Veliki geološki ciklus. Velika enciklopedija nafte i plina

Veliki (geološki) i mali (biogeokemijski) ciklusi tvari

Sve tvari na našem planetu su u procesu kruženja. Sunčeva energija uzrokuje dva ciklusa materije na Zemlji:

Velika (geološka ili abiotička);

Mali (biotički, biogeni ili biološki).

Ciklusi materije i tokovi kozmičke energije stvaraju stabilnost biosfere. Kruženje čvrste tvari i vode, koje nastaje kao posljedica djelovanja abiotskih čimbenika (nežive prirode), naziva se veliki geološki ciklus. S velikim geološkim ciklusom (protječu milijuni godina), stijene se uništavaju, troše, tvari se otapaju i ulaze u Svjetski ocean; događaju se geotektonske promjene, tonjenje kontinenata, izdizanje morskog dna. Vrijeme ciklusa vode u ledenjacima je 8.000 godina, u rijekama - 11 dana. Upravo velika cirkulacija opskrbljuje žive organizme hranjivim tvarima i uvelike određuje uvjete njihova postojanja.

Veliki geološki ciklus u biosferi karakteriziraju dvije važne točke: kisik ugljik geološka

• a) provodi se u cijelosti geološki razvoj Zemlja;
• b) je moderni planetarni proces koji ima vodeću ulogu u daljnji razvoj biosfera.

U sadašnjoj fazi ljudskog razvoja, kao rezultat velike cirkulacije, zagađivači se također prenose na velike udaljenosti - oksidi sumpora i dušika, prašina, radioaktivne nečistoće. Područja umjerenih geografskih širina sjeverne hemisfere bila su izložena najvećem zagađenju.

Malo, biogeno ili biološko kruženje tvari odvija se u čvrstom, tekućem i plinovitom stanju uz sudjelovanje živih organizama. Biološki ciklus, za razliku od geološkog ciklusa, zahtijeva manje energije. Mali ciklus je dio velikog, događa se na razini biogeocenoza (unutar ekosustava) i leži u činjenici da se hranjive tvari u tlu, voda, ugljik nakupljaju u biljnoj tvari i troše na izgradnju tijela. Produkti raspadanja organske tvari razlažu se na mineralne komponente. Mali ciklus nije zatvoren, što je povezano s ulaskom tvari i energije u ekosustav izvana i ispuštanjem nekih od njih u biosferski ciklus.

Mnogi kemijski elementi i njihovi spojevi uključeni su u velike i male cikluse, ali najvažniji od njih su oni koji određuju trenutni stupanj razvoja biosfere, povezan s gospodarskom djelatnošću čovjeka. Tu spadaju ciklusi ugljika, sumpora i dušika (njihovi oksidi su glavni zagađivači atmosfere), kao i fosfora (fosfati su glavni zagađivač kontinentalnih voda). Gotovo svi polutanti djeluju štetno, a svrstavaju se u ksenobiotike. Trenutno su od velike važnosti ciklusi ksenobiotika - toksični elementi - živa (kontaminant hrane) i olovo (sastojak benzina). Osim toga, mnoge tvari antropogenog podrijetla (DDT, pesticidi, radionuklidi i dr.) ulaze u mali optok iz velikog optoka, koje štete bioti i ljudskom zdravlju.

Bit biološkog ciklusa je tijek dva suprotna, ali međusobno povezana procesa - stvaranje organske tvari i njezino uništavanje od strane žive tvari.

Za razliku od velikog ciklusa, mali ima različito trajanje: razlikuju se sezonski, godišnji, višegodišnji i svjetovni mali ciklusi. Kruženje kemikalija iz anorganskog okoliša kroz vegetaciju i životinje natrag u anorganski okoliš korištenjem sunčeve energije kemijske reakcije nazvan biogeokemijski ciklus.

Sadašnjost i budućnost našeg planeta ovisi o sudjelovanju živih organizama u funkcioniranju biosfere. U kruženju tvari živa tvar, odnosno biomasa, obavlja biogeokemijske funkcije: plinsku, koncentracijsku, redoks i biokemijsku.

Biološki ciklus odvija se uz sudjelovanje živih organizama i sastoji se u reprodukciji organske tvari iz anorganske i razgradnji ove organske u anorgansku kroz prehrambeni trofički lanac. Intenzitet procesa proizvodnje i razgradnje u biološkom ciklusu ovisi o količini topline i vlage. Na primjer, niska stopa razgradnje organske tvari u polarnim područjima ovisi o deficitu topline.

Važan pokazatelj intenziteta biološkog ciklusa je brzina kruženja kemijskih elemenata. Intenzitet je karakteriziran indeksom koji je jednak omjeru mase šumske stelje i stelje. Što je veći indeks, niži je intenzitet ciklusa.

Indeks u crnogoričnim šumama - 10 - 17; širokolisni 3 - 4; savana ne više od 0,2; vlažne tropske šume ne više od 0,1, tj. ovdje je biološki ciklus najintenzivniji.

Protok elemenata (dušika, fosfora, sumpora) kroz mikroorganizme je za red veličine veći nego kroz biljke i životinje. Biološki ciklus nije potpuno reverzibilan, usko je povezan s biogeokemijskim ciklusom. Kemijski elementi kruže u biosferi različitim stazama biološkog ciklusa:

• - apsorbira živa tvar i puni energijom;
• - napustiti živu tvar, oslobađajući energiju u vanjsko okruženje.

Ovi ciklusi su dvije vrste: kruženje plinovitih tvari; sedimentni ciklus (rezerva u zemljinoj kori).

Sami ciklusi se sastoje od dva dijela:

• - rezervni fond (ovo je dio tvari koji nije povezan sa živim organizmima);
• - pokretni (razmjenski) fond (manji dio tvari povezan s izravnom razmjenom između organizama i njihove neposredne okoline).

Ciklusi se dijele na:

• - ciklusi plinskog tipa s rezervnim fondom u zemljinoj kori (ciklusi ugljika, kisika, dušika) - sposobni za brzu samoregulaciju;
• - sedimentni ciklusi s rezervnim fondom u zemljinoj kori (kruženja fosfora, kalcija, željeza i dr.) - inertniji su, glavnina tvari je u obliku "nedostupnom" živim organizmima.

Ciklusi se također mogu podijeliti na:

• - zatvoren (kruženje plinovitih tvari, npr. kisika, ugljika i dušika - rezerva u atmosferi i hidrosferi oceana, pa se nedostatak brzo nadoknađuje);
• - otvoreni (stvaranje rezervnog fonda u zemljinoj kori, na primjer, fosfor - stoga se gubici slabo nadoknađuju, tj. stvara se deficit).

Energetska osnova postojanja bioloških ciklusa na Zemlji i njihova početna poveznica je proces fotosinteze. Svaki novi ciklus cirkulacije nije točno ponavljanje prethodnog. Na primjer, tijekom evolucije biosfere neki su procesi bili nepovratni, što je rezultiralo stvaranjem i nakupljanjem biogenih oborina, povećanjem količine kisika u atmosferi, promjenom kvantitativnih omjera izotopa niza elementi, itd.

Kruženje tvari obično se naziva biogeokemijskim ciklusima. Glavni biogeokemijski (biosferski) ciklusi tvari: kruženje vode, kruženje kisika, kruženje dušika (sudjelovanje bakterija koje vežu dušik), kruženje ugljika (sudjelovanje aerobnih bakterija; godišnje se oko 130 tona ugljika ispušta u geološku ciklus), ciklus fosfora (sudjelovanje bakterija u tlu; godišnje se iz oceana ispere 14 milijuna tona fosfora), ciklus sumpora, ciklus metalnih kationa.

Kruženje vode

Ciklus vode je zatvoreni ciklus koji se može izvoditi, kao što je gore navedeno, čak iu odsutnosti života, ali ga živi organizmi modificiraju.

Ciklus se temelji na načelu da se ukupno isparavanje kompenzira oborinom. Za planet kao cjelinu, isparavanje i oborina uravnotežuju jedno drugo. Istovremeno, više vode ispari iz oceana nego što se vrati s oborinama. Na kopnu, naprotiv, padne više oborina, ali višak otječe u jezera i rijeke, a odatle opet u ocean. Ravnoteža vlage između kontinenata i oceana održava se otjecanjem rijeka.

Dakle, globalni hidrološki ciklus ima četiri glavna toka: padaline, isparavanje, prijenos vlage i transpiraciju.

Voda - najčešća tvar u biosferi - služi ne samo kao stanište za mnoge organizme, već je i sastavni dio tijela svih živih bića. Unatoč golemom značaju vode u svim životnim procesima koji se odvijaju u biosferi, živa tvar nema presudnu ulogu u velikom kruženju vode na kugli zemaljskoj. Pokretačka snaga ovog ciklusa je energija sunca koja se troši na isparavanje vode s površine vodenih bazena ili kopna. Isparena vlaga kondenzira se u atmosferi u obliku oblaka nošenih vjetrom; Kako se oblaci hlade, padaju oborine.

Ukupna količina slobodne nevezane vode (udio oceana i mora gdje je tekuća slana voda) iznosi 86 do 98%. Ostatak vode (slatka voda) skladišti se u polarnim kapama i ledenjacima te tvori vodene bazene i njihove podzemne vode. Oborina koja padne na površinu zemlje prekrivenu vegetacijom, djelomično se zadržava na površini lista i zatim isparava u atmosferu. Vlaga koja dospijeva u tlo može se pridružiti površinskom otjecanju ili je tlo apsorbira. Potpuno apsorbiran u tlu (ovisi o vrsti tla, karakteristikama stijena i vegetacijskom pokrovu), višak sedimenta može prodrijeti duboko u podzemne vode. Ako količina padalina premašuje kapacitet vode gornje slojeve tla, počinje površinsko otjecanje čija brzina ovisi o stanju tla, strmini padine, trajanju oborina i prirodi vegetacije (vegetacija može zaštititi tlo od erozije vodom). Voda zarobljena u tlu može ispariti s njegove površine ili, nakon apsorpcije korijena biljke, transpirirati (ispariti) u atmosferu kroz lišće.

Transpiracijski tok vode (tlo – korijenje biljke – lišće – atmosfera) glavni je put vode kroz živu tvar u njenom velikom kruženju na našem planetu.

