desto mehr nützliche Energie wird verschwendet. Daher beträgt die Länge der Nahrungskette in der Regel nicht mehr als 4 – 5 Glieder.

Energetik der Landschaftssphäre der Erde:

1) Sonnenenergie: thermisch, strahlend

2) der Fluss thermischer Energie aus dem Erdinneren

3) die Energie der Gezeitenströmungen

4) tektonische Energie

5) Energieaufnahme während der Photosynthese

Der Wasserkreislauf in der Natur

Der Wasserkreislauf in der Natur ist der Prozess der zyklischen Bewegung von Wasser in der Biosphäre der Erde. Es besteht aus Verdunstung, Kondensation und Niederschlag (atmosphärischer Niederschlag verdunstet teilweise, bildet teilweise vorübergehende und dauerhafte Abflüsse und Reservoirs, versickert teilweise im Boden und bildet Grundwasser) sowie Mantelentgasungsprozessen: Wasser fließt kontinuierlich aus dem Erdmantel. Auch in großen Tiefen wurde Wasser gefunden.

Die Meere verlieren durch Verdunstung mehr Wasser als durch Niederschlag erreicht wird, ist die Situation an Land umgekehrt. Wasser zirkuliert ständig um den Globus, während es gesamt bleibt unverändert.

75 % der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt. Die Wasserhülle der Erde ist die Hydrosphäre. Der größte Teil davon ist das Salzwasser der Meere und Ozeane, der kleinere Teil ist es frisches Wasser Seen, Flüsse, Gletscher, Grundwasser und Wasserdampf.

Auf der Erde kommt Wasser in drei Aggregatzuständen vor: flüssig, fest und gasförmig. Lebewesen können ohne Wasser nicht existieren. In jedem Organismus ist Wasser das Medium, in dem chemische Reaktionen ohne die lebende Organismen nicht leben können. Wasser ist der wertvollste und notwendigste Stoff für das Leben lebender Organismen.

In der Natur gibt es verschiedene Arten von Wasserkreisläufen:

Ein großer oder weltweiter Kreislauf – Wasserdampf, der sich über der Oberfläche der Ozeane bildet, wird durch Winde zu den Kontinenten getragen, fällt dort in Form von Niederschlag und kehrt in Form von Abflüssen in den Ozean zurück. Dabei verändert sich die Qualität des Wassers: Beim Verdunsten entsteht Salz Meerwasser wird frisch und verschmutzt wird gereinigt.

Ein kleiner oder ozeanischer Kreislauf – Wasserdampf, der sich über der Meeresoberfläche bildet, kondensiert und fällt als Niederschlag zurück in den Ozean.

Intrakontinentale Zirkulation – Wasser, das über der Landoberfläche verdunstet ist, fällt in Form von Niederschlag wieder auf das Land.

Am Ende gelangen die Niederschläge im Bewegungsprozess wieder in die Ozeane.

Übertragungsgeschwindigkeit verschiedene Sorten Wasser schwankt in einem weiten Bereich, daher sind auch die Fließ- und Wassererneuerungsperioden unterschiedlich. Sie variieren zwischen einigen Stunden und mehreren zehn Jahrtausenden. Die Luftfeuchtigkeit, die durch die Verdunstung von Wasser aus Ozeanen, Meeren und Land entsteht und in Form von Wolken vorliegt, aktualisiert sich im Durchschnitt nach acht Tagen.

Das Wasser, aus dem lebende Organismen bestehen, wird innerhalb weniger Stunden wiederhergestellt. Das ist das meiste Aktive Form Wasseraustausch. Der Zeitraum der Erneuerung der Wasserreserven in Berggletschern beträgt etwa 1.600 Jahre, in den Gletschern der Polarländer ist er viel länger – etwa 9.700 Jahre.

Die vollständige Erneuerung der Gewässer des Weltozeans erfolgt in etwa 2.700 Jahren.

Auswirkungen der Wechselwirkung von Sonneneinstrahlung, sich bewegender und rotierender Erde.

IN dieses Problem Saisonale Schwankungen sollten berücksichtigt werden: Winter/Sommer. Beschreiben Sie, dass die Sonnenstrahlung aufgrund der Rotation und Bewegung der Erde ungleichmäßig ankommt Klimabedingungenändern sich mit dem Breitengrad.

