Didelis geologinis medžiagų ciklas. Geologiniai, dideli (biosfera) ir maži (biologiniai) medžiagų ciklai biosferoje

Kad biosfera ir toliau egzistuotų, kad jos judėjimas (vystymasis) nesustotų, Žemėje turi nuolat vykti biologiškai svarbių medžiagų cirkuliacija. Šis biologiškai svarbių medžiagų perėjimas nuo jungties prie jungties gali būti atliktas tik su tam tikromis energijos sąnaudomis, kurių šaltinis yra Saulė.

Saulės energija Žemėje užtikrina du medžiagų ciklus:

- geologinis (abiotinis) arba didelis ciklas;

- biologinis (biotinis) arba mažas ciklas.

Geologinis ciklas ryškiausiai pasireiškia vandens cikle ir atmosferos cirkuliacija.

Žemė kasmet iš Saulės gauna maždaug 21 10 20 kJ spinduliuotės energijos. Maždaug pusė jo išleidžiama vandens garinimui. Tai ir sukelia didelį ciklą.

Vandens ciklas biosferoje pagrįstas tuo, kad visišką jo išgaravimą nuo Žemės paviršiaus kompensuoja krituliai. Tuo pačiu metu iš vandenyno išgaruoja daugiau vandens, nei grįžta su krituliais. Sausumoje, atvirkščiai, iškrenta daugiau kritulių nei išgaruoja vanduo. Jo perteklius nuteka į upes ir ežerus, o iš ten vėl į vandenyną.

Geologinio vandens ciklo metu mineraliniai junginiai planetiniu mastu perkeliami iš vienos vietos į kitą, keičiasi ir suminė vandens būsena (skystas, kietas – sniegas, ledas; dujinis – garai). Vanduo intensyviausiai cirkuliuoja garų būsenoje.

Atsiradus gyvajai medžiagai, pagrįstai atmosferos cirkuliacija, vandeniui, joje ištirpusiems mineraliniams junginiams, t.y. abiotinio, geologinio ciklo pagrindu atsirado ciklas organinės medžiagos, arba mažas, biologinis ciklas.

Vystantis gyvajai medžiagai, iš geologinio ciklo nuolat išgaunama vis daugiau elementų ir patenka į naują, biologinį ciklą.

Priešingai nei paprastas mineralinių elementų perkėlimas ir judėjimas dideliame (geologiniame) cikle, mažajame (biologiniame) cikle svarbiausi punktai yra organinių junginių sintezė ir naikinimas. Šie du procesai yra tam tikru santykiu, kuris yra gyvenimo pagrindas ir yra vienas pagrindinių jo bruožų.

Priešingai nei geologinis ciklas, biologinis ciklas turi mažesnę energiją. Kaip žinoma, tik 0,1-0,2% Saulės energijos, patenkančios į Žemę, išleidžiama organinėms medžiagoms sukurti (iki 50% geologiniam ciklui). Nepaisant to, biologiniame cikle dalyvaujanti energija išleidžiama milžiniškam darbui kuriant pirminę gamybą Žemėje.

Žemėje atsiradus gyvajai medžiagai, cheminiai elementai nuolat cirkuliuoja biosferoje, juda iš išorinė aplinkaį organizmus ir atgal į išorinę aplinką.

Tokia cheminių elementų cirkuliacija daugiau ar mažiau uždarais takais, vykstanti naudojant saulės energiją per gyvus organizmus, vadinama biogeocheminis ciklas (ciklas).

Pagrindiniai biogeocheminiai ciklai yra deguonies, anglies, azoto, fosforo, sieros, vandens ir maistinių medžiagų ciklai.

Anglies ciklas.

Sausumoje anglies ciklas prasideda augalams fotosintezės metu fiksuojant anglies dioksidą. Tada iš anglies dioksido ir vandens susidaro angliavandeniai ir išsiskiria deguonis. Šiuo atveju augalui kvėpuojant anglis iš dalies išsiskiria kaip anglies dioksidas. Augaluose fiksuotą anglį tam tikru mastu sunaudoja gyvūnai. Kvėpuodami gyvūnai taip pat išskiria anglies dioksidą. Negyvus gyvūnus ir augalus skaido mikroorganizmai, dėl to negyvų organinių medžiagų anglis oksiduojasi iki anglies dioksido ir išleidžiama atgal į atmosferą.

Panašus anglies ciklas vyksta vandenyne.

Azoto ciklas.

Azoto ciklas, kaip ir kiti biogeocheminiai ciklai, apima visas biosferos sritis. Azoto ciklas yra susijęs su jo pavertimu nitratais dėl azotą fiksuojančių ir nitrifikuojančių bakterijų veiklos. Nitratus augalai pasisavina iš dirvožemio ar vandens. Augalus valgo gyvūnai. Galiausiai skaidytojai azotą paverčia atgal į dujinę formą ir išleidžia atgal į atmosferą.

