Puikus geologinis ciklas. Puiki naftos ir dujų enciklopedija

Didelis (geologinis) ir mažasis (biogeocheminis) medžiagų ciklas

Visos mūsų planetoje esančios medžiagos yra cirkuliacijos procese. Saulės energija Žemėje sukelia du medžiagų ciklus:

Didelis (geologinis arba abiotinis);

Mažas (biotinis, biogeninis arba biologinis).

Medžiagų ciklai ir kosminės energijos srautai sukuria biosferos stabilumą. Kietosios medžiagos ir vandens ciklas, atsirandantis veikiant abiotiniams veiksniams (negyva gamta), vadinamas didžiuoju geologiniu ciklu. Per didelį geologinį ciklą (trunkantį milijonus metų) uolienos sunaikinamos, dyla, medžiagos ištirpsta ir patenka į Pasaulio vandenyną; vyksta geotektoniniai pokyčiai, žemynų nuslūgimas ir jūros dugno pakilimas. Vandens ciklo laikas ledynuose – 8000 metų, upėse – 11 dienų. Tai didysis ciklas, aprūpinantis gyvus organizmus maistinėmis medžiagomis ir daugiausia lemiantis jų egzistavimo sąlygas.

Dideliam geologiniam ciklui biosferoje būdingi du svarbūs taškai: deguonis, anglis, geologinis

• a) atliekama visoje geologinė raidaŽemė;
• b) yra šiuolaikinis planetinis procesas, kuris vaidina pagrindinį vaidmenį tolimesnis vystymas biosfera.

Dabartiniame žmogaus vystymosi etape dėl didelio ciklo teršalai, tokie kaip sieros ir azoto oksidai, dulkės ir radioaktyviosios priemaišos, taip pat pernešami dideliais atstumais. Labiausiai užterštos buvo Šiaurės pusrutulio vidutinio klimato platumos.

Mažas, biogeninis arba biologinis medžiagų ciklas vyksta kietoje, skystoje ir dujinėje fazėse, dalyvaujant gyviems organizmams. Biologinis ciklas, priešingai nei geologinis ciklas, reikalauja mažiau energijos. Mažasis ciklas yra didelio ciklo dalis, vyksta biogeocenozių lygmeniu (ekosistemose) ir susideda iš to, kad dirvožemio maistinės medžiagos, vanduo ir anglis kaupiasi augalinėse medžiagose ir išleidžiami kūnui kurti. Organinių medžiagų skilimo produktai skyla į mineralinius komponentus. Mažasis ciklas nėra uždaras, kuris yra susijęs su medžiagų ir energijos srautu į ekosistemą iš išorės ir su kai kurių jų išleidimu į biosferos ciklą.

Dideliame ir mažame cikle dalyvauja daug cheminių elementų ir jų junginių, tačiau svarbiausi iš jų yra tie, kurie lemia esamą biosferos raidos etapą, siejamą su žmogaus ūkine veikla. Tai apima anglies, sieros ir azoto ciklus (jų oksidai yra pagrindiniai atmosferos teršalai), taip pat fosforo (fosfatai yra pagrindinis kontinentinių vandenų teršalas). Beveik visi teršalai veikia kaip kenksmingos medžiagos ir yra priskiriami ksenobiotikų kategorijai. Šiuo metu didelę reikšmę turi ksenobiotikų – toksinių elementų – gyvsidabrio (maisto teršalo) ir švino (benzino komponento) ciklai. Be to, daugelis antropogeninės kilmės medžiagų (DDT, pesticidai, radionuklidai ir kt.), kurios daro žalą biotai ir žmonių sveikatai, patenka iš didelio ciklo į mažąją.

Biologinio ciklo esmė slypi dviejų priešingų, bet tarpusavyje susijusių procesų – organinės medžiagos susidarymo ir jos naikinimo gyvosios medžiagos – atsiradime.

Skirtingai nuo didžiojo, mažojo žiedo trukmė skiriasi: išskiriami sezoniniai, metiniai, daugiamečiai ir pasaulietiniai mažieji. Perkelkite chemines medžiagas iš neorganinės aplinkos per augmeniją ir gyvūnus atgal į neorganinę aplinką naudodami saulės energiją cheminės reakcijos vadinamas biogeocheminiu ciklu.

Mūsų planetos dabartis ir ateitis priklauso nuo gyvų organizmų dalyvavimo biosferos funkcionavime. Medžiagų cikle gyvoji medžiaga arba biomasė atlieka biogeochemines funkcijas: dujų, koncentracijos, redokso ir biochemines.

Biologinis ciklas vyksta dalyvaujant gyviems organizmams ir susideda iš organinių medžiagų dauginimosi iš neorganinių ir šios organinės medžiagos skaidymo iki neorganinės per maisto trofinę grandinę. Gamybos ir naikinimo procesų intensyvumas biologiniame cikle priklauso nuo šilumos ir drėgmės kiekio. Pavyzdžiui, mažas organinių medžiagų skilimo greitis poliariniuose regionuose priklauso nuo šilumos trūkumo.

Svarbus biologinio ciklo intensyvumo rodiklis yra cheminių elementų cirkuliacijos greitis. Intensyvumas apibūdinamas indeksu, lygiu miško paklotės masės ir paklotės santykiui. Kuo didesnis indeksas, tuo mažesnis cirkuliacijos intensyvumas.

Indeksas spygliuočių miškuose - 10 - 17; plačialapis 3 - 4; savana ne daugiau kaip 0,2; atogrąžų miškuose ne daugiau kaip 0,1, t.y. Čia biologinis ciklas yra intensyviausias.

Elementų (azoto, fosforo, sieros) srautas per mikroorganizmus yra eilės tvarka didesnis nei per augalus ir gyvūnus. Biologinis ciklas nėra visiškai grįžtamas, jis glaudžiai susijęs su biogeocheminiu ciklu. Cheminiai elementai biosferoje cirkuliuoja įvairiais biologinio ciklo keliais:

• - yra sugeriamos gyvosios medžiagos ir pasikrauna energija;
• - palikti gyvą medžiagą, išskirdama energiją į išorinę aplinką.

Šie ciklai yra dviejų tipų: dujinių medžiagų ciklas; nuosėdų ciklas (rezervas žemės plutoje).

Patys žiedai susideda iš dviejų dalių:

• - rezervinis fondas (tai su gyvais organizmais nesusijusi medžiagos dalis);
• - mobilusis (mainų) fondas (mažesnė medžiagos dalis, susijusi su tiesioginiais mainais tarp organizmų ir jų artimiausios aplinkos).

Žiedai skirstomi į:

• - dujų tipo ciklai su rezerviniu fondu žemės plutoje (anglies, deguonies, azoto ciklai) - galintys greitai reguliuotis;
• - nuosėdų ciklai su rezerviniu fondu žemės plutoje (fosforo, kalcio, geležies ir kt. ciklai) yra inertiškesni, didžioji medžiagos dalis yra „nepasiekiama“ gyviems organizmams.

Žiedai taip pat gali būti skirstomi į:

• - uždaras (dujinių medžiagų ciklas, pavyzdžiui, deguonis, anglis ir azotas - rezervas atmosferoje ir vandenyno hidrosferoje, todėl trūkumas greitai kompensuojamas);
• - neterminuotas (žemės plutoje sukuriamas rezervinis fondas, pvz., fosforas - todėl nuostoliai menkai kompensuojami, t.y. susidaro deficitas).

Biologinių ciklų egzistavimo Žemėje energetinis pagrindas ir pradinis jų ryšys yra fotosintezės procesas. Kiekvienas naujas ciklas nėra tikslus ankstesnio kartojimas. Pavyzdžiui, biosferos evoliucijos metu kai kurie procesai buvo negrįžtami, todėl susidarė ir kaupėsi biogeninės nuosėdos, padidėjo deguonies kiekis atmosferoje, pakito daugelio elementų izotopų kiekybiniai santykiai. ir kt.

Medžiagų cirkuliacija paprastai vadinama biogeocheminiais ciklais. Pagrindiniai biogeocheminiai (biosferos) medžiagų ciklai: vandens ciklas, deguonies ciklas, azoto ciklas (azotą fiksuojančių bakterijų dalyvavimas), anglies ciklas (aerobinių bakterijų dalyvavimas; per metus į geologinį ciklą išleidžiama apie 130 tonų anglies), fosforas. ciklas (dirvožemio bakterijų dalyvavimas; kasmet iš vandenynų išplaunama 14 mln. tonų fosforo), sieros ciklas, metalų katijonų ciklas.

Vandens ciklas

Vandens ciklas yra uždaras ciklas, kuris, kaip minėta aukščiau, gali vykti net ir nesant gyvybės, tačiau gyvi organizmai jį modifikuoja.

Ciklas pagrįstas principu: evapotranspiraciją kompensuoja krituliai. Visai planetai garavimas ir krituliai subalansuoja vienas kitą. Tuo pačiu metu iš vandenyno išgaruoja daugiau vandens, nei grįžta su krituliais. Sausumoje, atvirkščiai, iškrenta daugiau kritulių, tačiau perteklius nuteka į ežerus ir upes, o iš ten vėl į vandenyną. Drėgmės balansą tarp žemynų ir vandenynų palaiko upės tėkmė.

Taigi pasaulinis hidrologinis ciklas turi keturis pagrindinius srautus: kritulių, garavimo, drėgmės pernešimo ir transpiracijos.

Vanduo, labiausiai paplitusi medžiaga biosferoje, yra ne tik daugelio organizmų buveinė, bet ir neatskiriama dalis visų gyvų būtybių kūnai. Nepaisant didžiulės vandens svarbos visuose biosferoje vykstančiuose gyvybės procesuose, gyvoji medžiaga neatlieka lemiamo vaidmens dideliame Žemės rutulio vandens cikle. Šio ciklo varomoji jėga yra saulės energija, kuri išleidžiama vandeniui išgarinti nuo vandens baseinų ar žemės paviršiaus. Išgaravusi drėgmė atmosferoje kondensuojasi vėjo nešamų debesų pavidalu; Atvėsus debesims, iškrenta krituliai.

