Kakvu ulogu ima veliki geološki ciklus materije. Biološki i geološki ciklusi

Stranica 1

Veliki geološki ciklus uključuje sedimentne stijene u dubini Zemljina kora, dugo vremena isključujući elemente sadržane u njima iz sustava biološkog ciklusa. Tijekom geološke povijesti transformirane sedimentne stijene, ponovno na površini Zemlje, postupno se razaraju djelovanjem živih organizama, vode i zraka, te se ponovno uključuju u biosferski 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, za sada, koliko god se točni podaci mogu dati, postoje samo približne procjene, i to samo za egzogenu komponentu općeg ciklusa, 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.

Prijenos tvari površinskim i podzemnim vodama glavni je faktor geokemijske diferencijacije u smislu volumena, ali ne i jedini, a ako govorimo o velikom geološkom kruženju tvari na zemljinoj površini u cjelini, onda tokovi igraju vrlo značajnu ulogu. ulogu u tome, posebice 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.

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 dva važne točke: kisik ugljik geološki

• a) provodi se kroz cijeli geološki razvoj Zemlje;
• 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 organska tvar razgraditi 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 kemijskih reakcija naziva se biogeokemijski ciklus.

Sadašnjost i budućnost našeg planeta ovisi o sudjelovanju živih organizama u funkcioniranju biosfere. U kruženju tvari živa materija, ili 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 ispusti u geološke 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 oborine premašuje kapacitet vlage gornjih slojeva tla, počinje površinsko otjecanje, čija brzina ovisi o stanju tla, strmini padine, trajanju oborina i prirodi vegetacije ( vegetacija može zaštititi tlo od vodene erozije). 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, fizička svojstva tlo, sastav 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, nukleinskih kiselina, lipoproteina, enzima, klorofila 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). Proizvodne biljke opskrbljuju dušičnim tvarima cijeli životinjski svijet i čovječanstvo. 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, 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 izravno dobivaju metalne katione koji su im potrebni okoliš. 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 drugih mineralnih resursa. 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. U vodena masa oceanima približno 1,6 milijardi tona, u pridnenim sedimentima - 500 milijardi tona, u planktonu - 2 milijuna tona. 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 su važna karakteristika vodeni ekosustavi. Akumulirajući teške metale, radionuklide i visokotoksične organske tvari, pridneni sedimenti, s jedne strane, doprinose samopročišćavanju vodene sredine, a s druge strane predstavljaju stalni 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 kanalizacija koristi se 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 morskoj vodi krom je 10-20% zastupljen u obliku Cr (3+), 25-40% u obliku Cr (6+) i 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 prilagode postojanju u određenom rasponu okolišnih čimbenika naziva se 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 niskih temperatura, već složena fiziološka prilagodba, koja se događa tek 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 može pomaknuti faze tih 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 i odmaraju se danju, mnogi planktonski organizmi noću ostaju na površini vode, a danju se spuštaju u dubinu.

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 zadovoljava uvjete okoliša i, u pravilu, krši 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.

DO endogeni procesi uključuju: magmatizam, metamorfizam (djelovanje visokih temperatura i tlaka), vulkanizam, kretanje zemljine kore (potresi, izgradnja planina).

DO egzogeni- trošenje, djelovanje atmosferskih i površinska voda mora, oceana, životinja, biljnih organizama, a posebno čovjeka – tehnogeneza.

Interakcija unutarnjih i vanjskih procesa tvori veliki geološki ciklus materije.

Tijekom endogenih procesa nastaju planinski sustavi, uzvisine, oceanske depresije, tijekom egzogenih procesa razaraju se magmatske stijene, produkti razaranja odlaze u rijeke, mora, oceane i nastaju sedimentne stijene. Uslijed kretanja zemljine kore sedimentne stijene tonu u duboke slojeve, podliježu procesima metamorfizma (djelovanje visokih temperatura i tlaka) i nastaju metamorfne stijene. U dubljim slojevima pretvaraju se u rastopljene ...
stanje (magmatizacija). Zatim, kao rezultat vulkanskih procesa, ulaze u gornje slojeve litosfere, na njezinu površinu u obliku magmatskih stijena. Tako nastaju tlotvorne stijene i razne forme olakšanje.