Šiuolaikinėmis sąlygomis žmonės įsikišo į azoto ciklą, dideliuose plotuose augindami azotą fiksuojančius ankštinius augalus ir dirbtinai fiksuodami natūralų azotą. Manoma, kad žemės ūkis ir pramonė aprūpina beveik 60 % daugiau fiksuoto azoto nei natūralios sausumos ekosistemos.

Panašus azoto ciklas stebimas vandens aplinkoje.

Fosforo ciklas.

Skirtingai nuo anglies ir azoto, fosforo junginiai randami uolienose, kurios ardo ir išskiria fosfatus. Dauguma jų patenka į jūras ir vandenynus ir gali būti iš dalies grąžinti į sausumą per jūrines maisto grandines, kurios baigiasi žuvimis mintančiais paukščiais. Kai kurie fosfatai patenka į dirvą ir yra absorbuojami augalų šaknų. Augalų fosforo pasisavinimas priklauso nuo dirvožemio tirpalo rūgštingumo: didėjant rūgštingumui, vandenyje praktiškai netirpūs fosfatai virsta labai tirpia fosforo rūgštimi. Tada augalus valgo gyvūnai.

Pagrindinės biogeocheminių ciklų grandys yra įvairūs organizmai, kurių formų įvairovė lemia ciklų intensyvumą ir beveik visų žemės plutos elementų įsitraukimą į juos.

Apskritai kiekvienas bet kurio cheminio elemento ciklas yra bendrojo didžiojo medžiagų ciklo Žemėje dalis, t.y. jie glaudžiai susiję.

Medžiagų ciklas gamtoje yra pasikartojantis ciklinis atskirų cheminių elementų ir jų junginių virsmo ir judėjimo procesas. Atsirado per visą Žemės vystymosi istoriją ir tęsiasi iki šiol. Visada yra tam tikras cirkuliuojančios medžiagos sudėties ir kiekio nuokrypis, todėl gamtoje nėra visiško ciklo pasikartojimo. Tai lemia laipsnišką Žemės, kaip planetos, vystymąsi. Medžiagų cirkuliacija ypač būdinga geologiniam vystymosi etapui, kai susiformavo pagrindiniai dariniai. Žemės apvalkalas. Kalbant apie pasireiškimo mastą, pirmoji vieta yra geologinis ciklas . Ji reprezentuoja materijos judėjimą pirmiausia vidiniuose apvalkaluose: kilimą dėl kylančių tektoninių judesių ir vulkanizmo; jo horizontalus perkėlimas į išorinius apvalkalus ir kaupimasis; judėjimai žemyn – nuosėdų užkasimas, nusėdimas dėl tektoninių judėjimų žemyn. Gylyje vyksta metamorfizmas, medžiagos tirpimas, susidarant magmai ir metamorfinėms uolienoms. Pagrindinį vaidmenį kuriant geografinį apvalkalą atlieka Vandens ciklas.

Nuo gyvybės atsiradimo Žemėje, biologinis ciklas. Jis užtikrina nuolatines transformacijas, dėl kurių medžiagos, jas panaudojus vieniems organizmams, pereina į kitiems organizmams virškinamą formą. Energijos pagrindas yra saulės energija, ateinanti į Žemę. Augalų organizmai pasisavina mineralines medžiagas, kurios mitybos grandinėmis patenka į gyvūnų organizmą, o paskui skaidytojų (bakterijų, grybų ir kt.) pagalba grįžta į dirvą ar atmosferą. Šio ciklo intensyvumas lemia gyvų organizmų skaičių ir įvairovę Žemėje bei jų sukauptos energijos kiekį. biomasė. Maks. biologinio ciklo sausumoje intensyvumas stebimas atogrąžų miškuose, kur augalų liekanos beveik nesikaupia, o išsiskyrusias mineralines medžiagas augalai iškart pasisavina. Ciklo intensyvumas labai mažas pelkėse ir tundroje, kur kaupiasi augalų liekanos, kurios nespėja suirti. Ypač svarbūs yra biogeninių cheminių elementų ciklai anglies. Augalų organizmai kasmet iš atmosferos išgauna iki 300 milijardų tonų anglies dioksido (arba 100 milijardų tonų anglies). Augalus iš dalies suėda gyvūnai ir iš dalies miršta. Dėl organizmų kvėpavimo, jų liekanų irimo, rūgimo ir irimo procesų organinės medžiagos virsta anglies dioksidu arba nusėda sapropelio, humuso, durpių pavidalu, iš kurių susidaro anglis, nafta, degiosios dujos. vėliau susidaro. Labai maža jo dalis dalyvauja aktyviosios anglies cikle, nemaža dalis išsaugoma degių iškastinių kalkakmenių ir kitų uolienų pavidalu. Pagrindinis atmosferoje susikaupusi azoto masė (3,8510N? t); Pasaulio vandenyno vandenyse jame yra 2510Ni tonų Azoto cikle pagrindinis vaidmuo tenka mikroorganizmams: azoto fiksatoriams, nitrifikatoriams ir denitrifikatoriams. Kasmet sausumoje apytiksliai. 4510? t azoto, in vandens aplinka 4 kartus mažiau. Azoto turinčius junginius iš negyvų likučių nitrifikuojantys mikroorganizmai paverčia azoto oksidais, kuriuos vėliau suskaido denitrifikuojančios bakterijos ir išsiskiria molekulinis azotas. Ciklai taip pat siejami su gyva medžiaga deguonies, fosforo, sieros ir daug kitų elementų. Žmogaus įtakos medžiagų apykaitai darosi vis reikšmingesnės. Jie tapo palyginami su rezultatais geologiniai procesai: biosferoje atsiranda nauji medžiagų migracijos keliai, atsiranda naujų cheminiai junginiai, kurių anksčiau nebuvo, keičiasi vandens ciklas.

