Siklus materi biologis dan geologis. Siklus zat

sirkuit geologis zat memiliki kecepatan terbesar dalam arah horizontal antara darat dan laut. Yang dimaksud dengan sirkulasi besar adalah batuan mengalami kehancuran, pelapukan, dan hasil pelapukan, termasuk unsur hara yang larut dalam air, dibawa oleh aliran air ke Samudera Dunia dengan terbentuknya strata laut dan kembali ke darat hanya sebagian saja, misalnya , dengan presipitasi atau dengan organisme yang diekstraksi dari air oleh manusia. Kemudian, dalam jangka waktu yang lama, terjadi perubahan geotektonik yang lambat - pergerakan benua, naik turunnya dasar laut, letusan gunung berapi, dll., Akibatnya strata yang terbentuk kembali ke daratan dan prosesnya dimulai lagi.

Siklus materi geologis yang hebat. Di bawah pengaruh proses denudasi, terjadi penghancuran batuan dan sedimentasi. Batuan sedimen terbentuk. Di daerah penurunan yang stabil (biasanya dasar laut), substansi selubung geografis memasuki lapisan dalam Bumi. Selanjutnya, di bawah pengaruh suhu dan tekanan, terjadi proses metamorfik, akibatnya batuan terbentuk, zat tersebut bergerak mendekati pusat bumi. Magmatisme terjadi di perut bumi pada suhu yang sangat tinggi: batuan meleleh, naik dalam bentuk magma di sepanjang patahan ke permukaan bumi dan mengalir ke permukaan selama letusan. Dengan demikian, sirkulasi materi dilakukan. Siklus geologi menjadi rumit jika pertukaran materi dengan luar angkasa diperhitungkan. Siklus geologis yang hebat tidak tertutup dalam artian partikel materi yang telah jatuh ke dalam perut bumi belum tentu akan muncul ke permukaan, begitu pula sebaliknya, partikel yang naik saat terjadi letusan tidak akan pernah bisa berada di permukaan bumi. sebelum.

Sumber energi utama dari proses alami di Bumi

Radiasi matahari adalah sumber energi utama di Bumi. Kekuatannya dicirikan oleh konstanta matahari - jumlah energi yang melewati area satuan luas, tegak lurus terhadap sinar matahari. Pada jarak satu satuan astronomi (yaitu, di orbit Bumi), konstanta ini kira-kira 1370 W / m².

Organisme hidup menggunakan energi Matahari (fotosintesis) dan energi ikatan kimia (kemosintesis). Energi ini dapat digunakan dalam berbagai proses alami dan buatan. Sepertiga dari semua energi dipantulkan oleh atmosfer, 0,02% digunakan oleh tumbuhan untuk fotosintesis, dan sisanya digunakan untuk mendukung banyak proses alami - memanaskan bumi, lautan, atmosfer, pergerakan udara. wt. Pemanasan matahari langsung atau konversi energi dengan menggunakan sel fotovoltaik dapat digunakan untuk menghasilkan listrik (pembangkit listrik tenaga surya) atau melakukan yang lainnya pekerjaan yang bermanfaat. Dahulu kala, energi yang tersimpan dalam minyak dan bahan bakar fosil lainnya juga diperoleh melalui fotosintesis.

Energi yang sangat besar ini menyebabkan pemanasan global, karena setelah melewati proses alam, energi tersebut dipancarkan kembali dan atmosfer tidak memungkinkan untuk kembali.

2. Tenaga dalam Bumi; manifestasi - gunung berapi, mata air panas

18. Transformasi energi asal biotik dan abiotik

Tidak ada limbah dalam ekosistem alami yang berfungsi. Semua organisme, hidup atau mati, berpotensi menjadi makanan bagi organisme lain: ulat memakan daun, sariawan memakan ulat, elang dapat memakan sariawan. Ketika tanaman, ulat, sariawan dan elang mati, mereka pada gilirannya diproses oleh pengurai.

Semua organisme yang memakan jenis makanan yang sama adalah milik yang sama tingkat trofik.

organisme ekosistem alami terlibat dalam jaringan kompleks dari banyak rantai makanan yang saling berhubungan. Jaringan seperti itu disebut jaringan makanan.

Piramida aliran energi: Dengan setiap transisi dari satu tingkat trofik ke tingkat lainnya di dalam rantai makanan atau jaringan, pekerjaan dilakukan dan energi panas dilepaskan ke lingkungan, dan jumlah energi Kualitas tinggi digunakan oleh organisme tingkat trofik berikutnya menurun.

aturan 10%: saat berpindah dari satu tingkat trofik ke tingkat trofik lainnya, 90% energi hilang, dan 10% dipindahkan ke tingkat berikutnya.

Semakin panjang rantai makanan, semakin banyak energi berguna yang terbuang. Oleh karena itu, panjang rantai makanan biasanya tidak melebihi 4 - 5 mata rantai.

Energi bidang lanskap Bumi:

1) energi matahari: panas, berseri-seri

2) aliran energi panas dari perut bumi

3) energi arus pasang surut

4) energi tektonik

5) asimilasi energi selama fotosintesis

Siklus air di alam

Siklus air di alam adalah proses pergerakan siklik air di biosfer bumi. Ini terdiri dari penguapan, kondensasi dan pengendapan (presipitasi atmosfer sebagian menguap, sebagian membentuk saluran air dan reservoir sementara dan permanen, sebagian meresap ke dalam tanah dan membentuk air tanah), serta proses degassing mantel: air terus mengalir dari mantel. air telah ditemukan bahkan di tempat yang sangat dalam.

Lautan hilang karena penguapan lebih banyak air daripada yang diperoleh dengan curah hujan, di darat - situasinya terbalik. Air terus bersirkulasi di seluruh dunia, sementara itu total tetap tidak berubah.

75% permukaan bumi tertutup air. Cangkang air Bumi adalah hidrosfer. Sebagian besar adalah air asin laut dan samudera, dan sebagian kecil adalah air tawar danau, sungai, gletser, air tanah dan uap air.

Di bumi, air ada dalam tiga keadaan agregasi: cair, padat, dan gas. Organisme hidup tidak dapat hidup tanpa air. Dalam organisme apa pun, air adalah media di mana reaksi kimia yang tanpanya organisme hidup tidak dapat hidup. Air adalah zat yang paling berharga dan paling diperlukan untuk kehidupan organisme hidup.