Ciklus ugljika

Cijela raznolikost organskih tvari, biokemijskih procesa i oblika života na Zemlji ovisi o svojstvima i karakteristikama ugljika. Sadržaj ugljika u većini živih organizama iznosi oko 45% njihove suhe biomase. Sva živa tvar planeta uključena je u ciklus organske tvari i sav ugljik Zemlje, koji kontinuirano nastaje, mutira, umire, razgrađuje se i u tom slijedu ugljik se prenosi iz jedne organske tvari u izgradnju druge duž hranidbeni lanac. Osim toga, sva živa bića dišu, ispuštajući ugljični dioksid.

Kruženje ugljika na kopnu. Ciklus ugljika održavaju fotosintezom kopnene biljke i oceanski fitoplankton. Apsorpcijom ugljičnog dioksida (fiksiranjem anorganskog ugljika) biljke koriste energiju sunčeve svjetlosti da ga pretvore u organske spojeve – stvarajući vlastitu biomasu. Noću, biljke, kao i sva živa bića, dišu, ispuštajući ugljični dioksid.

Mrtve biljke, leševi i izmet životinja služe kao hrana brojnim heterotrofnim organizmima (životinje, biljke saprofiti, gljive, mikroorganizmi). Svi ti organizmi žive uglavnom u tlu iu procesu života stvaraju vlastitu biomasu koja uključuje organski ugljik. Također oslobađaju ugljični dioksid, stvarajući "disanje tla". Često se mrtva organska tvar ne razgradi do kraja te se u tlima nakuplja humus (humus) koji igra važnu ulogu u plodnosti tla. Stupanj mineralizacije i humifikacije organskih tvari ovisi o mnogim čimbenicima: vlažnosti, temperaturi, fizikalnim svojstvima tla, sastavu organskih ostataka itd. Pod djelovanjem bakterija i gljivica humus se može razgraditi na ugljikov dioksid i mineralne spojeve.

Kruženje ugljika u oceanima. Kruženje ugljika u oceanu razlikuje se od onog na kopnu. U oceanu je slaba karika organizama viših trofičkih razina, a time i svih karika kruženja ugljika. Vrijeme prolaska ugljika kroz trofičku vezu oceana je kratko, a količina oslobođenog ugljičnog dioksida je beznačajna.

Ocean ima ulogu glavnog regulatora sadržaja ugljičnog dioksida u atmosferi. Između oceana i atmosfere postoji intenzivna izmjena ugljičnog dioksida. Oceanske vode imaju veliku moć otapanja i puferski kapacitet. Sustav koji se sastoji od ugljične kiseline i njezinih soli (karbonata) svojevrsno je skladište ugljičnog dioksida, povezano s atmosferom difuzijom CO? iz vode u atmosferu i obrnuto.

Fotosinteza fitoplanktona intenzivno se odvija u oceanu tijekom dana, dok se slobodni ugljični dioksid intenzivno troši, karbonati služe kao dodatni izvor njegovog stvaranja. Noću, s povećanjem sadržaja slobodne kiseline zbog disanja životinja i biljaka, značajan dio ponovno ulazi u sastav karbonata. Tekući procesi idu u sljedećim smjerovima: živa tvar? CO?? H?CO?? Sa(NSO?)?? CaCO?.

U prirodi određena količina organske tvari ne prolazi mineralizaciju kao rezultat nedostatka kisika, visoke kiselosti okoliša, specifičnih uvjeta ukopa itd. Dio ugljika napušta biološki ciklus u obliku anorganskih (vapnenac, kreda, koralji) i organskih (škriljavac, nafta, ugljen) naslaga.

Ljudska aktivnost čini značajne promjene u ciklusu ugljika na našem planetu. Mijenjaju se krajolici, tipovi vegetacije, biocenoze i njihovi prehrambeni lanci, velike površine kopna se isušuju ili navodnjavaju, plodnost tla se poboljšava (ili pogoršava), primjenjuju se gnojiva i pesticidi itd. Najopasnije je ispuštanje ugljičnog dioksida u atmosferu kao posljedica izgaranja goriva. To povećava brzinu ciklusa ugljika i skraćuje njegov ciklus.

Ciklus kisika

Kisik je preduvjet za postojanje života na Zemlji. Uključen je u gotovo sve biološke spojeve, sudjeluje u biokemijskim reakcijama oksidacije organskih tvari, osiguravajući energiju za sve vitalne procese organizama u biosferi. Kisik osigurava disanje životinja, biljaka i mikroorganizama u atmosferi, tlu, vodi, sudjeluje u kemijskim oksidacijskim reakcijama koje se odvijaju u stijenama, tlima, muljevima, vodonosnicima.

Glavne grane ciklusa kisika:

• - nastajanje slobodnog kisika tijekom fotosinteze i njegova apsorpcija tijekom disanja živih organizama (biljke, životinje, mikroorganizmi u atmosferi, tlu, vodi);
• - stvaranje ozonskog zaslona;
• - stvaranje redoks zona;
• - oksidacija ugljičnog monoksida tijekom vulkanskih erupcija, nakupljanje sulfatnih sedimentnih stijena, potrošnja kisika u ljudskim aktivnostima itd.; posvuda je molekularni kisik uključen u fotosintezu.

ciklus dušika

Dušik je dio biološki važnih organskih tvari svih živih organizama: proteina, nukleinske kiseline, lipoproteini, enzimi, klorofil itd. Unatoč sadržaju dušika (79%) u zraku, on je deficitaran za žive organizme.

Dušik je u biosferi u plinovitom obliku (N2) nedostupan organizmima - kemijski je slabo aktivan, stoga ga više biljke (i većina nižih biljaka) i životinjski svijet ne mogu izravno koristiti. Biljke apsorbiraju dušik iz tla u obliku amonijevih iona ili nitratnih iona, tj. takozvani fiksni dušik.

Postoji atmosferska, industrijska i biološka fiksacija dušika.

Atmosferska fiksacija nastaje ionizacijom atmosfere kozmičkim zrakama i jakim električnim pražnjenjima za vrijeme grmljavinskog nevremena, a iz molekularnog dušika zraka nastaju dušikovi i amonijačni oksidi koji uslijed atmosferskih padalina prelaze u amonijev, nitritni, nitratni dušik i ulaze u bazene tla i vode.

Industrijska fiksacija javlja se kao rezultat ljudskih aktivnosti. Atmosferu zagađuju dušikovim spojevima biljke koje proizvode dušikove spojeve. Vruće emisije iz termoelektrana, tvornica, svemirskih letjelica, nadzvučnih letjelica oksidiraju dušik u zraku. Dušikovi oksidi, u interakciji s zrakom, vodenom parom s oborinama, vraćaju se u tlo, ulaze u tlo u ionskom obliku.

Biološka fiksacija igra glavnu ulogu u ciklusu dušika. Vrše ga bakterije tla:

• - bakterije koje fiksiraju dušik (i modrozelene alge);
• - mikroorganizmi koji žive u simbiozi s višim biljkama (kvržične bakterije);
• - amonificirajući;
• - nitrificiranje;
• - denitrifikaciju.

Slobodno živeći u tlu, aerobne (postojeće u prisutnosti kisika) bakterije koje fiksiraju dušik (Azotobacter) sposobne su fiksirati atmosferski molekularni dušik zahvaljujući energiji dobivenoj oksidacijom organske tvari tla tijekom disanja, naposljetku ga vezujući s vodikom i uvodeći ga u obliku amino skupine (- NH2) u sastav aminokiselina u vašem tijelu. Molekularni dušik je također sposoban fiksirati neke anaerobne (žive u nedostatku kisika) bakterije koje postoje u tlu (Clostridium). Umirući, i oni i drugi mikroorganizmi obogaćuju tlo organskim dušikom.

Modrozelene alge, koje su posebno važne za tlo rižinih polja, također su sposobne biološke fiksacije molekularnog dušika.

Najučinkovitija biološka fiksacija atmosferskog dušika događa se kod bakterija koje žive u simbiozi u kvržicama mahunarki (kvržične bakterije).

Ove bakterije (Rizobium) koriste energiju biljke domaćina za fiksiranje dušika dok opskrbljuju zemaljske organe domaćina dostupnim dušikovim spojevima.

Asimilirani dušikovi spojevi iz tla u obliku nitrata i amonijaka, biljke grade potrebne spojeve koji sadrže dušik u svom tijelu (nitratni dušik u biljnim stanicama se prethodno obnavlja). Postrojenja proizvođači opskrbljuju dušične tvari u cijelosti životinjski svijet i ljudskosti. Mrtve biljke koriste, prema trofičkom lancu, bioreduktori.

Amonificirajući mikroorganizmi razgrađuju organske tvari koje sadrže dušik (aminokiseline, urea) uz stvaranje amonijaka. Dio organskog dušika u tlu se ne mineralizira, već se pretvara u humusne tvari, bitumen i komponente sedimentnih stijena.

Amonijak (kao amonijev ion) može ući u korijenski sustav biljaka ili se koristiti u procesima nitrifikacije.

Nitrifikacijski mikroorganizmi su kemosintetici, koriste energiju oksidacije amonijaka u nitrate i nitrita u nitrate kako bi osigurali sve životne procese. Zahvaljujući toj energiji nitrifikatori obnavljaju ugljični dioksid i izgrađuju organske tvari svog tijela. Oksidacija amonijaka tijekom nitrifikacije odvija se prema sljedećim reakcijama:

NH? + 3O? ? 2HNO? + 2H2O + 600 kJ (148 kcal).

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

Nitrati nastali u procesima nitrifikacije ponovno ulaze u biološki ciklus, apsorbiraju se iz tla putem korijena biljaka ili nakon ulaska s otjecanjem vode u vodene bazene - fitoplankton i fitobentos.

Uz organizme koji fiksiraju atmosferski dušik i nitrificiraju ga, u biosferi postoje mikroorganizmi koji mogu reducirati nitrate ili nitrite u molekularni dušik. Takvi mikroorganizmi, zvani denitrifikatori, s nedostatkom slobodnog kisika u vodi ili tlu, koriste kisik nitrata za oksidaciju organskih tvari:

C?H??O?(glukoza) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6CO? + 12N? + 18H?O + energija

Energija koja se pritom oslobađa služi kao temelj cjelokupne vitalne aktivnosti denitrifikacijskih mikroorganizama.

Dakle, žive tvari igraju iznimnu ulogu u svim karikama ciklusa.