Mažas (biologinis) ciklas

Gyvosios medžiagos masė biosferoje yra palyginti maža. Jei jis pasiskirsto po žemės paviršių, gaunamas tik 1,5 cm sluoksnis.4.1 lentelėje palyginamos kai kurios kiekybinės biosferos ir kitų Žemės geosferų charakteristikos. Biosfera, kurios masė yra mažiau nei 10–6 kartus didesnė už kitų planetos apvalkalų masę, turi nepalyginamai didesnę įvairovę ir milijoną kartų greičiau atnaujina savo sudėtį.

4.1 lentelė

Biosferos palyginimas su kitomis Žemės geosferomis

*Gyvoji medžiaga pagal gyvąjį svorį

4.4.1. Biosferos funkcijos

Biosferos biotos dėka planetoje vyksta vyraujanti cheminių transformacijų dalis. Dėl šios priežasties V. I. Vernadskis apie didžiulę transformaciją geologinis vaidmuo gyva materija. Dėl organinė evoliucija gyvi organizmai praėjo per save, per savo organus, audinius, ląsteles, kraują, tūkstantį kartų (skirtingiems ciklams nuo 103 iki 105 kartų) per visą atmosferą, visą Pasaulio vandenyno tūrį, didžiąją dalį dirvožemių masės, didžiulę mineralų masė. Ir jie ne tik to pasigedo, bet ir modifikavo žemės aplinką pagal savo poreikius.

Dėl savo gebėjimo saulės energiją paversti cheminių ryšių energija, augalai ir kiti organizmai planetiniu mastu atlieka daugybę pagrindinių biogeocheminių funkcijų.

Dujų funkcija. Gyvi daiktai nuolat keičiasi deguonimi ir anglies dioksidu su aplinka fotosintezės ir kvėpavimo procesų metu. Augalai suvaidino lemiamą vaidmenį keičiant aplinką iš redukuojančios į oksiduojančią planetos geocheminėje evoliucijoje ir formuojant šiuolaikinės atmosferos dujų sudėtį. Augalai griežtai kontroliuoja O2 ir CO2 koncentracijas, kurios yra optimalios visų šiuolaikinių gyvų organizmų visumai.

Koncentracijos funkcija. Per savo kūnus leisdami didelius oro ir natūralių tirpalų kiekius, gyvi organizmai vykdo biogeninę migraciją (judėjimą). cheminių medžiagų) ir cheminių elementų bei jų junginių koncentracija. Tai susiję su organinių medžiagų biosinteze, koralų salų susidarymu, kriauklių ir skeletų statyba, nuosėdinių kalkakmenio sluoksnių atsiradimu, kai kurių metalų rūdų nuosėdomis, geležies-mangano mazgų kaupimu vandenyno dugne ir kt. ankstyvosios biologinės evoliucijos stadijos vyko vandens aplinkoje. Organizmai išmoko išskirti jiems reikalingas medžiagas iš praskiesto vandeninio tirpalo, nuolat didindami jų koncentraciją organizme.

Gyvosios medžiagos redokso funkcija yra glaudžiai susijusi su biogenine elementų migracija ir medžiagų koncentracija. Daugelis gamtoje esančių medžiagų yra stabilios ir normaliomis sąlygomis neoksiduojasi, pavyzdžiui, molekulinis azotas yra vienas svarbiausių biogeninių elementų. Tačiau gyvos ląstelės turi tokius galingus katalizatorius – fermentus, kad daugelį redokso reakcijų jos gali atlikti milijonus kartų greičiau, nei gali įvykti abiotinėje aplinkoje.

Biosferos gyvosios medžiagos informacinė funkcija. Būtent su pirmųjų primityvių gyvų būtybių atsiradimu planetoje atsirado aktyvi („gyva“) informacija, kuri skyrėsi nuo tos „negyvos“ informacijos, kuri yra paprastas struktūros atspindys. Paaiškėjo, kad organizmai gali gauti informaciją, derindami energijos srautą su aktyvia molekuline struktūra, kuri atlieka programos vaidmenį. Gebėjimas suvokti, saugoti ir apdoroti molekulinę informaciją gamtoje sparčiai evoliucionavo ir tapo svarbiausiu ekologinę sistemą formuojančiu veiksniu. Apskaičiuota, kad bendras biotos genetinės informacijos kiekis yra 1015 bitų. Bendra molekulinės informacijos, susijusios su metabolizmu ir energija, srauto galia visose pasaulinės biotos ląstelėse siekia 1036 bitų per sekundę (Gorshkov ir kt., 1996).