Ada beberapa jenis siklus air di alam:

Siklus besar, atau dunia, - uap air yang terbentuk di atas permukaan lautan dibawa oleh angin ke benua, jatuh di sana dalam bentuk presipitasi dan kembali ke laut dalam bentuk limpasan. Dalam proses ini, kualitas air berubah: selama penguapan, garam air laut berubah menjadi segar, dan tercemar - dimurnikan.

Siklus kecil, atau samudera, - uap air yang terbentuk di atas permukaan samudra mengembun dan mengendap kembali ke samudra sebagai presipitasi.

Sirkulasi intrakontinental - air yang telah menguap di atas permukaan tanah kembali jatuh ke daratan dalam bentuk presipitasi.

Pada akhirnya, presipitasi dalam proses pergerakan kembali mencapai lautan.

Kecepatan transfer berbagai macam air bervariasi dalam rentang yang luas, sehingga periode aliran, dan periode pembaharuan air juga berbeda. Mereka bervariasi dari beberapa jam hingga beberapa puluh ribu tahun. Kelembaban atmosfer, yang dibentuk oleh penguapan air dari samudra, laut, dan daratan serta ada dalam bentuk awan, diperbarui rata-rata setelah delapan hari.

Perairan yang membentuk organisme hidup dipulihkan dalam beberapa jam. Ini yang paling bentuk aktif pertukaran air. Periode pembaruan cadangan air di gletser gunung adalah sekitar 1.600 tahun, di gletser negara kutub lebih lama - sekitar 9.700 tahun.

Pembaruan lengkap perairan Samudra Dunia terjadi dalam waktu sekitar 2.700 tahun.

Efek interaksi radiasi matahari, gerak dan rotasi bumi.

DI DALAM masalah ini variabilitas musiman harus dipertimbangkan: musim dingin/musim panas. Jelaskan bahwa karena rotasi dan pergerakan bumi, radiasi matahari datang tidak merata, yang berarti demikian kondisi iklim berubah dengan garis lintang.

Bumi dimiringkan ke bidang ekliptika sebesar 23,5 derajat.

Balok bergerak pada sudut yang berbeda. keseimbangan radiasi. Penting tidak hanya berapa banyak yang diperoleh, tetapi juga berapa banyak yang hilang, dan berapa banyak yang tersisa, dengan mempertimbangkan albedo.

Pusat Aksi Atmosfer

Area besar dengan tekanan tinggi atau rendah yang persisten terkait dengan sirkulasi umum atmosfer - pusat aksi atmosfer. Mereka menentukan arah angin yang berlaku dan berfungsi sebagai pusat formasi tipe geografis massa udara. Pada peta sinoptik, mereka diekspresikan dengan garis tertutup - isobar.

Penyebab: 1) heterogenitas Bumi;

2) perbedaan fisik. sifat tanah dan air (kapasitas panas)

3) perbedaan albedo permukaan (R/Q): air – 6%, ekuivalen. hutan - 10-12%, hutan luas - 18%, padang rumput - 22-23%, salju - 92%;

4) F Coriolis

Hal ini menyebabkan OCA.

Pusat Aksi Atmosfer:

● permanen- di dalamnya ada tekanan tinggi atau rendah sepanjang tahun:

1. garis khatulistiwa ke bawah. tekanan, sumbu yang agak bermigrasi dari ekuator mengikuti Matahari menuju belahan bumi musim panas - Depresi ekuator (alasan: sejumlah besar Q dan lautan);

2. pada satu jalur subtropis yang ditinggikan. tekanan di Utara. dan Yuzh. belahan; beberapa bermigrasi di musim panas ke subtropis yang lebih tinggi. garis lintang, di musim dingin - ke yang lebih rendah; pecah menjadi beberapa samudera. antiklon: di Utara. hemispheres - Anticyclone Azores (terutama di musim panas) dan Hawaii; di Selatan - India Selatan, Pasifik Selatan dan Atlantik Selatan;

3. daerah diturunkan. tekanan atas lautan di lintang tinggi zona sedang: di Utara. belahan bumi - Islandia (terutama di musim dingin) dan dataran rendah Aleutian, di Selatan - cincin tekanan rendah yang terus menerus mengelilingi Antartika (50 0 S);

4. bidang peningkatan. tekanan atas Kutub Utara (terutama di musim dingin) dan Antartika - antiklon;

● musiman- dilacak sebagai area dengan tekanan tinggi atau rendah selama satu musim, berubah di musim lain ke pusat aksi atmosfer dari tanda yang berlawanan. Keberadaan mereka dikaitkan dengan perubahan tajam suhu permukaan tanah sepanjang tahun dalam kaitannya dengan suhu permukaan lautan; musim panas yang terlalu panas di tanah menciptakan kondisi yang menguntungkan untuk pembentukan daerah yang lebih rendah di sini. tekanan, hipotermia musim dingin - untuk area yang meningkat. tekanan. Semua masuk. belahan bumi ke daerah musim dingin meningkat. tekanan termasuk Asia (Siberia) dengan pusat di Mongolia dan maxima Kanada, di maxima Selatan - Australia, Amerika Selatan dan Afrika Selatan. Daerah musim panas lebih rendah tekanan: di Sev. belahan - Asia Selatan (atau Asia Barat) dan posisi terendah Amerika Utara, di Selatan. - Terendah Australia, Amerika Selatan dan Afrika Selatan).

Pusat-pusat aksi atmosfer melekat pada jenis cuaca tertentu. Oleh karena itu, udara di sini relatif cepat memperoleh sifat-sifat permukaan yang mendasarinya - panas dan lembab di depresi Khatulistiwa, dingin dan kering di antisiklon Mongolia, sejuk dan lembab di dataran rendah Islandia, dll.

Perpindahan panas planet dan penyebabnya

Fitur utama perpindahan panas planet. Energi matahari yang diserap oleh permukaan bumi kemudian dihabiskan untuk penguapan dan perpindahan panas melalui aliran turbulen. Penguapan rata-rata terjadi di sekitar planet ini sekitar 80%, dan perpindahan panas turbulen - sisa 20% dari total panas.

