Biološki i geološki ciklusi materije. Ciklusi tvari

geološki krug tvari ima najveću brzinu u horizontalnom smjeru između kopna i mora. Značenje velike cirkulacije je da su stijene podložne razaranju, trošenju, a produkti trošenja, uključujući i hranjive tvari topive u vodi, vodenim tokovima nose se u Svjetski ocean uz stvaranje morskih slojeva i samo se djelomično vraćaju na kopno, npr. , s oborinama ili s organizmima koje su ljudi izvukli iz vode. Zatim se kroz dulje vrijeme događaju spore geotektonske promjene - pomicanje kontinenata, izdizanje i spuštanje morskog dna, vulkanske erupcije i sl., uslijed čega se formirani slojevi vraćaju na kopno i proces počinje iznova.

Veliki geološki ciklus materije. Pod utjecajem denudacijskih procesa dolazi do razaranja stijena i sedimentacije. Nastaju sedimentne stijene. U područjima stabilnih slijeganja (obično dno oceana) tvar geografskog omotača ulazi u duboke slojeve Zemlje. Nadalje, pod utjecajem temperature i tlaka odvijaju se metamorfni procesi, uslijed kojih nastaju stijene, tvar se pomiče bliže središtu Zemlje. Magmatizam se javlja u utrobi Zemlje pri vrlo visokim temperaturama: stijene se tope, uzdižu se u obliku magme duž rasjeda na zemljinu površinu i izlijevaju se na površinu tijekom erupcija. Tako se provodi kruženje tvari. Geološki ciklus je kompliciran ako se uzme u obzir izmjena tvari sa svemirom. Veliki geološki ciklus nije zatvoren u smislu da neka čestica materije koja je pala u utrobu Zemlje neće nužno izaći na površinu, i obrnuto, čestica koja se uzdiže tijekom erupcije nikada nije mogla biti na zemljinoj površini prije.

Glavni izvori energije prirodnih procesa na Zemlji

Sunčevo zračenje je glavni izvor energije na Zemlji. Njegovu snagu karakterizira solarna konstanta - količina energije koja prolazi kroz područje jedinice površine, okomito na sunčeve zrake. Na udaljenosti od jedne astronomske jedinice (to jest, u orbiti Zemlje), ova konstanta je približno 1370 W / m².

Živi organizmi koriste energiju Sunca (fotosinteza) i energiju kemijskih veza (kemosinteza). Ta se energija može koristiti u raznim prirodnim i umjetnim procesima. Trećinu sve energije reflektira atmosfera, 0,02% koriste biljke za fotosintezu, a ostatak se koristi za potporu mnogim prirodnim procesima – zagrijavanje zemlje, oceana, atmosfere, kretanje zraka. tež. Izravno solarno grijanje ili pretvorba energije pomoću fotonaponskih ćelija može se koristiti za proizvodnju električne energije (solarne elektrane) ili obavljanje drugih koristan rad. U dalekoj prošlosti energija pohranjena u nafti i drugim fosilnim gorivima također se dobivala fotosintezom.

Ta ogromna energija dovodi do globalnog zatopljenja, jer nakon što je prošla kroz prirodne procese, zrači se natrag i atmosfera joj ne dopušta povratak.

2. Unutarnja energija Zemlje; manifestacija - vulkani, topli izvori

18. Energetske transformacije biotskog i abiotskog podrijetla

U funkcionalnom prirodnom ekosustavu nema otpada. Svi organizmi, živi ili mrtvi, potencijalno su hrana za druge organizme: gusjenica jede lišće, drozd jede gusjenice, jastreb može pojesti drozda. Kada biljke, gusjenica, drozd i jastreb uginu, njih zauzvrat obrađuju razlagači.

Svi organizmi koji se hrane istom vrstom hrane pripadaju istoj trofičkoj razini.

organizmi prirodni ekosustavi uključeni su u složenu mrežu mnogih međusobno povezanih prehrambenih lanaca. Takva se mreža naziva hranidbena mreža.

Piramide energetskih tokova: Svakim prijelazom s jedne trofičke razine na drugu unutar hranidbeni lanac odnosno mreže, obavlja se rad i ispušta toplinska energija u okolinu te količina energije Visoka kvaliteta koji koriste organizmi sljedeće trofičke razine smanjuje.

Pravilo 10%: pri prelasku s jedne trofičke razine na drugu gubi se 90% energije, a 10% se prenosi na sljedeću razinu.

Što je lanac ishrane duži, to se više korisne energije gubi. Stoga duljina prehrambenog lanca obično ne prelazi 4 - 5 karika.