4.4.2. Biologinio ciklo komponentai.

Biologinis ciklas vyksta tarp visų biosferos komponentų (t.y. tarp dirvožemio, oro, vandens, gyvūnų, mikroorganizmų ir kt.). Tai įvyksta privalomai dalyvaujant gyviems organizmams.

Saulės spinduliuotė, pasiekianti biosferą, per metus perneša apie 2,5 * 1024 J energijos. Tik 0,3% jo fotosintezės proceso metu tiesiogiai paverčiama organinių medžiagų cheminių ryšių energija, t.y. dalyvauja biologiniame cikle. Ir pasirodo, kad 0,1–0,2% saulės energijos, patenkančios į Žemę, yra grynoje pirminės gamybos. Tolesnis likimasŠi energija yra susijusi su maisto organinių medžiagų perdavimu per trofinių grandinių kaskadas.

Biologinį ciklą sąlygiškai galima suskirstyti į tarpusavyje susijusius komponentus: medžiagų ciklą ir energijos ciklą.

4.4.3. Energijos ciklas. Energijos transformacija biosferoje

Ekosistemą galima apibūdinti kaip gyvų organizmų, kurie nuolat keičiasi energija, medžiaga ir informacija, rinkinį. Energiją galima apibrėžti kaip gebėjimą dirbti. Energijos savybes, įskaitant energijos judėjimą ekosistemose, apibūdina termodinamikos dėsniai.

Pirmasis termodinamikos arba energijos tvermės dėsnis teigia, kad energija neišnyksta ir neatsiranda iš naujo, ji tik pereina iš vienos formos į kitą.

Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad uždaroje sistemoje entropija gali tik didėti. Kalbant apie energiją ekosistemose, patogi tokia formuluotė: procesai, susiję su energijos transformacija, gali vykti spontaniškai tik tuo atveju, jei energija iš koncentruotos formos pereina į išsklaidytą, tai yra, degraduoja. Energijos kiekio, kuris tampa nepasiekiamas naudojimui, matas arba, kitaip tariant, tvarkos pokyčio, įvykusio energijos degradacijos metu, matas yra entropija. Kuo aukštesnė sistemos tvarka, tuo mažesnė jos entropija.

Kitaip tariant, gyva materija priima ir paverčia erdvės ir saulės energiją žemiškų procesų (cheminių, mechaninių, terminių, elektrinių) energija. Įtraukia šią energiją ir neorganines medžiagas į nuolatinį medžiagų ciklą biosferoje. Energijos srautas biosferoje turi vieną kryptį – nuo ​​Saulės per augalus (autotrofus) į gyvūnus (heterotrofus). Stabilios būklės natūralios nepaliestos ekosistemos su pastoviais kritiniais aplinkos rodikliais (homeostazė) yra labiausiai tvarkingos ir pasižymi mažiausia entropija.

4.4.4. Medžiagų ciklas gyvojoje gamtoje

Gyvosios medžiagos susidarymas ir jos skilimas yra dvi vieno proceso, vadinamo biologiniu cheminių elementų ciklu, pusės. Gyvybė yra cheminių elementų ciklas tarp organizmų ir aplinkos.

Ciklo priežastis – ribotas elementų, iš kurių kuriami organizmų kūnai, skaičius. Kiekvienas organizmas išgauna iš aplinką gyvybei reikalingų medžiagų ir grąžina nepanaudotas. Kur:

Kai kurie organizmai mineralus vartoja tiesiogiai iš aplinkos;

kiti pirmiausia naudoja perdirbtus ir izoliuotus produktus;

trečia – antra ir pan., kol medžiagos grįš į aplinką pradinės būsenos.

Biosferoje akivaizdus įvairių organizmų, galinčių panaudoti vienas kito atliekas, sambūvio poreikis. Matome praktiškai be atliekų biologinę gamybą.

Medžiagų cirkuliaciją gyvuose organizmuose galima apytiksliai sumažinti iki keturių procesų:

1. Fotosintezė. Dėl fotosintezės augalai sugeria ir kaupia saulės energiją ir iš neorganinių medžiagų sintetina organines medžiagas – pirminius biologinius produktus – ir deguonį. Pirminiai biologiniai produktai yra labai įvairūs – juose yra angliavandenių (gliukozės), krakmolo, skaidulų, baltymų, riebalų.

Paprasčiausio angliavandenio (gliukozės) fotosintezės schema yra tokia:

Šis procesas vyksta tik dieną ir kartu didėja augalų masė.

Žemėje fotosintezės metu kasmet susidaro apie 100 milijardų tonų organinių medžiagų, absorbuojama apie 200 milijardų tonų anglies dioksido ir išsiskiria apie 145 milijardus tonų deguonies.

Fotosintezė vaidina lemiamą vaidmenį užtikrinant gyvybės egzistavimą Žemėje. Jos pasaulinė reikšmė paaiškinama tuo, kad fotosintezė yra vienintelis procesas, kurio metu energija termodinaminiame procese, laikantis minimalistinio principo, nėra išsisklaido, o kaupiasi.