Bendras laisvo nesurišto vandens kiekis (vandenynų ir jūrų, kuriuose yra skysto sūraus vandens, dalis) sudaro 86–98%. Likęs vandens kiekis (gėlas vanduo) kaupiasi poliarinėse kepurėse ir ledynuose ir sudaro vandens baseinus bei požeminį vandenį. Krituliai, iškritę ant augmenija padengtos žemės paviršiaus, iš dalies sulaikomi lapų paviršiuje ir vėliau išgaruoja į atmosferą. Drėgmė, kuri pasiekia dirvožemį, gali prisijungti prie paviršinio nuotėkio arba būti absorbuojama dirvožemio. Visiškai sugertos dirvos (tai priklauso nuo dirvožemio tipo, uolienų ir augalinės dangos savybių), nuosėdų perteklius gali prasiskverbti giliau į gruntinį vandenį. Jei kritulių kiekis viršija drėgmės talpą viršutiniai sluoksniai gruntas, prasideda paviršinis nuotėkis, kurio greitis priklauso nuo dirvožemio būklės, šlaito statumo, kritulių trukmės ir augalijos pobūdžio (augmenija gali apsaugoti dirvožemį nuo vandens erozijos). Dirvožemyje sulaikytas vanduo gali išgaruoti nuo jo paviršiaus arba, absorbuotas augalų šaknims, per lapus išsinešioti (išgaruoti) į atmosferą.

Vandens transpiracinis srautas (dirvožemis – augalų šaknys – lapai – atmosfera) yra pagrindinis vandens kelias per gyvąją medžiagą per savo didelį ciklą mūsų planetoje.

Anglies ciklas

Visa organinių medžiagų, biocheminių procesų ir gyvybės formų įvairovė Žemėje priklauso nuo anglies savybių ir savybių. Daugumoje gyvų organizmų anglies kiekis sudaro apie 45% jų sausos biomasės. Visa planetoje esanti gyva medžiaga dalyvauja organinių medžiagų ir visos Žemės anglies cikle, kuris nuolat kyla, keičiasi, miršta, suyra ir šia seka anglis iš vienos organinės medžiagos perkeliama į kitos statybą išilgai maisto grandinės. . Be to, visi gyvi daiktai kvėpuoja, išskirdami anglies dioksidą.

Anglies ciklas sausumoje. Anglies ciklą palaiko sausumos augalų ir vandenyno fitoplanktono fotosintezė. Sugerdami anglies dvideginį (fiksuodami neorganinę anglį), augalai, panaudodami saulės šviesos energiją, paverčia ją organiniais junginiais – sukurdami savo biomasę. Naktį augalai, kaip ir visi gyvi daiktai, kvėpuoja, išskirdami anglies dioksidą.

Negyvi augalai, lavonai ir gyvūnų ekskrementai yra daugelio heterotrofinių organizmų (gyvūnų, saprofitinių augalų, grybų, mikroorganizmų) maistas. Visi šie organizmai daugiausia gyvena dirvožemyje ir gyvenimo procese sukuria savo biomasę, kurią sudaro organinė anglis. Jie taip pat išskiria anglies dioksidą, sukurdami „dirvožemio kvėpavimą“. Dažnai negyvos organinės medžiagos visiškai nesuyra ir dirvose kaupiasi humusas (humusas), kuris vaidina svarbų vaidmenį dirvožemio derlingumui. Organinių medžiagų mineralizacijos ir humifikacijos laipsnis priklauso nuo daugelio veiksnių: drėgmės, temperatūros, dirvožemio fizikinių savybių, organinių likučių sudėties ir kt. Veikiamas bakterijų ir grybelių, humusas gali suskaidyti į anglies dioksidą ir mineralinius junginius.

Anglies ciklas Pasaulio vandenyne. Anglies ciklas vandenyne skiriasi nuo ciklo sausumoje. Vandenynas yra silpnoji aukštesnio trofinio lygio organizmų grandis, taigi ir visos anglies ciklo grandys. Laikas, per kurį anglis praeina per vandenyno trofinę grandį, yra trumpas, o išskiriamo anglies dioksido kiekis yra nereikšmingas.

Vandenynas veikia kaip pagrindinis anglies dioksido reguliatorius atmosferoje. Tarp vandenyno ir atmosferos vyksta intensyvūs anglies dioksido mainai. Vandenynų vandenys turi didelę tirpinimo ir buferio talpą. Sistema, susidedanti iš anglies rūgšties ir jos druskų (karbonatų), yra anglies dioksido saugykla, sujungta su atmosfera per CO difuziją? iš vandens į atmosferą ir atgal.

Vandenyne dieną intensyviai vyksta fitoplanktono fotosintezė, intensyviai suvartojamas laisvas anglies dioksidas, karbonatai yra papildomas jo susidarymo šaltinis. Naktį, kai dėl gyvūnų ir augalų kvėpavimo padidėja laisvosios rūgšties kiekis, didelė jos dalis vėl patenka į karbonatų sudėtį. Vykstantys procesai vyksta tokiomis kryptimis: gyva materija? TAIP?? N?SO?? Sa(NSO?)?? CaCO?.

Gamtoje tam tikras kiekis organinių medžiagų nemineralizuojasi dėl deguonies trūkumo, didelio aplinkos rūgštingumo, specifinių laidojimo sąlygų ir kt. Dalis anglies palieka biologinį ciklą neorganinių (kalkakmenis, kreida, koralai) ir organinių (skalūnų, naftos, anglies) nuosėdų pavidalu.

Žmogaus veikla daro reikšmingus anglies ciklo pokyčius mūsų planetoje. Keičiasi kraštovaizdžiai, augmenijos tipai, biocenozės ir jų mitybos grandinės, nusausinami arba drėkinami didžiuliai žemės paviršiaus plotai, gerėja (arba pablogėja) dirvožemio derlingumas, įvedamos trąšos, pesticidai ir kt. Pavojingiausia yra anglies dioksido išmetimas į atmosferą deginant kurą. Kartu didėja anglies cirkuliacijos greitis ir trumpėja jos ciklas.

Deguonies ciklas

Deguonis yra būtina gyvybės egzistavimo Žemėje sąlyga. Jis yra įtrauktas į beveik visus biologinius junginius, dalyvauja biocheminėse organinių medžiagų oksidacijos reakcijose, tiekdamas energiją visiems biosferos organizmų gyvybės procesams. Deguonis užtikrina gyvūnų, augalų ir mikroorganizmų kvėpavimą atmosferoje, dirvožemyje, vandenyje, dalyvauja cheminėse oksidacijos reakcijose, vykstančiose uolienose, dirvožemyje, dumbluose, vandeninguose sluoksniuose.

Pagrindinės deguonies ciklo šakos:

• - laisvo deguonies susidarymas fotosintezės metu ir jo įsisavinimas gyvų organizmų (augalų, gyvūnų, atmosferos mikroorganizmų, dirvožemio, vandens) kvėpavimo metu;
• - ozono ekrano susidarymas;
• - redokso zonavimo sukūrimas;
• - anglies monoksido oksidacija ugnikalnių išsiveržimų metu, sulfatinių nuosėdinių uolienų kaupimasis, deguonies suvartojimas žmogaus veikloje ir kt.; Visur dalyvauja fotosintezės molekulinis deguonis.

Azoto ciklas

Azotas yra visų gyvų organizmų biologiškai svarbių organinių medžiagų dalis: baltymai, nukleino rūgštys, lipoproteinai, fermentai, chlorofilas ir kt. Nepaisant azoto kiekio (79%) ore, jo trūksta gyviems organizmams.

Azotas biosferoje yra dujinės formos (N2), neprieinamos organizmams – chemiškai mažai aktyvus, todėl jo negali tiesiogiai panaudoti aukštesni augalai (ir dauguma žemesnių augalų) bei gyvūnų pasaulis. Azotą augalai iš dirvožemio pasisavina amonio jonų arba nitratų jonų pavidalu, t.y. vadinamasis fiksuotasis azotas.

Yra atmosferinis, pramoninis ir biologinis azoto fiksavimas.

Atmosferos fiksacija įvyksta, kai atmosfera jonizuojasi kosminiais spinduliais ir stiprių elektros iškrovų metu per perkūniją, o iš ore esančio molekulinio azoto susidaro azoto ir amoniako oksidai, kurie dėl atmosferos kritulių paverčiami amoniu, nitritu ir nitratiniu azotu. ir patekti į dirvožemį bei vandens baseinus.

Pramoninė fiksacija atsiranda dėl žmogaus ūkinės veiklos. Atmosferą azoto junginiais teršia azoto junginius gaminančios gamyklos. Karštos emisijos iš šiluminių elektrinių, gamyklų, erdvėlaivių ir viršgarsinių orlaivių oksiduoja oro azotą. Azoto oksidai, sąveikaudami su vandens garais iš oro ir kritulių, grįžta į žemę ir jonine forma patenka į dirvą.

Biologinė fiksacija vaidina svarbų vaidmenį azoto cikle. Ją vykdo dirvožemio bakterijos:

• - azotą fiksuojančios bakterijos (ir melsvadumbliai);
• - mikroorganizmai, gyvenantys simbiozėje su aukštesniaisiais augalais (mazginės bakterijos);
• - amonifikuojantis;
• - nitrifikuojantis;
• - denitrifikuojantis.

Dirvožemyje laisvai gyvenančios azotą fiksuojančios aerobinės (esant deguonies) bakterijos (Azotobacter) geba fiksuoti atmosferos molekulinį azotą, panaudodamos energiją, gaunamą oksiduojant dirvožemio organines medžiagas kvėpuojant, galiausiai surišdamos ją vandeniliu ir įvedamos. amino grupės (-NH2) pavidalu patenka į savo kūno aminorūgščių sudėtį. Molekulinis azotas taip pat gali fiksuoti kai kurias anaerobines (gyvenančias be deguonies) bakterijas, esančias dirvožemyje (Clostridium). Mirdami abu mikroorganizmai praturtina dirvą organiniu azotu.

