Peran apa yang dimainkan oleh siklus materi geologis yang hebat. Siklus biologis dan geologis

Halaman 1

Siklus geologis yang besar melibatkan batuan sedimen secara mendalam kerak bumi, untuk waktu yang lama mematikan unsur-unsur yang terkandung di dalamnya dari sistem siklus biologis. Dalam perjalanan sejarah geologis, batuan sedimen yang berubah, sekali lagi di permukaan bumi, secara bertahap dihancurkan oleh aktivitas organisme hidup, air dan udara, dan kembali dimasukkan ke 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 peduli seberapa akurat data yang dapat diberikan, hanya ada perkiraan perkiraan, dan kemudian hanya untuk komponen eksogen dari 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.

Perpindahan materi melalui air permukaan dan air tanah adalah faktor diferensiasi geokimia utama dalam hal volume, tetapi bukan satu-satunya, dan jika kita berbicara tentang sirkulasi besar zat secara geologis di permukaan bumi secara keseluruhan, maka aliran memainkan peran yang sangat signifikan. peran di dalamnya, 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.

Siklus materi besar (geologis) dan kecil (biogeokimia).

Semua zat di planet kita sedang dalam proses sirkulasi. Energi matahari menyebabkan dua siklus materi di Bumi:

Besar (geologis atau abiotik);

Kecil (biotik, biogenik atau biologis).

Siklus materi dan aliran energi kosmik menciptakan stabilitas biosfer. Siklus materi padat dan air yang terjadi sebagai akibat aksi faktor abiotik (alam mati), disebut siklus geologis besar. Dengan siklus geologis yang besar (aliran jutaan tahun), bebatuan hancur, lapuk, zat larut dan masuk ke Samudra Dunia; perubahan geotektonik sedang terjadi, tenggelamnya benua, munculnya dasar laut. Waktu siklus air di gletser adalah 8.000 tahun, di sungai - 11 hari. Sirkulasi besarlah yang memasok nutrisi bagi organisme hidup dan sangat menentukan kondisi keberadaannya.

Siklus geologis yang besar di biosfer dicirikan oleh dua hal poin penting: oksigen karbon geologis

• a) dilakukan sepanjang perkembangan geologis Bumi;
• b) adalah proses planet modern yang mengambil peran utama pengembangan lebih lanjut lingkungan.

Pada tahap perkembangan manusia saat ini, sebagai akibat dari sirkulasi yang besar, polutan juga diangkut dalam jarak jauh - oksida belerang dan nitrogen, debu, pengotor radioaktif. Wilayah lintang sedang di Belahan Bumi Utara menjadi sasaran polusi terbesar.

Sirkulasi zat biogenik atau biologis kecil terjadi dalam fase padat, cair, dan gas dengan partisipasi organisme hidup. Siklus biologis, berbeda dengan siklus geologis, membutuhkan lebih sedikit energi. Siklus kecil adalah bagian dari siklus besar, terjadi pada tingkat biogeocenosis (dalam ekosistem) dan terletak pada fakta bahwa nutrisi tanah, air, karbon terakumulasi dalam materi tumbuhan dan dihabiskan untuk membangun tubuh. Produk pembusukan bahan organik terurai menjadi komponen mineral. Siklus kecil tidak tertutup, yang terkait dengan masuknya zat dan energi ke dalam ekosistem dari luar dan dengan pelepasan beberapa di antaranya ke dalam siklus biosfer.

Banyak unsur kimia dan senyawanya terlibat dalam siklus besar dan kecil, tetapi yang terpenting adalah yang menentukan tahap perkembangan biosfer saat ini, terkait dengan aktivitas ekonomi manusia. Ini termasuk siklus karbon, belerang dan nitrogen (oksidanya adalah polutan utama atmosfer), serta fosfor (fosfat adalah polutan utama perairan benua). Hampir semua polutan berbahaya, dan diklasifikasikan sebagai xenobiotik. Saat ini, siklus xenobiotik - elemen beracun - merkuri (kontaminan makanan) dan timbal (komponen bensin) sangat penting. Selain itu, banyak zat yang berasal dari antropogenik (DDT, pestisida, radionuklida, dll.) Masuk ke sirkulasi kecil dari sirkulasi besar, yang membahayakan biota dan kesehatan manusia.

Inti dari siklus biologis adalah aliran dari dua proses yang berlawanan namun saling terkait - penciptaan bahan organik dan penghancurannya oleh materi hidup.

Berbeda dengan siklus besar, siklus kecil memiliki durasi yang berbeda: siklus kecil musiman, tahunan, abadi, dan sekuler dibedakan. Sirkulasi bahan kimia dari lingkungan anorganik melalui tumbuh-tumbuhan dan hewan kembali ke lingkungan anorganik menggunakan energi matahari dari reaksi kimia disebut siklus biogeokimia.

Masa kini dan masa depan planet kita bergantung pada partisipasi organisme hidup dalam berfungsinya biosfer. Dalam siklus zat benda hidup, atau biomassa, menjalankan fungsi biogeokimia: gas, konsentrasi, redoks, dan biokimia.

Siklus biologis terjadi dengan partisipasi organisme hidup dan terdiri dari reproduksi bahan organik dari anorganik dan penguraian organik ini menjadi anorganik melalui rantai trofik makanan. Intensitas proses produksi dan penghancuran dalam siklus biologis bergantung pada jumlah panas dan kelembapan. Sebagai contoh, rendahnya tingkat dekomposisi bahan organik di daerah kutub bergantung pada defisit panas.

Indikator penting dari intensitas siklus biologis adalah laju sirkulasi unsur-unsur kimia. Intensitas ditandai dengan indeks yang sama dengan rasio massa serasah hutan terhadap serasah. Semakin tinggi indeksnya, semakin rendah intensitas siklusnya.

Indeks di hutan termasuk jenis pohon jarum - 10 - 17; berdaun lebar 3 - 4; sabana tidak lebih dari 0,2; hutan tropis lembab tidak lebih dari 0,1, yaitu di sini siklus biologis adalah yang paling intens.

Aliran unsur (nitrogen, fosfor, belerang) melalui mikroorganisme jauh lebih tinggi daripada melalui tumbuhan dan hewan. Siklus biologis tidak sepenuhnya dapat dibalik, ini terkait erat dengan siklus biogeokimia. Unsur-unsur kimia beredar di biosfer di sepanjang berbagai jalur siklus biologis:

• - diserap oleh materi hidup dan diisi dengan energi;
• - meninggalkan materi hidup, melepaskan energi ke lingkungan luar.

Siklus ini terdiri dari dua jenis: sirkulasi zat gas; siklus sedimen (cadangan di kerak bumi).

Siklus itu sendiri terdiri dari dua bagian:

• - dana cadangan (ini adalah bagian dari zat yang tidak terkait dengan organisme hidup);
• - dana bergerak (pertukaran) (bagian kecil dari zat yang terkait dengan pertukaran langsung antara organisme dan lingkungan terdekatnya).

Siklus dibagi menjadi:

• - siklus tipe gas dengan dana cadangan di kerak bumi (siklus karbon, oksigen, nitrogen) - mampu mengatur diri sendiri dengan cepat;
• - siklus sedimen dengan dana cadangan di kerak bumi (sirkulasi fosfor, kalsium, besi, dll.) - lebih lembam, sebagian besar zat berada dalam bentuk "tidak dapat diakses" oleh organisme hidup.

Siklus juga dapat dibagi menjadi:

• - tertutup (sirkulasi zat gas, misalnya oksigen, karbon dan nitrogen - cadangan di atmosfer dan hidrosfer lautan, sehingga kekurangan tersebut segera dikompensasi);
• - terbuka (menciptakan dana cadangan di kerak bumi, misalnya, fosfor - oleh karena itu, kerugian dikompensasi dengan buruk, yaitu terjadi defisit).

Basis energi untuk keberadaan siklus biologis di Bumi dan mata rantai awalnya adalah proses fotosintesis. Setiap siklus sirkulasi yang baru bukanlah pengulangan yang tepat dari yang sebelumnya. Misalnya, selama evolusi biosfer, beberapa proses tidak dapat diubah, menghasilkan pembentukan dan akumulasi presipitasi biogenik, peningkatan jumlah oksigen di atmosfer, perubahan rasio kuantitatif isotop dari sejumlah elemen, dll.

Peredaran zat biasa disebut siklus biogeokimia. Siklus zat biogeokimia (biosfer) utama: siklus air, siklus oksigen, siklus nitrogen (partisipasi bakteri pengikat nitrogen), siklus karbon (partisipasi bakteri aerobik; setiap tahun sekitar 130 ton karbon dibuang ke lingkungan geologis. siklus), siklus fosfor (partisipasi bakteri tanah; setiap tahun dalam 14 juta ton fosfor hanyut dari lautan), siklus belerang, siklus kation logam.

Siklus air

Siklus air adalah siklus tertutup yang dapat dilakukan, seperti yang disebutkan di atas, meskipun tidak ada kehidupan, tetapi organisme hidup memodifikasinya.