Sintetindami aminorūgštis, būtinas baltymų statybai, augalai gali egzistuoti gana nepriklausomai nuo kitų gyvų organizmų. Tai pasireiškia augalų autotrofija (nepriklausomybe mityboje). Tuo pačiu metu žalioji augalų masė ir fotosintezės metu susidarantis deguonis yra pagrindas palaikyti kitos gyvų organizmų grupės – gyvūnų, mikroorganizmų – gyvybę. Tai rodo šios organizmų grupės heterotrofiją.

2. Kvėpavimas. Procesas yra atvirkštinis fotosintezei. Atsiranda visose gyvose ląstelėse. Kvėpuojant organines medžiagas oksiduoja deguonis, todėl susidaro anglies dioksidas, vanduo ir išsiskiria energija.

3. Maistiniai (trofiniai) ryšiai tarp autotrofinių ir heterotrofinių organizmų. Šiuo atveju energija ir medžiaga perduodama jungtimis maisto grandinė, kurį išsamiau aptarėme anksčiau.

4. Transpiracijos procesas. Vienas iš svarbiausių procesų biologiniame cikle.

Jį galima schematiškai apibūdinti taip. Augalai sugeria dirvos drėgmę per savo šaknis. Kartu jie gauna vandenyje ištirpusių mineralų, kurie pasisavinami, o drėgmė daugiau ar mažiau intensyviai garuoja priklausomai nuo aplinkos sąlygų.

4.4.5. Biogeocheminiai ciklai

Geologiniai ir biologiniai ciklai yra susiję – jie egzistuoja kaip vienas procesas, sukeliantis medžiagų cirkuliaciją, vadinamuosius biogeocheminius ciklus (BGCC). Toks elementų ciklas vyksta dėl organinių medžiagų sintezės ir irimo ekosistemoje (4.1 pav.) BGCC dalyvauja ne visi biosferos elementai, o tik biogeniniai. Iš jų susideda gyvi organizmai, šie elementai patenka į daugybę reakcijų ir dalyvauja gyvuose organizmuose vykstančiuose procesuose. Bendrą gyvosios medžiagos masę biosferoje procentais sudaro šie pagrindiniai biogeniniai elementai: deguonis - 70%, anglis - 18%, vandenilis - 10,5%, kalcis - 0,5%, kalis - 0,3%, azotas - 0, 3% (deguonies, vandenilio, azoto, anglies yra visuose kraštovaizdžiuose ir yra gyvų organizmų pagrindas – 98%).

Cheminių elementų biogeninės migracijos esmė.

Taigi biosferoje vyksta biogeninis medžiagų ciklas (t.y. ciklas, sukeltas gyvybinės organizmų veiklos) ir vienakryptis energijos srautas. Biogeninę cheminių elementų migraciją daugiausia lemia du priešingi procesai:

1. Gyvosios medžiagos susidarymas iš aplinkos elementų veikiant saulės energijai.

2. Organinių medžiagų sunaikinimas, lydimas energijos išsiskyrimo. Tokiu atveju mineralinių medžiagų elementai pakartotinai patenka į gyvus organizmus ir taip tampa sudėtingų organinių junginių, formų dalimi, o vėliau, pastariesiems sunaikinus, vėl įgauna mineralinę formą.

Yra elementų, kurie yra gyvų organizmų dalis, tačiau nėra priskiriami biogeniniams. Tokie elementai klasifikuojami pagal jų svorio dalį organizmuose:

makroelementai – sudaro ne mažiau kaip 10-2% masės;

Mikroelementai – komponentai nuo 9*10-3 iki 1*10-3% masės;

Ultramikroelementai – mažiau nei 9*10-6% masės;

Norėdami nustatyti maistinių medžiagų vietą tarp kitų cheminių biosferos elementų, panagrinėkime ekologijoje priimtą klasifikaciją. Pagal savo aktyvumą biosferoje vykstančiuose procesuose visi cheminiai elementai skirstomi į 6 grupes:

Tauriosios dujos – helis, neonas, argonas, kriptonas, ksenonas. Inertinės dujos nėra gyvų organizmų dalis.

Taurieji metalai – rutenis, radis, paladis, osmis, iridis, platina, auksas. Šie metalai beveik nesudaro junginių Žemės pluta.

Cikliniai arba biogeniniai elementai (jie dar vadinami migraciniais). Ši biogeninių elementų grupė žemės plutoje sudaro 99,7% visos masės, o likusios 5 grupės – 0,3%. Taigi didžiąją dalį elementų sudaro migrantai, kurie cirkuliuoja geografinis vokas, o inertinių elementų dalis labai maža.

Išsklaidyti elementai, kuriems būdingas laisvųjų atomų vyravimas. Prisijunk cheminės reakcijos, tačiau jų junginių žemės plutoje randama retai. Jie skirstomi į du pogrupius. Pirmieji – rubidis, cezis, niobis, tantalas – sukuria junginius žemės plutos gelmėse, o paviršiuje jų mineralai sunaikinami. Antrasis – jodas, bromas – reaguoja tik paviršiuje.