Energetika pejzažne sfere Zemlje:

1) sunčeva energija: toplinska, zračenje

2) protok toplinske energije iz utrobe Zemlje

3) energija plimnih struja

4) tektonska energija

5) asimilacija energije tijekom fotosinteze

Kruženje vode u prirodi

Kruženje vode u prirodi je proces cikličkog kretanja vode u zemljinoj biosferi. Sastoji se od isparavanja, kondenzacije i oborine (atmosferske oborine djelomično ispare, djelomično stvaraju privremene i stalne odvode i rezervoare, djelomično prodiru u tlo i stvaraju podzemnu vodu), kao i procesa otplinjavanja plašta: voda kontinuirano otječe iz plašta. voda je pronađena čak i na velikim dubinama.

Mora gube zbog isparavanja više vode nego dobiven s oborinama, na kopnu - situacija je obrnuta. Voda neprekidno kruži oko kugle zemaljske, dok njezina ukupno ostaje nepromjenjen.

75% površine Zemlje prekriveno je vodom. Vodeni omotač Zemlje je hidrosfera. Najvećim dijelom je slana voda mora i oceana, a manjim dijelom svježa voda jezera, rijeke, ledenjaci, podzemne vode i vodena para.

Na Zemlji voda postoji u tri agregatna stanja: tekućem, čvrstom i plinovitom. Živi organizmi ne mogu postojati bez vode. U svakom organizmu voda je medij u kojem kemijske reakcije bez kojih živi organizmi ne mogu živjeti. Voda je najvrjednija i najpotrebnija tvar za život živih organizama.

U prirodi postoji nekoliko vrsta kruženja vode:

Veliki ili svjetski ciklus - vodena para nastala iznad površine oceana nosi se vjetrovima na kontinente, tamo pada u obliku oborina i vraća se u ocean u obliku otjecanja. Pri tom se procesu kvaliteta vode mijenja: tijekom isparavanja sol morska voda pretvara u svježe, a onečišćeno - pročišćava se.

Mali ili oceanski ciklus - vodena para nastala iznad površine oceana kondenzira se i taloži natrag u ocean kao oborina.

Intrakontinentalna cirkulacija - voda koja je isparila iznad površine kopna ponovno pada na kopno u obliku oborina.

Na kraju, oborina u procesu kretanja ponovno dospijeva u oceane.

Brzina prijenosa razne vrste voda varira u širokom rasponu, pa su i razdoblja protoka, kao i razdoblja obnavljanja vode različita. Oni variraju od nekoliko sati do nekoliko desetaka tisućljeća. Atmosferska vlaga, koja nastaje isparavanjem vode iz oceana, mora i kopna i postoji u obliku oblaka, ažurira se u prosjeku nakon osam dana.

Vode koje čine žive organizme obnavljaju se u roku od nekoliko sati. Ovo je najviše aktivni oblik izmjena vode. Razdoblje obnove vodenih rezervi u planinskim ledenjacima je oko 1.600 godina, u ledenjacima polarnih zemalja je mnogo duže - oko 9.700 godina.

Potpuna obnova voda Svjetskog oceana događa se za oko 2700 godina.

Učinci međudjelovanja Sunčevog zračenja, Zemlje koja se kreće i rotira.

U ovo pitanje treba uzeti u obzir sezonsku varijabilnost: zima/ljeto. Opiši da zbog rotacije i kretanja Zemlje sunčevo zračenje neravnomjerno stiže što znači da klimatskim uvjetima mijenjati s geografskom širinom.

Zemlja je nagnuta prema ravnini ekliptike za 23,5 stupnjeva.

Zrake putuju pod različitim kutovima. ravnoteža zračenja. Važno je ne samo koliko se dobiva, nego i koliko se gubi, a koliko ostaje, uzimajući u obzir albedo.

Atmosferski akcijski centri

Velika područja postojanog visokog ili niskog tlaka povezana s općom cirkulacijom atmosfere - središta djelovanja atmosfere. Oni određuju prevladavajući smjer vjetrova i služe kao središta formiranja geografski tipovi zračne mase. Na sinoptičkim kartama izražavaju se zatvorenim linijama – izobarama.

Uzroci: 1) heterogenost Zemlje;

2) razlika u fizičkom. svojstva tla i vode (toplinski kapacitet)

3) razlika u površinskom albedu (R/Q): voda – 6%, ekviv. šume - 10-12%, široke šume - 18%, livade - 22-23%, snijeg - 92%;

4) F Coriolis

To uzrokuje OCA.