Proses perpindahan panas dan perubahan dengan garis lintang geografis komponennya di lautan dan di darat sangat unik. Semua panas yang diserap tanah di musim semi dan musim panas hilang sama sekali di musim gugur dan musim dingin; dengan anggaran panas tahunan yang seimbang, oleh karena itu ternyata sama dengan nol di mana-mana.

Di Samudra Dunia, karena kapasitas panas air yang tinggi dan mobilitasnya di lintang rendah, panas terakumulasi, dari mana ia diangkut oleh arus ke lintang tinggi, di mana pengeluarannya melebihi asupannya. Dengan demikian, kekurangan yang tercipta dalam pertukaran panas air dengan udara tertutupi.

Di zona ekuator Samudra Dunia, dengan sejumlah besar radiasi matahari yang diserap dan konsumsi energi yang berkurang, anggaran panas tahunan memiliki nilai positif maksimum. Dengan jarak dari khatulistiwa, anggaran panas tahunan positif berkurang karena peningkatan bahan habis pakai perpindahan panas, terutama penguapan. Dengan transisi dari daerah tropis ke garis lintang sedang, anggaran panas menjadi negatif.

Di dalam tanah, semua panas yang diterima pada musim semi-musim panas dihabiskan pada periode musim gugur-musim dingin. Di perairan Samudra Dunia, selama sejarah panjang Bumi, sejumlah besar panas setara dengan 7,6 * 10^21 kkal telah terakumulasi. Akumulasi massa sebesar itu dijelaskan oleh kapasitas panas air yang tinggi dan pencampurannya yang intens, di mana redistribusi panas yang agak kompleks terjadi di ketebalan oseanosfer. Kapasitas panas seluruh atmosfer 4 kali lebih kecil dari lapisan sepuluh meter perairan Samudra Dunia.

Terlepas dari kenyataan bahwa bagian energi matahari yang digunakan untuk pertukaran panas turbulen antara permukaan bumi dan udara relatif kecil, itu adalah sumber utama pemanasan bagian dekat permukaan atmosfer. Intensitas perpindahan panas ini tergantung pada perbedaan suhu antara udara dan permukaan di bawahnya (air atau tanah). Di garis lintang rendah planet ini (dari ekuator hingga kira-kira garis lintang keempat puluh dari kedua belahan bumi), udara dipanaskan terutama dari daratan, yang tidak dapat mengakumulasi energi matahari dan melepaskan semua panas yang diterimanya ke atmosfer. Karena perpindahan panas turbulen, cangkang udara menerima 20 hingga 40 kkal/cm^2 per tahun, dan di daerah dengan kelembapan rendah (Sahara, Arab, dll.) bahkan lebih dari 60 kkal/cm^2. Perairan di garis lintang ini menumpuk panas, memberikan udara dalam proses pertukaran panas turbulen hanya 5-10 kkal/cm^2 per tahun atau kurang. Hanya di daerah tertentu (area terbatas) air ternyata lebih dingin rata-rata per tahun sehingga menerima panas dari udara (di zona ekuator, di barat laut Samudra Hindia, serta di lepas pantai barat Afrika. dan Amerika Selatan).

Halaman 1

Siklus geologis yang besar melibatkan batuan sedimen jauh ke dalam kerak bumi, untuk waktu yang lama mematikan unsur-unsur yang terkandung di dalamnya dari sistem. siklus biologis. Selama sejarah geologi batuan sedimen yang berubah, sekali lagi di permukaan bumi, secara bertahap dihancurkan oleh aktivitas organisme hidup, air dan udara, dan kembali termasuk dalam siklus biosfer.

Sebuah siklus geologi besar terjadi selama ratusan ribu atau jutaan tahun. Ini terdiri dari yang berikut: bebatuan hancur, lapuk dan akhirnya hanyut oleh aliran air ke lautan. Di sini mereka diendapkan di dasar, membentuk batuan sedimen, dan hanya sebagian yang kembali ke darat dengan organisme yang dikeluarkan dari air oleh manusia atau hewan lain.

Inti dari siklus geologis yang besar adalah proses pemindahan senyawa mineral dari satu tempat ke tempat lain dalam skala planet tanpa partisipasi materi hidup.

Selain sirkulasi kecil, ada sirkulasi geologis yang besar. Beberapa zat memasuki lapisan dalam Bumi (melalui sedimen dasar laut atau dengan cara lain), di mana terjadi transformasi lambat dengan pembentukan berbagai senyawa, mineral dan organik. Proses siklus geologi didukung terutama oleh energi internal Bumi, inti aktifnya. Energi yang sama berkontribusi pada pelepasan zat ke permukaan bumi. Dengan demikian, sirkulasi zat yang besar ditutup. Dibutuhkan jutaan tahun.

Mengenai kecepatan dan intensitas sirkulasi besar zat secara geologis, saat ini tidak mungkin untuk memberikan data yang akurat, hanya ada perkiraan perkiraan, dan kemudian hanya untuk komponen eksogen. siklus umum, yaitu tanpa memperhitungkan masuknya materi dari mantel ke kerak bumi.

Karbon ini mengambil bagian dalam siklus geologis yang besar. Karbon ini, dalam proses siklus biotik kecil, menjaga keseimbangan gas biosfer dan kehidupan secara umum.

Limpasan padat dari beberapa sungai di dunia.

Kontribusi komponen biosfer dan teknosfer terhadap siklus geologis yang besar dari zat-zat Bumi sangat signifikan: terdapat pertumbuhan komponen teknosfer yang terus-menerus karena perluasan lingkup aktivitas produksi manusia.

Karena aliran teknobio-geokimia utama di permukaan bumi diarahkan dalam kerangka sirkulasi geologis besar zat untuk 70% daratan ke lautan dan 30% - ke dalam depresi tertutup tanpa saluran, tetapi selalu dari ketinggian yang lebih tinggi ke ketinggian yang lebih rendah, sebagai akibat dari aksi gaya gravitasi, masing-masing, diferensiasi materi kerak bumi dari ketinggian tinggi ke rendah, dari daratan ke lautan. Arus balik (transportasi atmosfer, aktivitas manusia, gerakan tektonik, vulkanisme, migrasi organisme) sampai batas tertentu memperumit pergerakan umum materi ke bawah ini, menciptakan siklus migrasi lokal, tetapi tidak mengubahnya secara umum.