Radioaktyvieji elementai – polonis, radonas, radis, uranas, neptūnas, plutonis.

Retųjų žemių elementai – itris, samaris, europis, tulis ir kt.

Ištisus metus biocheminiai ciklai sukelia apie 480 milijardų tonų medžiagos.

Į IR. Vernadskis suformulavo tris biogeocheminius principus, paaiškinančius biogeninės cheminių elementų migracijos esmę:

Biogeninė cheminių elementų migracija biosferoje visada siekia maksimalaus jos pasireiškimo.

Rūšių evoliucija per geologinį laiką, vedanti į stabilių gyvybės formų kūrimą, eina linkme, kuri sustiprina biogeninę atomų migraciją.

Gyvoji medžiaga nuolat keičiasi cheminėmis medžiagomis su aplinka, kuri yra biosferą atkuriantis ir palaikantis veiksnys.

Panagrinėkime, kaip kai kurie iš šių elementų juda biosferoje.

Anglies ciklas. Pagrindinis biotinio ciklo dalyvis yra anglis kaip organinių medžiagų pagrindas. Anglies ciklas pirmiausia vyksta tarp gyvosios medžiagos ir atmosferos anglies dioksido fotosintezės proceso metu. Jį iš maisto gauna žolėdžiai gyvūnai, o iš žolėdžių – mėsėdžiai. Kvėpavimo ir skilimo metu anglies dioksidas iš dalies grąžinamas į atmosferą; grįžimas vyksta deginant organines mineralines medžiagas.

Nesant anglies grąžinimo į atmosferą, ją žali augalai sunaudotų po 7–8 metų. Biologinės anglies apykaitos greitis fotosintezės metu yra 300 metų. Vandenynai vaidina svarbų vaidmenį reguliuojant CO2 kiekį atmosferoje. Jei atmosferoje padidėja CO2 kiekis, dalis jo ištirpsta vandenyje, reaguodama su kalcio karbonatu.

Deguonies ciklas.

Deguonis pasižymi dideliu cheminiu aktyvumu ir jungiasi su beveik visais žemės plutos elementais. Jis randamas daugiausia junginių pavidalu. Kas ketvirtas gyvosios medžiagos atomas yra deguonies atomas. Beveik visas atmosferoje esantis molekulinis deguonis atsirado ir yra pastoviame lygyje dėl žaliųjų augalų aktyvumo. Atmosferos deguonis, susijungęs kvėpuojant ir išsiskiriantis fotosintezės metu, per 200 metų praeina per visus gyvus organizmus.

Azoto ciklas. Azotas yra neatskiriama dalis visi baltymai. Bendras fiksuoto azoto, kaip organines medžiagas sudarančio elemento, ir azoto santykis gamtoje yra 1:100000. Cheminio ryšio energija azoto molekulėje yra labai didelė. Todėl azoto derinimas su kitais elementais – deguonimi, vandeniliu (azoto fiksavimo procesas) – reikalauja daug energijos. Pramoninis azoto fiksavimas vyksta esant katalizatoriams –500°C temperatūroje ir –300 atm slėgyje.

Kaip žinote, atmosferoje yra daugiau nei 78% molekulinio azoto, tačiau tokioje būsenoje jis nepasiekiamas žaliesiems augalams. Savo mitybai augalai gali naudoti tik azoto ir azoto rūgščių druskas. Kokiais būdais susidaro šios druskos? Štai keletas iš jų:

Dėl didelio biokatalizės efektyvumo biosferoje azoto fiksavimą vykdo kelios anaerobinių bakterijų ir cianobakterijų grupės esant normaliai temperatūrai ir slėgiui. Manoma, kad bakterijos per metus paverčia maždaug 1 milijardą tonų azoto į surištą formą (pasaulinis pramoninės fiksacijos kiekis yra apie 90 mln. tonų).

Dirvožemyje azotą fiksuojančios bakterijos sugeba absorbuoti molekulinį azotą iš oro. Jie praturtina dirvą azoto junginiais, todėl jų svarba itin didelė.

Dėl azoto turinčių augalinės ir gyvūninės kilmės organinių medžiagų junginių skilimo.

Veikiamas bakterijų, azotas virsta nitratais, nitritais ir amonio junginiais. Augaluose azoto junginiai dalyvauja baltymų junginių, kurie maisto grandinėmis perduodami iš organizmo į organizmą, sintezėje.

Fosforo ciklas. Kitas svarbus elementas, be kurio neįmanoma baltymų sintezė, yra fosforas. Pagrindiniai šaltiniai yra magminės uolienos (apatitai) ir nuosėdinės uolienos (fosforitai).

Neorganinis fosforas dalyvauja cikle dėl natūralių išplovimo procesų. Fosforą absorbuoja gyvi organizmai, kurie, dalyvaudami, sintezuoja daugybę organinių junginių ir perkelia juos į įvairius trofinius lygius.

Baigę kelionę per trofines grandines, organinius fosfatus skaido mikrobai ir paverčia mineraliniais fosfatais, prieinamais žaliesiems augalams.