Die Erde ist um 23,5 Grad zur Ebene der Ekliptik geneigt.

Die Strahlen breiten sich in unterschiedlichen Winkeln aus. Strahlungsbilanz. Es ist nicht nur wichtig, wie viel man gewinnt, sondern auch, wie viel man verliert und wie viel unter Berücksichtigung der Albedo übrig bleibt.

Atmosphärische Aktionszentren

Große Gebiete mit anhaltendem Hoch- oder Tiefdruck, der mit der allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre verbunden ist – Wirkzentren der Atmosphäre. Sie bestimmen die vorherrschende Windrichtung und dienen als Entstehungszentren geografische Typen Luftmassen. Auf synoptischen Karten werden sie durch geschlossene Linien – Isobaren – ausgedrückt.

Ursachen: 1) Heterogenität der Erde;

2) der Unterschied in der physischen. Eigenschaften von Land und Wasser (Wärmekapazität)

3) Unterschied in der Oberflächenalbedo (R/Q): Wasser – 6 %, äquiv. Wälder – 10–12 %, weite Wälder – 18 %, Wiesen – 22–23 %, Schnee – 92 %;

4) F Coriolis

Dies verursacht OCA.

Atmosphärische Aktionszentren:

● dauerhaft- in ihnen herrscht das ganze Jahr über Hoch- oder Tiefdruck:

1. Äquatorialstreifen nach unten. Druck, dessen Achse etwas vom Äquator der Sonne folgend in Richtung der Sommerhalbkugel wandert - Äquatorialdepression (Gründe: große Menge Q und Ozeane);

2. auf einem subtropischen Band erhöht. Druck im Norden. und Yuzh. Halbkugeln; einige wandern im Sommer in höhere Subtropen. Breiten, im Winter - zu niedrigeren; zerfallen in eine Reihe von ozeanischen. Hochdruckgebiete: im Norden. Hemisphären - Azoren-Antizyklon (besonders im Sommer) und Hawaii; im Süden - Südindien, Südpazifik und Südatlantik;

3. Bereiche abgesenkt. Druck über den Ozeanen in den hohen Breiten der gemäßigten Zonen: im Norden. Hemisphären - isländische (besonders im Winter) und Aleuten-Tiefs, im Süden - ein kontinuierlicher Tiefdruckring, der die Antarktis umgibt (50 0 S);

4. Bereiche der Steigerung. Druck über der Arktis (insbesondere im Winter) und der Antarktis – Hochdruckgebiete;

● saisonal- werden als Bereiche mit hohem oder niedrigem Druck während einer Jahreszeit verfolgt, die sich in einer anderen Jahreszeit zum Wirkungszentrum der Atmosphäre mit dem entgegengesetzten Vorzeichen verändern. Ihre Existenz ist mit einer starken Veränderung der Temperatur der Landoberfläche im Laufe des Jahres im Verhältnis zur Temperatur der Meeresoberfläche verbunden; Die sommerliche Überhitzung des Landes schafft hier günstige Bedingungen für die Bildung tiefer gelegener Gebiete. Druck, Winterunterkühlung - für erhöhte Bereiche. Druck. Alles drin. Hemisphäre zu Wintergebieten vergrößert. Zu den Belastungen zählen die asiatischen (sibirischen) mit einem Zentrum in der Mongolei und die kanadischen Maxima, im Süden australische, südamerikanische und südafrikanische Maxima. Sommergebiete niedriger Druck: in Sev. Hemisphären - südasiatische (oder westasiatische) und nordamerikanische Tiefs im Süden. - Australische, südamerikanische und südafrikanische Tiefststände).

Die Wirkungszentren der Atmosphäre liegen in einer bestimmten Wetterart. Daher nimmt die Luft hier relativ schnell die Eigenschaften der darunter liegenden Oberfläche an – heiß und feucht im äquatorialen Tiefdruckgebiet, kalt und trocken im mongolischen Hochdruckgebiet, kühl und feucht im isländischen Tief usw.

Planetare Wärmeübertragung und ihre Ursachen

Die Hauptmerkmale der planetaren Wärmeübertragung. Die von der Erdoberfläche absorbierte Sonnenenergie wird dann zur Verdunstung und Wärmeübertragung durch turbulente Strömungen aufgewendet. Die Verdunstung nimmt rund um den Planeten im Durchschnitt etwa 80 % ein und die turbulente Wärmeübertragung macht die restlichen 20 % der Gesamtwärme aus.