Trenutno ljudska industrijska fiksacija atmosferskog dušika igra sve važniju ulogu u ravnoteži dušika u tlu i, posljedično, u cjelokupnom ciklusu dušika u biosferi.

Ciklus fosfora

Ciklus fosfora je jednostavniji. Dok je rezervoar dušika zrak, rezervoar fosfora su stijene iz kojih se oslobađa erozijom.

Ugljik, kisik, vodik i dušik migriraju lakše i brže u atmosferi budući da su u plinovitom obliku, tvoreći plinovite spojeve u biološkim ciklusima. Za sve ostale elemente, osim za sumpor, nužne za postojanje žive tvari, stvaranje plinovitih spojeva u biološkim ciklusima nije svojstveno. Ovi elementi migriraju uglavnom u obliku iona i molekula otopljenih u vodi.

Fosfor, koji biljke asimiliraju u obliku iona ortofosforne kiseline, igra važnu ulogu u životu svih živih organizama. Dio je ADP-a, ATP-a, DNA, RNA i drugih spojeva.

Ciklus fosfora u biosferi je otvoren. U kopnenim biogeocenozama fosfor, nakon što ga biljke apsorbiraju iz tla kroz hranidbeni lanac, ponovno ulazi u tlo u obliku fosfata. Glavninu fosfora ponovno apsorbira korijenski sustav biljaka. Djelomično se fosfor može isprati otjecanjem kišnice iz tla u vodene bazene.

U prirodnim biogeocenozama često nedostaje fosfora, a u alkalnoj i oksidiranoj sredini on se najčešće nalazi u obliku netopljivih spojeva.

Veliku količinu fosfata sadrže stijene litosfere. Neki od njih postupno prelaze u tlo, neke je čovjek razvio za proizvodnju fosfatnih gnojiva, većina ih se ispira i ispire u hidrosferu. Tamo ih koristi fitoplankton i srodni organizmi na različitim trofičkim razinama složenih prehrambenih lanaca.

U Svjetskom oceanu dolazi do gubitka fosfata iz biološkog ciklusa zbog taloženja biljnih i životinjskih ostataka na velikim dubinama. Budući da se fosfor uglavnom kreće iz litosfere u hidrosferu s vodom, on biološki migrira u litosferu (morske ptice jedu ribu, koriste bentoske alge i riblje brašno kao gnojivo itd.).

Od svih elemenata mineralne ishrane biljaka, fosfor se može smatrati manjkavim.

Ciklus sumpora

Za žive organizme sumpor je od velike važnosti, jer je dio aminokiselina koje sadrže sumpor (cistin, cistein, metionin itd.). Budući da su u sastavu proteina, aminokiseline koje sadrže sumpor održavaju potrebnu trodimenzionalnu strukturu proteinskih molekula.

Sumpor biljke apsorbiraju iz tla samo u oksidiranom obliku, u obliku iona. U biljkama je sumpor reduciran i ulazi u sastav aminokiselina u obliku sulfhidrilne (-SH) i disulfidne (-S-S-) skupine.

Životinje asimiliraju samo reducirani sumpor, koji je dio organske tvari. Nakon odumiranja biljnih i životinjskih organizama, sumpor se vraća u tlo, gdje kao rezultat djelovanja brojnih oblika mikroorganizama dolazi do transformacija.

U aerobnim uvjetima neki mikroorganizmi oksidiraju organski sumpor do sulfata. Sulfatni ioni, apsorbirani od strane korijena biljaka, ponovno su uključeni u biološki ciklus. Neki sulfati mogu se uključiti u migraciju vode i ukloniti iz tla. U tlima bogatim humusnim tvarima značajna količina sumpora nalazi se u organskim spojevima, što sprječava njegovo ispiranje.

U anaerobnim uvjetima, razgradnjom organskih spojeva sumpora nastaje sumporovodik. Ako su sulfati i organske tvari u okruženju bez kisika, tada se aktivira aktivnost bakterija koje reduciraju sulfat. Oni koriste kisik sulfata za oksidaciju organske tvari i tako dobivaju energiju potrebnu za svoje postojanje.

Bakterije koje reduciraju sulfate česte su u podzemnim vodama, mulju i stajaćoj morskoj vodi. Sumporovodik je otrov za većinu živih organizama, pa njegovo nakupljanje u tlu ispunjenom vodom, jezerima, estuarijima itd. značajno smanjuje ili čak potpuno zaustavlja vitalne procese. Takav se fenomen opaža u Crnom moru na dubini ispod 200 m od njegove površine.

Dakle, za stvaranje povoljnog okoliša potrebno je oksidirati vodikov sulfid do sulfatnih iona, koji će uništiti štetni učinak vodikovog sulfida, sumpor će se pretvoriti u oblik dostupan biljkama - u obliku sulfatnih soli. Tu ulogu u prirodi obavlja posebna skupina sumpornih bakterija (bezbojne, zelene, ljubičaste) i tionskih bakterija.

Bezbojne sumporne bakterije su kemosintetske: koriste energiju dobivenu oksidacijom sumporovodika kisikom u elementarni sumpor i njegovu daljnju oksidaciju u sulfate.

Obojene sumporne bakterije su fotosintetski organizmi koji koriste sumporovodik kao donor vodika za smanjenje ugljičnog dioksida.

Nastali elementarni sumpor kod zelenih sumpornih bakterija oslobađa se iz stanica, kod ljubičastih bakterija nakuplja se unutar stanica.

Ukupna reakcija ovog procesa je fotoredukcija:

CO?+ 2H?S svjetlo? (CH20) + H20 +2S.

Tionske bakterije oksidiraju elementarni sumpor i njegove različite reducirane spojeve u sulfate na račun slobodnog kisika, vraćajući ga natrag u glavni tok biološkog ciklusa.

U procesima biološkog ciklusa, gdje se pretvara sumpor, veliku ulogu imaju živi organizmi, posebno mikroorganizmi.

Glavni rezervoar sumpora na našem planetu je Svjetski ocean, budući da sulfatni ioni neprestano ulaze u njega iz tla. Dio sumpora iz oceana vraća se na kopno kroz atmosferu prema shemi vodikov sulfid - oksidirajući ga u sumporov dioksid - otapajući ga u kišnici uz stvaranje sumporne kiseline i sulfata - vraćajući sumpor s oborinama u Zemljin pokrov tla.

Ciklus anorganskih kationa

Uz osnovne elemente od kojih su izgrađeni živi organizmi (ugljik, kisik, vodik, fosfor i sumpor), od životne su važnosti i mnogi drugi makro i mikroelementi – anorganski kationi. U vodenim bazenima biljke dobivaju metalne katione koji su im potrebni izravno iz okoliša. Na kopnu je glavni izvor anorganskih kationa tlo koje ih je primilo u procesu razaranja matičnih stijena. U biljkama, kationi koje apsorbira korijenski sustav prelaze u lišće i druge organe; neki od njih (magnezij, željezo, bakar i niz drugih) dio su biološki važnih molekula (klorofil, enzimi); drugi, ostajući u slobodnom obliku, sudjeluju u održavanju potrebnih koloidnih svojstava protoplazme stanica i obavljaju razne druge funkcije.

Kada živi organizmi uginu, anorganski kationi se vraćaju u tlo u procesu mineralizacije organskih tvari. Gubitak ovih komponenti iz tla nastaje kao posljedica ispiranja i uklanjanja metalnih kationa kišnicom, odbacivanja i uklanjanja organske tvari od strane ljudi tijekom uzgoja poljoprivrednih biljaka, sječe, košnje trave za stočnu hranu itd.

Racionalna uporaba mineralnih gnojiva, melioracija tla, primjena organskih gnojiva i pravilna poljoprivredna tehnologija pomoći će obnoviti i održati ravnotežu anorganskih kationa u biocenozama biosfere.

Antropogeno kruženje: kruženje ksenobiotika (živa, olovo, krom)

Čovječanstvo je dio prirode i može postojati samo u stalnoj interakciji s njom.

Postoje sličnosti i proturječnosti između prirodnog i antropogenog kruženja tvari i energije koji se odvijaju u biosferi.

Prirodni (biogeokemijski) ciklus života ima sljedeće značajke:

• - korištenje sunčeve energije kao izvora života i svih njegovih pojavnih oblika na temelju termodinamičkih zakona;
• - provodi se bez otpada, tj. svi proizvodi njegove vitalne aktivnosti mineraliziraju se i ponovno uključuju u sljedeći ciklus kruženja tvari. Istovremeno, potrošena, obezvrijeđena toplinska energija uklanja se izvan biosfere. Tijekom biogeokemijskog ciklusa tvari nastaje otpad, tj. rezerve u obliku ugljena, nafte, plina i dr mineralni resursi. Za razliku od prirodnog ciklusa bez otpada, antropogeni ciklus prati povećanje količine otpada svake godine.

U prirodi nema ničeg beskorisnog i štetnog, čak i vulkanske erupcije imaju koristi, jer potrebni elementi (na primjer, dušik) ulaze u zrak s vulkanskim plinovima.

Postoji zakon globalne zatvorenosti biogeokemijskog kruženja u biosferi koji vrijedi u svim fazama njezina razvoja, kao i pravilo povećanja zatvorenosti biogeokemijskog kruženja u tijeku sukcesije.

Ljudi igraju veliku ulogu u biogeokemijskom ciklusu, ali u suprotnom smjeru. Čovjek narušava postojeće cikluse tvari i time očituje svoju geološku snagu – destruktivnu u odnosu na biosferu. Kao rezultat antropogene aktivnosti, smanjuje se stupanj izolacije biogeokemijskih ciklusa.

Antropogeni ciklus nije ograničen na energiju sunčeve svjetlosti koju su uhvatile zelene biljke planeta. Čovječanstvo koristi energiju goriva, hidro i nuklearnih elektrana.

Može se tvrditi da je antropogena aktivnost u sadašnjoj fazi ogromna destruktivna sila za biosferu.

Biosfera ima posebno svojstvo - značajnu otpornost na zagađivače. Ova stabilnost temelji se na prirodnoj sposobnosti različitih komponenti prirodno okruženje do samopročišćenja i samoiscjeljenja. Ali ne neograničeno. Moguća globalna kriza uzrokovala je potrebu izgradnje matematičkog modela biosfere kao cjeline (sustav "Gaia") kako bi se dobile informacije o mogućem stanju biosfere.