Sirkulasi air antara daratan dan lautan melalui atmosfer mengacu pada siklus geologi yang besar. Air menguap dari permukaan lautan dan dipindahkan ke daratan, di mana ia jatuh dalam bentuk presipitasi, yang kembali lagi ke laut dalam bentuk limpasan permukaan dan bawah tanah, atau jatuh dalam bentuk presipitasi ke permukaan. laut. Lebih dari 500 ribu km3 air berpartisipasi dalam siklus air di Bumi setiap tahun. Siklus air secara keseluruhan memainkan peran utama dalam membentuk kondisi alam di planet kita. Dengan mempertimbangkan transpirasi air oleh tumbuhan dan penyerapannya dalam siklus biogeokimia, seluruh pasokan air di Bumi akan berkurang dan pulih kembali dalam 2 juta tahun.

Menurut perumusannya, siklus biologis zat berkembang di bagian lintasan siklus geologis zat yang besar di alam.

Pengangkutan materi melalui permukaan dan air tanah- ini adalah faktor utama dalam hal diferensiasi geokimia bumi, tetapi bukan satu-satunya, dan jika kita berbicara tentang sirkulasi besar zat secara geologis di permukaan bumi secara keseluruhan, maka ini sangat peran penting arus juga berperan, khususnya, transportasi laut dan atmosfer.

Mengenai kecepatan dan intensitas sirkulasi besar zat secara geologis, saat ini tidak mungkin untuk memberikan data yang pasti, hanya ada perkiraan perkiraan, dan kemudian hanya untuk komponen eksogen dari siklus umum, yaitu. tanpa memperhitungkan masuknya materi dari mantel ke kerak bumi. Komponen eksogen dari sirkulasi besar zat secara geologis adalah proses penggundulan permukaan bumi yang terus berlangsung.

Halaman 1

Siklus geologi (siklus besar zat di alam) - siklus zat, penggerak yaitu proses geologi eksogen dan endogen.

Sirkulasi geologis - sirkulasi zat, yang kekuatan pendorongnya adalah proses geologis eksogen dan endogen.

Batasan siklus geologis jauh lebih luas daripada batas biosfer, amplitudonya menangkap lapisan kerak bumi jauh melampaui biosfer. Dan yang terpenting, organisme hidup memainkan peran sekunder dalam proses siklus ini.

Dengan demikian, sirkulasi zat secara geologis berlangsung tanpa partisipasi organisme hidup dan mendistribusikan kembali materi antara biosfer dan lapisan bumi yang lebih dalam.

Peran terpenting dalam siklus besar siklus geologis dimainkan oleh siklus kecil materi, baik biosfer maupun teknosfer, sekali di mana zat dimatikan untuk waktu yang lama dari aliran geokimia besar, berubah menjadi siklus sintesis dan tak berujung. penguraian.

Peran terpenting dalam siklus besar sirkulasi geologis dimainkan oleh siklus kecil materi, baik biosfer maupun teknosfer, di mana zat tersebut dimatikan untuk waktu yang lama dari aliran geokimia besar, berubah menjadi siklus sintesis tanpa akhir. dan dekomposisi.

Karbon ini mengambil bagian dalam siklus geologi yang lambat.

Karbon inilah yang mengambil bagian dalam siklus geologis yang lambat. Kehidupan di Bumi dan keseimbangan gas di atmosfer didukung oleh jumlah karbon yang relatif kecil yang terkandung dalam jaringan tanaman (5 10 t) dan hewan (5 109 t) yang berpartisipasi dalam siklus kecil (biogenik). Namun, saat ini, seseorang secara intensif menutup siklus zat, termasuk karbon. Misalnya, diperkirakan total biomassa semua hewan peliharaan sudah melebihi biomassa semua hewan darat liar. Area tanaman yang dibudidayakan mendekati area biogeocenosis alami, dan banyak ekosistem budaya, dalam hal produktivitasnya, yang terus ditingkatkan oleh manusia, jauh lebih unggul daripada yang alami.

Yang paling luas dalam ruang dan waktu adalah apa yang disebut siklus materi geologis.

Ada 2 jenis sirkulasi zat di alam: siklus besar atau geologis zat antara daratan dan lautan; kecil atau biologis - antara tanah dan tanaman.

Air yang diekstraksi oleh tumbuhan dari tanah dalam keadaan uap memasuki atmosfer, kemudian, mendingin, mengembun dan kembali lagi ke tanah atau lautan sebagai presipitasi. Siklus air geologis menyediakan redistribusi mekanis, sedimentasi, akumulasi sedimen padat di darat dan di dasar badan air, serta dalam proses penghancuran tanah dan batuan secara mekanis. Namun, fungsi kimiawi air dilakukan dengan partisipasi organisme hidup atau produk metabolismenya. Perairan alami, seperti tanah, adalah zat bio-inert yang kompleks.

Aktivitas geokimia manusia menjadi sebanding dalam skala dengan biologis dan proses geologis. Dalam siklus geologis, mata rantai penggundulan meningkat tajam.

Faktor yang meninggalkan jejak utama pada karakter umum dan biologis. Pada saat yang sama, siklus air geologis terus berusaha untuk mencuci semua elemen ini dari lapisan tanah kering ke dalam cekungan samudra. Oleh karena itu, pengawetan unsur makanan nabati di dalam tanah memerlukan pengubahannya menjadi bentuk yang benar-benar tidak larut dalam air. Kebutuhan ini dipenuhi oleh makhluk hidup organik.

Sirkulasi kecil (biologis).

Massa materi hidup di biosfer relatif kecil. Jika didistribusikan di atas permukaan bumi, maka akan diperoleh lapisan hanya 1,5 cm Tabel 4.1 membandingkan beberapa karakteristik kuantitatif biosfer dan geosfer Bumi lainnya. Biosfer, terhitung kurang dari 10-6 massa cangkang lain di planet ini, memiliki keanekaragaman yang jauh lebih besar dan memperbarui komposisinya jutaan kali lebih cepat.