Die Prozesse der Wärmeübertragung und die Veränderungen mit der geografischen Breite seiner Komponenten im Ozean und an Land sind sehr einzigartig. Die gesamte im Frühling und Sommer vom Land aufgenommene Wärme geht im Herbst und Winter vollständig verloren; Bei einem ausgeglichenen Jahreswärmehaushalt liegt sie daher überall bei Null.

Im Weltmeer sammelt sich aufgrund der hohen Wärmekapazität des Wassers und seiner Mobilität in niedrigen Breiten Wärme an, von wo sie durch Strömungen in hohe Breiten transportiert wird, wo ihr Verbrauch die Aufnahme übersteigt. Dadurch wird der beim Wärmeaustausch von Wasser mit Luft entstehende Mangel gedeckt.

In der äquatorialen Zone des Weltmeeres weist der jährliche Wärmehaushalt mit viel absorbierter Sonnenstrahlung und reduziertem Energieverbrauch maximale positive Werte auf. Mit zunehmender Entfernung vom Äquator nimmt das positive jährliche Wärmebudget aufgrund einer Zunahme der Wärmeübertragungsverbrauchsmaterialien, hauptsächlich der Verdunstung, ab. Mit dem Übergang von den Tropen in die gemäßigten Breiten wird der Wärmehaushalt negativ.

Innerhalb des Landes wird die gesamte im Frühling-Sommer-Zeitraum aufgenommene Wärme im Herbst-Winter-Zeitraum verbraucht. In den Gewässern des Weltmeeres hat sich im Laufe der langen Erdgeschichte eine riesige Wärmemenge von 7,6 * 10^21 kcal angesammelt. Die Ansammlung einer so großen Masse erklärt sich aus der hohen Wärmekapazität des Wassers und seiner intensiven Durchmischung, bei der es zu einer recht komplexen Wärmeumverteilung in der Dicke der Ozeanosphäre kommt. Die Wärmekapazität der gesamten Atmosphäre ist viermal geringer als die einer zehn Meter dicken Wasserschicht des Weltozeans.

Obwohl der Anteil der Sonnenenergie, die für den turbulenten Wärmeaustausch zwischen der Erdoberfläche und der Luft genutzt wird, relativ gering ist, ist sie die Hauptheizquelle für den oberflächennahen Teil der Atmosphäre. Die Intensität dieser Wärmeübertragung hängt vom Temperaturunterschied zwischen der Luft und der darunter liegenden Oberfläche (Wasser oder Land) ab. In den niedrigen Breiten des Planeten (vom Äquator bis etwa zum vierzigsten Breitengrad beider Hemisphären) wird die Luft hauptsächlich vom Land erwärmt, das keine Sonnenenergie speichern kann und die gesamte aufgenommene Wärme an die Atmosphäre abgibt. Aufgrund der turbulenten Wärmeübertragung erhält die Lufthülle pro Jahr 20 bis 40 kcal/cm^2, in Gebieten mit geringer Feuchtigkeit (Sahara, Arabien usw.) sogar mehr als 60 kcal/cm^2. Gewässer in diesen Breiten speichern Wärme, sodass die Luft im Prozess des turbulenten Wärmeaustauschs nur 5–10 kcal/cm^2 pro Jahr oder weniger abgibt. Nur in bestimmten Gebieten (einem begrenzten Gebiet) ist das Wasser im Durchschnitt pro Jahr kälter und erhält daher Wärme aus der Luft (in der Äquatorzone, im Nordwesten des Indischen Ozeans sowie vor der Westküste Afrikas). und Südamerika).

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Ein großer geologischer Kreislauf umfasst Sedimentgesteine, die tief in die Erdkruste eindringen und die darin enthaltenen Elemente für lange Zeit aus dem System ausschließen. biologischer Kreislauf. Während geologische Geschichte Die umgewandelten Sedimentgesteine, die sich wieder auf der Erdoberfläche befinden, werden durch die Aktivität lebender Organismen, Wasser und Luft nach und nach zerstört und wieder in den biosphärischen Kreislauf einbezogen.