Stijene, od kojih nastaje tlo, nazivaju se tlotvornim ili matičnim. Prema uvjetima nastanka dijele se u tri skupine: magmatske, metamorfne i sedimentne.

Magmatske stijene sastoje se od spojeva silicija, Al, Fe, Mg, Ca, K, Na. Ovisno o omjeru ovih spojeva razlikuju se kisele i bazične stijene.

Kiseli (graniti, lipariti, pegmatiti) imaju visok sadržaj silicijevog dioksida (više od 63%), kalijevih i natrijevih oksida (7-8%), kalcijevih i Mg oksida (2-3%). Svijetle su i smeđe boje. Tla nastala od takvih stijena imaju labavu strukturu, visoku kiselost i neplodna su.

Glavne magmatske stijene (bazalti, duniti, perioditi) karakteriziraju niski sadržaj SiO 2 (40-60%), povećan sadržaj CaO i MgO (do 20%), željezni oksidi (10-20%), Na 2 O i K 2 O manje manje od 30%.

Tla nastala na produktima trošenja glavnih stijena imaju alkalnu i neutralnu reakciju, puno humusa i visoku plodnost.

Magmatske stijene čine 95% ukupne mase stijena, ali kao tlotvorne stijene zauzimaju male površine (u planinama).

metamorfne stijene, nastaju kao rezultat rekristalizacije magmatskih i sedimentnih stijena. To su mramor, gnajs, kvarc. Zauzimaju mali udio kao stijene koje tvore tlo.

Sedimentne stijene. Njihov nastanak posljedica je procesa trošenja magmatskih i metamorfnih stijena, prijenosa produkata trošenja vodom, glacijalnim i zračnim strujanjima te taloženja na kopnu, na dnu oceana, mora, jezera, u poplavnim područjima rijeka.

Prema sastavu sedimentne stijene dijele se na klastične, kemogene i biogene.

klastične naslage razlikuju se po veličini krhotina i čestica: to su gromade, kamenje, šljunak, drobljeni kamen, pijesak, ilovača i glina.

Kemogeni depoziti nastaju kao rezultat taloženja soli iz vodenih otopina u morskim zaljevima, jezerima u vrućim klimatskim uvjetima ili kao rezultat kemijskih reakcija.

Tu spadaju halogenidi (kamena i kalijeva sol), sulfati (gips, anhidrid), karbonati (vapnenac, lapor, dolomiti), silikati, fosfati. Mnogi od njih su sirovina za proizvodnju cementa, kemijskih gnojiva i koriste se kao poljoprivredne rude.

Biogene naslage nastala od nakupina ostataka biljaka i životinja. To su: karbonatne (biogeni vapnenci i kreda), silikatne (dolomit) i karbonatne stijene (ugljen, treset, sapropel, nafta, plin).

Glavni genetski tipovi sedimentnih stijena su:

1. Eluvijalne naslage- produkti trošenja stijena koji ostaju na ploči njihove formacije. Eluvij se nalazi na vrhovima vododjelnica, gdje je ispiranje slabo izraženo.

2. deluvijalne naslage- proizvodi erozije taloženi privremenim tokovima kiše i otopljene vode u donjem dijelu padina.

3. proluvijalne naslage- nastaje kao rezultat prijenosa i taloženja produkata trošenja privremenim planinskim rijekama i poplavama u podnožju padina.

4. Aluvijalni nanosi- nastaju kao rezultat taloženja produkata trošenja riječnim vodama koje u njih ulaze površinskim otjecanjem.

5. Jezerske naslage– donji sedimenti jezera. Muljevi s visokim udjelom organske tvari (15-20%) nazivaju se sapropeli.

6. morski sedimenti- pridneni sedimenti mora. Tijekom povlačenja (transgresije) mora ostaju kao tlotvorne stijene.