Tabel 4.1

Perbandingan biosfer dengan geosfer lain di Bumi

*Masalah hidup dalam hal bobot hidup

4.4.1. Fungsi biosfer

Berkat biota biosfer, bagian utama dari transformasi kimiawi di planet ini terjadi. Oleh karena itu penilaian V.I. Vernadsky tentang transformatif besar peran geologis zat hidup. Untuk evolusi organik organisme hidup seribu kali (untuk siklus yang berbeda dari 103 hingga 105 kali) melewati diri mereka sendiri, melalui organ, jaringan, sel, darah, seluruh atmosfer, seluruh volume Samudra Dunia, sebagian besar massa tanah, yang sangat besar massa mineral. Dan mereka tidak hanya melewatkannya, tetapi juga mengubah lingkungan bumi sesuai dengan kebutuhan mereka.

Berkat kemampuannya untuk mengubah energi matahari menjadi energi ikatan kimia, tumbuhan dan organisme lain melakukan sejumlah fungsi biogeokimia mendasar dalam skala planet.

fungsi gas. Makhluk hidup terus bertukar oksigen dan karbon dioksida dengan lingkungan dalam proses fotosintesis dan respirasi. Tumbuhan memainkan peran yang menentukan dalam perubahan dari lingkungan reduksi menjadi lingkungan pengoksidasi dalam evolusi geokimia planet ini dan dalam pembentukan komposisi gas atmosfer modern. Tumbuhan secara ketat mengontrol konsentrasi O2 dan CO2, yang optimal untuk totalitas semua organisme hidup modern.

fungsi konsentrasi. Melewati tubuh mereka volume besar udara dan larutan alami, organisme hidup melakukan migrasi biogenik (gerakan zat kimia) dan konsentrasi unsur kimia dan senyawanya. Ini mengacu pada biosintesis bahan organik, pembentukan pulau karang, konstruksi cangkang dan kerangka, penampakan lapisan batu kapur sedimen, endapan bijih logam tertentu, akumulasi nodul besi-mangan, di dasar laut, dll. Tahap awal evolusi biologis terjadi di lingkungan perairan. Organisme telah belajar mengekstraksi zat yang mereka butuhkan dari larutan encer, melipatgandakan konsentrasinya dalam tubuh mereka berkali-kali lipat.

Fungsi redoks materi hidup terkait erat dengan migrasi biogenik unsur dan konsentrasi zat. Banyak zat di alam yang stabil dan tidak mengalami oksidasi dalam kondisi normal, misalnya nitrogen molekuler adalah salah satu unsur biogenik terpenting. Tetapi sel hidup memiliki katalis yang sangat kuat - enzim sehingga mereka mampu melakukan banyak reaksi redoks jutaan kali lebih cepat daripada yang dapat terjadi di lingkungan abiotik.

Fungsi informasi dari materi hidup biosfer. Dengan munculnya makhluk hidup primitif pertama, informasi aktif ("hidup") muncul di planet ini, yang berbeda dari informasi "mati", yang merupakan cerminan sederhana dari struktur. Organisme ternyata dapat menerima informasi dengan menghubungkan aliran energi dengan struktur molekul aktif yang berperan sebagai program. Kemampuan untuk memahami, menyimpan, dan memproses informasi molekuler telah mengalami evolusi tingkat lanjut di alam dan telah menjadi faktor pembentuk sistem ekologi yang paling penting. Total stok informasi genetik biota diperkirakan mencapai 1015 bit. Kekuatan total aliran informasi molekuler yang terkait dengan metabolisme dan energi di semua sel biota global mencapai 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Komponen dari siklus biologis.

Siklus biologis dilakukan antara semua komponen biosfer (yaitu, antara tanah, udara, air, hewan, mikroorganisme, dll.). Itu terjadi dengan partisipasi wajib organisme hidup.

Radiasi matahari yang mencapai biosfer membawa energi sekitar 2,5 * 1024 J per tahun. Hanya 0,3% darinya yang langsung diubah dalam proses fotosintesis menjadi energi ikatan kimia zat organik, yaitu. terlibat dalam siklus biologis. Dan 0,1 - 0,2% energi matahari yang jatuh ke bumi ternyata tertutup murni produksi primer. Nasib selanjutnya Energi ini dikaitkan dengan transfer bahan organik makanan melalui kaskade rantai trofik.

Siklus biologis dapat dibagi secara kondisional menjadi komponen yang saling terkait: siklus zat dan siklus energi.

4.4.3. Siklus energi. Transformasi energi di biosfer

Ekosistem dapat digambarkan sebagai kumpulan organisme hidup yang terus bertukar energi, materi, dan informasi. Energi dapat didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Sifat energi, termasuk pergerakan energi dalam ekosistem, dijelaskan oleh hukum termodinamika.

Hukum termodinamika pertama atau hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak hilang dan tidak diciptakan kembali, ia hanya berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa entropi hanya dapat meningkat dalam sistem tertutup. Berkenaan dengan energi dalam ekosistem, formulasi berikut cocok: proses yang terkait dengan transformasi energi dapat terjadi secara spontan hanya jika energi berpindah dari bentuk terkonsentrasi ke bentuk difusi, yaitu terdegradasi. Ukuran jumlah energi yang menjadi tidak tersedia untuk digunakan, atau ukuran perubahan urutan yang terjadi ketika energi terdegradasi, adalah entropi. Semakin tinggi orde sistem, semakin rendah entropinya.

Dengan kata lain, materi hidup menerima dan mengubah energi kosmos, matahari menjadi energi proses terestrial (kimia, mekanik, termal, listrik). Ini melibatkan energi dan materi anorganik ini dalam sirkulasi zat yang berkelanjutan di biosfer. Aliran energi di biosfer memiliki satu arah - dari Matahari melalui tumbuhan (autotrof) ke hewan (heterotrof). Ekosistem alami yang belum tersentuh dalam keadaan stabil dengan indikator lingkungan penting yang konstan (homeostasis) adalah sistem yang paling teratur dan dicirikan oleh entropi terendah.

4.4.4. Siklus zat di alam

Pembentukan materi hidup dan penguraiannya adalah dua sisi dari satu proses, yang disebut siklus biologis unsur-unsur kimia. Hidup adalah sirkulasi unsur-unsur kimia antara organisme dan lingkungan.

Alasan siklus tersebut adalah keterbatasan unsur-unsur pembentuk tubuh organisme. Setiap organisme mengekstraksi dari lingkungan zat yang diperlukan untuk hidup dan kembali tidak terpakai. Di mana:

beberapa organisme mengkonsumsi mineral langsung dari lingkungan;

yang lain menggunakan produk yang diproses dan diisolasi terlebih dahulu;

yang ketiga - yang kedua, dll., sampai zat tersebut kembali ke lingkungan dalam keadaan semula.