Ein großer geologischer Zyklus findet über Hunderttausende oder Millionen von Jahren statt. Es besteht darin, dass Gesteine ​​zerstört, verwittert und schließlich durch Wasserströme in die Ozeane gespült werden. Hier lagern sie sich am Boden ab, bilden Sedimentgesteine ​​und kehren nur teilweise mit Organismen, die von Menschen oder anderen Tieren aus dem Wasser entfernt wurden, an Land zurück.

Im Mittelpunkt eines großen geologischen Kreislaufs steht der Prozess der Übertragung von Mineralverbindungen von einem Ort zum anderen auf planetarischer Ebene ohne Beteiligung lebender Materie.

Neben der kleinen Zirkulation gibt es eine große, geologische Zirkulation. Einige Stoffe gelangen in die tiefen Schichten der Erde (durch die Bodensedimente der Meere oder auf andere Weise), wo langsame Umwandlungen unter Bildung verschiedener mineralischer und organischer Verbindungen stattfinden. Die Prozesse des geologischen Kreislaufs werden hauptsächlich durch die innere Energie der Erde, ihren aktiven Kern, unterstützt. Die gleiche Energie trägt zur Freisetzung von Stoffen an die Erdoberfläche bei. Dadurch schließt sich ein großer Stoffkreislauf. Es dauert Millionen von Jahren.

Über die Geschwindigkeit und Intensität der großen geologischen Stoffzirkulation können derzeit keine genauen Angaben gemacht werden, es liegen nur ungefähre Schätzungen vor, und zwar nur für den exogenen Anteil allgemeiner Zyklus, d.h. ohne Berücksichtigung des Materieeinstroms aus dem Erdmantel in die Erdkruste.

Dieser Kohlenstoff ist an einem großen geologischen Kreislauf beteiligt. Dieser Kohlenstoff hält im Prozess eines kleinen biotischen Kreislaufs das Gasgleichgewicht der Biosphäre und des Lebens im Allgemeinen aufrecht.

Fester Abfluss einiger Flüsse der Welt.

Der Beitrag biosphärischer und technosphärischer Komponenten zum großen geologischen Stoffkreislauf der Erde ist von großer Bedeutung: Aufgrund der Erweiterung des Bereichs der menschlichen Produktionstätigkeit kommt es zu einem ständig fortschreitenden Wachstum technosphärischer Komponenten.

Da der wichtigste technobio-geochemische Fluss auf der Erdoberfläche im Rahmen eines großen geologischen Stoffkreislaufs zu 70 % des Landes in den Ozean und zu 30 % in geschlossene abflusslose Senken geleitet wird, jedoch immer von höheren zu tieferen Lagen, infolge der Einwirkung von Gravitationskräften bzw. Differenzierung der Materie der Erdkruste von hohen zu niedrigen Lagen, von Land zu Ozean. Rückwärtsströme (atmosphärischer Transport, menschliche Aktivität, tektonische Bewegungen, Vulkanismus, Migration von Organismen) erschweren diese allgemeine Abwärtsbewegung der Materie in gewissem Maße und erzeugen lokale Migrationszyklen, verändern sie jedoch nicht im Allgemeinen.

Die Wasserzirkulation zwischen Land und Ozean durch die Atmosphäre ist ein großer geologischer Kreislauf. Wasser verdunstet von der Oberfläche der Ozeane und gelangt entweder an Land, wo es in Form von Niederschlag fällt, der in Form von Oberflächen- und Untergrundabflüssen wieder in den Ozean zurückkehrt, oder es fällt in Form von Niederschlag an die Oberfläche der Ozean. Jedes Jahr nehmen mehr als 500.000 km3 Wasser am Wasserkreislauf der Erde teil. 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.

Nach seiner Formulierung entwickelt sich der biologische Stoffkreislauf auf einem Teil der Flugbahn eines großen, geologischen Stoffkreislaufs in der Natur.

Der Transport von Materie auf der Oberfläche und Grundwasser- Dies ist der Hauptfaktor für die geochemische Differenzierung der Erde auf der Erde, aber nicht der einzige, und wenn wir über die große geologische Zirkulation von Stoffen auf der Erdoberfläche insgesamt sprechen, dann ist dies der Fall essentielle Rolle Strömungen spielen auch eine Rolle, insbesondere der ozeanische und atmosphärische Transport.

