Veliki geološki ciklus materije. Geološki, veliki (biosferski) i mali (biološki) ciklusi tvari u biosferi

Da bi biosfera nastavila postojati, kako njeno kretanje (razvoj) ne bi prestalo, na Zemlji se stalno mora odvijati kruženje biološki važnih tvari. Ovaj prijelaz biološki važnih tvari iz karike u kariku može se izvesti samo uz određeni utrošak energije, čiji je izvor Sunce.

Sunčeva energija osigurava dva ciklusa materije na Zemlji:

- geološka (abiotička) ili velika cirkulacija;

- biološka (biotička), ili mala, cirkulacija.

geološki ciklus najjasnije se očituje u kruženju vode i atmosferskoj cirkulaciji.

Otprilike 21 10 20 kJ energije zračenja dolazi na Zemlju sa Sunca svake godine. Otprilike polovica se troši na isparavanje vode. To je ono što stvara veliki ciklus.

Kruženje vode u biosferi temelji se na činjenici da se njezino ukupno isparavanje sa Zemljine površine nadoknađuje padalinama. Istovremeno, više vode ispari iz oceana nego što se vrati s oborinama. Na kopnu, naprotiv, padne više oborina nego što voda ispari. Njegov višak teče u rijeke i jezera, a odatle - opet u ocean.

U procesu geološkog ciklusa vode mineralni spojevi se prenose s jednog mjesta na drugo na planetarnoj razini, a mijenja se i agregatno stanje vode (tekuće, kruto - snijeg, led; plinovito - para). Voda najintenzivnije kruži u parovitom stanju.

Pojavom žive tvari temeljene na kruženju atmosfere, vode, u njoj otopljenih mineralnih spojeva, t.j. na temelju abiotičkog, geološkog ciklusa nastao je ciklus organska tvar, ili mali, biološki ciklus.

Kako se živa tvar razvija, sve više i više elemenata neprestano se izvlači iz geološkog ciklusa i ulazi u novi, biološki ciklus.

Za razliku od jednostavnog prijenosa-kretanja mineralnih elemenata u velikom (geološkom) ciklusu, u malom (biološkom) ciklusu najvažniji momenti su sinteza i razgradnja organskih spojeva. Ova dva procesa su u određenom omjeru, koji je u osnovi života i jedna je od njegovih glavnih značajki.

Za razliku od geološkog ciklusa, biološki ciklus ima manju energiju. Kao što je poznato, samo 0,1-0,2% sunčeve energije koja pada na Zemlju troši se na stvaranje organske tvari (do 50% u geološkom ciklusu). Unatoč tome, energija uključena u biološki ciklus troši se na golemu količinu rada za stvaranje primarne proizvodnje na Zemlji.

Pojavom žive tvari na Zemlji, kemijski elementi neprestano kruže u biosferi, prolazeći iz vanjsko okruženje u organizme i natrag u okoliš.

Takvo kruženje kemijskih elemenata više ili manje zatvorenim stazama, koje se odvija korištenjem sunčeve energije kroz žive organizme, naziva se biogeokemijska cirkulacija (ciklus).

Glavni biogeokemijski ciklusi su ciklusi kisika, ugljika, dušika, fosfora, sumpora, vode i biogenih elemenata.

Ciklus ugljika.

Na kopnu, ciklus ugljika započinje fiksacijom ugljičnog dioksida u biljkama fotosintezom. Dalje, iz ugljičnog dioksida nastaju ugljikohidrati i oslobađa se voda i kisik. Pritom se ugljik djelomično oslobađa tijekom disanja biljaka u sklopu ugljičnog dioksida. Ugljik fiksiran u biljkama u određenoj mjeri konzumiraju životinje. Životinje također ispuštaju ugljični dioksid kada dišu. Zastarjele životinje i biljke razgrađuju mikroorganizmi, pri čemu se ugljik mrtve organske tvari oksidira u ugljični dioksid i ponovno ulazi u atmosferu.

Sličan ciklus ugljika događa se u oceanu.

Ciklus dušika.

Ciklus dušika, kao i drugi biogeokemijski ciklusi, obuhvaća sva područja biosfere. Ciklus dušika povezan je s njegovom pretvorbom u nitrate zbog aktivnosti bakterija koje fiksiraju i nitrifikiraju dušik. Nitrate biljke apsorbiraju iz tla ili vode. Biljke jedu životinje. Na kraju reduktori ponovno pretvaraju dušik u plinoviti oblik i vraćaju ga u atmosferu.