Siklus ini didasarkan pada prinsip bahwa penguapan total dikompensasi oleh presipitasi. Untuk planet secara keseluruhan, penguapan dan presipitasi saling menyeimbangkan. Pada saat yang sama, lebih banyak air yang menguap dari lautan daripada kembali dengan presipitasi. Di darat, sebaliknya, lebih banyak curah hujan yang turun, tetapi kelebihannya mengalir ke danau dan sungai, dan dari sana kembali ke laut. Keseimbangan kelembaban antara benua dan lautan dipertahankan oleh limpasan sungai.

Dengan demikian, siklus hidrologi global memiliki empat aliran utama: presipitasi, evaporasi, transfer kelembaban, dan transpirasi.

Air - zat paling umum di biosfer - tidak hanya berfungsi sebagai habitat bagi banyak organisme, tetapi juga berfungsi sebagai habitat bagian yang tidak terpisahkan tubuh semua makhluk hidup. Terlepas dari pentingnya air dalam semua proses kehidupan yang terjadi di biosfer, materi hidup tidak memainkan peran yang menentukan dalam siklus air besar di dunia. Tenaga penggerak siklus ini adalah energi matahari, yang dihabiskan untuk penguapan air dari permukaan cekungan air atau daratan. Kelembaban yang menguap mengembun di atmosfer dalam bentuk awan yang tertiup angin; Saat awan mendingin, curah hujan turun.

Jumlah total air bebas yang tidak terikat (proporsi lautan dan lautan di mana air asin cair) menyumbang 86 hingga 98%. Sisa air (air tawar) disimpan di tutup kutub dan gletser dan membentuk cekungan air dan air tanahnya. Curah hujan yang jatuh di permukaan tanah yang ditumbuhi tumbuhan sebagian tertahan oleh permukaan daun dan selanjutnya menguap ke atmosfer. Kelembaban yang mencapai tanah dapat bergabung dengan limpasan permukaan atau diserap oleh tanah. Sepenuhnya terserap oleh tanah (ini tergantung pada jenis tanah, ciri batuan dan tutupan vegetasi), kelebihan sedimen dapat meresap jauh ke dalam air tanah. Jika jumlah curah hujan melebihi kapasitas kelembaban lapisan atas tanah, limpasan permukaan dimulai, yang kecepatannya bergantung pada kondisi tanah, kecuraman lereng, durasi curah hujan dan sifat vegetasi ( vegetasi dapat melindungi tanah dari erosi air). Air yang terperangkap di dalam tanah dapat menguap dari permukaannya atau, setelah diserap oleh akar tanaman, ditranspirasikan (menguap) ke atmosfer melalui daun.

Aliran transpirasi air (tanah - akar tanaman - daun - atmosfer) adalah jalur utama air melalui materi hidup dalam peredarannya yang besar di planet kita.

Siklus karbon

Seluruh variasi zat organik, proses biokimia, dan bentuk kehidupan di Bumi bergantung pada sifat dan karakteristik karbon. Kandungan karbon di sebagian besar organisme hidup adalah sekitar 45% dari biomassa keringnya. Semua makhluk hidup di planet ini terlibat dalam siklus bahan organik dan semua karbon Bumi, yang terus menerus muncul, bermutasi, mati, terurai, dan dalam urutan ini karbon dipindahkan dari satu zat organik ke konstruksi zat organik lainnya di sepanjang rantai makanan. Selain itu, semua makhluk hidup bernafas, melepaskan karbon dioksida.

Siklus karbon di darat. Siklus karbon dipertahankan melalui fotosintesis oleh tumbuhan darat dan fitoplankton samudera. Dengan menyerap karbon dioksida (memperbaiki karbon anorganik), tumbuhan menggunakan energi sinar matahari untuk mengubahnya menjadi senyawa organik - menciptakan biomassa mereka sendiri. Pada malam hari, tumbuhan, seperti semua makhluk hidup, bernapas dengan melepaskan karbon dioksida.

Tumbuhan mati, bangkai, dan kotoran hewan berfungsi sebagai makanan bagi banyak organisme heterotrofik (hewan, tumbuhan saprofit, jamur, mikroorganisme). Semua organisme ini hidup terutama di tanah dan dalam proses kehidupan menciptakan biomassa mereka sendiri, termasuk karbon organik. Mereka juga melepaskan karbon dioksida, menciptakan "respirasi tanah". Seringkali, bahan organik mati tidak terurai sempurna dan humus (humus) terakumulasi di dalam tanah, yang berperan penting dalam kesuburan tanah. Tingkat mineralisasi dan humifikasi bahan organik tergantung pada banyak faktor: kelembaban, suhu, properti fisik tanah, komposisi residu organik, dll. Di bawah aksi bakteri dan jamur, humus dapat terurai menjadi karbon dioksida dan senyawa mineral.

Siklus karbon di lautan. Siklus karbon di laut berbeda dengan di darat. Di lautan, mata rantai lemah organisme tingkat trofik yang lebih tinggi, dan karenanya semua mata rantai siklus karbon. Waktu transit karbon melalui tautan trofik lautan pendek, dan jumlah karbon dioksida yang dilepaskan tidak signifikan.

Lautan berperan sebagai pengatur utama kandungan karbondioksida di atmosfer. Ada pertukaran intensif karbon dioksida antara laut dan atmosfer. Perairan laut memiliki daya larut dan kapasitas penyangga yang besar. Sistem yang terdiri dari asam karbonat dan garamnya (karbonat) adalah sejenis depot karbon dioksida, yang terhubung dengan atmosfer melalui difusi CO? dari air ke atmosfer dan sebaliknya.

Fotosintesis fitoplankton berlangsung secara intensif di lautan pada siang hari, sementara karbon dioksida bebas dikonsumsi secara intensif, karbonat berfungsi sebagai sumber tambahan pembentukannya. Pada malam hari, dengan peningkatan kandungan asam bebas akibat respirasi hewan dan tumbuhan, sebagian besar lagi masuk ke dalam komposisi karbonat. Proses yang sedang berlangsung berjalan ke arah berikut: materi hidup? BERSAMA?? H?CO?? Sa(NSO?)?? CaCO?.

Di alam, sejumlah bahan organik tidak mengalami mineralisasi karena kekurangan oksigen, keasaman lingkungan yang tinggi, kondisi penguburan tertentu, dll. Bagian dari karbon meninggalkan siklus biologis dalam bentuk endapan anorganik (batu kapur, kapur, karang) dan organik (serpih, minyak, batu bara).

Aktivitas manusia membuat perubahan signifikan pada siklus karbon di planet kita. Bentang alam, jenis vegetasi, biocenosis dan rantai makanannya berubah, sebagian besar permukaan tanah dikeringkan atau diairi, kesuburan tanah meningkat (atau memburuk), pupuk dan pestisida diterapkan, dll. Yang paling berbahaya adalah pelepasan karbon dioksida ke atmosfer akibat pembakaran bahan bakar. Ini meningkatkan laju siklus karbon dan memperpendek siklusnya.

Siklus oksigen

Oksigen merupakan prasyarat bagi adanya kehidupan di Bumi. Itu termasuk dalam hampir semua senyawa biologis, berpartisipasi dalam reaksi biokimia oksidasi zat organik, menyediakan energi untuk semua proses vital organisme di biosfer. Oksigen memastikan respirasi hewan, tumbuhan, dan mikroorganisme di atmosfer, tanah, air, berpartisipasi dalam reaksi oksidasi kimiawi yang terjadi di batuan, tanah, lanau, akuifer.

Cabang utama dari siklus oksigen:

• - pembentukan oksigen bebas selama fotosintesis dan penyerapannya selama respirasi organisme hidup (tanaman, hewan, mikroorganisme di atmosfer, tanah, air);
• - pembentukan layar ozon;
• - pembuatan zonasi redoks;
• - oksidasi karbon monoksida selama letusan gunung berapi, akumulasi batuan sedimen sulfat, konsumsi oksigen dalam aktivitas manusia, dll.; di mana-mana molekul oksigen terlibat dalam fotosintesis.

siklus nitrogen

Nitrogen adalah bagian dari zat organik yang penting secara biologis dari semua organisme hidup: protein, asam nukleat, lipoprotein, enzim, klorofil, dll. Meskipun kandungan nitrogen (79%) di udara, itu kurang untuk organisme hidup.

Nitrogen di biosfer berada dalam bentuk gas (N2) yang tidak dapat diakses oleh organisme - secara kimiawi rendah aktif, oleh karena itu tidak dapat langsung digunakan oleh tumbuhan tingkat tinggi (dan sebagian besar tumbuhan tingkat rendah) dan dunia hewan. Tumbuhan menyerap nitrogen dari tanah dalam bentuk ion amonium atau ion nitrat, mis. disebut nitrogen tetap.

Ada fiksasi nitrogen atmosfer, industri, dan biologis.

Fiksasi atmosfer terjadi ketika atmosfer terionisasi oleh sinar kosmik dan selama pelepasan listrik yang kuat selama badai petir, sedangkan nitrogen dan amonia oksida terbentuk dari molekul nitrogen udara, yang, karena presipitasi atmosfer, berubah menjadi amonium, nitrit, nitrogen nitrat, dan memasuki cekungan tanah dan air.

Fiksasi industri terjadi sebagai akibat dari aktivitas manusia. Atmosfer tercemar dengan senyawa nitrogen oleh tumbuhan yang memproduksi senyawa nitrogen. Emisi panas dari pembangkit listrik tenaga panas, pabrik, pesawat ruang angkasa, pesawat supersonik mengoksidasi nitrogen di udara. Nitrogen oksida, berinteraksi dengan uap air udara dengan presipitasi, kembali ke tanah, memasuki tanah dalam bentuk ionik.