Di biosfer, kebutuhan akan koeksistensi berbagai organisme yang dapat menggunakan produk limbah satu sama lain terlihat jelas. Kami melihat produksi biologis yang praktis bebas limbah.

Siklus zat dalam organisme hidup dapat direduksi secara kondisional menjadi empat proses:

1. Fotosintesis. Sebagai hasil fotosintesis, tumbuhan menyerap dan mengakumulasi energi matahari dan mensintesis zat organik - produk biologis primer - dan oksigen dari zat anorganik. Produk biologis primer sangat beragam - mengandung karbohidrat (glukosa), pati, serat, protein, lemak.

Skema fotosintesis karbohidrat (glukosa) paling sederhana memiliki skema sebagai berikut:

Proses ini hanya berlangsung pada siang hari dan dibarengi dengan bertambahnya massa tumbuhan.

Di Bumi, sekitar 100 miliar ton bahan organik terbentuk setiap tahun sebagai hasil fotosintesis, sekitar 200 miliar ton karbon dioksida diasimilasi, dan sekitar 145 miliar ton oksigen dilepaskan.

Fotosintesis memainkan peran yang menentukan dalam memastikan keberadaan kehidupan di Bumi. Signifikansi globalnya dijelaskan oleh fakta bahwa fotosintesis adalah satu-satunya proses di mana energi dalam proses termodinamika, menurut prinsip minimalis, tidak menghilang, melainkan terakumulasi.

Dengan mensintesis asam amino yang diperlukan untuk membangun protein, tumbuhan dapat hidup relatif bebas dari organisme hidup lainnya. Ini memanifestasikan autotrofi tanaman (swasembada nutrisi). Pada saat yang sama, massa hijau tumbuhan dan oksigen yang terbentuk dalam proses fotosintesis merupakan dasar untuk mempertahankan kehidupan kelompok organisme hidup berikutnya - hewan, mikroorganisme. Ini menunjukkan heterotrofi kelompok organisme ini.

2. Bernapas. Prosesnya adalah kebalikan dari fotosintesis. Terjadi pada semua sel hidup. Selama respirasi, bahan organik dioksidasi oleh oksigen, menghasilkan pembentukan karbon dioksida, air, dan energi.

3. Hubungan nutrisi (trofik) antara organisme autotrofik dan heterotrofik. DI DALAM kasus ini ada transfer energi dan materi di sepanjang rantai makanan, yang telah kita bahas lebih detail sebelumnya.

4. Proses transpirasi. Salah satu proses terpenting dalam siklus biologis.

Secara skematis dapat digambarkan sebagai berikut. Tanaman menyerap kelembapan tanah melalui akarnya. Pada saat yang sama, zat mineral terlarut dalam air masuk ke dalamnya, yang diserap, dan kelembapan menguap lebih atau kurang intensif, tergantung pada kondisi lingkungan.

4.4.5. Siklus biogeokimia

Siklus geologis dan biologis terhubung - mereka ada sebagai satu proses tunggal, yang menimbulkan sirkulasi zat, yang disebut siklus biogeokimia (BGCC). Peredaran unsur-unsur ini disebabkan oleh sintesis dan pembusukan zat organik dalam ekosistem (Gambar 4.1) Tidak semua unsur biosfer terlibat dalam BHCC, tetapi hanya yang biogenik. Organisme hidup terdiri dari mereka, unsur-unsur ini masuk ke dalam berbagai reaksi dan berpartisipasi dalam proses yang terjadi pada organisme hidup. Dalam persentase, massa total materi hidup biosfer terdiri dari unsur biogenik utama berikut: oksigen - 70%, karbon - 18%, hidrogen - 10,5%, kalsium - 0,5%, kalium - 0,3%, nitrogen - 0 , 3%, (oksigen, hidrogen, nitrogen, karbon ada di semua lanskap dan merupakan dasar organisme hidup - 98%).

Esensi migrasi biogenik unsur-unsur kimia.

Jadi, di biosfer terdapat siklus zat biogenik (yaitu, siklus yang disebabkan oleh aktivitas vital organisme) dan aliran energi searah. Migrasi biogenik unsur-unsur kimia ditentukan terutama oleh dua proses yang berlawanan:

1. Terbentuknya makhluk hidup dari unsur-unsur lingkungan akibat energi matahari.

2. Penghancuran zat organik disertai dengan pelepasan energi. Pada saat yang sama, unsur-unsur zat mineral berulang kali memasuki organisme hidup, sehingga masuk ke dalam komposisi kompleks senyawa organik, bentuk, dan kemudian, ketika yang terakhir dihancurkan, mereka kembali memperoleh bentuk mineral.

Ada unsur-unsur yang merupakan bagian dari organisme hidup, tetapi tidak terkait dengan yang biogenik. Unsur-unsur tersebut diklasifikasikan menurut fraksi beratnya dalam organisme:

Makronutrien - komponen setidaknya 10-2% dari massa;

Elemen jejak - komponen dari 9 * 10-3 hingga 1 * 10-3% dari massa;

Unsur ultramikro - kurang dari 9 * 10-6% massa;

Untuk menentukan tempat unsur biogenik di antara unsur kimia biosfer lainnya, pertimbangkan klasifikasi yang diadopsi dalam ekologi. Menurut aktivitas yang diperlihatkan dalam proses yang terjadi di biosfer, semua unsur kimia dibagi menjadi 6 kelompok:

Gas mulia adalah helium, neon, argon, kripton, xenon. Gas inert bukan bagian dari organisme hidup.

Logam mulia - ruthenium, radium, paladium, osmium, iridium, platinum, emas. Logam-logam ini hampir tidak membentuk senyawa di kerak bumi.

Elemen siklik atau biogenik (disebut juga migrasi). Kelompok unsur biogenik di kerak bumi ini menyumbang 99,7% dari total massa, dan 5 kelompok sisanya - 0,3%. Dengan demikian, sebagian besar oknum tersebut adalah para pendatang yang melakukan sirkulasi masuk amplop geografis, dan bagian dari elemen inert sangat kecil.