U suvremenim uvjetima u kruženje dušika umiješao se čovjek koji, uzgajajući na golemim površinama mahunarke koje fiksiraju dušik, umjetno veže prirodni dušik. Vjeruje se da poljoprivreda i industrija osiguravaju gotovo 60% više vezanog dušika nego prirodni kopneni ekosustavi.

Sličan ciklus dušika također se opaža u vodenom okolišu.

Ciklus fosfora.

Za razliku od ugljika i dušika, spojevi fosfora nalaze se u stijenama koje su erodirane i otpuštaju fosfate. Većina ih završi u morima i oceanima, a djelomice se mogu ponovno vratiti na kopno preko morskih hranidbenih lanaca koji završavaju u pticama koje se hrane ribom. Neki od fosfata završavaju u tlu i preuzimaju ih korijeni biljaka. Apsorpcija fosfora od strane biljaka ovisi o kiselosti otopine tla: kako se kiselost povećava, praktički netopivi fosfati u vodi pretvaraju se u visoko topljivu fosfornu kiselinu. Biljke zatim jedu životinje.

Glavne veze biogeokemijskih ciklusa su različiti organizmi, čija raznolikost oblika određuje intenzitet ciklusa i uključenost gotovo svih elemenata zemljine kore u njih.

Općenito, svako kruženje bilo kojeg kemijskog elementa dio je općeg grandioznog kruženja tvari na Zemlji, tj. blisko su povezani.

Kruženje tvari u prirodi je ponavljajući ciklički proces pretvorbe i kretanja pojedinih kemijskih elemenata i njihovih spojeva. Javljao se kroz povijest razvoja Zemlje i nastavlja se i danas. Uvijek postoji određeno odstupanje u sastavu i količini kružeće tvari, pa u prirodi nema potpunog ponavljanja ciklusa. To određuje progresivni razvoj Zemlje kao planeta. Kruženje tvari posebno je karakteristično za geološki stupanj razvoja, kada je glavni. ljuske zemlje. Po razmjerima manifestacije na prvom je mjestu geološki ciklus . Predstavlja kretanje tvari prvenstveno u unutarnjim školjkama: uzdizanje kao rezultat uzlaznih tektonskih pokreta i vulkanizma; njegov vodoravni prijenos u vanjskim ljuskama i nakupljanje; descendentni pokreti - ukopavanje sedimenata, tonjenje kao posljedica silaznih tektonskih pokreta. U dubini dolazi do metamorfizma, taljenja tvari uz nastanak magme i metamorfnih stijena. Temeljnu ulogu u stvaranju geografskog omotača ima Kruženje vode.

Od pojave života na Zemlji, biološki ciklus. Omogućuje kontinuirane pretvorbe, uslijed kojih tvari, nakon što ih neki organizmi iskoriste, prelaze u oblik probavljiv za druge organizme. Energetska osnova je sunčeva energija koja dolazi na Zemlju. Biljni organizmi apsorbiraju minerale koji prehrambenim lancima ulaze u životinjski organizam, a zatim se vraćaju u tlo ili atmosferu uz pomoć razlagača (bakterija, gljivica i dr.). Intenzitet ovog ciklusa ovisi o broju i raznolikosti živih organizama na Zemlji i količini energije koju oni akumuliraju. biomasa. Maks. Intenzitet biološkog ciklusa na kopnu opažen je u tropskim kišnim šumama, gdje se biljni ostaci gotovo ne nakupljaju, a oslobođene minerale biljke odmah apsorbiraju. Intenzitet cirkulacije u močvarama i tundri je vrlo nizak, gdje se nakupljaju biljni ostaci koji nemaju vremena za raspad. Od posebnog značaja su prije svega ciklusi biogenih kemijskih elemenata ugljik. Biljni organizmi godišnje izvuku iz atmosfere do 300 milijardi tona ugljičnog dioksida (ili 100 milijardi tona ugljika). Biljke dijelom jedu životinje, dijelom umiru. Kao rezultat disanja organizama, razgradnje njihovih ostataka, procesa fermentacije i truljenja, organska tvar prelazi u ugljični dioksid ili se taloži u obliku sapropela, humusa, treseta, iz kojih nastaju ugljen, nafta i zapaljivi plin. se naknadno formiraju. Vrlo mali dio uključen je u aktivni ciklus ugljika, značajna količina je sačuvana u obliku zapaljivih fosilnih vapnenaca i drugih stijena. Glavni masa dušika je koncentrirana u atmosferi (3,8510 N? t); u vodama Svjetskog oceana sadrži 2510Ni tona Vodeću ulogu u kruženju dušika imaju mikroorganizmi: fiksatori dušika, nitrifikatori i denitrifikatori. Cca. 4510? tona dušika, vodeni okoliš 4 puta manje. Spojevi koji sadrže dušik iz mrtvih ostataka pretvaraju se pomoću nitrifikacijskih mikroorganizama u dušikove okside, koje potom razgrađuju denitrifikacijske bakterije uz oslobađanje molekularnog dušika. Ciklusi su također povezani sa živom materijom. kisik, fosfor, sumpor i mnogi drugi elementi. Posljedice ljudskog utjecaja na kruženje tvari postaju sve značajnije. Usporedivi su s rezultatima geološkim procesima: u biosferi se pojavljuju novi načini migracije tvari, novi kemijski spojevi koji prije nije postojao, ciklus vode se mijenja.