Mėlynadumbliai, ypač svarbūs ryžių laukų dirvožemiams, taip pat geba biologiškai fiksuoti molekulinį azotą.

Veiksmingiausia biologinė atmosferos azoto fiksacija vyksta ankštinių augalų (mazginių bakterijų) mazgeliuose simbiozėje gyvenančiose bakterijose.

Šios bakterijos (Rizobium) naudoja augalo šeimininko energiją azotui fiksuoti, tuo pačiu aprūpindamos šeimininko sausumos organus jai prieinamais azoto junginiais.

Asimiliuodami azoto junginius iš dirvožemio nitratų ir amonio formomis, augalai sukuria savo organizmui reikalingus azoto turinčius junginius (nitratinis azotas yra iš anksto redukuotas augalų ląstelėse). Gaminantys augalai azotinėmis medžiagomis aprūpina visą gyvūnų pasaulis ir žmogiškumas. Negyvi augalai, atsižvelgiant į trofinę grandinę, naudojami kaip bioreduktoriai.

Amonifikuojantys mikroorganizmai skaido organines medžiagas, turinčias azoto (amino rūgštis, karbamidą), sudarydami amoniaką. Dalis organinio azoto dirvožemyje nėra mineralizuojama, o virsta humuso medžiagomis, bitumu ir nuosėdinių uolienų komponentais.

Amoniakas (amonio jonų pavidalu) gali patekti į augalų šaknų sistemą arba būti naudojamas nitrifikacijos procesuose.

Nitrifikuojantys mikroorganizmai yra chemosintetikai, kurie naudoja amoniako oksidacijos į nitratus ir nitritų į nitratus energiją, kad užtikrintų visus gyvybės procesus. Naudodami šią energiją nitrifikatoriai sumažina anglies dioksido kiekį ir kaupia organines medžiagas savo kūnuose. Amoniako oksidacija nitrifikacijos metu vyksta per šias reakcijas:

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

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

Nitrifikacijos procesų metu susidarę nitratai vėl patenka į biologinį ciklą, pasisavinami iš dirvožemio augalų šaknimis arba su vandens nuotėkiu patekę į vandens baseinus – fitoplanktoną ir fitobentosą.

Kartu su organizmais, kurie fiksuoja atmosferos azotą ir jį nitrifikuoja, biosferoje yra mikroorganizmų, gebančių nitratus ar nitritus redukuoti į molekulinį azotą. Tokie mikroorganizmai, vadinami denitrifikatoriais, kai vandenyje ar dirvožemyje trūksta laisvo deguonies, organinėms medžiagoms oksiduoti naudoja nitratinį deguonį:

C?H??O?(gliukozė) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6CO? +12N? + 18H?O + energija

Šiuo atveju išsiskirianti energija yra visos denitrifikuojančių mikroorganizmų gyvybinės veiklos pagrindas.

Taigi gyvosios medžiagos atlieka išskirtinį vaidmenį visose ciklo dalyse.

Šiuo metu pramoninis atmosferos azoto fiksavimas, kurį atlieka žmonės, vaidina vis svarbesnį vaidmenį dirvožemio azoto balanse, taigi ir visame azoto cikle biosferoje.

Fosforo ciklas

Fosforo ciklas yra paprastesnis. Nors azoto rezervuaras yra oras, fosforo rezervuaras yra uolienos, iš kurių jis išsiskiria dėl erozijos.

Anglis, deguonis, vandenilis ir azotas atmosferoje migruoja lengviau ir greičiau, nes yra dujinės formos ir biologiniuose ciklus sudaro dujinius junginius. Visiems kitiems elementams, išskyrus sierą, reikalingą gyvajai medžiagai egzistuoti, dujinių junginių susidarymas biologinių ciklų metu yra nebūdingas. Šie elementai migruoja daugiausia vandenyje ištirpusių jonų ir molekulių pavidalu.

Fosforas, augalų pasisavinamas ortofosforo rūgšties jonų pavidalu, užima didelę dalį visų gyvų organizmų gyvenime. Tai yra ADP, ATP, DNR, RNR ir kitų junginių dalis.

Fosforo ciklas biosferoje nėra uždaras. Sausumos biogeocenozėse fosforas, augalams pasisavintas iš dirvožemio per mitybos grandinę, vėl patenka į dirvą fosfatų pavidalu. Pagrindinį fosforo kiekį reabsorbuoja augalų šaknų sistema. Fosforas dalinai gali būti išplautas lietaus vandeniui nutekėjus iš dirvožemio į vandens baseinus.

Natūraliose biogeocenozėse fosforo dažnai trūksta, o šarminėje ir oksiduotoje aplinkoje jis dažniausiai aptinkamas netirpių junginių pavidalu.

Litosferos uolienose yra daug fosfatų. Dalis jų pamažu pereina į dirvą, dalis yra žmogaus sukurtos fosfatinėms trąšoms gaminti, o didžioji dalis išplaunamos ir išplaunamos į hidrosferą. Ten juos naudoja fitoplanktonas ir susiję organizmai, esantys skirtinguose sudėtingų maisto grandinių trofiniuose lygiuose.

Pasaulio vandenyne fosfatų praradimas iš biologinio ciklo atsiranda dėl augalų ir gyvūnų liekanų nusėdimo dideliame gylyje. Kadangi fosforas su vandeniu daugiausia juda iš litosferos į hidrosferą, jis į litosferą migruoja biologiškai (maitindamas žuvis jūros paukščiais, kaip trąšas naudodamas bentosinius dumblius ir žuvų miltus ir kt.).

Iš visų augalų mineralinės mitybos elementų fosforo trūkumas gali būti laikomas.

Sieros ciklas

Gyviems organizmams siera yra labai svarbi, nes ji yra sieros turinčių aminorūgščių (cistino, cisteino, metionino ir kt.) dalis. Būdamos baltymų dalimi, sieros turinčios aminorūgštys palaiko reikiamą trimatę baltymų molekulių struktūrą.

Sierą augalai iš dirvožemio pasisavina tik oksiduotą, jonų pavidalu. Augaluose siera redukuojama ir yra įtraukta į aminorūgštis sulfhidrilo (-SH) ir disulfido (-S-S-) grupių pavidalu.

Gyvūnai pasisavina tik sumažintą sierą, esančią organinėse medžiagose. Po augalų ir gyvūnų organizmų mirties siera grįžta į dirvą, kur dėl daugelio mikroorganizmų formų veiklos ji transformuojasi.

Aerobinėmis sąlygomis kai kurie mikroorganizmai oksiduoja organinę sierą į sulfatus. Sulfato jonai, absorbuojami augalų šaknų, vėl įtraukiami į biologinį ciklą. Kai kurie sulfatai gali būti įtraukti į vandens migraciją ir pašalinti iš dirvožemio. Dirvožemyje, kuriame gausu humusinių medžiagų, nemažas kiekis sieros randamas organiniuose junginiuose, kurie neleidžia jai išsiplauti.

Anaerobinėmis sąlygomis skaidant organinius sieros junginius susidaro vandenilio sulfidas. Jei sulfatai ir organinės medžiagos yra aplinkoje, kurioje nėra deguonies, suaktyvėja sulfatus redukuojančių bakterijų veikla. Jie naudoja sulfatų deguonį organinėms medžiagoms oksiduoti ir taip gauti joms būtiną energiją.

Sulfatus redukuojančios bakterijos paplitusios požeminiame vandenyje, purve ir stovinčiame jūros vandenyje. Vandenilio sulfidas yra nuodas daugumai gyvų organizmų, todėl jo kaupimasis vandens pripildytame dirvožemyje, ežeruose, estuarijose ir kt. žymiai sumažina ar net visiškai sustabdo gyvybės procesus. Šis reiškinys stebimas Juodojoje jūroje žemiau 200 m nuo jos paviršiaus.

Taigi, norint sukurti palankią aplinką, reikia oksiduoti sieros vandenilį iki sulfato jonų, kurie sunaikins žalingą sieros vandenilio poveikį, siera virs augalams prieinama forma – sulfatų druskų pavidalu. Šį vaidmenį gamtoje atlieka speciali sieros bakterijų (bespalvių, žalių, violetinių) ir tioninių bakterijų grupė.

Bespalvės sieros bakterijos yra chemosintetinės: jos naudoja energiją, gautą oksiduojant vandenilio sulfidą deguonimi iki elementinės sieros ir toliau oksiduojant iki sulfatų.

Spalvotos sieros bakterijos yra fotosintetiniai organizmai, kurie naudoja vandenilio sulfidą kaip vandenilio donorą, kad sumažintų anglies dioksido kiekį.

Žaliosiose sieros bakterijose susidariusi elementinė siera išsiskiria iš ląstelių, o purpurinėse bakterijose kaupiasi ląstelių viduje.

Bendra šio proceso reakcija yra fotoredukcija:

CO?+ 2H?S šviesa? (CH2O)+ H2O +2S.

Tioninės bakterijos, naudodamos laisvą deguonį, oksiduoja elementinę sierą ir įvairius jos redukuotus junginius iki sulfatų, grąžindamos ją į pagrindinę biologinio ciklo srovę.

Biologinio ciklo procesuose, kur vyksta sieros transformacija, gyvi organizmai, ypač mikroorganizmai, vaidina didžiulį vaidmenį.

Pagrindinis sieros rezervuaras mūsų planetoje yra Pasaulio vandenynas, nes sulfato jonai į jį nuolat teka iš dirvožemio. Dalis sieros iš vandenyno grįžta į žemę per atmosferą pagal schemą vandenilio sulfidas - jo oksidacija į sieros dioksidą - pastarojo ištirpimas lietaus vandenyje, susidarant sieros rūgščiai ir sulfatams - sieros grąžinimas su krituliais į dirvožemio dangą Žemės.