Unsur tersebar, dicirikan oleh dominasi atom bebas. Mereka masuk ke dalam reaksi kimia, tetapi senyawanya jarang ditemukan di kerak bumi. Mereka dibagi menjadi dua subkelompok. Yang pertama - rubidium, cesium, niobium, tantalum - membuat senyawa di kedalaman kerak bumi, dan di permukaan mineralnya dihancurkan. Yang kedua - yodium, bromin - hanya bereaksi di permukaan.

Unsur radioaktif - polonium, radon, radium, uranium, neptunium, plutonium.

Unsur tanah jarang - yttrium, samarium, europium, thulium, dll.

Siklus biokimia sepanjang tahun menggerakkan sekitar 480 miliar ton materi.

DI DAN. Vernadsky merumuskan tiga prinsip biogeokimia yang menjelaskan esensi migrasi biogenik unsur-unsur kimia:

Migrasi biogenik unsur-unsur kimia di biosfer selalu cenderung maksimal.

Evolusi spesies dalam perjalanan waktu geologis, yang mengarah pada penciptaan bentuk kehidupan yang berkelanjutan, berlanjut ke arah yang meningkatkan migrasi biogenik atom.

Materi hidup berada dalam pertukaran kimia terus menerus dengan lingkungannya, yang merupakan faktor yang menciptakan kembali dan memelihara biosfer.

Mari kita perhatikan bagaimana beberapa unsur ini bergerak di biosfer.

Siklus karbon. Peserta utama dalam siklus biotik adalah karbon sebagai dasar dari zat organik. Sebagian besar siklus karbon terjadi antara materi hidup dan karbon dioksida atmosfer dalam proses fotosintesis. Herbivora mendapatkannya dari makanan, predator mendapatkannya dari herbivora. Saat bernafas, membusuk, karbon dioksida sebagian dikembalikan ke atmosfer, pengembalian terjadi saat mineral organik dibakar.

Dengan tidak adanya pengembalian karbon ke atmosfer, itu akan digunakan oleh tanaman hijau dalam 7-8 tahun. Tingkat pergantian biologis karbon melalui fotosintesis adalah 300 tahun. Lautan berperan penting dalam mengatur kandungan CO2 di atmosfer. Jika kandungan CO2 naik di atmosfer, sebagian larut dalam air, bereaksi dengan kalsium karbonat.

Siklus oksigen.

Oksigen memiliki aktivitas kimiawi yang tinggi, masuk ke dalam senyawa dengan hampir semua unsur kerak bumi. Itu terjadi terutama dalam bentuk senyawa. Setiap atom keempat dari materi hidup adalah atom oksigen. Hampir semua molekul oksigen di atmosfer berasal dan dipertahankan pada tingkat yang konstan karena aktivitas tumbuhan hijau. Oksigen atmosfer, terikat selama respirasi dan dilepaskan selama fotosintesis, melewati semua organisme hidup dalam 200 tahun.

Siklus nitrogen. Nitrogen adalah bagian yang tidak terpisahkan semua protein. Rasio total nitrogen terikat, sebagai unsur penyusun bahan organik, terhadap nitrogen di alam adalah 1:100.000. Energi ikatan kimia dalam molekul nitrogen sangat tinggi. Oleh karena itu, kombinasi nitrogen dengan unsur lain - oksigen, hidrogen (proses fiksasi nitrogen) - membutuhkan banyak energi. Fiksasi nitrogen industri berlangsung dengan adanya katalis pada suhu -500°C dan tekanan -300 atm.

Seperti yang Anda ketahui, atmosfer mengandung lebih dari 78% molekul nitrogen, tetapi dalam keadaan ini tidak tersedia untuk tumbuhan hijau. Untuk nutrisi mereka, tanaman hanya dapat menggunakan garam nitrat dan asam nitrat. Bagaimana cara pembentukan garam-garam tersebut? Berikut beberapa di antaranya:

Di biosfer, fiksasi nitrogen dilakukan oleh beberapa kelompok bakteri anaerob dan cyanobacteria pada suhu dan tekanan normal karena efisiensi biokatalisis yang tinggi. Dipercayai bahwa bakteri mengubah sekitar 1 miliar ton nitrogen per tahun menjadi bentuk terikat (volume fiksasi industri dunia sekitar 90 juta ton).

Bakteri pengikat nitrogen tanah mampu mengasimilasi molekul nitrogen dari udara. Mereka memperkaya tanah dengan senyawa nitrogen, sehingga nilainya sangat tinggi.

Sebagai hasil dari penguraian senyawa yang mengandung nitrogen dari zat organik yang berasal dari tumbuhan dan hewan.

Di bawah aksi bakteri, nitrogen diubah menjadi nitrat, nitrit, senyawa amonium. Pada tumbuhan, senyawa nitrogen mengambil bagian dalam sintesis senyawa protein, yang ditransfer dari organisme ke organisme dalam rantai makanan.

Siklus fosfor. Elemen penting lainnya, yang tanpanya sintesis protein tidak mungkin dilakukan, adalah fosfor. Sumber utamanya adalah batuan beku (apatit) dan batuan sedimen (fosforit).

Fosfor anorganik terlibat dalam siklus sebagai hasil dari proses pencucian alami. Fosfor diasimilasi oleh organisme hidup, yang, dengan partisipasinya, mensintesis sejumlah senyawa organik dan memindahkannya ke berbagai tingkat trofik.

Setelah menyelesaikan perjalanannya di sepanjang rantai trofik, fosfat organik diuraikan oleh mikroba dan diubah menjadi mineral fosfat yang tersedia bagi tumbuhan hijau.

Dalam proses sirkulasi biologis yang memastikan pergerakan materi dan energi, tidak ada tempat untuk penumpukan limbah. Produk limbah (yaitu produk limbah) dari setiap bentuk kehidupan adalah tempat berkembang biak bagi organisme lain.

Secara teoritis, biosfer harus selalu menjaga keseimbangan antara produksi biomassa dan dekomposisinya. Namun, dalam periode geologis tertentu, keseimbangan siklus biologis terganggu ketika, karena kondisi alam tertentu, bencana alam, tidak semua produk biologis diasimilasi dan diubah. Dalam kasus ini, surplus produk biologis terbentuk, yang dilestarikan dan disimpan di kerak bumi, di bawah kolom air, sedimen, dan berakhir di zona permafrost. Jadi endapan batu bara, minyak, gas, batu kapur terbentuk. Perlu dicatat bahwa mereka tidak mengotori biosfer. Energi Matahari, terakumulasi dalam proses fotosintesis, terkonsentrasi pada mineral organik. Sekarang, dengan membakar bahan bakar fosil organik, seseorang melepaskan energi ini.