Atmosferski akcijski centri:

● trajnog- u njima visoki ili niski tlak postoji tijekom cijele godine:

1. ekvatorijalna traka prema dolje. tlak, čija os nešto migrira od ekvatora prateći Sunce prema ljetnoj hemisferi - Ekvatorska depresija (razlozi: velika količina Q i oceani);

2. na jednom suptropskom pojasu povišen. pritisak na Sjev. i Yuzh. polutke; nekoliko migrira ljeti u više suptropske krajeve. geografske širine, zimi - na niže; raspadaju se na brojne oceanske. anticiklone: ​​u Sjev. hemisfere - azorska anticiklona (osobito ljeti) i havajska; u južnom - južni indijski, južni Pacifik i južni Atlantik;

3. područja spuštena. tlak nad oceanima u visokim geografskim širinama umjerenih zona: u Sjev. polutke - islandske (osobito zimi) i aleutske niske, na jugu - kontinuirani prsten niskog tlaka koji okružuje Antarktiku (50 0 S);

4. područja povećanja. tlak nad Arktikom (osobito zimi) i Antarktikom - anticiklone;

● sezonski- prate se kao područja visokog ili niskog tlaka tijekom jedne sezone, mijenjajući se u drugoj sezoni u središte djelovanja atmosfere suprotnog predznaka. Njihovo postojanje povezano je s oštrom promjenom tijekom godine temperature kopnene površine u odnosu na temperaturu površine oceana; ljetno pregrijavanje zemljišta stvara ovdje povoljne uvjete za formiranje nižih područja. tlak, zimska hipotermija - za područja povećanog. pritisak. Sve u. polutke do zimskih područja povećana. pritiscima su azijski (sibirski) sa središtem u Mongoliji i kanadski maksimumi, u južnom - australski, južnoamerički i južnoafrički maksimumi. Ljetne površine niže tlak: u Sev. hemisfere - južnoazijska (ili zapadnoazijska) i sjevernoamerička niska, u juž. - australske, južnoameričke i južnoafričke niske razine).

Centri djelovanja atmosfere svojstveni su određenoj vrsti vremena. Stoga zrak ovdje relativno brzo poprima svojstva podzemne površine - vruć i vlažan u ekvatorijalnoj depresiji, hladan i suh u mongolskoj anticikloni, hladan i vlažan u islandskoj nižini itd.

Planetarni prijenos topline i njegovi uzroci

Glavne značajke planetarnog prijenosa topline. Sunčeva energija koju apsorbira površina zemaljske kugle zatim se turbulentnim strujanjem troši na isparavanje i prijenos topline. Isparavanje u prosjeku traje oko 80% oko planeta, a turbulentni prijenos topline - preostalih 20% ukupne topline.

Procesi prijenosa topline i promjene s geografskom širinom njegovih komponenti u oceanu i na kopnu vrlo su jedinstveni. Sva toplina koju je zemlja apsorbirala u proljeće i ljeto potpuno se gubi u jesen i zimi; s uravnoteženim godišnjim proračunom topline, stoga ispada da je posvuda jednak nuli.

U Svjetskom oceanu, zbog velikog toplinskog kapaciteta vode i njezine pokretljivosti u niskim geografskim širinama, dolazi do akumulacije topline, odakle se strujama prenosi u visoke geografske širine, gdje je njezin utrošak veći od unosa. Time se pokriva nedostatak nastao u izmjeni topline vode sa zrakom.

U ekvatorijalnom pojasu Svjetskog oceana, s velikom količinom apsorbiranog sunčevog zračenja i smanjenom potrošnjom energije, godišnji proračun topline ima maksimalne pozitivne vrijednosti. S udaljenošću od ekvatora, pozitivni godišnji toplinski proračun se smanjuje zbog povećanja potrošnog materijala za prijenos topline, uglavnom isparavanja. S prijelazom iz tropskih područja u umjerene geografske širine proračun topline postaje negativan.

Unutar zemlje sva toplina primljena u proljetno-ljetnom razdoblju troši se u jesensko-zimskom razdoblju. U vodama Svjetskog oceana, tijekom duge povijesti Zemlje, akumulirana je ogromna količina topline jednaka 7,6 * 10^21 kcal. Akumulacija tako velike mase objašnjava se visokim toplinskim kapacitetom vode i njezinim intenzivnim miješanjem, tijekom kojeg dolazi do prilično složene preraspodjele topline u debljini oceanosfere. Toplinski kapacitet cijele atmosfere je 4 puta manji od desetmetarskog sloja vode Svjetskog oceana.