Neorganinių katijonų ciklas

Be pagrindinių elementų, sudarančių gyvus organizmus (anglies, deguonies, vandenilio, fosforo ir sieros), gyvybiškai svarbūs yra daugelis kitų makro ir mikroelementų – neorganinių katijonų. Vandens baseinuose augalai jiems reikalingus metalo katijonus gauna tiesiai iš aplinkos. Sausumoje pagrindinis neorganinių katijonų šaltinis yra dirvožemis, kuris juos gavo naikinant pirmines uolienas. Augaluose šaknų sistemų absorbuoti katijonai persikelia į lapus ir kitus organus; kai kurie iš jų (magnis, geležis, varis ir daugelis kitų) yra biologiškai svarbių molekulių (chlorofilo, fermentų) dalis; kiti, likę laisvoje formoje, dalyvauja palaikant reikalingas koloidines ląstelės protoplazmos savybes ir atlieka kitas įvairias funkcijas.

Kai gyvi organizmai žūva, organinių medžiagų mineralizacijos metu į dirvą grįžta neorganiniai katijonai. Šių komponentų netenkama iš dirvožemio dėl metalo katijonų išplovimo ir pašalinimo lietaus vandeniu, žmonėms atmetus ir pašalinus organines medžiagas auginant žemės ūkio augalus, kertant miškus, pjaunant žolę gyvulių pašarui ir kt.

Racionalus mineralinių trąšų naudojimas, dirvožemio melioracija, organinių trąšų naudojimas, tinkama žemės ūkio technologija padės atkurti ir išlaikyti neorganinių katijonų pusiausvyrą biosferos biocenozėse.

Antropogeninis ciklas: ksenobiotikų ciklas (gyvsidabris, švinas, chromas)

Žmonija yra gamtos dalis ir gali egzistuoti tik nuolat sąveikaudama su ja.

Yra panašumų ir prieštaravimų tarp natūralaus ir antropogeninio biosferoje vykstančių medžiagų ir energijos ciklo.

Natūralus (biogeocheminis) gyvenimo ciklas turi šias ypatybes:

• - saulės energijos, kaip gyvybės šaltinio, naudojimas ir visos jos apraiškos, pagrįstos termodinaminiais dėsniais;
• – atliekama be atliekų, t.y. visi jo gyvybinės veiklos produktai mineralizuojami ir vėl įtraukiami į kitą medžiagų apykaitos ciklą. Tuo pačiu metu atliekos, nuvertėjusi šiluminė energija pašalinama už biosferos ribų. Biogeocheminio medžiagų ciklo metu susidaro atliekos, t.y. atsargos anglies, naftos, dujų ir kt mineraliniai ištekliai. Skirtingai nuo natūralaus ciklo be atliekų, antropogeninį ciklą kasmet lydi vis daugiau atliekų.

Gamtoje nėra nieko nenaudingo ar kenksmingo, net ugnikalnių išsiveržimai turi naudos, nes su vulkaninėmis dujomis į orą patenka būtini elementai (pavyzdžiui, azotas).

Biosferoje galioja visuotinio biogeocheminio ciklo uždarymo dėsnis, kuris veikia visuose jos vystymosi etapuose, taip pat didėjančio biogeocheminio ciklo uždarymo sekimo metu taisyklė.

Žmonės atlieka didžiulį vaidmenį biogeocheminiame cikle, tačiau priešinga kryptimi. Žmogus sutrikdo esamus medžiagų ciklus, ir tai išreiškia jo geologinę galią – griaunančią biosferos atžvilgiu. Dėl antropogeninės veiklos mažėja biogeocheminių ciklų uždarumo laipsnis.

Antropogeninis ciklas neapsiriboja saulės šviesos energija, kurią užfiksuoja žali planetos augalai. Žmonija naudoja kuro, hidroelektrinių ir atominių elektrinių energiją.

Galima teigti, kad antropogeninė veikla šiuo metu yra didžiulė biosferos griauna jėga.

Biosfera turi ypatingą savybę – didelį atsparumą teršalams. Šis stabilumas pagrįstas natūraliu įvairių komponentų gebėjimu natūrali aplinka savęs apsivalymui ir savęs išgydymui. Bet ne neribotas. Dėl galimos pasaulinės krizės, norint gauti informacijos apie galimą biosferos būklę, reikėjo sukurti matematinį biosferos, kaip vienos visumos, modelį (Gaia sistemą).

Ksenobiotikas – gyviems organizmams svetima medžiaga, atsirandanti dėl antropogeninės veiklos (pesticidai, buitinės chemijos ir kiti teršalai), galinti sutrikdyti biotinius procesus, įskaitant. liga ar kūno mirtis. Tokie teršalai biologiškai nedegraduoja, bet kaupiasi trofinėse grandinėse.

Gyvsidabris yra labai retas elementas. Jis yra išsklaidytas po visą žemės plutą ir tik keliuose mineraluose, tokiuose kaip cinoberas, yra jo koncentruota forma. Gyvsidabris dalyvauja medžiagų cikle biosferoje, migruodamas dujinėje būsenoje ir vandeniniuose tirpaluose.

Į atmosferą jis patenka iš hidrosferos garuodamas, kai išsiskiria iš cinamono, su vulkaninėmis dujomis ir dujomis iš terminių šaltinių. Dalis atmosferoje esančio dujinio gyvsidabrio virsta kieta faze ir pašalinama iš oro. Iškritusį gyvsidabrį sugeria dirvožemis, ypač molingas, vanduo ir akmenys. Degiuosiuose mineraluose – nafta ir anglis – gyvsidabrio yra iki 1 mg/kg. Vandenynų vandens masėje yra apie 1,6 milijardo tonų, dugno nuosėdose – 500 milijardų tonų, planktone – 2 milijonai tonų. Upių vandenys kasmet iš sausumos išneša apie 40 tūkst. tonų, tai 10 kartų mažiau nei patenka į atmosferą garuojant (400 tūkst. tonų). Kasmet ant žemės paviršiaus iškrenta apie 100 tūkst.

Gyvsidabris iš natūralaus natūralios aplinkos komponento virto vienu pavojingiausių žmogaus sukeltų teršalų į biosferą žmonių sveikatai. Jis plačiai naudojamas metalurgijos, chemijos, elektros, elektronikos, celiuliozės ir popieriaus bei farmacijos pramonėje, naudojamas sprogmenų, lakų ir dažų gamyboje, taip pat medicinoje. Pramoninės nuotekos ir atmosferos teršalai, kartu su gyvsidabrio kasyklomis, gyvsidabrio gamybos įmonėmis ir šiluminėmis elektrinėmis (CHP ir katilinėmis), naudojančiomis anglį, naftą ir naftos produktus, yra pagrindiniai biosferos taršos šaltiniai šiuo toksišku komponentu. Be to, gyvsidabris yra dalis organinių gyvsidabrio pesticidų, naudojamų žemės ūkyje sėkloms apdoroti ir pasėliams apsaugoti nuo kenkėjų. Į žmogaus organizmą patenka su maistu (kiaušiniais, raugintais grūdais, gyvulių ir paukščių mėsa, pienu, žuvimi).

Gyvsidabris vandenyje ir upių nuosėdose

Nustatyta, kad apie 80 % gyvsidabrio, patenkančio į natūralius vandens telkinius, yra ištirpusio pavidalo, o tai galiausiai prisideda prie jo pasiskirstymo dideliais atstumais kartu su vandens srautais. Grynas elementas yra netoksiškas.

Gyvsidabris dažnai randamas dugno dumblo vandenyje santykinai nekenksmingomis koncentracijomis. Detrituose ir nuosėdose, ežerų ir upių dugno dumble, žuvų kūnus dengiančiose gleivėse neorganiniai gyvsidabrio junginiai paverčiami toksiškais organiniais gyvsidabrio junginiais, tokiais kaip metilo gyvsidabris CH?Hg ir etilo gyvsidabris C?H?Hg. o žuvų skrandžio gleivėse. Šie junginiai yra lengvai tirpūs, judrūs ir labai nuodingi. Cheminis agresyvaus gyvsidabrio veikimo pagrindas yra jo afinitetas su siera, ypač su vandenilio sulfido grupe baltymuose. Šios molekulės jungiasi prie chromosomų ir smegenų ląstelių. Žuvys ir vėžiagyviai gali sukaupti jų koncentraciją, kuri yra pavojinga juos valgantiems žmonėms ir sukelti Minamatos ligą.

Metalinis gyvsidabris ir jo neorganiniai junginiai daugiausia veikia kepenis, inkstus ir žarnyno traktą, tačiau normaliomis sąlygomis jie gana greitai pasišalina iš organizmo ir žmogaus organizmui pavojingas kiekis nespėja susikaupti. Metilgyvsidabris ir kiti alkilgyvsidabrio junginiai yra daug pavojingesni, nes vyksta kaupimasis – toksinas greičiau patenka į organizmą nei pasišalina iš organizmo, paveikdamas centrinę nervų sistemą.

Dugno nuosėdos yra svarbi vandens ekosistemų savybė. Dugno nuosėdos, kaupdamos sunkiuosius metalus, radionuklidus ir labai toksiškas organines medžiagas, viena vertus, prisideda prie vandens aplinkos savaiminio apsivalymo, kita vertus, yra nuolatinis antrinės vandens telkinių taršos šaltinis. Dugno nuosėdos yra perspektyvus analizės objektas, atspindintis ilgalaikį taršos modelį (ypač mažo debito vandens telkiniuose). Be to, neorganinio gyvsidabrio kaupimasis dugno nuosėdose stebimas ypač upių žiotyse. Įtempta situacija gali susidaryti išnaudojus nuosėdų (dumblo, nuosėdų) adsorbcijos gebėjimus. Pasiekus adsorbcijos pajėgumą, sunkieji metalai, įskaitant. gyvsidabris pradės patekti į vandenį.

Yra žinoma, kad jūrinėmis anaerobinėmis sąlygomis negyvų dumblių nuosėdose gyvsidabris prijungia vandenilį ir virsta lakiaisiais junginiais.

Dalyvaujant mikroorganizmams, metalinis gyvsidabris gali būti metilinamas dviem etapais:

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

Metilgyvsidabris aplinkoje atsiranda beveik vien tik metilinant neorganinį gyvsidabrį.

Biologinis gyvsidabrio pusinės eliminacijos laikas yra ilgas, daugumos žmogaus kūno audinių jis yra 70-80 dienų.