Vykstant biologinei cirkuliacijai, kuri užtikrina medžiagų ir energijos judėjimą, atliekoms kauptis nėra vietos. Kiekvienos gyvybės formos atliekos (t. y. atliekos) yra terpė veistis kitiems organizmams.

Teoriškai biosferoje visada turėtų būti išlaikyta pusiausvyra tarp biomasės susidarymo ir jos skilimo. Tačiau tam tikrais geologiniais laikotarpiais biologinio ciklo pusiausvyra buvo sutrikdyta, kai dėl tam tikrų gamtinės sąlygos, kataklizmai, ne visi biologiniai produktai buvo asimiliuoti ar transformuoti. Tokiais atvejais susidarė biologinių produktų perteklius, kurie išsilaikė ir nusėdo žemės plutoje, po vandens, nuosėdų tirštumu ir atsidūrė amžinojo įšalo zonoje. Taip susidarė anglies, naftos, dujų ir kalkakmenio telkiniai. Reikia pažymėti, kad jie neteršia biosferos. Saulės energija, susikaupusi fotosintezės procese, koncentruojasi organiniuose mineraluose. Dabar, degindamas organinius degius mineralus, žmogus išskiria šią energiją.

Biosferoje vyksta pasaulinis (didelis arba geologinis) medžiagų ciklas, egzistavęs iki pirmųjų gyvų organizmų atsiradimo. Jame dalyvauja labai įvairūs cheminiai elementai. Geologinis ciklas vyksta dėl saulės, gravitacinės, tektoninės ir kosminės energijos rūšių.

Atsiradus gyvajai medžiagai geologinio ciklo pagrindu, atsirado organinių medžiagų ciklas – mažas (biotinis arba biologinis) ciklas.

Biotinis medžiagų ciklas yra nenutrūkstamas, cikliškas, netolygus laike ir erdvėje medžiagų judėjimo ir transformacijos procesas, vykstantis tiesiogiai dalyvaujant gyviems organizmams. Tai nenutrūkstamas organinių medžiagų kūrimo ir naikinimo procesas, kuriame dalyvauja visos trys organizmų grupės: gamintojai, vartotojai ir skaidytojai. Biotiniuose cikluose dalyvauja apie 40 biogeninių elementų. Aukščiausia vertė gyviems organizmams yra anglies, vandenilio, deguonies, azoto, fosforo, sieros, geležies, kalio, kalcio ir magnio ciklai.

Vystantis gyvajai medžiagai, iš geologinio ciklo nuolat išgaunama vis daugiau elementų ir patenka į naują, biologinį ciklą. Bendra pelenų medžiagų masė, kuri kasmet dalyvauja biotiniame medžiagų cikle vien sausumoje, yra apie 8 milijardus tonų. Tai kelis kartus daugiau nei produktų, pagamintų ištisus metus išsiveržus visiems pasaulio ugnikalniams, masė. Medžiagų cirkuliacijos greitis biosferoje yra skirtingas. Gyvoji biosferos medžiaga atnaujinama vidutiniškai kas 8 metus, fitoplanktono masė vandenyne atnaujinama kasdien. Visas biosferoje esantis deguonis per gyvąją medžiagą praeina per 2000 metų, o anglies dioksidas – per 300 metų.

Ekosistemose vyksta lokalūs biotiniai ciklai, o biosferoje – biogeocheminiai atomų migracijos ciklai, kurie ne tik sujungia visus tris išorinius planetos apvalkalus į vientisą visumą, bet ir lemia nenutrūkstamą jos sudėties evoliuciją.

ATMOSFERA HIDROSFERA

­ ¯ ­ ¯

GYVOJI MEDŽIAGA

DIRVOŽEMIS

Biosferos evoliucija

Biosfera atsirado maždaug prieš 3,5 milijardo metų, kai atsirado pirmieji gyvi organizmai. Kai gyvenimas vystėsi, jis pasikeitė. Atsižvelgiant į ekosistemų tipo ypatybes, galima išskirti biosferos evoliucijos etapus.

1. Gyvybės atsiradimas ir vystymasis vandenyje. Scena siejama su egzistencija vandens ekosistemoms. Atmosferoje nebuvo deguonies.

2. Gyvų organizmų atsiradimas žemėje, žemės-oro aplinkos ir dirvožemio vystymasis bei sausumos ekosistemų atsiradimas. Tai tapo įmanoma dėl deguonies atsiradimo atmosferoje ir ozono ekrano. Tai įvyko prieš 2,5 milijardo metų.

3. Žmogaus atsiradimas, pavertimas biosocialia būtybe ir antropoekosistemų atsiradimas įvyko prieš 1 mln.