Unatoč činjenici da je udio sunčeve energije koji se koristi za turbulentnu izmjenu topline između Zemljine površine i zraka relativno mali, ona je glavni izvor zagrijavanja prizemnog dijela atmosfere. Intenzitet ovog prijenosa topline ovisi o razlici temperature između zraka i podloge (vode ili tla). U niskim geografskim širinama planeta (od ekvatora do približno četrdesete geografske širine obje hemisfere) zrak se uglavnom zagrijava s kopna, koje nije u stanju akumulirati sunčevu energiju i svu primljenu toplinu predaje atmosferi. Zbog turbulentnog prijenosa topline zračni omotač prima od 20 do 40 kcal/cm^2 godišnje, au područjima s niskom vlagom (Sahara, Arabija i dr.) i više od 60 kcal/cm^2. Vode u tim geografskim širinama akumuliraju toplinu, dajući zraku u procesu turbulentne izmjene topline samo 5-10 kcal/cm^2 godišnje ili manje. Samo u određenim područjima (ograničeno područje) voda je prosječno godišnje hladnija i stoga prima toplinu iz zraka (u ekvatorijalnoj zoni, na sjeverozapadu Indijskog oceana, kao i uz zapadnu obalu Afrike i Južna Amerika).

Stranica 1

Veliki geološki ciklus uključuje sedimentne stijene duboko u zemljinoj kori, dugo vremena isključujući elemente sadržane u njima iz sustava. biološki ciklus. Tijekom geološka povijest transformirane sedimentne stijene, ponovno na površini Zemlje, postupno se uništavaju djelovanjem živih organizama, vode i zraka, te se ponovno uključuju u biosferni ciklus.

Veliki geološki ciklus događa se tijekom stotina tisuća ili milijuna godina. Sastoji se od sljedećeg: stijene se uništavaju, troše i na kraju ispiraju tokovi vode u oceane. Ovdje se talože na dnu, tvoreći sedimentne stijene, a samo se djelomično vraćaju na kopno s organizmima koje su iz vode uklonili ljudi ili druge životinje.

U srcu velikog geološkog ciklusa je proces prijenosa mineralnih spojeva s jednog mjesta na drugo na planetarnoj razini bez sudjelovanja žive tvari.

Osim male cirkulacije, postoji i velika, geološka cirkulacija. Neke tvari dospijevaju u duboke slojeve Zemlje (preko sedimenata dna mora ili na drugi način), gdje dolazi do polaganih transformacija uz nastanak različitih spojeva, mineralnih i organskih. Procese geološkog ciklusa podupire uglavnom unutarnja energija Zemlje, njezina aktivna jezgra. Ista energija doprinosi oslobađanju tvari na površinu Zemlje. Tako se zatvara velika cirkulacija tvari. Za to su potrebni milijuni godina.

Što se tiče brzine i intenziteta velikog geološkog kruženja tvari, trenutno je nemoguće dati točne podatke, postoje samo približne procjene, i to samo za egzogenu komponentu. opći ciklus, tj. ne uzimajući u obzir dotok tvari iz plašta u zemljinu koru.

Ovaj ugljik sudjeluje u velikom geološkom ciklusu. Taj ugljik u procesu malog biotičkog ciklusa održava plinsku ravnotežu biosfere i života općenito.

Čvrsto otjecanje nekih rijeka svijeta.

Doprinos komponenata biosfere i tehnosfere velikom geološkom ciklusu tvari Zemlje vrlo je značajan: dolazi do stalnog progresivnog rasta komponenti tehnosfere zbog širenja sfere ljudske proizvodne aktivnosti.

Budući da je glavni tehnobio-geokemijski tok na zemljinoj površini usmjeren u okviru velikog geološkog kruženja tvari za 70% kopna u ocean i za 30% - u zatvorene bezvodne depresije, ali uvijek od viših prema nižim visinama, kao rezultat djelovanja gravitacijskih sila, odnosno diferencijacije materije zemljine kore s visokih na niske uzvisine, s kopna na ocean. Obratna strujanja (atmosferski transport, ljudska djelatnost, tektonski pokreti, vulkanizam, migracija organizama) donekle kompliciraju ovo opće kretanje tvari prema dolje, stvarajući lokalne migracijske cikluse, ali ga ne mijenjaju općenito.

Kruženje vode između kopna i oceana kroz atmosferu odnosi se na veliki geološki ciklus. Voda isparava s površine oceana i prenosi se na kopno, gdje pada u obliku oborina, koje se opet vraćaju u ocean u obliku površinskog i podzemnog otjecanja, ili pada u obliku oborina na površinu oceana. ocean. U vodenom ciklusu na Zemlji svake godine sudjeluje više od 500 tisuća km3 vode. 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.