Über die Geschwindigkeit und Intensität des großen geologischen Stoffkreislaufs können derzeit keine genauen Angaben gemacht werden, es liegen nur ungefähre Schätzungen vor, und zwar nur für den exogenen Anteil des Gesamtkreislaufs, d. h. ohne Berücksichtigung des Materieeinstroms aus dem Erdmantel in die Erdkruste. Die exogene Komponente des großen geologischen Stoffkreislaufs ist der ständig fortschreitende Prozess der Entblößung der Erdoberfläche.

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Geologischer Kreislauf (großer Stoffkreislauf in der Natur) – der Stoffkreislauf, treibende Kraft Dabei handelt es sich um exogene und endogene geologische Prozesse.

Geologische Zirkulation - die Zirkulation von Stoffen, deren treibende Kraft exogene und endogene geologische Prozesse sind.

Die Grenzen des geologischen Kreislaufs sind viel breiter als die Grenzen der Biosphäre, seine Amplitude erfasst die Schichten der Erdkruste weit über die Biosphäre hinaus. Und vor allem spielen lebende Organismen in den Prozessen dieses Zyklus eine untergeordnete Rolle.

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

Die wichtigste Rolle im großen Kreislauf des geologischen Kreislaufs spielen kleine Stoffkreisläufe, sowohl biosphärische als auch technosphärische, in denen die Substanz für lange Zeit vom großen geochemischen Fluss abgeschaltet ist und sich in endlose Synthesezyklen umwandelt Zersetzung.

Die wichtigste Rolle im großen Kreislauf der geologischen Zirkulation spielen kleine Stoffkreisläufe, sowohl biosphärische als auch technosphärische, in denen die Substanz für lange Zeit vom großen geochemischen Fluss abgeschaltet ist und sich in endlose Synthesezyklen verwandelt und Zersetzung.

Dieser Kohlenstoff nimmt am langsamen geologischen Kreislauf teil.

Es ist dieser Kohlenstoff, der am langsamen geologischen Kreislauf teilnimmt. Das Leben auf der Erde und der Gashaushalt der Atmosphäre werden durch die relativ geringen Mengen an Kohlenstoff unterstützt, die in pflanzlichen (5 10 t) und tierischen (5 109 t) Geweben enthalten sind, die am kleinen (biogenen) Kreislauf teilnehmen. Gegenwärtig schließt der Mensch jedoch intensiv den Stoffkreislauf, einschließlich Kohlenstoff. Beispielsweise wird geschätzt, dass die Gesamtbiomasse aller Haustiere bereits die Biomasse aller wilden Landtiere übersteigt. Die Flächen der Kulturpflanzen nähern sich den Flächen natürlicher Biogeozänosen an und viele Kulturökosysteme sind hinsichtlich ihrer vom Menschen kontinuierlich gesteigerten Produktivität den natürlichen deutlich überlegen.

Der zeitlich und räumlich umfangreichste ist der sogenannte geologische Stoffkreislauf.

In der Natur gibt es zwei Arten des Stoffkreislaufs: einen großen oder geologischen Stoffkreislauf zwischen Land und Ozean; klein oder biologisch – zwischen Boden und Pflanzen.

Das von der Pflanze im Dampfzustand aus dem Boden entzogene Wasser gelangt in die Atmosphäre, kühlt ab, kondensiert und kehrt als Niederschlag wieder in den Boden oder ins Meer zurück. Der geologische Wasserkreislauf sorgt für mechanische Umverteilung, Sedimentation, Ansammlung fester Sedimente an Land und am Grund von Gewässern sowie im Prozess der mechanischen Zerstörung von Böden und Gesteinen. Die chemische Funktion des Wassers wird jedoch unter Beteiligung lebender Organismen oder ihrer Stoffwechselprodukte ausgeübt. Natürliche Gewässer sind wie Böden eine komplexe bioinerte Substanz.

Die geochemische Aktivität des Menschen wird in ihrem Ausmaß mit der biologischen und vergleichbar geologische Prozesse. Im geologischen Zyklus nimmt die Verbindung der Entblößung stark zu.