Fiksasi biologis memainkan peran utama dalam siklus nitrogen. Itu dilakukan oleh bakteri tanah:

• - bakteri pengikat nitrogen (dan ganggang biru-hijau);
• - mikroorganisme yang hidup bersimbiosis dengan tanaman tingkat tinggi (bakteri bintil);
• - amonifikasi;
• - nitrifikasi;
• - denitrifikasi.

Hidup bebas di tanah, bakteri aerob pengikat nitrogen (ada di hadapan oksigen) (Azotobacter) mampu memperbaiki nitrogen molekul atmosfer karena energi yang diperoleh dari oksidasi bahan organik tanah selama respirasi, akhirnya mengikatnya dengan hidrogen dan memasukkannya dalam bentuk gugus amino (- NH2) ke dalam komposisi asam amino dalam tubuh Anda. Nitrogen molekuler juga mampu memfiksasi beberapa bakteri anaerob (hidup tanpa oksigen) yang ada di dalam tanah (Clostridium). Sekarat, baik itu maupun mikroorganisme lainnya memperkaya tanah dengan nitrogen organik.

Ganggang biru-hijau, yang sangat penting untuk tanah sawah, juga mampu memfiksasi nitrogen molekuler secara biologis.

Fiksasi biologis nitrogen atmosfer yang paling efektif terjadi pada bakteri yang hidup bersimbiosis di nodul tanaman polongan (bakteri bintil).

Bakteri ini (Rizobium) menggunakan energi tanaman inang untuk memfiksasi nitrogen sambil memasok organ terestrial inang dengan senyawa nitrogen yang tersedia.

Asimilasi senyawa nitrogen dari tanah dalam bentuk nitrat dan amonium, tanaman membangun senyawa yang mengandung nitrogen yang diperlukan dari tubuhnya (nitrogen nitrat dalam sel tanaman dipulihkan terlebih dahulu). Tumbuhan penghasil memasok zat nitrogen ke seluruh dunia hewan dan manusia. Tumbuhan mati digunakan, menurut rantai trofik, oleh bioreduktor.

Mikroorganisme amonifikasi menguraikan zat organik yang mengandung nitrogen (asam amino, urea) dengan pembentukan amonia. Sebagian nitrogen organik di dalam tanah tidak termineralisasi, tetapi diubah menjadi zat humat, bitumen, dan komponen batuan sedimen.

Amoniak (sebagai ion amonium) dapat masuk ke sistem perakaran tanaman, atau digunakan dalam proses nitrifikasi.

Mikroorganisme nitrifikasi adalah kemosintetik, mereka menggunakan energi oksidasi amonia menjadi nitrat dan nitrit menjadi nitrat untuk memastikan semua proses kehidupan. Karena energi ini, nitrifier memulihkan karbon dioksida dan membangun zat organik dalam tubuhnya. Oksidasi amonia selama nitrifikasi berlangsung sesuai dengan reaksi berikut:

NH? + 3O? ? 2HNO? + 2H?O + 600 kJ (148 kkal).

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

Nitrat yang terbentuk dalam proses nitrifikasi kembali memasuki siklus biologis, diserap dari tanah oleh akar tanaman atau setelah masuk bersama limpasan air ke dalam bak air - fitoplankton dan fitobenthos.

Seiring dengan organisme yang memperbaiki nitrogen atmosfer dan nitrifikasi, terdapat mikroorganisme di biosfer yang dapat mereduksi nitrat atau nitrit menjadi molekul nitrogen. Mikroorganisme semacam itu, yang disebut denitrifier, dengan kekurangan oksigen bebas di air atau tanah, menggunakan oksigen nitrat untuk mengoksidasi zat organik:

C?H??O?(glukosa) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6CO? + 12N? + 18H?O + energi

Energi yang dilepaskan pada saat yang sama berfungsi sebagai dasar untuk semua aktivitas vital mikroorganisme denitrifikasi.

Jadi, zat hidup memainkan peran luar biasa di semua mata rantai siklus.

Saat ini, fiksasi industri nitrogen atmosfer oleh manusia memainkan peran yang semakin penting dalam keseimbangan nitrogen tanah dan, oleh karena itu, dalam seluruh siklus nitrogen di biosfer.

Siklus fosfor

Siklus fosfor lebih sederhana. Sementara penampung nitrogen adalah udara, penampung fosfor adalah batuan, yang darinya ia dilepaskan selama erosi.

Karbon, oksigen, hidrogen, dan nitrogen bermigrasi lebih mudah dan lebih cepat di atmosfer, karena dalam bentuk gas, membentuk senyawa gas dalam siklus biologis. Untuk semua unsur lain, kecuali belerang, yang diperlukan untuk keberadaan materi hidup, pembentukan senyawa gas dalam siklus biologis tidak seperti biasanya. Unsur-unsur ini bermigrasi terutama dalam bentuk ion dan molekul yang larut dalam air.

Fosfor, diasimilasi oleh tanaman dalam bentuk ion asam ortofosfat, memainkan peran penting dalam kehidupan semua organisme hidup. Ini adalah bagian dari ADP, ATP, DNA, RNA, dan senyawa lainnya.

Siklus fosfor di biosfer terbuka. Dalam biogeocenosis terestrial, fosfor, setelah diserap tanaman dari tanah, rantai makanan masuk kembali ke dalam tanah dalam bentuk fosfat. Jumlah utama fosfor kembali diserap oleh sistem akar tanaman. Sebagian, fosfor dapat tersapu oleh limpasan air hujan dari tanah ke dalam bak air.

Dalam biogeocenosis alami, seringkali terdapat kekurangan fosfor, dan dalam lingkungan basa dan teroksidasi, biasanya ditemukan dalam bentuk senyawa yang tidak larut.

Sejumlah besar fosfat mengandung batuan litosfer. Beberapa di antaranya berangsur-angsur masuk ke dalam tanah, beberapa dikembangkan oleh manusia untuk produksi pupuk fosfat, sebagian besar tercuci dan tersapu ke hidrosfer. Di sana mereka digunakan oleh fitoplankton dan organisme terkait pada tingkat trofik rantai makanan kompleks yang berbeda.

Di Samudra Dunia, hilangnya fosfat dari siklus biologis terjadi karena pengendapan sisa-sisa tumbuhan dan hewan di kedalaman yang sangat dalam. Karena fosfor bergerak terutama dari litosfer ke hidrosfer dengan air, ia bermigrasi ke litosfer secara biologis (memakan ikan oleh burung laut, menggunakan ganggang bentik dan tepung ikan sebagai pupuk, dll.).

Dari semua unsur nutrisi mineral tanaman, fosfor dapat dianggap kurang.

Siklus belerang

Untuk organisme hidup, belerang sangat penting, karena merupakan bagian dari asam amino yang mengandung belerang (cystine, cysteine, methionine, dll.). Berada dalam komposisi protein, asam amino yang mengandung belerang mempertahankan struktur tiga dimensi molekul protein yang diperlukan.

Belerang diserap tanaman dari tanah hanya dalam bentuk teroksidasi, dalam bentuk ion. Pada tumbuhan, belerang tereduksi dan merupakan bagian dari asam amino dalam bentuk gugus sulfhidril (-SH) dan disulfida (-S-S-).

Hewan mengasimilasi hanya belerang tereduksi, yang merupakan bagian dari bahan organik. Setelah kematian organisme tumbuhan dan hewan, belerang kembali ke tanah, di mana sebagai akibat dari aktivitas berbagai bentuk mikroorganisme, belerang mengalami transformasi.

Dalam kondisi aerobik, beberapa mikroorganisme mengoksidasi belerang organik menjadi sulfat. Ion sulfat, yang diserap oleh akar tanaman, kembali dimasukkan ke dalam siklus biologis. Beberapa sulfat dapat dimasukkan dalam migrasi air dan dikeluarkan dari tanah. Di tanah yang kaya akan zat humat, sejumlah besar belerang ditemukan dalam senyawa organik, yang mencegah pencuciannya.

Dalam kondisi anaerobik, dekomposisi senyawa belerang organik menghasilkan hidrogen sulfida. Jika sulfat dan zat organik berada di lingkungan bebas oksigen, maka aktivitas bakteri pereduksi sulfat diaktifkan. Mereka menggunakan oksigen sulfat untuk mengoksidasi bahan organik dan dengan demikian memperoleh energi yang diperlukan untuk keberadaannya.

Bakteri pereduksi sulfat banyak ditemukan di air tanah, lanau, dan air laut yang tergenang. Hidrogen sulfida adalah racun bagi sebagian besar organisme hidup, sehingga terakumulasi di tanah yang dipenuhi air, danau, muara, dll. secara signifikan mengurangi atau bahkan menghentikan proses vital sepenuhnya. Fenomena seperti itu diamati di Laut Hitam pada kedalaman di bawah 200 m dari permukaannya.