Prema njegovoj formulaciji, biološki ciklus tvari odvija se na dijelu putanje velikog, geološkog ciklusa tvari u prirodi.

Transport tvari po površini i podzemne vode- ovo je glavni čimbenik u smislu geokemijske diferencijacije kopna globusa, ali ne i jedini, a ako govorimo o velikom geološkom kruženju tvari na zemljinoj površini u cjelini, onda je vrlo bitnu ulogu tokovi također igraju, posebno, oceanski i atmosferski transport.

Što se tiče brzine i intenziteta velikog geološkog kruženja tvari, trenutno je nemoguće dati točne podatke, postoje samo približne procjene, i to samo za egzogenu komponentu općeg ciklusa, tj. ne uzimajući u obzir dotok tvari iz plašta u zemljinu koru. Egzogena komponenta velikog geološkog kruženja tvari je proces denudacije zemljine površine koji se neprestano odvija.

Stranica 1

Geološki ciklus (veliki ciklus tvari u prirodi) - kruženje tvari, pokretačka snaga koji su egzogeni i endogeni geološki procesi.

Geološka cirkulacija - kruženje tvari čiji su pokretač egzogeni i endogeni geološki procesi.

Granice geološkog ciklusa mnogo su šire od granica biosfere, njegova amplituda zahvaća slojeve zemljine kore daleko izvan biosfere. I što je najvažnije, živi organizmi igraju sekundarnu ulogu u procesima ovog ciklusa.

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

Najvažniju ulogu u velikom ciklusu geološkog ciklusa imaju mali ciklusi materije, kako biosferski tako i tehnosferski, jednom u kojima je tvar na duže vrijeme isključena iz velikog geokemijskog toka, transformirajući se u beskrajnim ciklusima sinteze i raspad.

Najvažniju ulogu u velikom ciklusu geološkog kruženja imaju mali ciklusi tvari, kako biosferski tako i tehnosferski, u kojima se tvar na duže vrijeme isključuje iz velikog geokemijskog toka, transformirajući se u beskrajnim ciklusima sinteze. i razgradnju.

Ovaj ugljik sudjeluje u sporom geološkom ciklusu.

Upravo taj ugljik sudjeluje u sporom geološkom ciklusu. Život na Zemlji i plinsku ravnotežu atmosfere podržavaju relativno male količine ugljika sadržane u biljnim (5 10 t) i životinjskim (5 109 t) tkivima koja sudjeluju u malom (biogenom) ciklusu. Međutim, trenutno osoba intenzivno zatvara ciklus tvari, uključujući ugljik. Na primjer, procjenjuje se da ukupna biomasa svih domaćih životinja već premašuje biomasu svih divljih kopnenih životinja. Područja kulturnih biljaka približavaju se područjima prirodnih biogeocenoza, a mnogi kulturni ekosustavi po svojoj produktivnosti, koju čovjek neprestano povećava, znatno su superiorniji od prirodnih.

Vremenski i prostorno najopsežniji je takozvani geološki ciklus materije.

Postoje 2 vrste kruženja tvari u prirodi: veliki ili geološki ciklus tvari između kopna i oceana; mala ili biološka – između tla i biljaka.

Voda koju biljka izdvoji iz tla u parnom stanju ulazi u atmosferu, zatim se, hladeći, kondenzira i ponovno vraća u tlo ili ocean kao oborina. Geološki ciklus vode osigurava mehaničku preraspodjelu, sedimentaciju, nakupljanje čvrstih sedimenata na kopnu i na dnu vodenih tijela, kao iu procesu mehaničkog razaranja tla i stijena. Međutim, kemijska funkcija vode odvija se uz sudjelovanje živih organizama ili njihovih metaboličkih proizvoda. Prirodne vode, poput tla, složena su bio-inertna tvar.

Geokemijska aktivnost čovjeka po razmjerima postaje usporediva s biološkom i geološkim procesima. U geološkom ciklusu veza denudacije naglo raste.

Čimbenik koji ostavlja glavni trag na opći karakter i biološki. Istodobno, geološki ciklus vode neprestano nastoji isprati sve te elemente iz slojeva kopna u oceanski bazen. Dakle, očuvanje biljnih prehrambenih elemenata unutar zemlje zahtijeva njihovu pretvorbu u oblik apsolutno netopljiv u vodi. Ovaj zahtjev ispunjava živi organski.

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 materija u smislu žive vage

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 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 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 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 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 ovaj slučaj postoji prijenos energije i tvari duž karika hranidbenog lanca, 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 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 na taj način u sastav složenih organski spojevi, forme, a onda, kada se potonji unište, opet 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 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 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.

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 organske tvari, 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.