Der Faktor, der den allgemeinen Charakter und den biologischen Charakter maßgeblich prägt. Gleichzeitig ist der geologische Wasserkreislauf ständig bestrebt, all diese Elemente aus den trockenen Landschichten in das Meeresbecken zu spülen. Daher erfordert die Erhaltung pflanzlicher Nahrungselemente im Land deren Umwandlung in eine absolut wasserunlösliche Form. Diese Anforderung wird von einem lebenden Bio erfüllt.

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

*Lebende Materie in Bezug auf das 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 große Transformation geologische Rolle lebende Substanz. Für organische Evolution lebende Organismen gingen tausendmal (in verschiedenen Zyklen von 103 bis 105 Mal) durch sich selbst, durch ihre Organe, Gewebe, Zellen, Blut, die gesamte Atmosphäre, das gesamte Volumen des Weltozeans, den größten Teil der Bodenmasse, ein riesiges Masse an Mineralien. 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 lebende Organismen große Mengen an Luft und natürlichen Lösungen durch ihren Körper strömen, führen sie eine biogene Migration (Bewegung) durch Chemikalien) und Konzentration chemischer Elemente und ihrer Verbindungen. 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 0,1 - 0,2 % der auf die Erde fallenden Sonnenenergie sind in reiner Form eingeschlossen Primärproduktion. 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 extrahiert daraus Umfeld lebensnotwendige Stoffe und kehrt 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 dieser Fall Entlang der Glieder der Nahrungskette findet ein Energie- und Stofftransfer statt, den wir bereits ausführlicher besprochen haben.

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 und bilden so einen Komplex organische Verbindungen, Formen, und wenn diese dann zerstört werden, nehmen sie 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 dem Kohlendioxid der Atmosphäre 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 Bestandteil alle 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.

Damit die Biosphäre weiter existiert und ihre Bewegung (Entwicklung) nicht aufhört, muss der Kreislauf biologisch wichtiger Stoffe auf der Erde ständig stattfinden. Dieser Übergang biologisch wichtiger Stoffe von Glied zu Glied kann nur mit einem gewissen Energieaufwand erfolgen, dessen Quelle die Sonne ist.

Sonnenenergie sorgt für zwei Stoffkreisläufe auf der Erde:

- geologische (abiotische) oder große Zirkulation;

- biologischer (biotischer) oder kleiner Kreislauf.

geologischer Kreislauf am deutlichsten manifestiert es sich im Wasserkreislauf und in der atmosphärischen Zirkulation.

Ungefähr 21 10 20 kJ Strahlungsenergie kommen jedes Jahr von der Sonne auf die Erde. Etwa die Hälfte davon wird für die Verdunstung von Wasser aufgewendet. Dadurch entsteht der große Kreislauf.

Der Wasserkreislauf in der Biosphäre basiert darauf, dass seine gesamte Verdunstung von der Erdoberfläche durch Niederschläge ausgeglichen wird. Gleichzeitig verdunstet mehr Wasser aus dem Meer, als durch Niederschläge zurückkommt. An Land hingegen fallen mehr Niederschläge als Wasser verdunstet. Sein Überschuss fließt in Flüsse und Seen und von dort wieder ins Meer.

Im Verlauf des geologischen Wasserkreislaufs werden mineralische Verbindungen auf planetarischer Ebene von einem Ort zum anderen übertragen und auch der Aggregatzustand des Wassers ändert sich (flüssig, fest – Schnee, Eis; gasförmig – Dampf). Wasser zirkuliert im Dampfzustand am intensivsten.

Mit dem Aufkommen lebender Materie, die auf der Zirkulation der Atmosphäre basiert, lösen sich Wasser und darin gelöste Mineralverbindungen, d.h. auf der Grundlage des abiotischen, geologischen Kreislaufs entstand der Kreislauf der organischen Substanz, oder klein, biologischer Kreislauf.

Mit der Entwicklung lebender Materie werden immer mehr Elemente dem geologischen Kreislauf entzogen und treten in einen neuen, biologischen Kreislauf ein.

Im Gegensatz zur einfachen Transferbewegung mineralischer Elemente in einem großen (geologischen) Kreislauf sind in einem kleinen (biologischen) Kreislauf die Synthese und Zerstörung organischer Verbindungen die wichtigsten Momente. Diese beiden Prozesse stehen in einem bestimmten Verhältnis, das dem Leben zugrunde liegt und eines seiner Hauptmerkmale ist.