Ksenobiotik je tvar strana živim organizmima koja se pojavljuje kao rezultat antropogene aktivnosti (pesticidi, kućanske kemikalije i drugi zagađivači), sposobna izazvati poremećaj biotičkih procesa, uklj. bolesti ili smrti. Takvi zagađivači ne podliježu biorazgradnji, već se nakupljaju u trofičkim lancima.

Merkur je vrlo rijedak element. Raspršen je u zemljinoj kori i samo u nekoliko minerala, kao što je cinobar, sadržan je u koncentriranom obliku. Živa je uključena u kruženje tvari u biosferi, migrirajući u plinovitom stanju iu vodenim otopinama.

U atmosferu ulazi iz hidrosfere tijekom isparavanja, tijekom oslobađanja iz cinobarita, s vulkanskim plinovima i plinovima iz termalnih izvora. Dio plinovite žive u atmosferi prelazi u krutu fazu i uklanja se iz zraka. Otpalu živu apsorbira tlo, posebno glina, voda i stijene. U zapaljivim mineralima - nafti i ugljenu - žive ima do 1 mg/kg. Otprilike 1,6 milijardi tona nalazi se u vodenoj masi oceana, 500 milijardi tona u pridnenim sedimentima i 2 milijuna tona u planktonu. Godišnje riječne vode s kopna iznesu oko 40 tisuća tona, što je 10 puta manje od onoga što isparavanjem ulazi u atmosferu (400 tisuća tona). Godišnje na kopno padne oko 100 tisuća tona.

Živa se od prirodnog sastojka prirodnog okoliša pretvorila u jednu od najopasnijih emisija u biosferu za ljudsko zdravlje. Široko se koristi u metalurgiji, kemijskoj, električnoj, elektroničkoj, industriji celuloze i papira te farmaceutskoj industriji te se koristi za proizvodnju eksploziva, lakova i boja, kao i u medicini. Industrijske otpadne vode i atmosferske emisije, uz rudnike žive, postrojenja za proizvodnju žive i termoelektrane (CHP i kotlovnice) na ugljen, naftu i naftne derivate, glavni su izvori onečišćenja biosfere ovom toksičnom komponentom. Osim toga, živa je sastojak organoživinih pesticida koji se koriste u poljoprivredi za tretiranje sjemena i zaštitu usjeva od nametnika. U ljudski organizam ulazi s hranom (jaja, kiselo žito, meso životinja i ptica, mlijeko, riba).

Živa u vodi i na dnu rijeka

Utvrđeno je da je oko 80% žive koja ulazi u prirodne vodene površine u otopljenom obliku, što u konačnici pridonosi njezinom širenju na velike udaljenosti zajedno s vodenim tokovima. Čisti element je netoksičan.

Živa se u muljevitim vodama na dnu nalazi češće u relativno bezopasnim koncentracijama. Anorganske spojeve žive pretvaraju u otrovne organske spojeve žive, kao što su metil-živa CH?Hg i etil-živa C?H?Hg, pomoću bakterija koje žive u detritusu i sedimentu, u mulju s dna jezera i rijeka, u sluzi koja prekriva tijela ribe, a također i u sluzi ribljeg želuca. Ovi spojevi su lako topljivi, mobilni i vrlo otrovni. Kemijska osnova agresivnog djelovanja žive je njezin afinitet prema sumporu, posebice prema skupini sumporovodika u proteinima. Te se molekule vežu za kromosome i moždane stanice. Ribe i školjke mogu ih nakupiti do opasnih razina za osobu koja ih jede, uzrokujući Minamata bolest.

Metalna živa i njeni anorganski spojevi djeluju uglavnom na jetru, bubrege i crijevni trakt, ali se u normalnim uvjetima relativno brzo izlučuju iz organizma i količina opasna za ljudski organizam ne stigne se akumulirati. Mnogo su opasniji metilživa i drugi alkil živini spojevi, jer dolazi do kumulacije – toksin brže ulazi u tijelo nego što se izlučuje iz organizma, djelujući na središnji živčani sustav.

Pridneni sedimenti važna su karakteristika vodenih ekosustava. Akumulirajući teške metale, radionuklide i visokotoksične organske tvari, pridneni sedimenti, s jedne strane, pridonose samopročišćavanju vodenih okoliša, as druge strane stalni su izvor sekundarnog onečišćenja vodnih tijela. Pridneni sedimenti obećavajući su predmet analize, odražavajući dugoročni obrazac onečišćenja (osobito u vodnim tijelima sa sporim protokom). Štoviše, akumulacija anorganske žive u pridnenim sedimentima opaža se posebno u ušćima rijeka. Napeta situacija može nastati kada se iscrpi adsorpcijski kapacitet sedimenata (mulja, oborina). Kada se dostigne adsorpcijski kapacitet, teški metali, uklj. živa će ući u vodu.

Poznato je da u morskim anaerobnim uvjetima u sedimentima mrtvih algi živa veže vodik i prelazi u hlapljive spojeve.

Uz sudjelovanje mikroorganizama, metalna živa može se metilirati u dvije faze:

CH?Hg+ ? (CH?)? Hg

Metil živa se pojavljuje u okolišu praktički samo tijekom metilacije anorganske žive.

Biološko vrijeme poluraspada žive je dugo, za većinu tkiva ljudskog tijela iznosi 70-80 dana.

Poznato je da su velike ribe, poput sabljarke i tune, kontaminirane živom u ranoj fazi prehrambenog lanca. Pritom nije bez interesa primijetiti da se živa, čak u većoj mjeri nego u ribi, nakuplja (nagomilava) u kamenicama.

Živa u organizam čovjeka ulazi disanjem, hranom i preko kože po sljedećoj shemi:

Prvo, postoji transformacija žive. Ovaj se element prirodno pojavljuje u nekoliko oblika.

Metalna živa, koja se koristi u termometrima, i njezine anorganske soli (npr. klorid) relativno se brzo eliminiraju iz organizma.

Puno su otrovniji alkil živini spojevi, posebice metil i etil žive. Ovi spojevi se vrlo sporo izlučuju iz organizma – samo oko 1% ukupne količine dnevno. Iako je većina žive koja dospije u prirodne vode u obliku anorganskih spojeva, ona uvijek završi u ribama u obliku mnogo otrovnije metil žive. Bakterije u mulju s dna jezera i rijeka, u sluzi koja prekriva tijelo riba, kao iu sluzi ribljeg želuca, sposobne su pretvoriti anorganske spojeve žive u metil živu.

Drugo, selektivna akumulacija, ili biološka akumulacija (koncentracija), podiže sadržaj žive u ribama i školjkama na višestruko više razine nego u vodi zaljeva. Ribe i školjke koje žive u rijeci nakupljaju metil živu do koncentracija koje su opasne za ljude koji ih koriste za prehranu.

% svjetskog ulova ribe sadrži živu u količini koja ne prelazi 0,5 mg/kg, a 95 % - ispod 0,3 mg/kg. Gotovo sva živa u ribi je u obliku metil žive.

S obzirom na različitu toksičnost živinih spojeva za čovjeka u prehrambenim proizvodima, potrebno je odrediti anorgansku (ukupnu) i organski vezanu živu. Određujemo samo ukupni sadržaj žive. Prema medicinsko-biološkim zahtjevima sadržaj žive u slatkovodnoj grabežljivoj ribi dopušten je 0,6 mg/kg, u morskoj ribi - 0,4 mg/kg, u slatkovodnoj negrabežljivoj ribi samo 0,3 mg/kg, au tuni do 0,7 mg. /kg kg. U proizvodima dječja hrana sadržaj žive ne smije prelaziti 0,02 mg/kg u mesnim konzervama, 0,15 mg/kg u ribljim konzervama, u ostatku - 0,01 mg/kg.

Olovo je prisutno u gotovo svim komponentama prirodnog okoliša. U zemljinoj kori ga ima 0,0016%. Prirodna razina olova u atmosferi je 0,0005 mg/m3. Većina se taloži s prašinom, oko 40% pada s atmosferskim padalinama. Biljke dobivaju olovo iz tla, vode i atmosferskih padalina, dok životinje dobivaju olovo iz biljaka i vode. Metal ulazi u ljudsko tijelo s hranom, vodom i prašinom.

Glavni izvori onečišćenja biosfere olovom su benzinski motori, čiji ispušni plinovi sadrže trietilolovo, termoelektrane na ugljen, rudarstvo, metalurška i kemijska industrija. Značajna količina olova unosi se u tlo zajedno s otpadnom vodom koja se koristi kao gnojivo. Za gašenje gorućeg reaktora nuklearne elektrane u Černobilu korišteno je i olovo koje je dospjelo u zračni bazen i raspršilo se po velikim područjima. Povećanjem onečišćenja okoliša olovom povećava se njegovo taloženje u kostima, kosi i jetri.

Krom. Najopasniji je toksični krom (6+), koji se mobilizira u kiselim i alkalnim tlima, u slatkim i morskim vodama. U morska voda krom je 10 - 20% zastupljen u obliku Cr (3+), 25 - 40% - u obliku Cr (6+), 45 - 65% - u organskom obliku. U pH području 5 - 7 prevladava Cr (3+), a kod pH > 7 - Cr (6+). Poznato je da se Cr (6+) i organski spojevi kroma ne talože zajedno sa željeznim hidroksidom u morskoj vodi.

Prirodni ciklusi tvari su praktički zatvoreni. U prirodnim ekosustavima materija i energija se štedljivo troše, a otpad jednih organizama važan je uvjet za postojanje drugih. Antropogeni ciklus tvari prati ogromna potrošnja prirodnih resursa i velika količina otpada koji uzrokuje onečišćenje okoliša. Stvaranje čak i najnaprednijih postrojenja za obradu ne rješava problem, stoga je potrebno razviti tehnologije s malim otpadom i bez otpada koje omogućuju da se antropogeni ciklus učini što zatvorenijim. Teoretski, moguće je stvoriti tehnologiju bez otpada, ali tehnologije s malim otpadom su stvarne.

Prilagodba prirodnim pojavama

Prilagodbe su različite prilagodbe na okoliš koje su organizmi (od najjednostavnijih do najviših) razvili u procesu evolucije. Sposobnost prilagodbe jedno je od glavnih svojstava živih bića koje im omogućuje postojanje.

Glavni čimbenici koji razvijaju proces prilagodbe su: naslijeđe, varijabilnost, prirodna (i umjetna) selekcija.