Agar biosfer tetap eksis, sehingga pergerakan (perkembangannya) tidak terhenti, siklus zat-zat penting secara biologis harus terus terjadi di Bumi. Peralihan zat-zat penting secara biologis ini dari mata rantai ke mata rantai hanya dapat dilakukan dengan pengeluaran energi tertentu, yang sumbernya adalah Matahari.

Energi matahari menyediakan dua siklus materi di Bumi:

- sirkulasi geologis (abiotik), atau besar;

- sirkulasi biologis (biotik), atau kecil.

siklus geologi paling jelas terwujud dalam siklus air dan sirkulasi atmosfer.

Sekitar 21 10 20 kJ energi radiasi datang ke Bumi dari Matahari setiap tahun. Sekitar setengahnya dihabiskan untuk penguapan air. Inilah yang menciptakan siklus besar.

Siklus air di biosfer didasarkan pada fakta bahwa penguapan totalnya dari permukaan bumi dikompensasi oleh presipitasi. Pada saat yang sama, lebih banyak air yang menguap dari lautan daripada kembali dengan presipitasi. Di darat, sebaliknya, curah hujan lebih banyak daripada air yang menguap. Kelebihannya mengalir ke sungai dan danau, dan dari sana - lagi ke laut.

Dalam proses siklus air geologis, senyawa mineral dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain dalam skala planet, dan keadaan agregasi air juga berubah (cair, padat - salju, es; gas - uap). Air bersirkulasi paling intensif dalam keadaan uap.

Dengan munculnya materi hidup berdasarkan sirkulasi atmosfer, air, senyawa mineral terlarut di dalamnya, yaitu. atas dasar siklus abiotik, geologis, siklus bahan organik, atau kecil, muncul, siklus biologis.

Saat makhluk hidup berkembang, semakin banyak elemen yang terus-menerus diekstraksi dari siklus geologis dan memasuki siklus biologis baru.

Berbeda dengan perpindahan sederhana unsur mineral dalam siklus (geologis) besar, dalam siklus kecil (biologis), momen terpenting adalah sintesis dan penghancuran senyawa organik. Kedua proses ini berada dalam rasio tertentu, yang mendasari kehidupan dan merupakan salah satu ciri utamanya.

Berbeda dengan siklus geologis, siklus biologis memiliki energi yang lebih rendah. Seperti diketahui, hanya 0,1-0,2% dari insiden energi matahari di Bumi dihabiskan untuk pembuatan bahan organik (hingga 50% dalam siklus geologis). Meskipun demikian, energi yang terlibat dalam siklus biologis dihabiskan untuk sejumlah besar pekerjaan untuk menciptakan produksi primer di Bumi.

Dengan munculnya materi hidup di Bumi, unsur-unsur kimia terus bersirkulasi di biosfer, berpindah dari lingkungan luar menjadi organisme dan kembali ke lingkungan.

Peredaran unsur-unsur kimia semacam itu di sepanjang jalur yang kurang lebih tertutup, dilanjutkan dengan penggunaan energi matahari melalui organisme hidup, disebut sirkulasi biogeokimia (siklus).

Siklus biogeokimia utama adalah siklus oksigen, karbon, nitrogen, fosfor, belerang, air, dan elemen biogenik.

Siklus karbon.

Di darat, siklus karbon dimulai dengan fiksasi karbon dioksida oleh tanaman melalui fotosintesis. Selanjutnya, karbohidrat terbentuk dari karbon dioksida dan air dan oksigen dilepaskan. Pada saat yang sama, sebagian karbon dilepaskan selama respirasi tanaman sebagai bagian dari karbon dioksida. Karbon yang difiksasi pada tumbuhan dikonsumsi sampai batas tertentu oleh hewan. Hewan juga melepaskan karbon dioksida saat bernapas. Hewan dan tumbuhan yang sudah usang diurai oleh mikroorganisme, akibatnya karbon dari bahan organik mati dioksidasi menjadi karbon dioksida dan masuk kembali ke atmosfer.

Siklus karbon serupa terjadi di lautan.

Siklus nitrogen.

Siklus nitrogen, seperti siklus biogeokimia lainnya, mencakup semua area biosfer. Siklus nitrogen dikaitkan dengan konversinya menjadi nitrat karena aktivitas bakteri pengikat nitrogen dan nitrifikasi. Nitrat diserap tanaman dari tanah atau air. Tumbuhan dimakan hewan. Pada akhirnya, reduksi kembali mengubah nitrogen menjadi bentuk gas dan mengembalikannya ke atmosfer.

Dalam kondisi modern, seseorang ikut campur dalam siklus nitrogen, yang menanam legum pengikat nitrogen di area yang luas, secara artifisial mengikat nitrogen alami. Dipercayai bahwa pertanian dan industri menyediakan nitrogen tetap hampir 60% lebih banyak daripada ekosistem terestrial alami.

Siklus nitrogen serupa juga diamati di lingkungan perairan.

Siklus fosfor.

Tidak seperti karbon dan nitrogen, senyawa fosfor ditemukan di batuan yang terkikis dan melepaskan fosfat. Sebagian besar berakhir di laut dan samudra dan sebagian lagi dapat dikembalikan ke darat lagi melalui rantai makanan laut yang diakhiri dengan burung pemakan ikan. Beberapa fosfat berakhir di tanah dan diambil oleh akar tanaman. Penyerapan fosfor oleh tanaman bergantung pada keasaman larutan tanah: dengan meningkatnya keasaman, fosfat yang praktis tidak larut dalam air diubah menjadi asam fosfat yang sangat larut. Tanaman tersebut kemudian dimakan oleh hewan.

Mata rantai utama siklus biogeokimia adalah berbagai organisme, yang ragam bentuknya menentukan intensitas siklus dan keterlibatan hampir semua elemen kerak bumi di dalamnya.

Secara umum, setiap peredaran unsur kimia apa pun adalah bagian dari peredaran besar zat-zat di Bumi, yaitu. mereka terkait erat.