Mala (biološka) cirkulacija

Masa žive tvari u biosferi je relativno mala. Ako se rasporedi po zemljinoj površini, tada će se dobiti sloj od samo 1,5 cm U tablici 4.1 uspoređuju se neke kvantitativne karakteristike biosfere i ostalih geosfera Zemlje. Biosfera, koja čini manje od 10-6 masa drugih ljuski planeta, ima neusporedivo veću raznolikost i obnavlja svoj sastav milijun puta brže.

Tablica 4.1

Usporedba biosfere s ostalim geosferama Zemlje

*Živa tvar na temelju žive težine

4.4.1. Funkcije biosfere

Zahvaljujući bioti biosfere provodi se pretežni dio kemijskih transformacija na planetu. Stoga je presuda V.I. Vernadsky o ogromnoj transformaciji geološku uloguživa tvar. Za organska evolucijaživi organizmi su tisuću puta (za različite cikluse od 103 do 105 puta) prošli kroz sebe, kroz svoje organe, tkiva, stanice, krv, cijelu atmosferu, cjelokupni volumen Svjetskog oceana, najveći dio mase tla, ogroman masa minerala. I ne samo da su to propustili, nego su i modificirali zemaljski okoliš u skladu sa svojim potrebama.

Zahvaljujući sposobnosti pretvaranja sunčeve energije u energiju kemijskih veza, biljke i drugi organizmi obavljaju niz temeljnih biogeokemijskih funkcija na planetarnoj razini.

funkcija plina. Živa bića neprestano izmjenjuju kisik i ugljični dioksid s okolinom u procesima fotosinteze i disanja. Biljke su igrale odlučujuću ulogu u promjeni iz reducirajućeg u oksidirajuće okruženje u geokemijskoj evoluciji planeta i u formiranju plinskog sastava moderne atmosfere. Biljke strogo kontroliraju koncentracije O2 i CO2 koje su optimalne za ukupnost svih suvremenih živih organizama.

funkcija koncentracije. Prolazeći kroz svoje tijelo velike količine zraka i prirodnih otopina, živi organizmi vrše biogenu migraciju (kretanje kemijske tvari) i koncentracija kemijskih elemenata i njihovih spojeva. To se odnosi na organsku biosintezu, formiranje koraljnih otoka, izgradnju školjaka i kostura, pojavu sedimentnih slojeva vapnenca, naslage određenih metalnih ruda, nakupljanje željezno-manganskih nodula, na dnu oceana itd. Rane faze biološke evolucije odvijala se u vodenom okolišu. Organizmi su naučili ekstrahirati tvari koje su im potrebne iz razrijeđene vodene otopine, višestruko povećavajući njihovu koncentraciju u tijelu.

Redoks funkcija žive tvari usko je povezana s biogenom migracijom elemenata i koncentracijom tvari. Mnoge tvari u prirodi su stabilne i ne podliježu oksidaciji u normalnim uvjetima, na primjer, molekularni dušik jedan je od najvažnijih biogenih elemenata. Ali žive stanice imaju tako snažne katalizatore - enzime da su u stanju izvesti mnoge redoks reakcije milijunima puta brže nego što se to može dogoditi u abiotičkom okruženju.

Informacijska funkcija žive tvari biosfere. Pojavom prvih primitivnih živih bića na planetu se pojavila aktivna ("živa") informacija, koja se razlikuje od "mrtve" informacije, koja je jednostavan odraz strukture. Pokazalo se da organizmi mogu primati informacije povezujući tok energije s aktivnom molekularnom strukturom koja ima ulogu programa. Sposobnost opažanja, pohranjivanja i obrade molekularnih informacija prošla je naprednu evoluciju u prirodi i postala je najvažniji čimbenik formiranja ekološkog sustava. Ukupna zaliha genetskih informacija biote procjenjuje se na 1015 bitova. Ukupna snaga protoka molekularnih informacija povezanih s metabolizmom i energijom u svim stanicama globalne biote doseže 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Komponente biološkog ciklusa.