Yra žinoma, kad didelės žuvys, tokios kaip durklažuvės ir tunai, maisto grandinės pradžioje yra užterštos gyvsidabriu. Ne veltui tenka pastebėti, kad austrėse gyvsidabris kaupiasi (kaupiasi) dar labiau nei žuvyse.

Gyvsidabris patenka į žmogaus organizmą per kvėpavimą, maistą ir per odą pagal šią schemą:

Pirma, gyvsidabris virsta. Šis elementas natūraliai randamas keliomis formomis.

Metalinis gyvsidabris, naudojamas termometruose, ir jo neorganinės druskos (pavyzdžiui, chloridas) gana greitai pasišalina iš organizmo.

Daug toksiškesni yra alkilo gyvsidabrio junginiai, ypač metilo ir etilo gyvsidabris. Šie junginiai iš organizmo pasišalina labai lėtai – tik apie 1% viso per dieną kiekio. Nors dauguma gyvsidabrio, patenkančio į natūralius vandenis, yra neorganinių junginių pavidalu, žuvyse jis visada pasirodo labai nuodingo metilo gyvsidabrio pavidalu. Bakterijos ežerų ir upių dugne, žuvų kūnus dengiančiose gleivėse, taip pat žuvų skrandžių gleivėse neorganinius gyvsidabrio junginius gali paversti metilo gyvsidabriu.

Antra, selektyvus kaupimasis arba biologinis kaupimasis (koncentracija) padidina gyvsidabrio kiekį žuvyse ir vėžiagyviuose iki daug kartų didesnio nei įlankos vandenyse. Upėje gyvenančios žuvys ir vėžiagyviai kaupia metilo gyvsidabrį iki tokios koncentracijos, kuri pavojinga jį maistui vartojantiems žmonėms.

% pasaulyje sugautų žuvų gyvsidabrio yra ne daugiau kaip 0,5 mg/kg, o 95 % – mažiau nei 0,3 mg/kg. Beveik visas žuvyje esantis gyvsidabris yra metilo gyvsidabrio pavidalu.

Atsižvelgiant į skirtingą maisto produktuose esančių gyvsidabrio junginių toksiškumą žmogui, būtina nustatyti neorganinį (bendrąjį) ir organiškai surištą gyvsidabrį. Mes nustatome tik bendrą gyvsidabrio kiekį. Pagal medicininius ir biologinius reikalavimus gyvsidabrio kiekis gėlavandenėse plėšriose žuvyse leidžiamas 0,6 mg/kg, jūros žuvyse - 0,4 mg/kg, gėlavandenėse neplėšriose žuvyse tik 0,3 mg/kg, o tunuose iki 0,7 mg. /kg kg. Produktuose Kūdikių maistas gyvsidabrio kiekis mėsos konservuose neturi viršyti 0,02 mg/kg, žuvies konservuose – 0,15 mg/kg, likusiuose – 0,01 mg/kg.

Švino yra beveik visuose natūralios aplinkos komponentuose. Žemės plutoje yra 0,0016 proc. Natūralus švino lygis atmosferoje yra 0,0005 mg/m3. Didžioji jo dalis nusėda su dulkėmis, apie 40 % iškrenta su krituliais. Augalai švino gauna iš dirvožemio, vandens ir atmosferos nuosėdų, o gyvūnai gauna šviną iš augalų ir vandens. Metalas į žmogaus organizmą patenka kartu su maistu, vandeniu ir dulkėmis.

Pagrindinis švino taršos šaltinis biosferoje yra benzininiai varikliai, kurio išmetamosiose dujose yra trietilo švino, šiluminės elektrinės, deginančios anglį, kasybos, metalurgijos ir chemijos pramonė. Didelis švino kiekis patenka į dirvą kartu su nuotekomis, kurios naudojamos kaip trąšos. Degančiam Černobylio atominės elektrinės reaktoriui gesinti taip pat buvo panaudotas švinas, kuris pateko į oro baseiną ir buvo pasklidęs didžiuliuose plotuose. Didėjant aplinkos taršai švinu, jo nusėdimas kauluose, plaukuose ir kepenyse didėja.

Chromas. Pavojingiausias yra toksinis chromas (6+), kuris mobilizuojasi rūgščioje ir šarminėje dirvoje, gėluose ir jūros vandenyse. IN jūros vandens chromo 10 - 20% sudaro Cr (3+) forma, 25 - 40% - Cr (6+), 45 - 65% - organinė forma. PH intervale 5 - 7 vyrauja Cr (3+), o esant > 7 - Cr (6+). Yra žinoma, kad Cr(6+) ir organiniai chromo junginiai nenusėda su geležies hidroksidu jūros vandenyje.

Natūralūs medžiagų ciklai praktiškai uždari. Natūraliose ekosistemose medžiaga ir energija naudojami taupiai, o kai kurių organizmų atliekos yra svarbi sąlyga kitų egzistavimui. Antropogeninį medžiagų ciklą lydi didžiulis gamtos išteklių vartojimas ir didelis atliekų kiekis, sukeliantis aplinkos taršą. Net ir pažangiausių valymo įrenginių sukūrimas problemos neišsprendžia, todėl būtina plėtoti mažai ir beatliekes technologijas, kurios antropogeninį ciklą paverstų kuo uždaresniu. Teoriškai įmanoma sukurti technologiją be atliekų, tačiau mažai atliekų technologijos yra realios.

Prisitaikymas prie gamtos reiškinių

Prisitaikymai – tai įvairūs prisitaikymai prie aplinkos, išsivystę organizmuose (nuo paprasčiausio iki aukščiausio) evoliucijos procese. Gebėjimas prisitaikyti yra viena iš pagrindinių gyvybės savybių, užtikrinančių jų egzistavimo galimybę.

Pagrindiniai veiksniai, skatinantys adaptacijos procesą, yra: paveldimumas, kintamumas, natūrali (ir dirbtinė) atranka.

Tolerancija gali pasikeisti, jei organizmą veikia skirtingos išorinės sąlygos. Atsidūręs tokiose sąlygose, po kurio laiko pripranta, prie jų prisitaiko (iš lot. adaptacijos – prisitaikyti). To pasekmė – fiziologinio optimalumo padėties pasikeitimas.

Organizmų savybė prisitaikyti prie egzistavimo tam tikrame diapazone aplinkos veiksnys vadinamas ekologiniu plastiškumu.

Kuo platesnis aplinkos veiksnių spektras, kuriame tam tikras organizmas gali gyventi, tuo didesnis jo ekologinis plastiškumas. Pagal plastiškumo laipsnį skiriami du organizmų tipai: stenobiontas (stenoeki) ir eurybiontas (euryekas). Taigi stenobiontai yra ekologiškai neplastiški (pavyzdžiui, plekšnės gyvena tik sūriame vandenyje, o karosai – tik gėlame), t.y. nėra atsparūs, o eurybiontai yra ekologiškai plastiški, t.y. ištvermingesnis (pavyzdžiui, trijų dyglių lazdelės gali gyventi ir gėlame, ir sūriame vandenyje).

Prisitaikymai yra daugiamačiai, nes organizmas vienu metu turi atitikti daugybę skirtingų aplinkos veiksnių.

Yra trys pagrindiniai organizmų prisitaikymo prie aplinkos sąlygų būdai: aktyvus; pasyvus; neigiamo poveikio išvengimas.

Aktyvus adaptacijos kelias – atsparumo stiprinimas, reguliacinių procesų vystymas, leidžiantis vykdyti visas gyvybines organizmo funkcijas, nepaisant faktoriaus nukrypimų nuo optimalaus. Pavyzdžiui, šiltakraujai gyvūnai palaiko pastovią kūno temperatūrą – optimalią jame vykstantiems biocheminiams procesams.

Pasyvus prisitaikymo kelias – tai organizmų gyvybinių funkcijų pajungimas aplinkos veiksnių pokyčiams. Pavyzdžiui, esant nepalankioms aplinkos sąlygoms, daugelis organizmų pereina į sustabdytos animacijos būseną ( paslėptas gyvenimas), kurioje medžiagų apykaita organizme praktiškai sustoja (žiemos ramybės būsena, vabzdžių siautėjimas, žiemos miegas, sporų išsaugojimas dirvožemyje sporų ir sėklų pavidalu).

Nepageidaujamo poveikio vengimas – adaptacijų, organizmų elgsenos (adaptacija) vystymasis, padedantis išvengti nepalankių sąlygų. Šiuo atveju adaptacijos gali būti: morfologinės (kinta kūno sandara: kaktuso lapų modifikacija), fiziologinės (kupranugariai aprūpina save drėgme dėl riebalų atsargų oksidacijos), etologinės (elgesio pokyčiai: sezoninės migracijos). paukščių, žiemos miegas).

Gyvi organizmai yra gerai prisitaikę prie periodinių veiksnių. Neperiodiniai veiksniai gali sukelti ligas ir net kūno mirtį (pavyzdžiui, vaistai, pesticidai). Tačiau ilgai veikiant juos, taip pat gali įvykti prisitaikymas prie jų.

Organizmai, prisitaikę prie paros, sezoninių, potvynių, atoslūgių, saulės aktyvumo ritmų, mėnulio fazių ir kitų griežtai periodiškų reiškinių. Taigi sezoninė adaptacija išskiriama kaip sezoniškumas gamtoje ir žiemos ramybės būsena.

Sezoniškumas gamtoje. Pagrindinė augalų ir gyvūnų reikšmė prisitaikant prie organizmų yra metinis temperatūros svyravimas. Palankus gyvybei laikotarpis, vidutiniškai mūsų šaliai, trunka apie šešis mėnesius (pavasarį, vasarą). Dar prieš ateinant stabiliems šalčiams gamtoje prasideda žiemos ramybės laikotarpis.