Jadi, untuk menciptakan lingkungan yang menguntungkan, perlu mengoksidasi hidrogen sulfida menjadi ion sulfat, yang akan menghancurkan efek berbahaya dari hidrogen sulfida, belerang akan berubah menjadi bentuk yang dapat diakses tanaman - dalam bentuk garam sulfat. Peran ini dilakukan di alam oleh kelompok khusus bakteri belerang (tak berwarna, hijau, ungu) dan bakteri tionik.

Bakteri belerang tak berwarna bersifat kemosintetik: mereka menggunakan energi yang diperoleh dari oksidasi hidrogen sulfida oleh oksigen menjadi unsur belerang dan oksidasi lebih lanjut menjadi sulfat.

Bakteri belerang berwarna adalah organisme fotosintetik yang menggunakan hidrogen sulfida sebagai donor hidrogen untuk mengurangi karbon dioksida.

Unsur belerang yang dihasilkan pada bakteri belerang hijau dilepaskan dari sel, pada bakteri ungu terakumulasi di dalam sel.

Reaksi keseluruhan dari proses ini adalah fotoreduksi:

CO?+ 2H?S cahaya? (CH?O) + H?O +2S.

Bakteri thion mengoksidasi unsur belerang dan berbagai senyawa tereduksinya menjadi sulfat dengan mengorbankan oksigen bebas, mengembalikannya kembali ke arus utama siklus biologis.

Dalam proses siklus biologis, di mana belerang diubah, organisme hidup, terutama mikroorganisme, memainkan peran yang sangat besar.

Reservoir belerang utama di planet kita adalah Samudra Dunia, karena ion sulfat terus menerus masuk dari tanah. Bagian dari belerang dari laut kembali ke darat melalui atmosfer sesuai dengan skema hidrogen sulfida - mengoksidasi menjadi belerang dioksida - melarutkan yang terakhir dalam air hujan dengan pembentukan asam sulfat dan sulfat - mengembalikan belerang dengan presipitasi ke penutup tanah bumi.

Siklus kation anorganik

Selain elemen dasar yang menyusun organisme hidup (karbon, oksigen, hidrogen, fosfor, dan belerang), banyak elemen makro dan mikro lainnya - kation anorganik - sangat penting. Di bak air, tumbuhan memperoleh kation logam yang mereka butuhkan langsung lingkungan. Di darat, sumber utama kation anorganik adalah tanah, yang menerimanya dalam proses penghancuran batuan induk. Pada tumbuhan, kation yang diserap oleh sistem akar berpindah ke daun dan organ lain; beberapa di antaranya (magnesium, besi, tembaga, dan sejumlah lainnya) merupakan bagian dari molekul penting secara biologis (klorofil, enzim); yang lain, tetap dalam bentuk bebas, berpartisipasi dalam mempertahankan sifat koloid yang diperlukan dari protoplasma sel dan melakukan berbagai fungsi lainnya.

Ketika organisme hidup mati, kation anorganik kembali ke tanah dalam proses mineralisasi zat organik. Hilangnya komponen-komponen ini dari tanah terjadi akibat pencucian dan penghilangan kation logam dengan air hujan, penolakan dan penghilangan bahan organik oleh manusia selama budidaya tanaman pertanian, penebangan, pemotongan rumput untuk pakan ternak, dll.

Penggunaan pupuk mineral yang rasional, reklamasi tanah, penerapan pupuk organik, dan teknologi pertanian yang tepat akan membantu memulihkan dan menjaga keseimbangan kation anorganik dalam biocenosis biosfer.

Siklus antropogenik: siklus xenobiotik (merkuri, timbal, kromium)

Umat ​​\u200b\u200bmanusia adalah bagian dari alam dan hanya dapat hidup dalam interaksi yang konstan dengannya.

Ada kesamaan dan kontradiksi antara sirkulasi materi dan energi alami dan antropogenik yang terjadi di biosfer.

Siklus kehidupan alami (biogeokimia) memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

• - penggunaan energi matahari sebagai sumber kehidupan dan segala manifestasinya berdasarkan hukum termodinamika;
• - dilakukan tanpa pemborosan, mis. semua produk dari aktivitas vitalnya termineralisasi dan dimasukkan kembali dalam siklus sirkulasi zat berikutnya. Pada saat yang sama, menghabiskan energi panas yang didevaluasi dikeluarkan di luar biosfer. Selama siklus biogeokimia zat, limbah dihasilkan, mis. cadangan berupa batu bara, minyak bumi, gas dan sumber daya mineral lainnya. Berbeda dengan siklus alam bebas sampah, siklus antropogenik disertai dengan peningkatan sampah setiap tahunnya.

Tidak ada yang tidak berguna atau berbahaya di alam, bahkan letusan gunung berapi pun bermanfaat, karena unsur-unsur yang diperlukan (misalnya nitrogen) masuk ke udara dengan gas vulkanik.

Ada hukum penutupan global sirkulasi biogeokimia di biosfer, yang berlaku di semua tahap perkembangannya, serta aturan untuk meningkatkan penutupan sirkulasi biogeokimia dalam proses suksesi.

Manusia memainkan peran besar dalam siklus biogeokimia, tetapi berlawanan arah. Manusia melanggar siklus zat yang ada, dan ini memanifestasikan kekuatan geologisnya - destruktif dalam hubungannya dengan biosfer. Akibat aktivitas antropogenik, tingkat isolasi siklus biogeokimia menurun.

Siklus antropogenik tidak terbatas pada energi sinar matahari yang ditangkap oleh tumbuhan hijau di planet ini. Umat ​​\u200b\u200bmanusia menggunakan energi bahan bakar, pembangkit listrik tenaga air dan nuklir.

Dapat dikatakan bahwa aktivitas antropogenik pada tahap saat ini merupakan kekuatan destruktif yang sangat besar bagi biosfer.

Biosfer memiliki sifat khusus - ketahanan yang signifikan terhadap polutan. Stabilitas ini didasarkan pada kemampuan alami dari berbagai komponen lingkungan alami untuk pemurnian diri dan penyembuhan diri. Tapi tidak terbatas. Kemungkinan krisis global menyebabkan perlunya membangun model matematis biosfer secara keseluruhan (sistem "Gaia") untuk mendapatkan informasi tentang kemungkinan keadaan biosfer.

Xenobiotik adalah zat asing bagi organisme hidup yang muncul sebagai akibat aktivitas antropogenik (pestisida, bahan kimia rumah tangga, dan polutan lainnya), yang mampu menyebabkan gangguan proses biotik, termasuk. penyakit atau kematian. Polutan semacam itu tidak mengalami biodegradasi, tetapi terakumulasi dalam rantai trofik.

Merkuri adalah unsur yang sangat langka. Itu tersebar di kerak bumi dan hanya dalam beberapa mineral, seperti cinnabar, terkandung dalam bentuk terkonsentrasi. Merkuri terlibat dalam siklus materi di biosfer, bermigrasi dalam bentuk gas dan dalam larutan air.

Ia memasuki atmosfer dari hidrosfer selama penguapan, selama pelepasan dari cinnabar, dengan gas vulkanik dan gas dari mata air panas. Bagian dari gas merkuri di atmosfer masuk ke fase padat dan dikeluarkan dari udara. Merkuri yang jatuh diserap oleh tanah, terutama tanah liat, air dan bebatuan. Dalam mineral yang mudah terbakar - minyak dan batu bara - merkuri mengandung hingga 1 mg / kg. DI DALAM massa air lautan sekitar 1,6 miliar ton, di sedimen dasar - 500 miliar ton, di plankton - 2 juta ton. Sekitar 40 ribu ton dibawa oleh air sungai dari darat setiap tahun, yang 10 kali lebih sedikit dari yang masuk ke atmosfer selama penguapan (400 ribu ton). Sekitar 100 ribu ton jatuh ke permukaan tanah setiap tahunnya.

Merkuri telah berubah dari komponen alami lingkungan alam menjadi salah satu emisi buatan manusia yang paling berbahaya ke biosfer bagi kesehatan manusia. Ini banyak digunakan dalam industri metalurgi, kimia, listrik, elektronik, pulp dan kertas dan farmasi dan digunakan untuk produksi bahan peledak, pernis dan cat, serta dalam pengobatan. Limbah industri dan emisi atmosfer, bersama dengan tambang merkuri, pabrik produksi merkuri, dan pembangkit listrik termal (CHP dan rumah ketel) yang menggunakan batubara, minyak, dan produk minyak, merupakan sumber utama pencemaran biosfer dengan komponen beracun ini. Selain itu, merkuri merupakan bahan dalam pestisida organomerkuri yang digunakan dalam pertanian untuk merawat benih dan melindungi tanaman dari hama. Ia memasuki tubuh manusia dengan makanan (telur, acar biji-bijian, daging hewan dan burung, susu, ikan).

Merkuri dalam air dan sedimen dasar sungai

Telah ditetapkan bahwa sekitar 80% merkuri yang masuk ke badan air alami berbentuk terlarut, yang pada akhirnya berkontribusi pada penyebarannya dalam jarak jauh bersama dengan aliran air. Unsur murni tidak beracun.