Tolerancija se može promijeniti ako tijelo uđe u druge vanjske uvjete. Dolaskom u takve uvjete, on se nakon nekog vremena navikne, takoreći, prilagodi im se (od lat. adaptation - prilagoditi se). Posljedica toga je promjena odredaba fiziološkog optimuma.

Svojstvo organizama da se prilagođavaju postojanju u određenom području ekološki faktor naziva ekološka plastičnost.

Što je veći raspon ekološkog čimbenika unutar kojeg određeni organizam može živjeti, to je njegova ekološka plastičnost veća. Prema stupnju plastičnosti razlikuju se dvije vrste organizama: stenobiont (stenoeks) i euribiont (euryeks). Dakle, stenobionti su ekološki neplastični (npr. iverak živi samo u slanoj vodi, a karas samo u slatkoj vodi), tj. kratkotrajni, a euribionti su ekološki plastični, tj. su otporniji (na primjer, trobodljikavi priljepak može živjeti iu slatkim i u slanim vodama).

Prilagodbe su višedimenzionalne, budući da se organizam mora prilagoditi mnogim različitim čimbenicima okoliša u isto vrijeme.

Postoje tri glavna načina prilagodbe organizama uvjetima okoliša: aktivni; pasivno; izbjegavanje štetnih učinaka.

Aktivni put prilagodbe je jačanje otpornosti, razvoj regulacijskih procesa koji omogućuju provođenje svih vitalnih funkcija tijela, unatoč odstupanju čimbenika od optimuma. Na primjer, toplokrvne životinje održavaju konstantnu tjelesnu temperaturu - optimalnu za biokemijske procese koji se u njoj odvijaju.

Pasivni put prilagodbe je podređivanje vitalnih funkcija organizama promjenama čimbenika okoliša. Na primjer, pod nepovoljnim uvjetima okoliša, mnogi organizmi prelaze u stanje anabioze ( skriveni život), kod kojih metabolizam u tijelu praktički prestaje (stanje zimskog mirovanja, stupor insekata, hibernacija, očuvanje spora u tlu u obliku spora i sjemena).

Izbjegavanje štetnih učinaka - razvoj prilagodbi, ponašanje organizama (prilagodba), koji pomažu u izbjegavanju nepovoljnih uvjeta. U ovom slučaju prilagodbe mogu biti: morfološke (promjene u strukturi tijela: modifikacija lišća kaktusa), fiziološke (deva se opskrbljuje vlagom zbog oksidacije masnih rezervi), etološke (promjene u ponašanju: sezonske migracije ptica, hibernacija zimi).

Živi organizmi dobro su prilagođeni periodičnim čimbenicima. Neperiodični čimbenici mogu izazvati bolest pa čak i smrt organizma (primjerice lijekovi, pesticidi). Međutim, s produljenom izloženošću može doći i do prilagodbe na njih.

Organizmi prilagođeni dnevnim, sezonskim, ritmovima plime i oseke, ritmovima Sunčeve aktivnosti, Mjesečevim mijenama i drugim strogo periodičnim pojavama. Dakle, sezonska prilagodba se razlikuje kao sezonalnost u prirodi i stanje zimskog mirovanja.

Sezonalnost u prirodi. Vodeća vrijednost za biljke i životinje u prilagodbi organizama je godišnja varijacija temperature. Razdoblje povoljno za život, u prosjeku za našu zemlju, traje oko šest mjeseci (proljeće, ljeto). Čak i prije dolaska stabilnih mrazova, u prirodi počinje razdoblje zimskog mirovanja.

Zimsko mirovanje. Zimsko mirovanje nije samo zastoj u razvoju kao posljedica niske temperature, nego složena fiziološka prilagodba, štoviše, koja se javlja samo u određenoj fazi razvoja. Primjerice, malarični komarac i koprivin moljac prezimljuju u stadiju odraslog kukca, leptir kupusnjača u stadiju kukuljice, a negubi moljac u stadiju jaja.

Bioritmovi. Svaka je vrsta u procesu evolucije razvila karakterističan godišnji ciklus intenzivnog rasta i razvoja, razmnožavanja, pripreme za zimu i zimovanja. Taj se fenomen naziva biološkim ritmom. Podudarnost svakog razdoblja životnog ciklusa s odgovarajućim godišnjim dobom presudna je za postojanje vrste.

Glavni čimbenik u regulaciji sezonskih ciklusa kod većine biljaka i životinja je promjena duljine dana.

Bioritmovi su:

egzogeni (vanjski) ritmovi (nastaju kao reakcija na povremene promjene u okolišu (izmjena dana i noći, godišnjih doba, sunčeva aktivnost) endogeni (unutarnji ritmovi) generira samo tijelo

Zauzvrat, endogeni se dijele na:

Fiziološki ritmovi (otkucaji srca, disanje, endokrine žlijezde, DNA, RNA, sinteza proteina, enzimi, dioba stanica itd.)

Ekološki ritmovi (dnevni, godišnji, plimni, lunarni itd.)

Procesi DNA, RNA, sinteze proteina, diobe stanica, otkucaja srca, disanja itd. imaju ritam. Vanjski utjecaji mogu pomaknuti faze ovih ritmova i promijeniti njihovu amplitudu.

Fiziološki ritmovi variraju ovisno o stanju organizma, dok su okolinski ritmovi stabilniji i odgovaraju vanjskim ritmovima. Pomoću endogenih ritmova tijelo se može kretati u vremenu i unaprijed se pripremiti za nadolazeće promjene u okolini - to je biološki sat tijela. Mnoge žive organizme karakteriziraju cirkadijalni i cirkanski ritmovi.

Cirkadijalni ritmovi (cirkadijski) - ponavljajući intenziteti i priroda bioloških procesa i pojava s periodom od 20 do 28 sati. Cirkadijalni ritmovi povezani su s aktivnostima životinja i biljaka tijekom dana i u pravilu ovise o temperaturi i intenzitetu svjetlosti. Na primjer, šišmiši lete u sumrak, a danju se odmaraju, mnogi planktonski organizmi noću ostaju na površini vode, a danju se spuštaju u dubine.

Sezonski biološki ritmovi povezani su s utjecajem svjetlosti - fotoperiod. Reakcija organizma na duljinu dana naziva se fotoperiodizam. Fotoperiodizam je uobičajena važna prilagodba koja regulira sezonske pojave u velikom broju organizama. Proučavanje fotoperiodizma kod biljaka i životinja pokazalo je da se reakcija organizama na svjetlost temelji na izmjeni razdoblja svjetla i tame određenog trajanja tijekom dana. Reakcija organizama (od jednoćelijskih do čovjeka) na duljinu dana i noći pokazuje da su sposobni mjeriti vrijeme, tj. imati neku vrstu biološkog sata. Biološki sat, osim sezonskih ciklusa, upravlja i mnogim drugim biološkim pojavama, određuje ispravan dnevni ritam kako aktivnosti čitavih organizama tako i procesa koji se odvijaju čak i na razini stanica, posebice staničnih dioba.

Univerzalno svojstvo svih živih bića, od virusa i mikroorganizama do viših biljaka i životinja, jest sposobnost davanja mutacija - naglih, prirodnih i umjetno izazvanih, naslijeđenih promjena u genetskom materijalu, koje dovode do promjene određenih znakova organizma. Mutacijska varijabilnost ne odgovara uvjetima okoliša i, u pravilu, narušava postojeće prilagodbe.

Mnogi kukci padaju u dijapauzu (dugi zastoj u razvoju) u određenoj fazi razvoja, što se ne smije brkati sa stanjem mirovanja u nepovoljnim uvjetima. Razmnožavanje mnogih morskih životinja pod utjecajem je mjesečevih ritmova.

Cirkanski (skorogodišnji) ritmovi su ponavljajuće promjene u intenzitetu i prirodi bioloških procesa i pojava u razdoblju od 10 do 13 mjeseci.

Fizičko i psihičko stanje osobe također ima ritmički karakter.

Poremećen ritam rada i odmora smanjuje učinkovitost i nepovoljno utječe na ljudsko zdravlje. Ljudsko stanje u ekstremnim uvjetima ovisit će o stupnju njegove pripremljenosti za te uvjete, jer praktički nema vremena za prilagodbu i oporavak.

Sve tvari na planetu su u procesu kruženja. Sunčeva energija uzrokuje dva ciklusa materije na Zemlji: veliki (geološki, biosferski) I mali (biološki).

Veliko kruženje tvari u biosferi karakteriziraju dvije važne točke: ono se odvija tijekom cijelog geološkog razvoja Zemlje i suvremeni je planetarni proces koji ima vodeću ulogu u daljnjem razvoju biosfere.

Geološki ciklus povezan je s nastankom i razaranjem stijena i naknadnim kretanjem produkata razaranja - detritalnog materijala i kemijskih elemenata. Značajnu ulogu u tim procesima imala su i igraju toplinska svojstva površine kopna i vode: apsorpcija i refleksija sunčeve svjetlosti, toplinska vodljivost i toplinski kapacitet. Nestabilan hidrotermalni režim Zemljine površine, zajedno s planetarnim sustavom atmosferske cirkulacije, odredio je geološku cirkulaciju tvari, koja je u početnoj fazi razvoja Zemlje, uz endogene procese, bila povezana s nastankom kontinenata, oceana i modernog vremena. geosfere. S formiranjem biosfere, proizvodi vitalne aktivnosti organizama uključeni su u veliki ciklus. Geološki ciklus opskrbljuje žive organizme hranjivim tvarima i uvelike određuje uvjete njihova postojanja.

Glavni kemijski elementi litosfere: kisik, silicij, aluminij, željezo, magnezij, natrij, kalij i drugi - sudjeluju u velikoj cirkulaciji, prolazeći iz dubokih dijelova gornjeg plašta na površinu litosfere. Magmatska stijena nastala tijekom kristalizacije

Magma, koja je ušla na površinu litosfere iz dubine Zemlje, podvrgava se razgradnji i trošenju u biosferi. Produkti trošenja prelaze u mobilno stanje, nose se vodama, vjetrom do niskih reljefnih mjesta, padaju u rijeke, ocean i tvore debele slojeve sedimentnih stijena, koje se tijekom vremena, ponirući u dubinu u područjima s povišenom temperaturom i tlakom, podvrgavaju metamorfoza, tj. "pretopljeno". Tijekom tog pretapanja pojavljuje se nova metamorfna stijena koja ulazi u gornje horizonte zemljine kore i ponovno ulazi u kruženje tvari. (Slika 32).