Biološki ciklus odvija se između svih komponenti biosfere (tj. između tla, zraka, vode, životinja, mikroorganizama itd.). To se događa uz obvezno sudjelovanje živih organizama.

Sunčevo zračenje koje dopire do biosfere nosi energiju od oko 2,5 * 1024 J godišnje. Od toga se samo 0,3% izravno pretvara u procesu fotosinteze u energiju kemijskih veza organskih tvari, tj. uključeni u biološki ciklus. A 0,1 - 0,2% sunčeve energije koja pada na Zemlju ispada da je zatvoreno u čistom primarna proizvodnja. Daljnja sudbina Ta je energija povezana s prijenosom organske tvari hrane kroz kaskade trofičkih lanaca.

Biološki ciklus može se uvjetno podijeliti na međusobno povezane komponente: ciklus tvari i energetski ciklus.

4.4.3. Energetski ciklus. Transformacija energije u biosferi

Ekosustav se može opisati kao skup živih organizama koji kontinuirano razmjenjuju energiju, materiju i informacije. Energija se može definirati kao sposobnost obavljanja rada. Svojstva energije, uključujući kretanje energije u ekosustavima, opisana su zakonima termodinamike.

Prvi zakon termodinamike ili zakon održanja energije kaže da energija ne nestaje i ne nastaje iznova, već samo prelazi iz jednog oblika u drugi.

Drugi zakon termodinamike kaže da se entropija može povećati samo u zatvorenom sustavu. Što se tiče energije u ekosustavima, prikladna je sljedeća formulacija: procesi povezani s transformacijom energije mogu se odvijati spontano samo ako energija prelazi iz koncentriranog oblika u difuzni, odnosno degradira. Mjera količine energije koja postaje nedostupna za korištenje, ili na drugi način mjera promjene reda koja se događa kada se energija degradira, je entropija. Što je viši red sustava, manja je njegova entropija.

Drugim riječima, živa materija prima i transformira energiju prostora, sunca u energiju zemaljskih procesa (kemijskih, mehaničkih, toplinskih, električnih). On uključuje tu energiju i anorgansku tvar u kontinuirano kruženje tvari u biosferi. Protok energije u biosferi ima jedan smjer – od Sunca preko biljaka (autotrofi) do životinja (heterotrofi). Prirodni netaknuti ekosustavi u stabilnom stanju s konstantnim važnim pokazateljima okoliša (homeostaza) najuređeniji su sustavi i karakterizirani su najnižom entropijom.

4.4.4. Kruženje tvari u prirodi

Nastanak žive tvari i njezina razgradnja dvije su strane jednog procesa koji se naziva biološkim ciklusom kemijskih elemenata. Život je kruženje kemijskih elemenata između organizama i okoliša.

Razlog ciklusa je ograničenost elemenata od kojih su građena tijela organizama. Svaki organizam izdvaja iz okoliš tvari nužne za život i vraća se neiskorištena. pri čemu:

neki organizmi konzumiraju minerale izravno iz okoliša;

drugi koriste prvo prerađene i izolirane proizvode;

treći - drugi itd., dok se tvari ne vrate u okolinu u prvobitno stanje.

U biosferi je očita potreba za suživotom različitih organizama koji mogu međusobno koristiti otpadne proizvode. Vidimo biološku proizvodnju praktički bez otpada.

Kruženje tvari u živim organizmima može se uvjetno svesti na četiri procesa:

1. Fotosinteza. Kao rezultat fotosinteze, biljke apsorbiraju i akumuliraju sunčevu energiju te sintetiziraju organske tvari - primarne biološke produkte - i kisik iz anorganskih tvari. Primarni biološki proizvodi vrlo su raznoliki - sadrže ugljikohidrate (glukozu), škrob, vlakna, bjelančevine, masti.

Shema fotosinteze najjednostavnijeg ugljikohidrata (glukoze) ima sljedeću shemu:

Ovaj se proces odvija samo tijekom dana i prati ga povećanje mase biljaka.

Na Zemlji se fotosintezom godišnje formira oko 100 milijardi tona organske tvari, asimilira se oko 200 milijardi tona ugljičnog dioksida i oslobodi oko 145 milijardi tona kisika.

Fotosinteza igra odlučujuću ulogu u osiguravanju postojanja života na Zemlji. Njegovo globalno značenje objašnjava se činjenicom da je fotosinteza jedini proces tijekom kojeg se energija u termodinamičkom procesu, prema minimalističkom principu, ne rasipa, već se akumulira.