Im Gegensatz zum geologischen Kreislauf weist der biologische Kreislauf eine geringere Energie auf. Bekanntlich werden nur 0,1–0,2 % der auf die Erde einfallenden Sonnenenergie für die Bildung organischer Materie aufgewendet (im geologischen Kreislauf bis zu 50 %). Dennoch wird die Energie, die im biologischen Kreislauf steckt, für einen enormen Arbeitsaufwand aufgewendet, um die Primärproduktion auf der Erde zu schaffen.

Mit dem Aufkommen lebender Materie auf der Erde zirkulieren chemische Elemente kontinuierlich in der Biosphäre und passieren sie Außenumgebung in Organismen und zurück in die Umwelt.

Eine solche Zirkulation chemischer Elemente auf mehr oder weniger geschlossenen Wegen unter Nutzung der Sonnenenergie durch lebende Organismen wird als bezeichnet biogeochemischer Kreislauf (Kreislauf).

Die wichtigsten biogeochemischen Kreisläufe sind die Kreisläufe von Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Wasser und biogenen Elementen.

Der Kohlenstoffkreislauf.

An Land beginnt der Kohlenstoffkreislauf mit der Fixierung von Kohlendioxid durch Pflanzen durch Photosynthese. Darüber hinaus werden aus Kohlendioxid Kohlenhydrate gebildet und Wasser und Sauerstoff freigesetzt. Gleichzeitig wird Kohlenstoff bei der Atmung von Pflanzen teilweise als Teil von Kohlendioxid freigesetzt. Der in Pflanzen gebundene Kohlenstoff wird teilweise von Tieren verbraucht. Auch Tiere setzen beim Atmen Kohlendioxid frei. Die veralteten Tiere und Pflanzen werden von Mikroorganismen zersetzt, wodurch der Kohlenstoff der abgestorbenen organischen Substanz zu Kohlendioxid oxidiert wird und wieder in die Atmosphäre gelangt.

Ein ähnlicher Kohlenstoffkreislauf findet im Ozean statt.

Der Stickstoffkreislauf.

Der Stickstoffkreislauf umfasst wie andere biogeochemische Kreisläufe alle Bereiche der Biosphäre. Der Stickstoffkreislauf ist mit seiner Umwandlung in Nitrate aufgrund der Aktivität stickstofffixierender und nitrifizierender Bakterien verbunden. Nitrate werden von Pflanzen aus dem Boden oder Wasser aufgenommen. Pflanzen werden von Tieren gefressen. Am Ende wandeln die Reduzierer den Stickstoff wieder in gasförmige Form um und geben ihn an die Atmosphäre ab.

Unter modernen Bedingungen greift ein Mensch in den Stickstoffkreislauf ein, der durch den Anbau stickstofffixierender Hülsenfrüchte auf weiten Flächen natürlichen Stickstoff künstlich bindet. Man geht davon aus, dass Landwirtschaft und Industrie fast 60 % mehr festen Stickstoff liefern als natürliche terrestrische Ökosysteme.

Ein ähnlicher Stickstoffkreislauf ist auch in der aquatischen Umwelt zu beobachten.

Phosphorkreislauf.

Im Gegensatz zu Kohlenstoff und Stickstoff kommen Phosphorverbindungen in Gesteinen vor, die erodiert werden und Phosphate freisetzen. Die meisten von ihnen landen in den Meeren und Ozeanen und können teilweise über marine Nahrungsketten, die in fischfressenden Vögeln enden, wieder an Land zurückgebracht werden. Ein Teil der Phosphate gelangt in den Boden und wird von Pflanzenwurzeln aufgenommen. Die Aufnahme von Phosphor durch Pflanzen hängt vom Säuregehalt der Bodenlösung ab: Mit zunehmendem Säuregehalt werden im Wasser praktisch unlösliche Phosphate in gut lösliche Phosphorsäure umgewandelt. Die Pflanzen werden dann von Tieren gefressen.

Die Hauptglieder biogeochemischer Kreisläufe sind verschiedene Organismen, deren Formenvielfalt die Intensität der Kreisläufe und die Beteiligung fast aller Elemente der Erdkruste an ihnen bestimmt.

Im Allgemeinen ist jede Zirkulation eines chemischen Elements Teil der allgemeinen grandiosen Stoffzirkulation auf der Erde, d.h. sie sind eng miteinander verbunden.