Riža. 32. Geološko (veliko) kruženje tvari

Lako pokretne tvari - plinovi i prirodne vode koje čine atmosferu i hidrosferu planeta - prolaze najintenzivniju i najbržu cirkulaciju. Materijal litosfere kruži mnogo sporije. Općenito, svako kruženje bilo kojeg kemijskog elementa dio je općeg velikog kruženja tvari na Zemlji, a svi su međusobno usko povezani. Živa tvar biosfere u tom kruženju obavlja ogroman posao preraspodjele kemijskih elemenata koji neprekidno kruže u biosferi, prelazeći iz vanjskog okoliša u organizme i ponovno u vanjski okoliš.

Mala, ili biološka, ​​cirkulacija tvari- Ovo

kruženje tvari između biljaka, životinja, gljiva, mikroorganizama i tla. Bit biološkog ciklusa je tijek dva suprotna, ali međusobno povezana procesa - stvaranje organskih tvari i njihovo uništavanje. Početni stadij u nastanku organskih tvari posljedica je fotosinteze zelenih biljaka, odnosno stvaranja žive tvari iz ugljičnog dioksida, vode i jednostavnih mineralnih spojeva pomoću sunčeve energije. Biljke (proizvođači) iz tla u otopini izvlače molekule sumpora, fosfora, kalcija, kalija, magnezija, mangana, silicija, aluminija, cinka, bakra i drugih elemenata. Životinje biljojedi (konzumenti prvog reda) spojeve ovih elemenata apsorbiraju već u obliku hrane biljnog podrijetla. Predatori (konzumenti drugog reda) hrane se biljojedima, konzumirajući hranu složenijeg sastava, uključujući proteine, masti, aminokiseline i druge tvari. U procesu razaranja organske tvari mrtvih biljaka i životinjskih ostataka mikroorganizmima (razlagačima), jednostavni mineralni spojevi ulaze u tlo i vodeni okoliš, dostupni biljkama za asimilaciju, te započinje sljedeći krug biološkog ciklusa. (Slika 33).

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. Vernadskog o ogromnoj transformativnoj geološkoj ulozi žive tvari. Živi organizmi su kroz organsku evoluciju prošli kroz sebe, kroz svoje organe, tkiva, stanice, krv, cijelu atmosferu, cijeli volumen Svjetskog oceana, najveći dio mase tla, ogromnu masu mineralnih tvari kroz sebe, kroz njihove organe, tkiva, stanice, krv, tisuću puta (za različite cikluse od 103 do 105 puta). 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. Propuštanjem velikih količina zraka i prirodnih otopina kroz svoje tijelo, živi organizmi vrše biogenu migraciju (kretanje kemikalija) i koncentraciju kemijskih elemenata i njihovih spojeva. To se odnosi na biosintezu organske tvari, formiranje koraljnih otoka, izgradnju školjaka i kostura, pojavu sedimentnih slojeva vapnenca, naslage određenih metalnih ruda, nakupljanje željezo-manganskih nodula, na dnu oceana itd. Rane faze biološke evolucije odvijale su se u vodeni okoliš. 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 nalazi se u neto primarnoj proizvodnji. 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 tvar prima i transformira energiju kozmosa, 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 izvlači iz okoliša tvari potrebne za život i vraća se neiskorištene. 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 tvari duž karika hranidbenog lanca, o čemu smo detaljnije govorili ranije.

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 biološki ciklusi su povezani - oni postoje kao jedan proces, koji dovodi do kruženja tvari, takozvanih biogeokemijskih ciklusa (BGCC). 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 stvaraju spojeve u zemljinoj kori.

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. Ulaze 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 svih proteina. 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 određenim geološkim razdobljima ravnoteža biološkog ciklusa bila je poremećena kada zbog određenih prirodnih uvjeta, kataklizmi nisu svi biološki proizvodi bili asimilirani i 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.

Je li izvanredan ruski znanstvenik akademik V.I. Vernadski.

Biosfera- složeni vanjski omotač Zemlje, koji sadrži ukupnost živih organizama i onaj dio tvari planeta koji je u procesu kontinuirane razmjene s tim organizmima. Ovo je jedna od najvažnijih geosfera Zemlje, koja je glavna komponenta prirodnog okoliša koji okružuje čovjeka.

Zemlja se sastoji od koncentričnih školjke(geosfere) unutarnje i vanjske. Unutarnji su jezgra i plašt, a vanjski su: litosfera - kamena ljuska Zemlje, uključujući zemljinu koru (slika 1) debljine od 6 km (ispod oceana) do 80 km (planinski sustavi); hidrosfera - vodena ljuska Zemlje; atmosfera- plinoviti omotač Zemlje, koji se sastoji od mješavine raznih plinova, vodene pare i prašine.

Na visini od 10 do 50 km nalazi se ozonski omotač, čija je najveća koncentracija na visini od 20-25 km, štiteći Zemlju od prekomjernog ultraljubičastog zračenja koje je pogubno za tijelo. Tu (u vanjske geosfere) spada i biosfera.

biosfera - vanjski omotač Zemlje koji obuhvaća dio atmosfere do visine od 25-30 km (do ozonskog omotača), gotovo cijelu hidrosferu i gornji dio litosfere do dubine od oko 3 km

Riža. 1. Shema strukture zemljine kore

(slika 2). Posebnost ovih dijelova je da su naseljeni živim organizmima koji čine živu tvar planeta. Interakcija abiotski dio biosfere- zrak, voda, stijene i organske tvari - biota doveli do stvaranja tla i sedimentnih stijena.

Riža. 2. Struktura biosfere i omjer površina koje zauzimaju glavne strukturne jedinice

Kruženje tvari u biosferi i ekosustavima

Svi dostupni živim organizmima kemijski spojevi ograničeno u biosferi. Iscrpljivost kemijskih tvari pogodnih za asimilaciju često koči razvoj određenih skupina organizama u lokalnim područjima kopna ili oceana. Prema akademiku V.R. Williams, jedini način da se beskonačnom daju svojstva konačnosti je da se ono rotira duž zatvorene krivulje. Posljedično, stabilnost biosfere održava se zahvaljujući kruženju tvari i protoku energije. Dostupno dva glavna ciklusa tvari: veliki – geološki i mali – biogeokemijski.

Veliki geološki ciklus(slika 3). Kristalne stijene (magmatske) pod utjecajem fizikalnih, kemijskih i bioloških čimbenika pretvaraju se u sedimentne stijene. Pijesak i glina tipični su sedimenti, produkti transformacije dubokih stijena. Međutim, do stvaranja sedimenata ne dolazi samo zbog razaranja postojećih stijena, već i kroz sintezu biogenih minerala – kostura mikroorganizama – iz prirodnih izvora – oceanskih voda, mora i jezera. Rahli vodeni sedimenti, budući da su izolirani na dnu rezervoara novim dijelovima sedimentnog materijala, uronjeni na dubinu, padaju u nove termodinamičke uvjete (više temperature i tlakove), gube vodu, stvrdnjavaju se, pretvarajući se u sedimentne stijene.

U budućnosti te stijene tonu u još dublje horizonte, gdje se odvijaju procesi njihove dubinske transformacije na nove temperaturne i tlačne uvjete – odvijaju se procesi metamorfizma.

Pod utjecajem endogenih energetskih tokova, duboke stijene se pretapaju, tvoreći magmu - izvor novih magmatskih stijena. Nakon izlaska ovih stijena na površinu Zemlje, pod utjecajem procesa trošenja i transporta, one se ponovno pretvaraju u nove sedimentne stijene.

Dakle, velika cirkulacija je posljedica interakcije Sunčeve (egzogene) energije s dubinskom (endogenom) energijom Zemlje. Preraspodjeljuje tvari između biosfere i dubljih obzora našeg planeta.

Riža. 3. Veliko (geološko) kruženje tvari (tanke strelice) i promjena u raznolikosti u zemljinoj kori (pune široke strelice - rast, isprekidane - smanjenje raznolikosti)

Veliki krug naziva se i vodeni ciklus između hidrosfere, atmosfere i litosfere, koji pokreće energija sunca. Voda isparava s površine vodenih tijela i kopna, a zatim se vraća na Zemlju u obliku padalina. Isparavanje je veće od padalina nad oceanom, i obrnuto nad kopnom. Te se razlike nadoknađuju riječnim tokovima. Kopnena vegetacija igra važnu ulogu u globalnom ciklusu vode. Transpiracija biljaka u određenim područjima zemljine površine može biti do 80-90% padalina koje ovdje padaju, au prosjeku za sve klimatske zone - oko 30%. Za razliku od velikog ciklusa, mali ciklus tvari događa se samo unutar biosfere. Odnos između velikog i malog ciklusa vode prikazan je na sl. 4.

Ciklusi na planetarnoj razini nastaju iz bezbrojnih lokalnih cikličkih kretanja atoma potaknutih vitalnom aktivnošću organizama u pojedinim ekosustavima, te onih kretanja koja su uzrokovana djelovanjem krajobraznih i geoloških čimbenika (površinsko i podzemno otjecanje, erozija vjetrom, kretanje morsko dno, vulkanizam, izgradnja planina itd.).

Riža. 4. Odnos između velikog geološkog ciklusa (GBC) vode i malog biogeokemijskog ciklusa (MBC) vode

Za razliku od energije, koju tijelo jednom iskoristi, pretvara u toplinu i gubi, tvari u biosferi kruže stvarajući biogeokemijske cikluse. Od više od devedeset elemenata koji se nalaze u prirodi, živi organizmi trebaju oko četrdeset. Najvažniji za njih potrebni su u velikim količinama - ugljik, vodik, kisik, dušik. Ciklusi elemenata i tvari odvijaju se samoregulirajućim procesima u kojima sudjeluju sve komponente. Ovi procesi nisu otpad. postoji zakon globalnog zatvaranja biogeokemijskog kruženja u biosferi djeluje u svim fazama svog razvoja. U procesu evolucije biosfere uloga biološke komponente u zatvaranju biogeokemijskih
koga ciklus. Još veći utjecaj na biogeokemijski ciklus ima čovjek. Ali njegova se uloga očituje u suprotnom smjeru (cirkulacije postaju otvorene). Osnova biogeokemijskog kruženja tvari je energija Sunca i klorofil zelenih biljaka. Ostali najvažniji ciklusi - voda, ugljik, dušik, fosfor i sumpor - povezani su s biogeokemijom i doprinose joj.