Merkuri lebih sering ditemukan di air lumpur dasar dalam konsentrasi yang relatif tidak berbahaya. Senyawa merkuri anorganik diubah menjadi senyawa merkuri organik yang beracun, seperti metilmerkuri CH?Hg dan etilmerkuri C?H?Hg, oleh bakteri yang hidup di detritus dan sedimen, di dasar lumpur danau dan sungai, di lendir yang menutupi tubuh ikan, dan juga pada lendir perut ikan. Senyawa ini mudah larut, mudah bergerak, dan sangat beracun. Dasar kimia dari tindakan agresif merkuri adalah afinitasnya terhadap belerang, khususnya dengan gugus hidrogen sulfida dalam protein. Molekul-molekul ini mengikat kromosom dan sel-sel otak. Ikan dan kerang dapat mengakumulasinya ke tingkat berbahaya bagi orang yang memakannya, menyebabkan penyakit Minamata.

Merkuri logam dan senyawa anorganiknya bekerja terutama pada hati, ginjal, dan saluran usus, namun, dalam kondisi normal, mereka relatif cepat dikeluarkan dari tubuh dan jumlah yang berbahaya bagi tubuh manusia tidak sempat terakumulasi. Metilmerkuri dan senyawa alkilmerkuri lainnya jauh lebih berbahaya, karena terjadi penumpukan - racun masuk ke dalam tubuh lebih cepat daripada dikeluarkan dari tubuh, bekerja pada sistem saraf pusat.

Sedimen dasar merupakan karakteristik penting ekosistem perairan. Dengan mengakumulasi logam berat, radionuklida, dan zat organik yang sangat beracun, sedimen dasar, di satu sisi, berkontribusi pada pemurnian diri lingkungan perairan, dan di sisi lain, mereka merupakan sumber konstan pencemaran sekunder badan air. Sedimen dasar adalah objek analisis yang menjanjikan, yang mencerminkan pola pencemaran jangka panjang (terutama di badan air yang mengalir lambat). Selain itu, akumulasi merkuri anorganik di dasar sedimen diamati terutama di muara sungai. Situasi tegang dapat muncul ketika kapasitas adsorpsi sedimen (lumpur, presipitasi) habis. Ketika kapasitas adsorpsi tercapai, logam berat, termasuk. merkuri akan masuk ke dalam air.

Diketahui bahwa dalam kondisi anaerobik laut di sedimen ganggang mati, merkuri mengikat hidrogen dan berubah menjadi senyawa yang mudah menguap.

Dengan partisipasi mikroorganisme, logam merkuri dapat dimetilasi dalam dua tahap:

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

Methylmercury muncul di lingkungan secara praktis hanya selama metilasi merkuri anorganik.

Waktu paruh biologis merkuri panjang, yaitu 70-80 hari untuk sebagian besar jaringan tubuh manusia.

Ikan besar, seperti ikan todak dan tuna, diketahui terkontaminasi merkuri di awal rantai makanan. Pada saat yang sama, bukan tanpa minat untuk dicatat bahwa, bahkan lebih dari pada ikan, merkuri terakumulasi (terakumulasi) dalam tiram.

Merkuri memasuki tubuh manusia melalui pernapasan, dengan makanan, dan melalui kulit sesuai dengan skema berikut:

Pertama, ada transformasi merkuri. Unsur ini terjadi secara alami dalam beberapa bentuk.

Merkuri logam, yang digunakan dalam termometer, dan garam anorganiknya (misalnya klorida) dihilangkan dari tubuh dengan relatif cepat.

Jauh lebih beracun adalah senyawa alkil merkuri, khususnya metil dan etil merkuri. Senyawa ini dikeluarkan dari tubuh dengan sangat lambat - hanya sekitar 1% dari jumlah total per hari. Meskipun sebagian besar merkuri yang masuk ke perairan alami dalam bentuk senyawa anorganik, merkuri selalu berakhir pada ikan dalam bentuk metilmerkuri yang jauh lebih beracun. Bakteri di dasar lumpur danau dan sungai, di lendir yang menutupi tubuh ikan, serta di lendir perut ikan, mampu mengubah senyawa merkuri anorganik menjadi metilmerkuri.

Kedua, akumulasi selektif, atau akumulasi biologis (konsentrasi), menaikkan kandungan merkuri dalam ikan dan kerang ke tingkat yang jauh lebih tinggi daripada di air teluk. Ikan dan kerang yang hidup di sungai mengakumulasi metilmerkuri hingga konsentrasi yang berbahaya bagi manusia yang menggunakannya untuk makanan.

% tangkapan ikan dunia mengandung merkuri dalam jumlah tidak melebihi 0,5 mg/kg, dan 95% - di bawah 0,3 mg/kg. Hampir semua merkuri dalam ikan berbentuk metilmerkuri.

Mengingat toksisitas senyawa merkuri yang berbeda bagi manusia dalam produk makanan, maka perlu ditentukan merkuri anorganik (total) dan organik yang terikat. Kami hanya menentukan kandungan merkuri total. Menurut persyaratan medis dan biologis, kandungan merkuri pada ikan predator air tawar diperbolehkan 0,6 mg/kg, pada ikan laut - 0,4 mg/kg, pada ikan non-predator air tawar hanya 0,3 mg/kg, dan pada tuna hingga 0,7 mg /kg.kg. Dalam produk makanan bayi kandungan merkuri tidak boleh melebihi 0,02 mg/kg pada daging kaleng, 0,15 mg/kg pada ikan kaleng, sisanya - 0,01 mg/kg.

Timbal hadir di hampir semua komponen lingkungan alam. Ini mengandung 0,0016% di kerak bumi. Kadar timbal alami di atmosfer adalah 0,0005 mg/m3. Sebagian besar diendapkan dengan debu, sekitar 40% jatuh dengan presipitasi atmosfer. Tumbuhan mendapatkan timbal dari tanah, air, dan kejatuhan atmosfer, sedangkan hewan mendapatkan timbal dari tumbuhan dan air. Logam memasuki tubuh manusia dengan makanan, air, dan debu.

Sumber utama pencemaran timbal di biosfer adalah mesin bensin, gas buang yang mengandung timah trietil, pembangkit listrik tenaga panas yang membakar batubara, industri pertambangan, metalurgi dan kimia. Sejumlah besar timbal dimasukkan ke dalam tanah bersama dengan penyaluran pecomberan digunakan sebagai pupuk. Untuk memadamkan reaktor yang terbakar di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl, timbal juga digunakan, yang masuk ke kolam udara dan tersebar di area yang luas. Dengan peningkatan pencemaran lingkungan dengan timbal, pengendapan di tulang, rambut, dan hati meningkat.

kromium. Yang paling berbahaya adalah kromium beracun (6+), yang dimobilisasi di tanah asam dan basa, di perairan segar dan laut. Di air laut, kromium 10–20% diwakili oleh bentuk Cr (3+), 25–40% oleh Cr (6+), dan 45–65% oleh bentuk organik. Pada rentang pH 5 - 7, Cr (3+) mendominasi, dan pada pH > 7 - Cr (6+). Diketahui bahwa senyawa Cr (6+) dan kromium organik tidak berkopresipitasi dengan besi hidroksida dalam air laut.

Siklus alami zat secara praktis tertutup. Dalam ekosistem alami, materi dan energi dihabiskan dengan hemat, dan limbah beberapa organisme merupakan syarat penting bagi keberadaan organisme lainnya. Siklus zat antropogenik disertai dengan konsumsi sumber daya alam yang sangat besar dan sejumlah besar limbah yang menyebabkan pencemaran lingkungan. Penciptaan fasilitas pengolahan yang paling canggih sekalipun tidak menyelesaikan masalah, sehingga perlu dikembangkan teknologi rendah limbah dan bebas limbah yang memungkinkan siklus antropogenik sedekat mungkin. Secara teoritis, adalah mungkin untuk menciptakan teknologi bebas limbah, tetapi teknologi rendah limbah itu nyata.

Adaptasi terhadap fenomena alam

Adaptasi adalah berbagai adaptasi terhadap lingkungan yang dikembangkan oleh organisme (dari yang paling sederhana sampai yang tertinggi) dalam proses evolusi. Kemampuan beradaptasi adalah salah satu sifat utama makhluk hidup, memberikan kemungkinan keberadaannya.

Faktor utama yang mengembangkan proses adaptasi meliputi: hereditas, variabilitas, seleksi alam (dan buatan).

Toleransi dapat berubah jika tubuh memasuki kondisi eksternal lainnya. Masuk ke kondisi seperti itu, setelah beberapa saat, dia terbiasa, seolah-olah, beradaptasi dengannya (dari lat. adaptasi - beradaptasi). Konsekuensi dari ini adalah perubahan ketentuan fisiologis optimal.

Sifat organisme untuk beradaptasi dengan keberadaan dalam kisaran faktor lingkungan tertentu disebut plastisitas ekologis.

Semakin luas kisaran faktor ekologis di mana suatu organisme dapat hidup, semakin besar plastisitas ekologisnya. Menurut tingkat plastisitas, dua jenis organisme dibedakan: stenobiont (stenoeks) dan eurybiont (euryeks). Jadi, stenobion secara ekologis non-plastik (misalnya, flounder hanya hidup di air asin, dan ikan mas crucian hanya di air tawar), mis. pendek-keras, dan eurybionts secara ekologis plastik, mis. lebih kuat (misalnya, stickleback berduri tiga dapat hidup di air tawar dan air asin).

Adaptasi bersifat multidimensi, karena suatu organisme harus menyesuaikan diri dengan banyak faktor lingkungan yang berbeda pada saat yang bersamaan.