4. Protingos žmogaus veiklos įtakoje esančios biosferos perėjimas į naują kokybinę būseną – į noosferą.

Noosfera

Aukščiausia biosferos vystymosi pakopa yra noosfera – žmogaus ir gamtos santykių protingo reguliavimo etapas. Šį terminą 1927 metais įvedė prancūzų filosofas E. Leroy. Jis manė, kad noosfera apima žmonių visuomenę su savo pramone, kalba ir kitais protingos veiklos atributais. 30-40-aisiais. XX amžiuje V.I. Vernadskis plėtojo materialistines idėjas apie noosferą. Jis manė, kad noosfera atsiranda dėl biosferos ir visuomenės sąveikos, ją valdo glaudus gamtos dėsnių, mąstymo ir socialinių bei ekonominių visuomenės dėsnių ryšys, ir pabrėžė, kad

noosfera (proto sfera) – tai biosferos vystymosi etapas, kai protinga žmonių veikla taps pagrindiniu jos darnios plėtros veiksniu.

Noosfera yra nauja, aukščiausia biosferos pakopa, susijusi su žmonijos atsiradimu ir vystymusi joje, kuri, išmokusi gamtos dėsnių ir tobulinant technologijas, tampa pagrindine jėga, savo mastu prilyginama geologinėms, ir pradeda turėti. lemiamą įtaką procesų Žemėje eigai, iš esmės pakeisdamas ją jūsų darbu. Žmonijos formavimasis ir vystymasis pasireiškė naujų medžiagų ir energijos mainų tarp visuomenės ir gamtos formų atsiradimu, vis didėjančiu žmogaus poveikiu biosferai. Noosfera ateis tada, kai žmonija, pasitelkusi mokslą, galės prasmingai valdyti gamtos ir socialinius procesus. Todėl noosfera negali būti laikoma ypatingu Žemės apvalkalu.

Santykių tarp žmonių visuomenė o gamta vadinama noogenika.

Pagrindinis noogenikos tikslas – planuoti dabartį vardan ateities, o pagrindiniai jos uždaviniai – technologijų pažangos nulemtų žmogaus ir gamtos santykių pažeidimų taisymas bei sąmoningas biosferos evoliucijos valdymas. Turi būti formuojamas planingas, moksliškai pagrįstas gamtos išteklių naudojimas, numatantis medžiagų cikle atkurti tai, kas buvo sutrikdyta žmogaus, o ne spontaniškas, grobuoniškas požiūris į gamtą, vedantis į aplinkos blogėjimą. Tam būtina tvarios plėtros visuomenė, kuri tenkina dabarties poreikius, nepakenkdama ateities kartų galimybėms patenkinti savo poreikius.

Šiuo metu planeta susiformavo biotechnosfera – biosferos dalis, žmogaus radikaliai paversta inžinerinėmis ir techninėmis struktūromis: miestais, gamyklomis ir gamyklomis, karjerais ir kasyklomis, keliais, užtvankomis ir rezervuarais ir kt.

BIOSFERA IR ŽMOGUS

Žmonėms skirta biosfera yra buveinė ir gamtos išteklių šaltinis.

Gamtos turtai – gamtos objektai ir reiškiniai, kuriuos žmonės naudoja darbo procese. Jie suteikia žmogui maistą, drabužius ir pastogę. Pagal išsekimo laipsnį jie skirstomi į neišsenkantis ir neišsenkantis . Išsenka ištekliai skirstomi į atsinaujinantis Ir neatnaujinamas . Prie neatsinaujinančių išteklių priskiriami tie ištekliai, kurie neatsinaujina (arba atsinaujina šimtus kartų lėčiau nei sunaudojama): nafta, anglis, metalų rūdos ir dauguma naudingųjų iškasenų. Atsinaujinantis Gamtos turtai– dirvožemis, augalas ir gyvūnų pasaulis, mineralinės žaliavos (valgomosios druskos). Šie ištekliai nuolat atkuriami iš skirtingu greičiu: žvėrys – keletą metų, miškai – 60–80 metų, derlingumą praradusios dirvos – kelis tūkstančius metų. Vartojimo normos viršijimas per dauginimosi greitį lemia visišką išteklių išnykimą.

Neišsenkantis ištekliai apima vandenį, klimatą ( atmosferos oras ir vėjo energija) ir erdvė: saulės spinduliuotė, jūros potvynių energija. Tačiau didėjanti aplinkos tarša reikalauja įgyvendinti aplinkosaugos priemones šiems ištekliams išsaugoti.

Žmogaus poreikių tenkinimas neįsivaizduojamas be gamtos išteklių naudojimo.

Visas žmogaus veiklos rūšis biosferoje galima sujungti į keturias formas.

1. Žemės paviršiaus struktūros pokyčiai(arimas, vandens telkinių sausinimas, miškų kirtimas, kanalų tiesimas). Žmonija tampa galinga geologine jėga. Žmogus naudoja 75 % žemės, 15 % upių vandenų, kas minutę iškertama 20 hektarų miškų.

· Geologiniai ir geomorfologiniai pokyčiai – daubų formavimosi procesų intensyvėjimas, purvo srovių ir nuošliaužų atsiradimas ir dažnis.

· Kompleksiniai (kraštovaizdžio) pokyčiai – kraštovaizdžių vientisumo ir natūralios struktūros pažeidimas, gamtos paminklų savitumas, produktyvių žemių praradimas, dykumėjimas.