7. Glacijalne (glacijalne) ili morenske naslage- proizvodi trošenja raznih stijena, pomaknutih i taloženih ledenjakom. Ovo je nesortirani krupnozrnati crveno-smeđi ili sivi materijal s uključcima kamenja, gromada i šljunka.

8. Fluvioglacijalne (vodeno-glacijalne) naslage privremeni vodotoci i zatvoreni rezervoari nastali tijekom otapanja ledenjaka.

9. Pokrivne gline pripadaju ekstraglacijalnim naslagama i smatraju se naslagama plitkovodnih blizuglacijalnih poplava otopljene vode. Prekrivaju luđicu odozgo slojem od 3-5 m. Žuto-smeđe su boje, dobro sortirane, ne sadrže kamenje i gromade. Tla na pokrovnim ilovačama su plodnija nego na luđim.

10. Lesovi i lesne ilovače karakteriziraju blijedožuta boja, visok sadržaj mulja i muljevitih frakcija, rahla struktura, visoka poroznost, visok sadržaj kalcijevih karbonata. Na njima su nastala plodna siva šumska, kestenjasta tla, černozemi i siva tla.

11. Eolske naslage nastala kao posljedica djelovanja vjetra. Destruktivno djelovanje vjetra sastoji se od korozije (mljevenje, brušenje stijena) i deflacije (puhanje i prijenos sitnih čestica tla vjetrom). Oba ova procesa zajedno čine eroziju vjetrom.

Osnovne sheme, formule itd. koje ilustriraju sadržaj: prezentacija s fotografijama vrsta vremenskih prilika.

Pitanja za samokontrolu:

1. Što je vremenski uvjeti?

2. Što je magmatizacija?

3. Koja je razlika između fizikalnog i kemijskog trošenja?

4. Što je geološki ciklus tvari?

5. Opiši građu Zemlje?

6. Što je magma?

7. Od kojih se slojeva sastoji jezgra Zemlje?

8. Što su pasmine?

9. Kako se klasificiraju pasmine?

10. Što je les?

11. Što je frakcija?

12. Koje se karakteristike nazivaju organoleptičkim?

Glavni:

1. Dobrovolsky V.V. Geografija tala s osnovama tloznanstva: udžbenik za srednje škole. - M .: Humanit. izd. Centar VLADOS, 1999.-384 str.

2. Znanost o tlu / Ed. JE. Kauričev. M. Agropromiadat ur. 4. 1989. godine.

3. Znanost o tlu / Ed. V.A. Kovdy, B.G. Rozanov u 2 dijela M. Viša škola 1988.

4. Glazovskaya M.A., Gennadiev A.I. Geografija tla s osnovama znanosti o tlu, Moskovsko državno sveučilište. 1995. godine

5. Rode A.A., Smirnov V.N. Znanost o tlu. M. Viša škola, 1972

Dodatno:

1. Glazovskaya M.A. Opće tloznanstvo i geografija tla. Gimnazija M. 1981. god

2. Kovda V.A. Osnove učenja o tlima. M. Znanost 1973

3. Liverovsky A.S. Tla SSSR-a. M. Misao 1974

4. Rozanov B. G. Pokrivač tla globusa. M. izd. W. 1977

5. Aleksandrova L.N., Naydenova O.A. Laboratorijska i praktična nastava iz tloznanstva. L. Agropromizdat. 1985. godine

Veliki geološki ciklus mineralnih tvari i vode odvija se pod utjecajem velikog broja abiotskih čimbenika.

4.3.1. Kruženje tvari u velikom geološkom ciklusu.

Prema teoriji litosfernih ploča, vanjski omotač Zemlje sastoji se od nekoliko vrlo velikih blokova (ploča). Ova teorija pretpostavlja postojanje horizontalnih kretanja moćnih litosfernih ploča debljine 100-150 km.

Istodobno, unutar srednjooceanskih grebena, tzv. Rift zona. Dolazi do pucanja i odvajanja litosfernih ploča uz stvaranje mlade oceanske kore

Taj se fenomen naziva širenje oceanskog dna. Tako se tok mineralnih tvari diže iz dubine plašta, tvoreći mlade kristalne stijene.