Ada tiga cara utama mengadaptasi organisme dengan kondisi lingkungan: aktif; pasif; menghindari efek yang merugikan.

Jalur aktif adaptasi adalah penguatan resistensi, pengembangan proses pengaturan yang memungkinkan untuk menjalankan semua fungsi vital tubuh, meskipun faktor tersebut menyimpang dari optimal. Misalnya, hewan berdarah panas mempertahankan suhu tubuh yang konstan - optimal untuk proses biokimia yang terjadi di dalamnya.

Jalur adaptasi pasif adalah subordinasi fungsi vital organisme terhadap perubahan faktor lingkungan. Misalnya, dalam kondisi lingkungan yang buruk, banyak organisme mengalami anabiosis ( kehidupan yang tersembunyi), di mana metabolisme dalam tubuh praktis berhenti (keadaan dormansi musim dingin, mati rasa serangga, hibernasi, pengawetan spora di dalam tanah dalam bentuk spora dan biji).

Menghindari efek samping - pengembangan adaptasi, perilaku organisme (adaptasi), yang membantu menghindari kondisi buruk. Dalam hal ini, adaptasi dapat berupa: morfologis (perubahan struktur tubuh: modifikasi daun kaktus), fisiologis (unta menyediakan kelembapan karena oksidasi cadangan lemak), etologis (perubahan perilaku: musiman migrasi burung, hibernasi di musim dingin).

Organisme hidup beradaptasi dengan baik terhadap faktor periodik. Faktor non-periodik dapat menyebabkan penyakit bahkan kematian organisme (misalnya obat-obatan, pestisida). Namun, dengan paparan yang lama, adaptasi terhadapnya juga dapat terjadi.

Organisme beradaptasi dengan ritme harian, musiman, pasang surut, ritme aktivitas matahari, fase bulan, dan fenomena periodik ketat lainnya. Jadi, adaptasi musiman dibedakan sebagai sifat musiman dan keadaan dormansi musim dingin.

Musiman di alam. Nilai utama tumbuhan dan hewan dalam adaptasi organisme adalah variasi suhu tahunan. Periode yang menguntungkan bagi kehidupan, rata-rata di negara kita, berlangsung sekitar enam bulan (musim semi, musim panas). Bahkan sebelum datangnya embun beku yang stabil, periode dormansi musim dingin dimulai di alam.

Dormansi musim dingin. Dormansi musim dingin bukan hanya penghentian perkembangan akibat suhu rendah, tetapi juga adaptasi fisiologis yang kompleks, yang terjadi hanya pada tahap perkembangan tertentu. Misalnya, nyamuk malaria dan ngengat jelatang melewati musim dingin pada tahap serangga dewasa, kupu-kupu kubis pada tahap kepompong, dan ngengat gipsi pada tahap telur.

Bioritme. Setiap spesies dalam proses evolusi telah mengembangkan siklus tahunan karakteristik pertumbuhan dan perkembangan intensif, reproduksi, persiapan untuk musim dingin dan musim dingin. Fenomena ini disebut ritme biologis. Kebetulan setiap periode siklus hidup dengan musim yang sesuai sangat penting untuk keberadaan spesies.

Faktor utama dalam pengaturan siklus musim pada sebagian besar tumbuhan dan hewan adalah perubahan panjang hari.

Bioritme adalah:

ritme eksogen (eksternal) (muncul sebagai reaksi terhadap perubahan berkala di lingkungan (perubahan siang dan malam, musim, aktivitas matahari) endogen (ritme internal) dihasilkan oleh tubuh itu sendiri

Pada gilirannya, endogen dibagi menjadi:

Ritme fisiologis (detak jantung, pernapasan, kelenjar endokrin, DNA, RNA, sintesis protein, enzim, pembelahan sel, dll.)

Ritme ekologis (harian, tahunan, pasang surut, bulan, dll.)

Proses DNA, RNA, sintesis protein, pembelahan sel, detak jantung, pernapasan, dll. Memiliki ritme. Pengaruh eksternal dapat menggeser fase ritme ini dan mengubah amplitudonya.

Ritme fisiologis bervariasi tergantung pada keadaan tubuh, sedangkan ritme lingkungan lebih stabil dan sesuai dengan ritme eksternal. Dengan ritme endogen, tubuh dapat menavigasi waktu dan mempersiapkan sebelumnya untuk perubahan lingkungan yang akan datang - ini adalah jam biologis tubuh. Banyak organisme hidup dicirikan oleh ritme sirkadian dan sirkanian.

Ritme sirkadian (sirkadian) - intensitas berulang dan sifat proses dan fenomena biologis dengan jangka waktu 20 hingga 28 jam. Ritme sirkadian dikaitkan dengan aktivitas hewan dan tumbuhan di siang hari dan biasanya bergantung pada suhu dan intensitas cahaya. Misalnya, kelelawar terbang saat senja dan istirahat di siang hari, banyak organisme planktonik yang bertahan di permukaan air pada malam hari, dan turun ke kedalaman pada siang hari.

Ritme biologis musiman dikaitkan dengan pengaruh cahaya - penyinaran. Reaksi organisme terhadap panjang hari disebut fotoperiodisme. Fotoperiodisme adalah adaptasi penting umum yang mengatur fenomena musiman di berbagai organisme. Studi tentang fotoperiodisme pada tumbuhan dan hewan menunjukkan bahwa reaksi organisme terhadap cahaya didasarkan pada pergantian periode terang dan gelap dengan durasi tertentu di siang hari. Reaksi organisme (dari uniseluler ke manusia) terhadap lamanya siang dan malam menunjukkan bahwa mereka mampu mengukur waktu, yaitu. memiliki semacam jam biologis. Jam biologis, selain siklus musiman, mengendalikan banyak fenomena biologis lainnya, menentukan ritme harian yang benar dari aktivitas seluruh organisme dan proses yang terjadi bahkan pada tingkat sel, khususnya pembelahan sel.

Sifat universal semua makhluk hidup, dari virus dan mikroorganisme hingga tumbuhan dan hewan tingkat tinggi, adalah kemampuan untuk memberikan mutasi - perubahan materi genetik yang diwariskan secara tiba-tiba, alami dan disebabkan secara artifisial, yang menyebabkan perubahan pada tanda-tanda tertentu organisme. Variabilitas mutasi tidak memenuhi kondisi lingkungan dan biasanya melanggar adaptasi yang ada.

Banyak serangga mengalami diapause (perhentian lama dalam perkembangan) pada tahap perkembangan tertentu, yang tidak boleh disamakan dengan keadaan istirahat dalam kondisi buruk. Reproduksi banyak hewan laut dipengaruhi oleh ritme bulan.

Ritme sirkanian (mendekati tahunan) adalah perubahan berulang dalam intensitas dan sifat proses dan fenomena biologis dengan jangka waktu 10 hingga 13 bulan.

Keadaan fisik dan psikologis seseorang juga memiliki karakter yang ritmis.

Ritme kerja dan istirahat yang terganggu mengurangi efisiensi dan berdampak buruk bagi kesehatan manusia. Kondisi manusia di kondisi ekstrim akan bergantung pada tingkat kesiapannya menghadapi kondisi ini, karena praktis tidak ada waktu untuk adaptasi dan pemulihan.

KE endogen proses meliputi: magmatisme, metamorfisme (aksi suhu dan tekanan tinggi), vulkanisme, pergerakan kerak bumi (gempa bumi, bangunan gunung).

KE eksogen- pelapukan, aktivitas atmosfer dan permukaan air laut, samudera, hewan, organisme tumbuhan, dan terutama manusia - teknogenesis.

Interaksi proses internal dan eksternal terbentuk siklus materi geologis yang hebat.

Selama proses endogen, sistem pegunungan, dataran tinggi, cekungan samudra terbentuk, selama proses eksogen, batuan beku dihancurkan, produk penghancuran berpindah ke sungai, laut, samudra, dan batuan sedimen terbentuk. Akibat pergerakan kerak bumi, batuan sedimen tenggelam ke dalam lapisan yang dalam, mengalami proses metamorfosis (aksi suhu dan tekanan tinggi), dan terbentuklah batuan metamorf. Di lapisan yang lebih dalam, mereka berubah menjadi ...
keadaan (magmatisasi). Kemudian akibat proses vulkanik, mereka masuk ke lapisan atas litosfer, di permukaannya berupa batuan beku. Beginilah cara batuan pembentuk tanah terbentuk dan berbagai bentuk lega.

Batu, dari mana tanah terbentuk, disebut pembentuk tanah atau induk. Menurut kondisi formasi, mereka dibagi menjadi tiga kelompok: beku, metamorf dan sedimen.

Batu magma dingin terdiri dari senyawa silikon, Al, Fe, Mg, Ca, K, Na. Bergantung pada rasio senyawa ini, batuan asam dan basa dibedakan.

Asam (granit, liparit, pegmatit) memiliki kandungan silika yang tinggi (lebih dari 63%), kalium dan natrium oksida (7-8%), kalsium dan oksida Mg (2-3%). Mereka berwarna terang dan coklat. Tanah yang terbentuk dari batuan tersebut memiliki struktur yang gembur, keasaman tinggi dan tidak subur.