Kruženje vode u biosferi

Biljke koriste vodeni vodik tijekom fotosinteze za izgradnju organskih spojeva, oslobađajući molekularni kisik. U procesima disanja svih živih bića, tijekom oksidacije organskih spojeva, ponovno nastaje voda. U povijesti života, sva slobodna voda hidrosfere više puta je prošla kroz cikluse razgradnje i neoformacije u živoj tvari planeta. Oko 500 000 km 3 vode svake godine je uključeno u vodeni ciklus na Zemlji. Ciklus vode i njene rezerve prikazani su na sl. 5 (u relativnom smislu).

Kruženje kisika u biosferi

Svoju jedinstvenu atmosferu s visokim udjelom slobodnog kisika Zemlja duguje procesu fotosinteze. Stvaranje ozona u visokim slojevima atmosfere usko je povezano s ciklusom kisika. Kisik se oslobađa iz molekula vode i u biti je nusprodukt fotosintetske aktivnosti u biljkama. Abiotski, kisik nastaje u gornjoj atmosferi zbog fotodisocijacije vodene pare, ali taj izvor čini samo tisućinke postotka onih koji se dobivaju fotosintezom. Između sadržaja kisika u atmosferi i hidrosferi postoji pokretna ravnoteža. U vodi ga ima oko 21 puta manje.

Riža. Slika 6. Shema ciklusa kisika: podebljane strelice - glavni tokovi opskrbe i potrošnje kisika

Oslobođeni kisik se intenzivno troši na procese disanja svih aerobnih organizama i na oksidaciju raznih mineralnih spojeva. Ti se procesi odvijaju u atmosferi, tlu, vodi, mulju i stijenama. Pokazalo se da je značajan dio kisika vezanog u sedimentnim stijenama fotosintetskog podrijetla. Izmjenski fond O u atmosferi nije veći od 5% ukupne proizvodnje fotosinteze. Mnoge anaerobne bakterije također oksidiraju organsku tvar tijekom anaerobnog disanja koristeći za to sulfate ili nitrate.

Za potpunu razgradnju organske tvari koju stvaraju biljke potrebna je točno ista količina kisika koja se oslobodila tijekom fotosinteze. Zakopavanje organskih tvari u sedimentne stijene, ugljen i treset poslužilo je kao osnova za održavanje fonda za razmjenu kisika u atmosferi. Sav kisik koji sadrži prolazi puni ciklus kroz žive organizme oko 2000 godina.

Trenutno je značajan dio atmosferskog kisika vezan kao rezultat transporta, industrije i drugih oblika antropogenih aktivnosti. Poznato je da čovječanstvo već sada troši više od 10 milijardi tona slobodnog kisika od njegove ukupne količine od 430-470 milijardi tona dobavljene procesima fotosinteze. Ako uzmemo u obzir da samo mali dio fotosintetskog kisika ulazi u fond za razmjenu, aktivnost ljudi u tom pogledu počinje poprimati alarmantne razmjere.

Ciklus kisika usko je povezan s ciklusom ugljika.

Kruženje ugljika u biosferi

Ugljik kao kemijski element osnova je života. On može različiti putevi kombinirati s mnogim drugim elementima, tvoreći jednostavne i složene organske molekule koje čine žive stanice. Po rasprostranjenosti na planetu ugljik zauzima jedanaesto mjesto (0,35% težine zemljine kore), ali u živoj tvari prosječno ga ima oko 18 ili 45% suhe biomase.

U atmosferi je ugljik uključen u sastav ugljičnog dioksida CO 2, u manjoj mjeri - u sastav metana CH 4 . U hidrosferi je CO 2 otopljen u vodi, a njegov ukupni sadržaj znatno je veći od atmosferskog. Ocean služi kao snažan tampon za regulaciju CO 2 u atmosferi: s povećanjem njegove koncentracije u zraku, povećava se apsorpcija ugljičnog dioksida u vodi. Neke od molekula CO 2 reagiraju s vodom, stvarajući ugljičnu kiselinu, koja zatim disocira u HCO 3 - i CO 2 - 3 ione. Ti ioni reagiraju s kalcijevim ili magnezijevim kationima kako bi precipitirali karbonate. Slične reakcije leže u osnovi puferskog sustava oceana, održavanje pH vode konstantnim.

Ugljični dioksid atmosfere i hidrosfere je fond za razmjenu u ciklusu ugljika, odakle ga crpe kopnene biljke i alge. Fotosinteza je temelj svih bioloških ciklusa na Zemlji. Oslobađanje fiksnog ugljika događa se tijekom respiratorne aktivnosti samih fotosintetskih organizama i svih heterotrofa - bakterija, gljivica, životinja uključenih u hranidbeni lanac na račun žive ili mrtve organske tvari.

Riža. 7. Ciklus ugljika

Posebno je aktivan povrat CO 2 u atmosferu iz tla, gdje je koncentrirana aktivnost brojnih skupina organizama koji razgrađuju ostatke uginulih biljaka i životinja te se odvija disanje korijenskog sustava biljaka. Ovaj integralni proces naziva se "disanje tla" i daje značajan doprinos nadopunjavanju fonda za izmjenu CO 2 u zraku. Paralelno s procesima mineralizacije organske tvari u tlima se stvara humus – složen i stabilan molekularni kompleks bogat ugljikom. Humus tla jedan je od važnih spremnika ugljika na kopnu.

U uvjetima u kojima je aktivnost destruktora inhibirana čimbenicima okoliša (na primjer, kada se u tlu i na dnu vodenih tijela pojavi anaerobni režim), organska tvar nakupljena vegetacijom se ne raspada, pretvarajući se tijekom vremena u stijene kao što su ugljen, treset, sapropeli, uljni škriljevci i drugi bogati akumuliranom sunčevom energijom. Oni nadopunjuju rezervni fond ugljika, dugo su isključeni iz biološkog ciklusa. Ugljik se također privremeno taloži u živoj biomasi, u mrtvom otpadu, u otopljenoj organskoj tvari oceana itd. Međutim glavni rezervni fond ugljika on the write nisu živi organizmi i nisu zapaljivi fosili, ali sedimentne stijene su vapnenci i dolomiti. Njihov nastanak također je povezan s aktivnošću žive tvari. Ugljik ovih karbonata dugo je zakopan u utrobi Zemlje i ulazi u cirkulaciju tek tijekom erozije kada se stijene ogoljuju u tektonskim ciklusima.

Samo djelići postotka ugljika od njegove ukupne količine na Zemlji sudjeluju u biogeokemijskom ciklusu. Atmosferski i hidrosferski ugljik više puta prolazi kroz žive organizme. Kopnene biljke mogu iscrpiti svoje rezerve u zraku za 4-5 godina, rezerve u humusu tla - za 300-400 godina. Glavni povrat ugljika u fond za razmjenu događa se zbog aktivnosti živih organizama, a samo mali dio (tisućinke postotka) nadoknađuje se otpuštanjem iz unutrašnjosti Zemlje u sklopu vulkanskih plinova.

Trenutačno vađenje i spaljivanje ogromnih rezervi fosilnih goriva postaje snažan čimbenik prijenosa ugljika iz rezerve u fond za razmjenu biosfere.

Kruženje dušika u biosferi

Atmosfera i živa tvar sadrže manje od 2% ukupnog dušika na Zemlji, ali on je taj koji podržava život na planetu. Dušik je jedan od najvažnijih organske molekule- DNA, proteini, lipoproteini, ATP, klorofil itd. U biljnim tkivima njegov omjer s ugljikom je prosječno 1 : 30, a u morskim algama I : 6. Stoga je i biološki ciklus dušika usko povezan s ugljikom.

Molekularni dušik iz atmosfere nije dostupan biljkama, koje ga mogu apsorbirati samo u obliku amonijevih iona, nitrata ili iz otopina tla ili vode. Stoga je nedostatak dušika često ograničavajući čimbenik primarna proizvodnja- rad organizama povezan sa stvaranjem organskih tvari iz anorganskih. Ipak, atmosferski dušik je široko uključen u biološki ciklus zbog aktivnosti posebnih bakterija (fiksatora dušika).

Amonificirajući mikroorganizmi također imaju važnu ulogu u ciklusu dušika. Oni razgrađuju proteine ​​i druge organske tvari koje sadrže dušik u amonijak. U amonijevom obliku dušik se dijelom reapsorbira u korijenju biljaka, a dijelom ga presreću nitrifikacijski mikroorganizmi, što je suprotno funkcijama skupine mikroorganizama – denitrifikatora.

Riža. 8. Kruženje dušika

U anaerobnim uvjetima u tlu ili vodi, oni koriste kisik nitrata za oksidaciju organske tvari, dobivajući energiju za svoju životnu aktivnost. Dušik se reducira u molekularni dušik. Fiksacija dušika i denitrifikacija u prirodi su približno uravnotežene. Dušikov ciklus dakle ovisi pretežno o bakterijskoj aktivnosti, dok biljke u njega ulaze koristeći međuproizvode ovog ciklusa i uvelike povećavajući kruženje dušika u biosferi kroz proizvodnju biomase.

Uloga bakterija u ciklusu dušika je tolika da će život na našem planetu prestati ako se uništi samo 20 njihovih vrsta.

Nebiološka fiksacija dušika i ulazak njegovih oksida i amonijaka u tlo također se događa s oborinama tijekom ionizacije atmosfere i pražnjenja munje. Moderna industrija gnojiva veže atmosferski dušik u većoj mjeri od prirodne fiksacije dušika kako bi povećala proizvodnju usjeva.

Danas ljudska aktivnost sve više utječe na ciklus dušika, uglavnom u smjeru prekoračenja njegove pretvorbe u vezane oblike preko procesa vraćanja u molekularno stanje.

Kruženje fosfora u biosferi

Ovaj element, neophodan za sintezu mnogih organskih tvari, uključujući ATP, DNA, RNA, biljke apsorbiraju samo u obliku iona ortofosforne kiseline (PO 3 4 +). Spada u elemente koji ograničavaju primarnu proizvodnju na kopnu, a posebno u oceanu, jer je izmjenski fond fosfora u tlu i vodama mali. Kruženje ovog elementa na skali biosfere nije zatvoreno.