Za razliku od ovog procesa, u zoni dubokih oceanskih rovova jedan dio kontinentalne kore neprestano se nabija na drugi, što je popraćeno uranjanjem rubnog dijela ploče u plašt, odnosno dijela čvrste tvari. zemljine kore prelazi u sastav Zemljina omotača. Proces koji se događa u oceanskim dubokomorskim jarcima naziva se subdukcija oceanske kore.

Kruženje vode na planeti odvija se neprekidno i posvuda. Pokretačke snage ciklusa vode su toplinska energija i gravitacija. Pod utjecajem topline dolazi do isparavanja, kondenzacije vodene pare i drugih procesa, pri čemu se troši oko 50% energije koja dolazi od sunca. Pod utjecajem gravitacije - pada kišnih kapi, toka rijeka, kretanja tla i podzemnih voda. Često ti uzroci djeluju zajedno, na primjer, i toplinski procesi i gravitacija djeluju na atmosfersko kruženje vode.

4.3.2. Kruženje elemenata u neživoj prirodi

Provodi se na dva načina: vodenom i zračnom migracijom. U zračne migrante spadaju: kisik, vodik, dušik, jod.

Vodeni migranti uključuju one tvari koje migriraju uglavnom u tlu, površinskim i podzemnim vodama uglavnom u obliku molekula i iona: natrij, magnezij, aluminij, silicij, fosfor, sumpor, klor, kalij, mangan, željezo, kobalt, nikal, stroncij, olovo itd. Zračni migranti također ulaze u sastav soli koje migriraju u vodi. Međutim, zračna migracija je tipičnija za njih.

4.4 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. 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. 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 organsku biosintezu, formiranje koraljnih otoka, izgradnju školjaka i kostura, pojavu sedimentnih slojeva vapnenca, naslage određenih metalnih ruda, nakupljanje željezno-manganskih nodula, na dnu oceana itd. Rane faze biološke evolucije odvijala se u vodenom okolišu. Organizmi su naučili ekstrahirati tvari koje su im potrebne iz razrijeđene vodene otopine, višestruko povećavajući njihovu koncentraciju u tijelu.

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

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

4.4.2. Komponente biološkog ciklusa.

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

Sunčevo zračenje koje dopire do biosfere nosi energiju od oko 2,5 * 1024 J godišnje. Od toga se samo 0,3% izravno pretvara u procesu fotosinteze u energiju kemijskih veza organskih tvari, tj. uključeni u biološki ciklus. A 0,1 - 0,2% sunčeve energije koja pada na Zemlju ispada da je zatvoreno u čistom primarna proizvodnja. Daljnja sudbina ove energije povezana je 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 prikazanoj aktivnosti u procesima koji se odvijaju u biosferi, svi kemijski elementi podijeljeni u 6 grupa:

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 u zemljopisnom omotaču, a neki su inertni elementi 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.

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

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

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

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

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

ATMOSFERA HIDROSFERA

­ ¯ ­ ¯

ŽIVA TVAR

TLO

Evolucija biosfere

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

1. Nastanak i razvoj života u vodi. Stadij je povezan s postojanjem vodenih ekosustava. U atmosferi nije bilo kisika.

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

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

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

Noosfera

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

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

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

Znanost o upravljanju odnosom između ljudskog društva i prirode naziva se noogenika.

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

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

BIOSFERA I ČOVJEK

Biosfera za čovjeka je i stanište i izvor prirodnih resursa.

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

Neiscrpna resursi uključuju vodu, klimatske (atmosferski zrak i energija vjetra) i svemirske: sunčevo zračenje, energiju plime i oseke. Međutim, sve veće onečišćenje okoliša zahtijeva provođenje ekoloških mjera za očuvanje ovih resursa.

Zadovoljenje ljudskih potreba nezamislivo je bez iskorištavanja prirodnih resursa.

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

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

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

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