Batuan beku utama (basal, dunit, periodit) dicirikan oleh kandungan SiO 2 yang rendah (40-60%), peningkatan kandungan CaO dan MgO (hingga 20%), oksida besi (10-20%), Na 2 O dan K 2 O kurang dari 30%.

Tanah yang terbentuk dari hasil pelapukan batuan induk memiliki reaksi basa dan netral, banyak humus dan kesuburan tinggi.

Batuan beku membentuk 95% dari total massa batuan, tetapi sebagai batuan pembentuk tanah, mereka menempati area kecil (di pegunungan).

batuan metamorf, terbentuk sebagai hasil rekristalisasi batuan beku dan sedimen. Ini adalah marmer, gneiss, kuarsa. Mereka menempati sebagian kecil sebagai batuan pembentuk tanah.

Batuan sedimen. Formasi mereka disebabkan oleh proses pelapukan batuan beku dan metamorf, transfer produk pelapukan oleh aliran air, glasial dan udara dan pengendapan di permukaan tanah, di dasar samudra, laut, danau, di dataran banjir sungai.

Menurut komposisinya, batuan sedimen dibagi lagi menjadi klastik, kemogenik dan biogenik.

endapan klastik berbeda dalam ukuran puing dan partikel: ini adalah batu besar, batu, kerikil, batu pecah, pasir, lempung dan tanah liat.

Deposit kemogenik terbentuk sebagai hasil pengendapan garam dari larutan air di teluk laut, danau di iklim panas atau sebagai akibat dari reaksi kimia.

Ini termasuk halida (garam batu dan kalium), sulfat (gipsum, anhidrida), karbonat (batu kapur, napal, dolomit), silikat, fosfat. Banyak di antaranya merupakan bahan baku pembuatan semen, pupuk kimia, dan digunakan sebagai bijih pertanian.

Endapan biogenik terbentuk dari akumulasi sisa-sisa tumbuhan dan hewan. Ini adalah: karbonat (batu kapur dan kapur biogenik), silika (dolomit) dan batuan karbon (batubara, gambut, sapropel, minyak, gas).

Jenis genetik utama batuan sedimen adalah:

1. Endapan eluvial- hasil pelapukan batuan yang tersisa pada lembaran formasinya. Eluvium terletak di bagian atas DAS, di mana pencucian diekspresikan dengan lemah.

2. deposit deluvial- produk erosi yang diendapkan oleh aliran hujan sementara dan air lelehan di bagian bawah lereng.

3. endapan proluvial- terbentuk sebagai akibat perpindahan dan pengendapan produk pelapukan oleh sungai pegunungan sementara dan banjir di kaki lereng.

4. Endapan aluvial- terbentuk sebagai hasil pengendapan produk pelapukan oleh air sungai yang masuk ke dalamnya dengan limpasan permukaan.

5. Endapan Lacustrine- sedimen dasar danau. Lanau dengan kandungan bahan organik tinggi (15-20%) disebut sapropel.

6. sedimen laut- sedimen dasar laut. Selama mundurnya (pelanggaran) laut, mereka tetap sebagai batuan pembentuk tanah.

7. Endapan glasial (glasial) atau moraine- produk pelapukan berbagai batuan, terlantar dan diendapkan oleh gletser. Ini adalah bahan merah-coklat atau abu-abu berbutir kasar yang tidak disortir dengan inklusi batu, batu besar, dan kerikil.

8. Endapan fluvioglacial (air-glasial). aliran sementara dan reservoir tertutup terbentuk selama pencairan gletser.

9. Tutupi tanah liat milik endapan ekstra-glasial dan dianggap sebagai endapan banjir air lelehan air dangkal dekat glasial. Mereka tumpang tindih dengan yang lebih marah dari atas dengan lapisan 3-5 m, berwarna kuning kecokelatan, tersortir dengan baik, tidak mengandung batu dan bongkahan batu. Tanah pada lempung penutup lebih subur daripada tanah yang lebih marah.

10. Loesses dan lempung seperti loess dicirikan oleh warna kuning pucat, kandungan fraksi lanau dan lanau yang tinggi, struktur lepas, porositas tinggi, kandungan kalsium karbonat tinggi. Hutan abu-abu subur, tanah kastanye, tanah hitam dan tanah abu-abu terbentuk di atasnya.

11. Deposito Aeolian terbentuk akibat pengaruh angin. Aktivitas destruktif angin terdiri dari korosi (penggilingan, pengamplasan batu) dan deflasi (hembusan dan pengangkutan partikel tanah kecil oleh angin). Kedua proses ini diambil bersama-sama merupakan erosi angin.

Skema dasar, rumus, dll. yang mengilustrasikan konten: presentasi dengan foto-foto jenis pelapukan.

Pertanyaan untuk pengendalian diri:

1. Apa itu pelapukan?

2. Apa itu magmatisasi?

3. Apa perbedaan pelapukan fisika dan pelapukan kimia?

4. Apa siklus materi geologis?

5. Jelaskan struktur bumi?

6. Apa itu magma?

7. Terdiri dari lapisan apakah inti bumi?

8. Apa itu trah?

9. Bagaimana breed diklasifikasikan?

10. Apa itu loess?

11. Apa itu faksi?

12. Ciri apa yang disebut organoleptik?

Utama:

1. Dobrovolsky V.V. Geografi Tanah dengan Dasar-dasar Ilmu Tanah: Buku Teks untuk Sekolah Menengah Atas. - M .: Manusia. ed. Pusat VLADOS, 1999.-384 hal.

2. Ilmu Tanah / Ed. ADALAH. Kaurichev. M.Agropromiadat ed. 4. 1989.

3. Ilmu Tanah / Ed. V.A. Kovdy, B.G. Rozanov dalam 2 bagian M. Higher School 1988.

4. Glazovskaya M.A., Gennadiev A.I. Geografi Tanah dengan Dasar-dasar Ilmu Tanah, Universitas Negeri Moskow. 1995

5. Mengendarai A.A., Smirnov V.N. Ilmu tanah. M. Sekolah Tinggi, 1972

Tambahan:

1.Glazovskaya M.A. Ilmu tanah umum dan geografi tanah. M.SMA 1981

2. Kovda V.A. Dasar-dasar doktrin tanah. M. Sains. 1973

3. Liverovsky A.S. Tanah Uni Soviet. M. Pemikiran 1974

4. Rozanov B.G. Penutup tanah dunia. M. ed. W.1977

5. Aleksandrova L.N., Naydenova O.A. Laboratorium dan kelas praktis dalam ilmu tanah. L.Agropromisdat. 1985

Siklus geologis yang besar dari zat mineral dan air berlangsung di bawah pengaruh sejumlah besar faktor abiotik.

4.3.1. Sirkulasi zat dalam siklus geologi besar.

Menurut teori lempeng litosfer, kulit terluar Bumi terdiri dari beberapa balok (lempengan) yang sangat besar. Teori ini mengasumsikan adanya pergerakan horizontal lempeng litosfer kuat setebal 100-150 km.

Pada saat yang sama, di dalam pegunungan tengah laut, yang disebut zona keretakan. Ada pecah dan pemisahan lempeng litosfer dengan pembentukan kerak samudera muda

Fenomena ini disebut pemekaran dasar laut. Dengan demikian, aliran zat mineral naik dari kedalaman mantel, membentuk batuan kristal muda.

Berbeda dengan proses ini, di zona parit samudra dalam, satu bagian kerak benua terus-menerus mendorong bagian lain, yang disertai dengan pencelupan bagian tepi lempeng ke dalam mantel, yaitu bagian dari materi padat. kerak bumi masuk ke dalam komposisi mantel bumi. Proses yang terjadi di palung laut dalam samudera disebut subduksi kerak samudera.

Siklus air di planet ini bekerja terus menerus dan di mana-mana. Kekuatan pendorong siklus air adalah energi panas dan gravitasi. Di bawah pengaruh panas, terjadi penguapan, kondensasi uap air, dan proses lainnya yang menghabiskan sekitar 50% energi yang berasal dari matahari. Di bawah pengaruh gravitasi - jatuhnya tetesan hujan, aliran sungai, pergerakan tanah dan air tanah. Seringkali penyebab ini bekerja bersama, misalnya, proses termal dan gravitasi bekerja pada sirkulasi air di atmosfer.

4.3.2. Siklus unsur-unsur di alam mati

Itu dilakukan dengan dua cara: migrasi air dan udara. Migran udara meliputi: oksigen, hidrogen, nitrogen, yodium.

Migran air termasuk zat yang bermigrasi terutama di tanah, permukaan dan air tanah terutama dalam bentuk molekul dan ion: natrium, magnesium, aluminium, silikon, fosfor, belerang, klor, kalium, mangan, besi, kobalt, nikel, strontium , timbal, dll. Migran udara juga merupakan bagian dari garam yang bermigrasi di dalam air. Namun, migrasi udara lebih khas bagi mereka.