Žiemos ramybės būsena. Žiemos ramybė nėra tiesiog vystymosi sustojimas dėl žemos temperatūros, bet sudėtinga fiziologinė adaptacija, kuri vyksta tik tam tikrame vystymosi etape. Pavyzdžiui, maliarinis uodas ir drugelis dilgėlinė žiemoja suaugusio vabzdžio stadijoje, kopūstinė kandis – lėliukės, čigoninė – kiaušinėlio stadijoje.

Bioritmai. Kiekvienai rūšiai evoliucijos procese susiformavo būdingas metinis intensyvaus augimo ir vystymosi, dauginimosi, pasiruošimo žiemai ir žiemojimo ciklas. Šis reiškinys vadinamas biologiniu ritmu. Kiekvieno gyvavimo ciklo laikotarpio sutapimas su atitinkamu metų laiku yra labai svarbus rūšies egzistavimui.

Pagrindinis daugelio augalų ir gyvūnų sezoninių ciklų reguliavimo veiksnys yra dienos trukmės pokytis.

Bioritmai yra:

egzogeniniai (išoriniai) ritmai (kyla kaip reakcija į periodinius aplinkos pokyčius (dienos ir nakties kaita, metų laikai, saulės aktyvumas), endogeniniai (vidiniai ritmai) generuojami paties organizmo.

Savo ruožtu endogeniniai skirstomi į:

Fiziologiniai ritmai (širdies plakimas, kvėpavimas, endokrininių liaukų darbas, DNR, RNR, baltymų sintezė, fermentų darbas, ląstelių dalijimasis ir kt.)

Ekologiniai ritmai (dienos, metinio, potvynio, mėnulio ir kt.)

DNR, RNR, baltymų sintezės, ląstelių dalijimosi, širdies plakimo, kvėpavimo ir kt. procesai turi ritmą. Išorinis poveikis gali pakeisti šių ritmų fazes ir pakeisti jų amplitudę.

Fiziologiniai ritmai skiriasi priklausomai nuo organizmo būklės, aplinkos ritmai yra stabilesni ir atitinka išorinius ritmus. Turėdamas endogeninius ritmus, kūnas gali orientuotis laiku ir iš anksto pasiruošti būsimiems aplinkos pokyčiams – tai yra biologinis organizmo laikrodis. Daugeliui gyvų organizmų būdingi cirkadiniai ir cirkaniniai ritmai.

Cirkadiniai ritmai (cirkadiniai) - pasikartojantis biologinių procesų ir reiškinių intensyvumas ir pobūdis, trunkantis nuo 20 iki 28 valandų. Cirkadiniai ritmai yra susiję su gyvūnų ir augalų veikla dienos metu ir, kaip taisyklė, priklauso nuo temperatūros ir šviesos intensyvumo. Pavyzdžiui, šikšnosparniai skraido prieblandoje ir ilsisi dieną, daugelis planktoninių organizmų naktį būna šalia vandens paviršiaus, o dieną leidžiasi į gelmę.

Sezoniniai biologiniai ritmai siejami su šviesos įtaka – fotoperiodu. Organizmų reakcija į dienos ilgį vadinamas fotoperiodizmu. Fotoperiodizmas yra bendra, svarbi adaptacija, reguliuojanti sezoninius reiškinius įvairiuose organizmuose. Augalų ir gyvūnų fotoperiodizmo tyrimas parodė, kad organizmų reakcija į šviesą pagrįsta tam tikros trukmės šviesos ir tamsos periodų kaitaliojimu per dieną. Organizmų (nuo vienaląsčių iki žmonių) reakcija į dienos ir nakties ilgį rodo, kad jie geba matuoti laiką, t.y. Jie turi kažkokį biologinį laikrodį. Biologiniai laikrodžiai, be sezoninių ciklų, kontroliuoja ir daugelį kitų biologinių reiškinių bei nustato teisingą ištisų organizmų veiklos ir procesų, vykstančių net ląstelių lygmeniu, ypač ląstelių dalijimosi, dienos ritmą.

Universali visų gyvų būtybių, nuo virusų ir mikroorganizmų iki aukštesnių augalų ir gyvūnų savybė, yra gebėjimas sukelti mutacijas – staigius, natūralius ir dirbtinai sukeltus, paveldėtus genetinės medžiagos pokyčius, lemiančius tam tikrų organizmo savybių pokyčius. Mutacijų kintamumas neatitinka aplinkos sąlygų ir, kaip taisyklė, sutrikdo esamas adaptacijas.

Daugelis vabzdžių patenka į diapauzę (ilgą vystymosi sustojimą) tam tikru vystymosi etapu, kurio nereikėtų painioti su ramybės būsena nepalankiomis sąlygomis. Daugelio jūrų gyvūnų dauginimuisi įtakos turi mėnulio ritmai.

Cirkaniniai (metiniai) ritmai yra pasikartojantys biologinių procesų ir reiškinių intensyvumo ir pobūdžio pokyčiai, trunkantys nuo 10 iki 13 mėnesių.

Fizinė ir psichologinė žmogaus būsena taip pat turi ritmingą charakterį.

Sutrikęs darbo ir poilsio ritmas mažina darbingumą ir neigiamai veikia žmogaus sveikatą. Žmogaus būklė ekstremaliomis sąlygomis priklausys nuo jo pasirengimo šioms sąlygoms laipsnio, nes praktiškai nėra laiko prisitaikyti ir atsigauti.

Visos planetoje esančios medžiagos yra cirkuliacijos procese. Saulės energija Žemėje sukelia du medžiagų ciklus: didelis (geologinis, biosferinis) Ir mažas (biologinis).

Didelis medžiagų ciklas biosferoje pasižymi dviem svarbiais punktais: jis vyksta per visą geologinį Žemės vystymąsi ir yra modernus planetinis procesas, kuris vaidina pagrindinį vaidmenį tolimesnėje biosferos raidoje.

Geologinis ciklas yra susijęs su uolienų susidarymu ir sunaikinimu bei vėlesniu naikinimo produktų – klastinių medžiagų ir cheminių elementų – judėjimu. Žemės ir vandens paviršiaus šiluminės savybės vaidino ir tebevaidina reikšmingą vaidmenį šiuose procesuose: saulės spindulių sugertis ir atspindėjimas, šilumos laidumas ir šiluminė talpa. Nestabilus Žemės paviršiaus hidroterminis režimas kartu su planetinės atmosferos cirkuliacijos sistema lėmė geologinę medžiagų cirkuliaciją, kuri pradiniame Žemės vystymosi etape kartu su endogeniniais procesais buvo susijusi su žemynų, vandenynų ir šiuolaikinių geosferos. Susidarius biosferai, organizmų atliekos buvo įtrauktos į didelį ciklą. Geologinis ciklas aprūpina gyvus organizmus maistinėmis medžiagomis ir iš esmės lemia jų egzistavimo sąlygas.

Pagrindiniai cheminiai elementai litosfera: deguonis, silicis, aliuminis, geležis, magnis, natris, kalis ir kiti – dalyvauja dideliame cikle, pereinant iš gilių viršutinės mantijos dalių į litosferos paviršių. Magminė uoliena, susidariusi kristalizacijos būdu

magma, patekusi į litosferos paviršių iš Žemės gelmių, biosferoje patiria irimą bei oro sąlygas. Atmosferos poveikio produktai patenka į judrią būseną, vandens ir vėjo nunešami į žemas reljefo vietas, patenka į upes, vandenyną ir sudaro storus nuosėdinių uolienų sluoksnius, kurie laikui bėgant, pasinerdami į gylį vietovėse, kuriose yra padidėjusi temperatūra ir slėgis, patiria metamorfozę. , t.y. „perlydyti“. Šio tirpimo metu atsiranda nauja metamorfinė uoliena, kuri patenka į viršutinius žemės plutos horizontus ir vėl patenka į medžiagų ciklą. (32 pav.).

Ryžiai. 32. Geologinis (didysis) medžiagų ciklas

Lengvai judančios medžiagos – dujos ir natūralūs vandenys, sudarantys planetos atmosferą ir hidrosferą – patiria intensyviausią ir sparčiausią cirkuliaciją. Litosferos medžiaga cirkuliuoja daug lėčiau. Apskritai kiekvienas bet kurio cheminio elemento ciklas yra bendro didelio Žemėje esančių medžiagų ciklo dalis ir visi jie yra glaudžiai tarpusavyje susiję. Gyvoji biosferos medžiaga šiame cikle atlieka didžiulį darbą perskirstydama cheminius elementus, kurie nuolat cirkuliuoja biosferoje, pereidami iš išorinės aplinkos į organizmus ir vėl į išorinę aplinką.

Mažas arba biologinis medžiagų ciklas- Tai

medžiagų apykaita tarp augalų, gyvūnų, grybų, mikroorganizmų ir dirvožemio. Biologinio ciklo esmė slypi dviejų priešingų, bet tarpusavyje susijusių procesų – organinių medžiagų susidarymo ir jų naikinimo – atsiradime. Pradinį organinių medžiagų atsiradimo etapą lemia žaliųjų augalų fotosintezė, t.y. gyvosios medžiagos susidarymas iš anglies dioksido, vandens ir paprastų mineralinių junginių naudojant saulės energiją. Augalai (gamintojai) iš dirvožemio tirpale išgauna sieros, fosforo, kalcio, kalio, magnio, mangano, silicio, aliuminio, cinko, vario ir kitų elementų molekules. Žolėdžiai gyvūnai (pirmosios eilės vartotojai) šių elementų junginius pasisavina augalinės kilmės maisto pavidalu. Plėšrūnai (II eilės vartotojai) minta žolėdžiais gyvūnais, vartodami sudėtingesnės sudėties maistą, įskaitant baltymus, riebalus, aminorūgštis ir kitas medžiagas. Mikroorganizmams (skaidytojams) sunaikinant negyvų augalų ir gyvūnų liekanų organines medžiagas, į dirvą ir vandens aplinką patenka paprasti mineraliniai junginiai, kuriuos augalai gali pasisavinti, ir prasideda kitas biologinio ciklo etapas. (33 pav.).