Sintetizirajući aminokiseline potrebne za izgradnju proteina, biljke mogu postojati relativno neovisno o drugim živim organizmima. Time se očituje autotrofnost biljaka (samodostatnost u ishrani). Istodobno, zelena masa biljaka i kisik nastao u procesu fotosinteze osnova su za održavanje života sljedeće skupine živih organizama - životinja, mikroorganizama. To pokazuje heterotrofnost ove skupine organizama.

2. Disanje. Proces je obrnut od fotosinteze. Javlja se u svim živim stanicama. Tijekom disanja organske tvari oksidiraju kisikom, pri čemu nastaju ugljikov dioksid, voda i energija.

3. Prehrambeni (trofički) odnosi između autotrofnih i heterotrofnih organizama. U ovom slučaju postoji prijenos energije i materije duž veza hranidbeni lanac, o čemu smo ranije detaljnije govorili.

4. Proces transpiracije. Jedan od najvažnijih procesa u biološkom ciklusu.

Shematski se to može opisati na sljedeći način. Biljke apsorbiraju vlagu iz tla kroz svoje korijenje. Pritom u njih ulaze mineralne tvari otopljene u vodi, koje se apsorbiraju, a vlaga manje ili više isparava, ovisno o uvjetima okoline.

4.4.5. Biogeokemijski ciklusi

Geološki i bioloških ciklusa su povezani - postoje kao jedan proces, što dovodi do kruženja tvari, takozvanih biogeokemijskih ciklusa (BGHC). Ovo kruženje elemenata nastaje zbog sinteze i raspadanja organskih tvari u ekosustavu (slika 4.1).U BHCC nisu uključeni svi elementi biosfere, već samo biogeni. Od njih se sastoje živi organizmi, ti elementi ulaze u brojne reakcije i sudjeluju u procesima koji se odvijaju u živim organizmima. U postotku, ukupna masa žive tvari biosfere sastoji se od sljedećih glavnih biogenih elemenata: kisik - 70%, ugljik - 18%, vodik - 10,5%, kalcij - 0,5%, kalij - 0,3%, dušik - 0 , 3%, (kisik, vodik, dušik, ugljik prisutni su u svim krajolicima i osnova su živih organizama - 98%).

Bit biogene migracije kemijskih elemenata.

Dakle, u biosferi postoji biogeni ciklus tvari (tj. ciklus uzrokovan vitalnom aktivnošću organizama) i jednosmjerni tok energije. Biogena migracija kemijskih elemenata određena je uglavnom dvama suprotnim procesima:

1. Nastanak žive tvari iz elemenata okoliša zahvaljujući sunčevoj energiji.

2. Uništavanje organskih tvari, popraćeno oslobađanjem energije. Istodobno, elementi mineralnih tvari opetovano ulaze u žive organizme, ulazeći tako u sastav složenih organskih spojeva, oblika, a zatim, kada se potonji unište, ponovno dobivaju mineralni oblik.

Postoje elementi koji su dio živih organizama, ali nisu povezani s biogenim. Takvi se elementi klasificiraju prema njihovom težinskom udjelu u organizmima:

Makronutrijenti - komponente od najmanje 10-2% mase;

Elementi u tragovima - komponente od 9 * 10-3 do 1 * 10-3% mase;

Ultramikroelementi - manje od 9 * 10-6% mase;

Da bismo odredili mjesto biogenih elemenata među ostalim kemijskim elementima biosfere, razmotrimo klasifikaciju usvojenu u ekologiji. Prema aktivnosti prikazanoj u procesima koji se odvijaju u biosferi, svi kemijski elementi podijeljeni su u 6 skupina:

Plemeniti plinovi su helij, neon, argon, kripton, ksenon. Inertni plinovi nisu dio živih organizama.

Plemeniti metali - rutenij, radij, paladij, osmij, iridij, platina, zlato. Ovi metali gotovo ne tvore spojeve u Zemljina kora.

Ciklički ili biogeni elementi (također se nazivaju i migratorni). Ova skupina biogenih elemenata u zemljinoj kori čini 99,7% ukupne mase, a preostalih 5 skupina - 0,3%. Dakle, glavninu elemenata čine migranti koji kruže unutra geografski omotač, a udio inertnih elemenata je vrlo mali.

Raspršeni elementi, karakterizirani prevlašću slobodnih atoma. Ući u kemijske reakcije, ali se njihovi spojevi rijetko nalaze u zemljinoj kori. Dijele se u dvije podskupine. Prvi - rubidij, cezij, niobij, tantal - stvaraju spojeve u dubinama zemljine kore, a na površini njihovih minerala se uništavaju. Drugi - jod, brom - reagiraju samo na površini.