4.4 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

*Zat hidup berdasarkan 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 peran geologis transformatif yang sangat besar dari materi 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. Dengan melewatkan sejumlah besar udara dan larutan alami melalui tubuhnya, organisme hidup melakukan migrasi biogenik (pergerakan bahan kimia) dan pemusatan unsur kimia dan senyawanya. Ini berlaku untuk biosintesis organik, pembentukan pulau karang, konstruksi cangkang dan kerangka, penampakan strata batu kapur sedimen, endapan bijih logam tertentu, akumulasi nodul besi-mangan, di dasar laut, dll. Tahap awal evolusi biologis terjadi di lingkungan akuatik. 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 dari energi ini terkait 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 diartikan 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 kehidupan dan mengembalikan yang 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. Dalam hal ini, terjadi perpindahan energi dan materi di sepanjang mata rantai 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, dengan demikian masuk ke dalam komposisi senyawa organik kompleks, terbentuk, 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 ditunjukkan dalam proses yang terjadi di biosfer, semuanya 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 elemen adalah pendatang yang melakukan sirkulasi dalam selubung geografis, dan beberapa elemen lembam 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 dari 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 merupakan bagian integral dari 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.

Di biosfer, ada sirkulasi zat global (besar, atau geologis), yang sudah ada bahkan sebelum kemunculan organisme hidup pertama. Ini melibatkan berbagai macam unsur kimia. Siklus geologis terjadi berkat jenis energi matahari, gravitasi, tektonik, dan kosmik.

Dengan munculnya materi hidup, berdasarkan siklus geologis, siklus bahan organik muncul - siklus kecil (biotik, atau biologis).

Siklus zat biotik adalah proses pergerakan dan transformasi zat yang berkelanjutan, siklik, tidak merata dalam ruang dan waktu yang terjadi dengan partisipasi langsung organisme hidup. Ini adalah proses penciptaan dan penghancuran bahan organik yang berkelanjutan dan dilaksanakan dengan partisipasi ketiga kelompok organisme: produsen, konsumen, dan pengurai. Sekitar 40 elemen biogenik terlibat dalam siklus biotik. Nilai tertinggi untuk organisme hidup, mereka memiliki siklus karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, fosfor, belerang, besi, kalium, kalsium, dan magnesium.

Saat makhluk hidup berkembang, semakin banyak elemen yang terus-menerus diekstraksi dari siklus geologis dan memasuki siklus biologis baru. Massa total zat abu yang terlibat setiap tahun dalam siklus biotik zat hanya di darat adalah sekitar 8 miliar ton. Ini beberapa kali massa produk letusan semua gunung berapi di dunia sepanjang tahun. Tingkat sirkulasi materi di biosfer berbeda. Materi hidup biosfer diperbarui rata-rata selama 8 tahun, massa fitoplankton di lautan diperbarui setiap hari. Semua oksigen di biosfer melewati materi hidup dalam 2000 tahun, dan karbon dioksida - dalam 300 tahun.

Siklus biotik lokal dilakukan dalam ekosistem, dan siklus biogeokimia dari migrasi atom dilakukan di biosfer, yang tidak hanya mengikat ketiga kulit terluar planet menjadi satu kesatuan, tetapi juga menentukan evolusi berkelanjutan dari komposisinya.

HIDROSFER ATMOSFER

­ ¯ ­ ¯

ZAT HIDUP

TANAH

Evolusi biosfer

Biosfer muncul dengan kelahiran organisme hidup pertama sekitar 3,5 miliar tahun yang lalu. Dalam perjalanan perkembangan kehidupan, itu berubah. Tahapan evolusi biosfer dapat dibedakan dengan mempertimbangkan ciri-ciri tipe ekosistem.

1. Kemunculan dan perkembangan kehidupan di dalam air. Panggung tersebut terkait dengan keberadaan ekosistem perairan. Tidak ada oksigen di atmosfer.

2. Munculnya makhluk hidup di darat, berkembangnya lingkungan darat-udara dan tanah, serta munculnya ekosistem darat. Ini menjadi mungkin karena munculnya oksigen di atmosfer dan layar ozon. Itu terjadi 2,5 miliar tahun yang lalu.

3. Kemunculan manusia, transformasinya menjadi makhluk biososial dan kemunculan antropoekosistem terjadi 1 juta tahun yang lalu.

4. Peralihan biosfer di bawah pengaruh aktivitas manusia yang cerdas ke keadaan kualitatif baru - ke noosfer.

Noosfer

Tahap tertinggi dalam perkembangan biosfer adalah noosfer - tahap pengaturan hubungan yang masuk akal antara manusia dan alam. Istilah ini diperkenalkan pada tahun 1927 oleh filsuf Prancis E. Leroy. Dia percaya bahwa noosfer mencakup masyarakat manusia dengan industri, bahasa, dan atribut aktivitas cerdas lainnya. Di usia 30-40-an. Abad XX V.I. Vernadsky mengembangkan gagasan materialistis tentang noosfer. Dia percaya bahwa noosfer muncul sebagai hasil interaksi biosfer dan masyarakat, dikendalikan oleh hubungan erat antara hukum alam, pemikiran, dan hukum sosial ekonomi masyarakat, dan menekankan bahwa

noosphere (bidang pikiran) - tahap perkembangan biosfer, ketika aktivitas cerdas manusia akan menjadi faktor penentu utama dalam pembangunan berkelanjutannya.

Noosfer adalah tahap biosfer baru yang lebih tinggi, terkait dengan kemunculan dan perkembangan umat manusia di dalamnya, yang, mengetahui hukum alam dan meningkatkan teknologi, menjadi kekuatan terbesar yang sebanding dalam skala dengan kekuatan geologis, dan mulai memiliki a pengaruh yang menentukan jalannya proses di Bumi, mengubahnya secara mendalam dengan kerja mereka. Pembentukan dan perkembangan umat manusia diekspresikan dalam munculnya bentuk-bentuk baru pertukaran materi dan energi antara masyarakat dan alam, dalam dampak manusia yang terus meningkat di biosfer. Noosfer akan datang ketika umat manusia, dengan bantuan sains, akan mampu mengelola proses alam dan sosial secara bermakna. Oleh karena itu, noosfer tidak dapat dianggap sebagai cangkang khusus Bumi.

Ilmu mengatur hubungan antara masyarakat manusia dan alam disebut noogenics.

Tujuan utama noogenik adalah merencanakan masa kini demi masa depan, dan tugas utamanya adalah mengoreksi pelanggaran dalam hubungan antara manusia dan alam yang disebabkan oleh kemajuan teknologi, kontrol sadar atas evolusi biosfer. . Penggunaan sumber daya alam yang terencana dan dibuktikan secara ilmiah harus dibentuk, menyediakan pemulihan dalam siklus zat-zat yang telah dilanggar oleh manusia, sebagai lawan dari sikap predator spontan terhadap alam, yang mengarah pada degradasi lingkungan. Untuk ini perlu pembangunan berkelanjutan masyarakat yang memenuhi kebutuhan saat ini tanpa mengorbankan kemampuan generasi mendatang untuk memenuhi kebutuhan mereka sendiri.

Saat ini, planet telah terbentuk biotechnosphere - bagian dari biosfer, yang secara radikal diubah oleh manusia menjadi struktur teknik: kota, pabrik dan pabrik, tambang dan tambang, jalan, bendungan dan waduk, dll.

BIOSFER DAN MANUSIA

Biosfer bagi manusia adalah dan habitat dan sumber sumber daya alam.

Sumber daya alam – benda dan fenomena alam yang digunakan seseorang dalam proses persalinan. Mereka memberi orang makanan, pakaian, tempat berlindung. Menurut tingkat kelelahan, mereka dibagi menjadi habis dan tidak habis-habisnya . Habis sumber daya dibagi menjadi terbarukan Dan tidak terbarukan . Sumber daya tak terbarukan termasuk sumber daya yang tidak dihidupkan kembali (atau diperbarui ratusan kali lebih lambat dari yang dihabiskan): minyak, batu bara, bijih logam, dan sebagian besar mineral. Terbarukan Sumber daya alam- tanah, flora dan fauna, mineral (garam meja). Sumber daya ini terus diisi ulang kecepatan yang berbeda: hewan - beberapa tahun, hutan - 60-80 tahun, tanah yang kehilangan kesuburan - selama beberapa milenium. Melebihi tingkat konsumsi di atas tingkat reproduksi menyebabkan hilangnya sumber daya sepenuhnya.

Tidak ada habisnya sumber daya meliputi air, iklim (udara atmosfer dan energi angin) dan ruang angkasa: radiasi matahari, energi pasang surut laut dan pasang surut. Namun, pencemaran lingkungan yang semakin meningkat membutuhkan penerapan langkah-langkah lingkungan untuk melestarikan sumber daya ini.

Pemenuhan kebutuhan manusia tidak terpikirkan tanpa eksploitasi sumber daya alam.

Semua jenis aktivitas manusia di biosfer dapat digabungkan menjadi empat bentuk.

1. Mengubah struktur permukaan bumi(membajak tanah, menguras badan air, penggundulan hutan, membangun kanal). Umat ​​manusia menjadi kekuatan geologis yang kuat. Seseorang menggunakan 75% lahan, 15% air sungai, 20 hektar hutan ditebang setiap menit.

· Perubahan geologi dan geomorfologi - intensifikasi pembentukan jurang, kemunculan dan frekuensi semburan lumpur dan tanah longsor.

· Perubahan (lanskap) yang kompleks - pelanggaran integritas dan struktur alami lanskap, keunikan monumen alam, hilangnya lahan produktif, penggurunan.