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 didžiulį transformuojantį geologinį gyvosios medžiagos vaidmenį. Organinės evoliucijos metu gyvi organizmai tūkstantį kartų praėjo per save, per savo organus, audinius, ląsteles, kraują, visą atmosferą, visą Pasaulio vandenyno tūrį, didžiąją dalį dirvožemio masės ir didžiulę mineralų masę. skirtingi ciklai nuo 103 iki 105 kartų). 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 praleisdami didelius oro ir natūralių tirpalų kiekius, gyvi organizmai vykdo biogeninę migraciją (cheminių medžiagų judėjimą) ir cheminių elementų bei jų junginių koncentraciją. 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. įvyko ankstyvieji biologinės evoliucijos etapai vandens aplinka. 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 pirminėje gamyboje. 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, gyvoji medžiaga 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 iš aplinkos išgauna gyvybei reikalingas medžiagas 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 maisto grandinės grandimis, apie kurias mes išsamiau kalbėjome 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, taip tapdami 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 žemės plutoje beveik nesudaro junginių.

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. Jie dalyvauja cheminėse reakcijose, tačiau jų junginiai retai randami žemės plutoje. 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 visų baltymų dalis. Bendras fiksuoto azoto, kaip organines medžiagas sudarančio elemento, ir azoto santykis gamtoje yra 1:100 000. 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, sintetina 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 buvo sutrikdyta biologinio ciklo pusiausvyra, kai dėl tam tikrų gamtos sąlygų ir nelaimių ne visi biologiniai produktai buvo asimiliuojami ir transformuojami. 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.

Išskirtinis rusų mokslininkas akademikas V.I. Vernadskis.

Biosfera- sudėtingas išorinis Žemės apvalkalas, kuriame yra visa gyvų organizmų visuma ir ta planetos medžiagos dalis, kuri nuolat keičiasi su šiais organizmais. Tai viena svarbiausių Žemės geosferų, kuri yra pagrindinė žmogų supančios gamtinės aplinkos sudedamoji dalis.

Žemė sudaryta iš koncentrinių kriauklės(geosferos) tiek vidinės, tiek išorinės. Vidiniai apima šerdį ir mantiją, o išorines: litosfera - uolinis Žemės apvalkalas, įskaitant žemės plutą (1 pav.), kurio storis nuo 6 km (po vandenynu) iki 80 km (kalnų sistemos); hidrosfera -Žemės vandens apvalkalas; atmosfera- dujinis Žemės apvalkalas, susidedantis iš įvairių dujų, vandens garų ir dulkių mišinio.

10–50 km aukštyje yra ozono sluoksnis, kurio didžiausia koncentracija yra 20–25 km aukštyje, saugantis Žemę nuo per didelės ultravioletinės spinduliuotės, kuri yra mirtina organizmui. Čia (išorinėms geosferoms) priklauso ir biosfera.

Biosfera - išorinis Žemės apvalkalas, apimantis dalį atmosferos iki 25-30 km aukščio (iki ozono sluoksnio), beveik visą hidrosferą ir viršutinę litosferos dalį iki maždaug 3 km gylio

Ryžiai. 1. Žemės plutos sandaros schema

(2 pav.). Šių dalių ypatumas yra tas, kad jose gyvena gyvi organizmai, sudarantys gyvąją planetos medžiagą. Sąveika abiotinė biosferos dalis- oras, vanduo, uolienos ir organinės medžiagos - biotas sukėlė dirvožemių ir nuosėdinių uolienų susidarymą.

Ryžiai. 2. Biosferos sandara ir paviršių, kuriuos užima pagrindiniai struktūriniai vienetai, santykis

Medžiagų ciklas biosferoje ir ekosistemose

Viskas prieinama gyviems organizmams cheminiai junginiai ribotas biosferoje. Asimiliacijai tinkamų cheminių medžiagų išeikvojimas dažnai stabdo tam tikrų organizmų grupių vystymąsi vietinėse sausumos ar vandenyno vietose. Anot akademiko V.R. Williamso, vienintelis būdas suteikti baigtines begalybės savybes yra priversti jį suktis išilgai uždaros kreivės. Vadinasi, dėl medžiagų ir energijos srautų ciklo išlaikomas biosferos stabilumas. Yra du pagrindiniai medžiagų ciklai: didelis – geologinis ir mažas – biogeocheminis.

Didysis geologinis ciklas(3 pav.). Kristalinės uolienos (magminės) veikiamos fizinių, cheminių ir biologinių veiksnių virsta nuosėdinėmis uolienomis. Smėlis ir molis yra tipiškos nuosėdos, gilių uolienų virsmo produktai. Tačiau nuosėdų susidarymas vyksta ne tik dėl esamų uolienų naikinimo, bet ir dėl biogeninių mineralų – mikroorganizmų griaučių – sintezės iš gamtos išteklių – vandenyno, jūrų ir ežerų vandenų. Laisvos vandeningos nuosėdos, izoliuotos rezervuarų dugne su naujomis nuosėdinės medžiagos dalimis, panardintos į gylį ir veikiamos naujų termodinaminių sąlygų (aukštesnės temperatūros ir slėgio), praranda vandenį, sukietėja ir virsta nuosėdinėmis uolienomis.

Vėliau šios uolienos grimzta į dar gilesnius horizontus, kur vyksta giluminio jų virsmo naujomis temperatūros ir slėgio sąlygomis procesai – vyksta metamorfizmo procesai.

Endogeninių energijos srautų įtakoje gilios uolienos ištirpsta, susidaro magma – naujų magminių uolienų šaltinis. Po to, kai šios uolienos iškyla į Žemės paviršių, veikiamos oro sąlygų ir transportavimo procesų, jos vėl virsta naujomis nuosėdinėmis uolienomis.

Taigi didįjį ciklą sukelia saulės (egzogeninės) energijos sąveika su gilia (endogenine) Žemės energija. Jis perskirsto medžiagas tarp biosferos ir gilesnių mūsų planetos horizontų.

Ryžiai. 3. Didelis (geologinis) medžiagų ciklas (plonos rodyklės) ir įvairovės pokyčiai žemės plutoje (ištisos plačios rodyklės – augimas, lūžusios rodyklės – įvairovės mažėjimas)

Prie Didžiojo Žiro Taip pat vadinamas vandens ciklas tarp hidrosferos, atmosferos ir litosferos, kurį varo Saulės energija. Vanduo išgaruoja nuo rezervuarų ir žemės paviršiaus, o po to grįžta į Žemę kritulių pavidalu. Virš vandenyno garavimas viršija kritulių kiekį, o sausumoje – priešingai. Šiuos skirtumus kompensuoja upių srautai. Žemės augmenija vaidina svarbų vaidmenį pasauliniame vandens cikle. Augalų transpiracija tam tikrose žemės paviršiaus vietose gali sudaryti iki 80-90% čia iškrintančių kritulių, o vidutiniškai visose klimato zonose - apie 30%. Skirtingai nuo didelio ciklo, mažas medžiagų ciklas vyksta tik biosferoje. Ryšys tarp didelių ir mažų vandens ciklų parodytas Fig. 4.

Planetinio masto ciklai sukuriami iš daugybės lokalių ciklinių atomų judėjimų, kuriuos lemia gyvybinė organizmų veikla atskirose ekosistemose, ir judėjimų, kuriuos sukelia kraštovaizdžio ir geologinės priežastys (paviršinis ir požeminis nuotėkis, vėjo erozija, jūros dugno judėjimas, vulkanizmas, kalnų statyba). ir tt).

Ryžiai. 4. Didelio vandens geologinio ciklo (GGC) ir mažojo vandens biogeocheminio ciklo (SBC) ryšys

Skirtingai nuo energijos, kurią organizmas vieną kartą panaudojo, virsta šiluma ir prarandama, biosferoje cirkuliuoja medžiagos, sukurdamos biogeocheminius ciklus. Iš daugiau nei devyniasdešimties gamtoje aptinkamų elementų gyviems organizmams reikia maždaug keturiasdešimties. Dideliais kiekiais reikia pačių svarbiausių – anglies, vandenilio, deguonies, azoto. Elementų ir medžiagų ciklai vyksta dėl savireguliacinių procesų, kuriuose dalyvauja visi komponentai. Šie procesai atliekami be atliekų. Egzistuoja visuotinio biogeocheminio ciklo biosferoje uždarymo dėsnis, veikiantis visuose savo vystymosi etapuose. Biosferos evoliucijos procese didėja biologinio komponento vaidmuo uždarant biogeocheminius procesus.
kam ciklas. Žmogus turi dar didesnę įtaką biogeocheminiam ciklui. Tačiau jo vaidmuo pasireiškia priešinga kryptimi (žirai tampa atviri). Biogeocheminio medžiagų ciklo pagrindas – Saulės energija ir žaliųjų augalų chlorofilas. Kiti svarbiausi ciklai – vanduo, anglis, azotas, fosforas ir siera – yra susiję su biogeocheminiu ciklu ir prisideda prie jo.

Vandens ciklas biosferoje

Augalai fotosintezės metu naudoja vandenilį vandenyje, kad sukurtų organinius junginius, išskirdami molekulinį deguonį. Visų gyvų būtybių kvėpavimo procesuose, oksiduojantis organiniams junginiams, vėl susidaro vanduo. Gyvybės istorijoje visas laisvas vanduo hidrosferoje ne kartą išgyveno skilimo ciklus ir naujo formavimosi gyvojoje planetos medžiagoje. Kasmet Žemėje vandens cikle dalyvauja apie 500 000 km 3 vandens. Vandens ciklas ir jo atsargos parodytos fig. 5 (santykinėmis reikšmėmis).

Deguonies ciklas biosferoje

Žemė už savo unikalią atmosferą, kurioje yra daug laisvo deguonies, yra fotosintezės procese. Ozono susidarymas aukštuose atmosferos sluoksniuose yra glaudžiai susijęs su deguonies ciklu. Deguonis išsiskiria iš vandens molekulių ir iš esmės yra augalų fotosintezės veiklos šalutinis produktas. Abiotiškai deguonis atsiranda viršutiniuose atmosferos sluoksniuose dėl vandens garų fotodisociacijos, tačiau šis šaltinis sudaro tik tūkstantąsias procentų tiekiamas fotosintezės būdu. Tarp deguonies kiekio atmosferoje ir hidrosferoje yra skysčio pusiausvyra. Vandenyje jis yra maždaug 21 kartą mažesnis.