Radioaktivni elementi - polonij, radon, radij, uran, neptunij, plutonij.

Elementi rijetke zemlje - itrij, samarij, europij, tulij itd.

Cjelogodišnji biokemijski ciklusi pokreću oko 480 milijardi tona tvari.

U I. Vernadsky je formulirao tri biogeokemijska načela koja objašnjavaju bit biogene migracije kemijskih elemenata:

Biogena migracija kemijskih elemenata u biosferi uvijek teži maksimalnoj manifestaciji.

Evolucija vrsta u tijeku geološkog vremena, dovodeći do stvaranja održivih oblika života, odvija se u smjeru koji pospješuje biogenu migraciju atoma.

Živa tvar je u neprekidnoj kemijskoj razmjeni sa svojim okolišem, što je faktor koji rekreira i održava biosferu.

Razmotrimo kako se neki od tih elemenata kreću u biosferi.

Ciklus ugljika. Glavni sudionik biotskog ciklusa je ugljik kao osnova organskih tvari. Uglavnom se ciklus ugljika odvija između žive tvari i ugljičnog dioksida atmosfere u procesu fotosinteze. Biljojedi ga dobivaju s hranom, grabežljivci ga dobivaju od biljojeda. Prilikom disanja, truljenja, ugljični dioksid se djelomično vraća u atmosferu, povratak se događa kada se spaljuju organski minerali.

U nedostatku povrata ugljika u atmosferu, zelene bi ga biljke potrošile za 7-8 godina. Stopa biološkog prometa ugljika kroz fotosintezu je 300 godina. Oceani imaju važnu ulogu u regulaciji sadržaja CO2 u atmosferi. Ako sadržaj CO2 raste u atmosferi, dio se otapa u vodi, reagirajući s kalcijevim karbonatom.

Ciklus kisika.

Kisik ima visoku kemijsku aktivnost, ulazi u spojeve s gotovo svim elementima zemljine kore. Javlja se uglavnom u obliku spojeva. Svaki četvrti atom žive tvari je atom kisika. Gotovo sav molekularni kisik u atmosferi nastao je i održava se na konstantnoj razini zahvaljujući aktivnosti zelenih biljaka. Atmosferski kisik, vezan tijekom disanja i oslobođen tijekom fotosinteze, prolazi kroz sve žive organizme u 200 godina.

Ciklus dušika. Dušik je sastavni dio sve bjelančevine. Ukupni omjer vezanog dušika, kao elementa koji čini organsku tvar, i dušika u prirodi je 1:100 000. Energija kemijske veze u molekuli dušika je vrlo visoka. Stoga je za spajanje dušika s drugim elementima - kisikom, vodikom (proces fiksacije dušika) potrebna velika energija. Industrijska fiksacija dušika odvija se u prisutnosti katalizatora na temperaturi od -500°C i tlaku od -300 atm.

Kao što znate, atmosfera sadrži više od 78% molekularnog dušika, ali u ovom stanju nije dostupan zelenim biljkama. Za svoju ishranu biljke mogu koristiti samo soli dušične i dušične kiseline. Koji su načini nastanka ovih soli? Ovo su neki od njih:

U biosferi fiksaciju dušika provodi nekoliko skupina anaerobnih bakterija i cijanobakterija pri normalnoj temperaturi i tlaku zbog visoke učinkovitosti biokatalize. Smatra se da bakterije pretvaraju oko 1 milijardu tona dušika godišnje u vezani oblik (svjetski volumen industrijske fiksacije je oko 90 milijuna tona).

Bakterije koje fiksiraju dušik u tlu mogu asimilirati molekularni dušik iz zraka. Obogaćuju tlo dušikovim spojevima pa je njihova vrijednost izuzetno visoka.

Kao rezultat razgradnje spojeva koji sadrže dušik organskih tvari biljnog i životinjskog podrijetla.

Pod djelovanjem bakterija, dušik se pretvara u nitrate, nitrite, amonijeve spojeve. U biljkama dušikovi spojevi sudjeluju u sintezi proteinskih spojeva koji se u hranidbenim lancima prenose iz organizma u organizam.

Ciklus fosfora. Drugi važan element, bez kojeg je sinteza proteina nemoguća, je fosfor. Glavni izvori su magmatske stijene (apatiti) i sedimentne stijene (fosforiti).

Anorganski fosfor uključen je u ciklus kao rezultat prirodnih procesa ispiranja. Fosfor asimiliraju živi organizmi, koji uz njegovo sudjelovanje sintetiziraju niz organskih spojeva i prenose ih na različite trofičke razine.