Na kopnu, biljke crpe fosfate iz tla, koje oslobađaju razlagači iz raspadajućih organskih ostataka. Međutim, u alkalnom ili kiselom tlu, topljivost fosfornih spojeva naglo pada. Glavni rezervni fond fosfata sadržan je u stijenama stvorenim na dnu oceana u geološkoj prošlosti. Tijekom ispiranja stijena, dio tih rezervi prelazi u tlo i ispire se u vodena tijela u obliku suspenzija i otopina. U hidrosferi fosfate koristi fitoplankton, prolazeći kroz prehrambene lance do drugih hidrobionata. Međutim, u oceanu je većina fosfornih spojeva zakopana s ostacima životinja i biljaka na dnu, nakon čega slijedi prijelaz sa sedimentnim stijenama u veliki geološki ciklus. U dubini se otopljeni fosfati vežu s kalcijem, tvoreći fosforite i apatite. U biosferi, naime, postoji jednosmjerni tok fosfora od stijena kopna do dubina oceana, stoga je njegov fond za razmjenu u hidrosferi vrlo ograničen.

Riža. 9. Ciklus fosfora

Podzemne naslage fosforita i apatita koriste se za proizvodnju gnojiva. Ulazak fosfora u slatku vodu jedan je od glavnih razloga njihovog "cvata".

Kruženje sumpora u biosferi

Ciklus sumpora, neophodan za izgradnju niza aminokiselina, odgovoran je za trodimenzionalnu strukturu proteina, au biosferi ga podržava širok spektar bakterija. U posebnim vezama ovog ciklusa sudjeluju aerobni mikroorganizmi koji oksidiraju sumpor organskih ostataka u sulfate, kao i anaerobni reduktori sulfata koji reduciraju sulfate u sumporovodik. Osim navedenih skupina sumpornih bakterija, one oksidiraju sumporovodik do elementarnog sumpora i dalje do sulfata. Biljke apsorbiraju samo SO 2-4 ione iz tla i vode.

Prsten u sredini ilustrira oksidacijske (O) i redukcijske (R) procese koji izmjenjuju sumpor između raspoloživog bazena sulfata i bazena željeznog sulfida duboko u tlu i sedimentu.

Riža. 10. Ciklus sumpora. Prsten u sredini ilustrira procese oksidacije (0) i redukcije (R) koji razmjenjuju sumpor između raspoloživog bazena sulfata i bazena željeznog sulfida duboko u tlu i sedimentu.

Glavna akumulacija sumpora događa se u oceanu, gdje se sulfatni ioni kontinuirano dopremaju s kopna riječnim otjecanjem. Kada se sumporovodik oslobodi iz vode, sumpor se djelomično vraća u atmosferu, gdje se oksidira u dioksid, pretvarajući se u sumpornu kiselinu u kišnici. Industrijska uporaba velikih količina sulfata i elementarnog sumpora te izgaranje fosilnih goriva oslobađaju velike količine sumpornog dioksida u atmosferu. To šteti vegetaciji, životinjama, ljudima i služi kao izvor kisele kiše, što pogoršava negativne učinke ljudske intervencije u ciklusu sumpora.

Brzina kruženja tvari

Svi ciklusi tvari odvijaju se različitim brzinama (Sl. 11)

Dakle, ciklusi svih biogenih elemenata na planetu podržani su složenom interakcijom različitih dijelova. Nastaju djelovanjem skupina organizama s različitim funkcijama, sustavom otjecanja i isparavanja koji povezuje ocean i kopno, procesima kruženja vodenih i zračnih masa, djelovanjem gravitacijskih sila, tektonikom litosfernih ploča, procesima kruženja vodenih i zračnih masa, djelovanjem gravitacijskih sila, tektonikom litosfernih ploča, djelovanjem gravitacijskih sila. i drugim geološkim i geofizičkim procesima velikih razmjera.

Biosfera djeluje kao jedan složeni sustav u kojem se odvijaju različiti ciklusi tvari. Glavni motor ovih ciklusi su živa tvar planeta, svi živi organizmi, osiguravanje procesa sinteze, transformacije i razgradnje organske tvari.

Riža. 11. Brzina kruženja tvari (P. Cloud, A. Jibor, 1972.)

Temelj ekološkog pogleda na svijet je ideja da je svako živo biće okruženo mnoštvom različitih čimbenika koji na njega utječu, a koji zajedno čine njegovo stanište – biotop. Stoga, biotop - dio teritorija koji je homogen u smislu životnih uvjeta za pojedine vrste biljaka ili životinja(padina kotline, urbana park šuma, malo jezero ili dio velikog, ali s homogenim uvjetima - obalni dio, dubokovodni dio).

Organizmi karakteristični za određeni biotop su životna zajednica, odnosno biocenoza(životinje, biljke i mikroorganizmi jezera, livade, obalnog pojasa).

Životna zajednica (biocenoza) sa svojim biotopom čini jedinstvenu cjelinu tzv ekološki sustav (ekosustav). Kao primjer prirodnih ekosustava mogu poslužiti mravinjak, jezero, ribnjak, livada, šuma, grad, farma. Klasičan primjer umjetnog ekosustava je svemirski brod. Kao što vidite, ovdje nema stroge prostorne strukture. Blizak pojmu ekosustava je pojam biogeocenoza.

Glavne komponente ekosustava su:

• neživi (abiotički) okoliš. To su voda, minerali, plinovi, kao i organske tvari i humus;
• biotske komponente. Tu spadaju: proizvođači ili producenti (zelene biljke), konzumenti ili potrošači (živa bića koja se hrane proizvođačima) i razlagači, odnosno razlagači (mikroorganizmi).

Priroda je izuzetno ekonomična. Dakle, biomasa koju stvaraju organizmi (tvar tijela organizama) i energija sadržana u njima prenose se na druge članove ekosustava: životinje jedu biljke, te životinje jedu druge životinje. Ovaj proces se zove hranidbeni ili trofički lanac. U prirodi se hranidbeni lanci često križaju, formiranje hranidbene mreže.

Primjeri hranidbenih lanaca: biljka – biljojed – grabežljivac; žitarice – poljski miš – lisica itd. i hranidbena mreža prikazani su na si. 12.

Dakle, stanje ravnoteže u biosferi temelji se na međudjelovanju biotskih i abiotskih čimbenika okoliša, koje se održava zahvaljujući kontinuiranoj izmjeni tvari i energije između svih komponenti ekosustava.

U zatvorenim ciklusima prirodnih ekosustava, uz ostale, obvezno je sudjelovanje dva čimbenika: prisutnost razlagača i stalna opskrba sunčevom energijom. U urbanim i umjetnim ekosustavima ima malo ili nimalo razlagača, pa se tekući, kruti i plinoviti otpad nakuplja, zagađujući okoliš.

Riža. 12. Mreža ishrane i smjer toka tvari

Veliki ciklus kruženja tvari u prirodi zbog međudjelovanja sunčeve energije s dubinskom energijom Zemlje i redistribuira materiju između biosfere i dubljih horizonata Zemlje.

Sedimentne stijene nastale trošenjem magmatskih stijena u pokretnim zonama zemljine kore ponovno poniru u zonu visokih temperatura i tlakova. Tamo se tope i tvore magmu - izvor novih magmatskih stijena. Nakon izdizanja ovih stijena na površinu zemlje i djelovanja procesa trošenja, one se ponovno pretvaraju u nove sedimentne stijene. Novi ciklus cirkulacije ne ponavlja baš stari, već uvodi nešto novo, što s vremenom dovodi do vrlo značajnih promjena.

pokretačka snaga velika (geološka) cirkulacija su egzogeni i endogeni geološkim procesima.

Endogeni procesi(procesi unutarnje dinamike) nastaju pod utjecajem unutarnje energije Zemlje, koja se oslobađa kao posljedica radioaktivnog raspada, kemijskih reakcija nastanka minerala, kristalizacije stijena itd. (npr. tektonski pokreti, potresi, magmatizam , metamorfizam).

Egzogeni procesi(procesi vanjske dinamike) odvijaju se pod utjecajem vanjske energije Sunca. Primjeri: trošenje stijena i minerala, uklanjanje produkata razgradnje iz nekih područja zemljine kore i njihov prijenos u nova područja, taloženje i nakupljanje produkata razgradnje uz stvaranje sedimentnih stijena. Za Ex.pr. odnos geološke aktivnosti atmosfere, hidrosfere, kao i živih organizama i ljudi.

Najveći reljefni oblici (kontinenti i oceanske depresije) i veliki reljefni oblici (planine i ravnice) nastali su zahvaljujući endogenim procesima, dok su srednji i mali reljefni oblici (riječne doline, brežuljci, gudure, dine i dr.), superponirani na veće reljefne oblike, formirani zbog uračunavanja egzogenih procesa. Dakle, endogeni i egzogeni procesi su suprotni. Prvi dovode do stvaranja velikih reljefnih oblika, a drugi do njihovog izglađivanja.

Primjeri geološkog ciklusa. Magmatske stijene se transformiraju u sedimentne stijene kao rezultat trošenja. U pokretnim zonama zemljine kore tonu u dubinu Zemlje. Tamo se pod utjecajem visokih temperatura i tlakova tope i stvaraju magmu koja, izdižući se na površinu i skrućujući se, stvara magmatske stijene.

Primjer velikog ciklusa je kruženje vode između kopna i oceana kroz atmosferu (slika 2.1).

Riža. 2.1. Općeprihvaćena shema hidrološke (klimatske)

kruženje vode u prirodi

Vlaga isparena s površine Svjetskog oceana (koji troši gotovo polovicu sunčeve energije koja dolazi na površinu Zemlje) prenosi se na kopno, gdje pada u obliku oborina, koje se ponovno vraćaju u ocean u obliku površine i podzemno otjecanje. Vodeni ciklus također se odvija prema jednostavnijoj shemi: isparavanje vlage s površine oceana - kondenzacija vodene pare - oborina na istoj vodenoj površini oceana.

Ciklus vode u cjelini ima veliku ulogu u oblikovanju prirodnih uvjeta na našem planetu. Uzimajući u obzir transpiraciju vode od strane biljaka i njezinu apsorpciju u biogeokemijskom ciklusu, cjelokupna zaliha vode na Zemlji propada i obnavlja se za 2 milijuna godina.

Dakle, geološka cirkulacija tvari odvija se bez sudjelovanja živih organizama i redistribuira materiju između biosfere i dubljih slojeva Zemlje.