Nakon što su završili svoj put trofičkim lancima, organske fosfate razgrađuju mikrobi i pretvaraju u mineralne fosfate dostupne zelenim biljkama.

U procesu biološke cirkulacije, koja osigurava kretanje tvari i energije, nema mjesta nakupljanju otpada. Otpadni proizvodi (tj. otpadni proizvodi) svakog oblika života su plodno tlo za druge organizme.

Teoretski, biosfera bi uvijek trebala održavati ravnotežu između proizvodnje biomase i njezine razgradnje. Međutim, u pojedinim geološkim razdobljima dolazilo je do poremećaja ravnoteže biološkog ciklusa kada je zbog određenih prirodni uvjeti, kataklizme, nisu svi biološki proizvodi bili asimilirani, transformirani. U tim slučajevima nastali su viškovi bioloških produkata koji su se konzervirali i taložili u zemljinoj kori, ispod vodenog stupca, sedimentima i završili u zoni permafrosta. Tako su nastala nalazišta ugljena, nafte, plina, vapnenca. Treba napomenuti da oni ne zasipaju biosferu. Energija Sunca, akumulirana u procesu fotosinteze, koncentrirana je u organskim mineralima. Sada, spaljivanjem organskih fosilnih goriva, osoba oslobađa tu energiju.

U biosferi postoji globalno (veliko, ili geološko) kruženje tvari, koje je postojalo i prije pojave prvih živih organizama. Uključuje široku paletu kemijskih elemenata. Geološki ciklus se odvija zahvaljujući solarnim, gravitacijskim, tektonskim i kozmičkim vrstama energije.

Pojavom žive tvari, na temelju geološkog ciklusa, nastao je ciklus organske tvari - mali (biotički, odnosno biološki) ciklus.

Biotički ciklus tvari je kontinuirani, ciklički, vremenski i prostorno neujednačen proces kretanja i transformacije tvari koji se odvija uz izravno sudjelovanje živih organizama. To je kontinuirani proces stvaranja i razgradnje organske tvari, a odvija se uz sudjelovanje sve tri skupine organizama: proizvođača, konzumenata i razlagača. Oko 40 biogenih elemenata uključeno je u biotičke cikluse. Najveća vrijednost za žive organizme imaju cikluse ugljika, vodika, kisika, dušika, fosfora, sumpora, željeza, kalija, kalcija i magnezija.

Kako se živa tvar razvija, sve više i više elemenata neprestano se izvlači iz geološkog ciklusa i ulazi u novi, biološki ciklus. Ukupna masa tvari pepela uključenih godišnje u biotički ciklus tvari samo na kopnu iznosi oko 8 milijardi tona. To je nekoliko puta veća masa produkata erupcije svih vulkana na svijetu tijekom cijele godine. Brzina kruženja tvari u biosferi je različita. Živa tvar biosfere ažurira se u prosjeku 8 godina, masa fitoplanktona u oceanu ažurira se svakodnevno. Sav kisik biosfere prolazi kroz živu tvar za 2000 godina, a ugljični dioksid - za 300 godina.

U ekosustavima se odvijaju lokalni biotički ciklusi, au biosferi biogeokemijski ciklusi migracije atoma, koji ne samo da povezuju sve tri vanjske ovojnice planeta u jedinstvenu cjelinu, već određuju i kontinuiranu evoluciju njegovog sastava.

ATMOSFERA HIDROSFERA

­ ¯ ­ ¯

ŽIVA TVAR

TLO

Evolucija biosfere

Biosfera se pojavila rađanjem prvih živih organizama prije otprilike 3,5 milijardi godina. Tijekom razvoja života mijenjao se. Faze evolucije biosfere mogu se razlikovati uzimajući u obzir karakteristike vrste ekosustava.

1. Nastanak i razvoj života u vodi. Pozornica je povezana s postojanjem vodeni ekosustavi. U atmosferi nije bilo kisika.

2. Pojava živih organizama na kopnu, razvoj kopneno-zračnog okoliša i tla te nastanak kopnenih ekosustava. To je postalo moguće zbog pojave kisika u atmosferi i ozonskog zaslona. To se dogodilo prije 2,5 milijarde godina.

3. Pojava čovjeka, njegova transformacija u biosocijalno biće i nastanak antropoekosustava dogodio se prije 1 milijun godina.

4. Prijelaz biosfere pod utjecajem inteligentne ljudske aktivnosti u novo kvalitativno stanje - u noosferu.

Noosfera

Najviši stupanj u razvoju biosfere je noosfera – stupanj razumnog uređenja odnosa čovjeka i prirode. Ovaj pojam uveo je 1927. godine francuski filozof E. Leroy. Vjerovao je da noosfera uključuje ljudsko društvo sa svojom industrijom, jezikom i drugim atributima inteligentne aktivnosti. U 30-40-im godinama. XX. stoljeće V.I. Vernadski je razvio materijalističke ideje o noosferi. Vjerovao je da noosfera nastaje kao rezultat međudjelovanja biosfere i društva, kontrolirana je bliskim odnosom zakona prirode, mišljenja i socioekonomskih zakona društva, te je naglasio da

noosfera (sfera uma) - stupanj razvoja biosfere, kada će inteligentna aktivnost ljudi postati glavni odlučujući čimbenik u njenom održivom razvoju.

Noosfera je novi, viši stupanj biosfere, povezan s nastankom i razvojem čovječanstva u njoj, koje, poznavajući zakone prirode i usavršavajući tehnologiju, postaje najveća sila usporediva u razmjerima s geološkim, te počinje imati odlučujući utjecaj na tijek procesa na Zemlji, duboko je mijenjajući svojim radom. Formiranje i razvoj čovječanstva iskazali su se u nastanku novih oblika izmjene tvari i energije između društva i prirode, u sve većem utjecaju čovjeka na biosferu. Noosfera će doći kada će čovječanstvo, uz pomoć znanosti, moći smisleno upravljati prirodnim i društvenim procesima. Stoga se noosfera ne može smatrati posebnom ljuskom Zemlje.

Znanost o upravljanju odnosima ljudsko društvo a priroda se zove noogenika.

Glavni cilj noogenike je planiranje sadašnjosti radi budućnosti, a njeni glavni zadaci su ispravljanje poremećaja u odnosu između čovjeka i prirode uzrokovanih napretkom tehnologije, svjesna kontrola evolucije biosfere . Treba formirati plansko, znanstveno potkrijepljeno korištenje prirodnih resursa, koje će osigurati obnovu u ciklusu tvari onoga što je čovjek narušio, nasuprot spontanom, grabežljivom odnosu prema prirodi, koji dovodi do degradacije okoliša. Za ovo je potrebno održivi razvoj društvo koje zadovoljava potrebe sadašnjosti bez ugrožavanja mogućnosti budućih generacija da zadovolje vlastite potrebe.

Trenutno je planet formiran biotehnosfera - dio biosfere, koji je čovjek radikalno transformirao u inženjerske strukture: gradove, tvornice i tvornice, kamenolome i rudnike, ceste, brane i rezervoare itd.

BIOSFERA I ČOVJEK

Biosfera za čovjeka je i stanište i izvor prirodnih resursa.

Prirodni resursi – prirodni predmeti i pojave koje čovjek koristi u procesu rada. Oni ljudima pružaju hranu, odjeću, sklonište. Prema stupnju iscrpljenosti dijele se na iscrpan i neiscrpan . Iscrpljujući resursi se dijele na obnovljivi I neobnovljivi . U neobnovljive resurse spadaju oni resursi koji se ne obnavljaju (ili se obnavljaju stotinama puta sporije nego što se troše): nafta, ugljen, rude metala i većina minerala. Obnovljiva Prirodni resursi tlo, vegetacija i životinjski svijet, mineralne sirovine (kuhinjska sol). Ti se resursi stalno nadopunjuju različita brzina: životinje - nekoliko godina, šume - 60-80 godina, tla koja su izgubila plodnost - nekoliko tisućljeća. Prekoračenje stope potrošnje nad stopom reprodukcije dovodi do potpunog nestanka resursa.

Neiscrpna resursi uključuju vodu, klimu ( atmosferski zrak i energija vjetra) i prostora: Sunčevo zračenje, energija plime i oseke mora. Međutim, sve veće onečišćenje okoliša zahtijeva provođenje ekoloških mjera za očuvanje ovih resursa.

Zadovoljenje ljudskih potreba nezamislivo je bez iskorištavanja prirodnih resursa.

Sve vrste ljudske aktivnosti u biosferi mogu se kombinirati u četiri oblika.

1. Promjena strukture zemljine površine(oranje zemlje, isušivanje vodnih tijela, krčenje šuma, izgradnja kanala). Čovječanstvo postaje moćna geološka sila. Čovjek koristi 75% zemlje, 15% riječnih voda, 20 hektara šuma se posječe svake minute.

· Geološke i geomorfološke promjene - intenziviranje formiranja jaruga, pojava i učestalost muljevita i klizišta.

· Kompleksne (krajobrazne) promjene - narušavanje cjelovitosti i prirodne strukture krajobraza, jedinstvenost prirodnih spomenika, gubitak produktivnog zemljišta, dezertifikacija.