Ryžiai. 6. Deguonies ciklo diagrama: paryškintos rodyklės – pagrindiniai deguonies tiekimo ir suvartojimo srautai

Išsiskyręs deguonis intensyviai suvartojamas visų aerobinių organizmų kvėpavimo procesuose bei įvairių mineralinių junginių oksidacijoje. Šie procesai vyksta atmosferoje, dirvožemyje, vandenyje, dumble ir uolienose. Įrodyta, kad nemaža dalis nuosėdinėse uolienose surišto deguonies yra fotosintezės kilmės. Mainų fondas O atmosferoje sudaro ne daugiau kaip 5% visos fotosintezės produkcijos. Daugelis anaerobinių bakterijų taip pat oksiduoja organines medžiagas per anaerobinį kvėpavimą, naudodamos sulfatus arba nitratus.

Visiškam augalų sukurtam organinių medžiagų skaidymui reikalingas lygiai toks pat deguonies kiekis, kuris išsiskyrė fotosintezės metu. Organinių medžiagų laidojimas nuosėdinėse uolienose, anglies ir durpėse buvo pagrindas palaikyti deguonies mainų fondą atmosferoje. Visas jame esantis deguonis praeina pilnas ciklas per gyvus organizmus apie 2000 metų.

Šiuo metu didelė atmosferos deguonies dalis yra susieta dėl transporto, pramonės ir kitų antropogeninės veiklos formų. Yra žinoma, kad žmonija jau išleidžia daugiau nei 10 milijardų tonų laisvo deguonies iš viso 430–470 milijardų tonų, tiekiamo fotosintezės procesais. Jei atsižvelgsime į tai, kad tik nedidelė dalis fotosintetinio deguonies patenka į mainų fondą, žmogaus veikla šiuo atžvilgiu pradeda įgauti nerimą keliančius dydžius.

Deguonies ciklas yra glaudžiai susijęs su anglies ciklu.

Anglies ciklas biosferoje

Anglis kaip cheminis elementas yra gyvybės pagrindas. Jis gali Skirtingi keliai jungiasi su daugeliu kitų elementų, kad susidarytų paprastos ir sudėtingos organinės molekulės, sudarančios gyvas ląsteles. Pagal pasiskirstymą planetoje anglis užima vienuoliktą vietą (0,35 % žemės plutos masės), tačiau gyvojoje medžiagoje ji vidutiniškai sudaro apie 18 arba 45 % sausos biomasės.

Atmosferoje anglis yra anglies dioksido CO 2 ir mažesniu mastu metano CH 4 dalis. Hidrosferoje CO 2 yra ištirpęs vandenyje, o bendras jo kiekis yra daug didesnis nei atmosferos. Vandenynas tarnauja kaip galingas buferis CO 2 reguliavimui atmosferoje: didėjant jo koncentracijai ore, didėja anglies dioksido absorbcija vandenyje. Kai kurios CO 2 molekulės reaguoja su vandeniu, sudarydamos anglies rūgštį, kuri vėliau disocijuoja į HCO 3 - ir CO 2- 3 jonus. Šie jonai reaguoja su kalcio arba magnio katijonais, kad nusodintų karbonatus. Panašios reakcijos vyksta vandenyno buferinės sistemos pagrindu, išlaikant pastovus vandens pH.

Anglies dioksidas atmosferoje ir hidrosferoje yra anglies ciklo mainų fondas, iš kurio jį paima sausumos augalai ir dumbliai. Fotosintezė yra visų biologinių ciklų Žemėje pagrindas. Fiksuotos anglies išskyrimas vyksta pačių fotosintetinių organizmų ir visų heterotrofų – bakterijų, grybų, gyvūnų, kurie patenka į mitybos grandinę dėl gyvų ar negyvų organinių medžiagų, kvėpavimo veiklos metu.

Ryžiai. 7. Anglies ciklas

Ypač aktyvus yra CO2 grąžinimas į atmosferą iš dirvožemio, kur koncentruojasi daugybės organizmų grupių veikla, skaidomos negyvų augalų ir gyvūnų liekanos, vyksta augalų šaknų sistemų kvėpavimas. Šis vientisas procesas vadinamas „dirvožemio kvėpavimu“ ir labai prisideda prie CO2 mainų fondo papildymo ore. Lygiagrečiai su organinių medžiagų mineralizacijos procesais dirvožemiuose susidaro humusas – sudėtingas ir stabilus molekulinis kompleksas, kuriame gausu anglies. Dirvožemio humusas yra vienas iš svarbiausių anglies rezervuarų sausumoje.

Sąlygomis, kai destruktorių veiklą slopina aplinkos veiksniai (pavyzdžiui, kai dirvožemyje ir rezervuarų dugne susidaro anaerobinis režimas), augalijos sukauptos organinės medžiagos nesuyra, laikui bėgant virsta uolienomis, tokiomis kaip anglis ar rudos spalvos. anglis, durpės, sapropelis, naftingieji skalūnai ir kiti, kuriuose gausu sukauptos saulės energijos. Jie papildo anglies atsargų fondą, ilgą laiką atsijungę nuo biologinio ciklo. Anglis taip pat laikinai nusėda į gyvą biomasę, negyvas šiukšles, ištirpusias vandenyno organines medžiagas ir kt. Tačiau pagrindinio anglies atsargų fondo raštu nėra gyvi organizmai ar iškastinis kuras, bet nuosėdinės uolienos – kalkakmeniai ir dolomitai. Jų susidarymas taip pat susijęs su gyvosios medžiagos veikla. Šių karbonatų anglis ilgam palaidota Žemės gelmėse ir į ciklą patenka tik erozijos metu, kai tektoniniais ciklais atsiskleidžia uolienos.

Biogeocheminiame cikle dalyvauja tik procentinės anglies dalys iš viso Žemėje esančio anglies kiekio. Anglis iš atmosferos ir hidrosferos daug kartų praeina per gyvus organizmus. Sausumos augalai savo atsargas ore sugeba išnaudoti per 4–5 metus, dirvos humuso atsargas – per 300–400 metų. Pagrindinis anglies grąžinimas į mainų fondą atsiranda dėl gyvų organizmų veiklos, ir tik nedidelė jos dalis (tūkstančiosios dalys) kompensuojama išleidžiant iš Žemės žarnų kaip vulkaninių dujų dalis.

Šiuo metu didžiulių iškastinio kuro atsargų gavyba ir deginimas tampa galingu veiksniu anglies perkėlimui iš rezervo į biosferos mainų fondą.

Azoto ciklas biosferoje

Atmosferoje ir gyvojoje medžiagoje yra mažiau nei 2% viso Žemėje esančio azoto, tačiau būtent jis palaiko gyvybę planetoje. Azotas yra dalis svarbiausių organinės molekulės- DNR, baltymai, lipoproteinai, ATP, chlorofilas ir kt. Augalų audiniuose jo santykis su anglimi vidutiniškai yra 1:30, o jūros dumblių I: 6. Todėl biologinis azoto ciklas taip pat glaudžiai susijęs su anglimi.

Molekulinis atmosferos azotas yra nepasiekiamas augalams, kurie šį elementą gali absorbuoti tik amonio jonų, nitratų pavidalu arba iš dirvožemio ar vandeninių tirpalų. Todėl azoto trūkumas dažnai yra ribojantis veiksnys. pirminiai produktai- organizmų darbas, susijęs su organinių medžiagų kūrimu iš neorganinių. Nepaisant to, atmosferos azotas plačiai dalyvauja biologiniame cikle dėl specialių bakterijų (azoto fiksatorių) veiklos.

Amonifikuojantys mikroorganizmai taip pat vaidina svarbų vaidmenį azoto cikle. Jie skaido baltymus ir kitas azoto turinčias organines medžiagas į amoniaką. Amonio formoje azotą iš dalies reabsorbuoja augalų šaknys, o dalį sulaiko nitrifikuojantys mikroorganizmai, o tai yra priešinga mikroorganizmų grupės – denitrifikatorių – funkcijoms.

Ryžiai. 8. Azoto ciklas

Dirvožemyje ar vandenyse anaerobinėmis sąlygomis jie naudoja deguonį iš nitratų, kad oksiduotų organines medžiagas, gaudamos energijos savo gyvenimui. Azotas redukuojamas į molekulinį azotą. Azoto fiksavimas ir denitrifikacija yra maždaug subalansuoti. Taigi azoto ciklas pirmiausia priklauso nuo bakterijų veiklos, o augalai į jį integruojasi, naudodami tarpinius šio ciklo produktus ir labai padidindami azoto cirkuliacijos mastą biosferoje gamindami biomasę.

Bakterijų vaidmuo azoto cikle yra toks didelis, kad sunaikinus tik 20 jų rūšių, gyvybė mūsų planetoje nutrūks.

Nebiologinis azoto fiksavimas ir jo oksidų bei amoniako patekimas į dirvą taip pat vyksta su krituliais atmosferos jonizacijos ir žaibo išlydžių metu. Šiuolaikinė trąšų pramonė atmosferos azotą fiksuoja didesniu kiekiu nei natūralaus azoto fiksavimo lygis, kad padidėtų pasėlių derlius.

Šiuo metu žmogaus veikla vis labiau įtakoja azoto ciklą, daugiausia jo pertekliaus į surištas formas kryptimi, o ne grįžimo į molekulinę būseną procesus.

Fosforo ciklas biosferoje

Šis elementas, būtinas daugelio organinių medžiagų, įskaitant ATP, DNR, RNR, sintezei, augalų absorbuojamas tik ortofosforo rūgšties jonų (P0 3 4 +) pavidalu. Jis priklauso elementams, ribojantiems pirminę gamybą tiek sausumoje, tiek ypač vandenyne, nes fosforo mainų fondas dirvožemyje ir vandenyse yra mažas. Šio elemento ciklas biosferos mastu nėra uždaras.

Sausumoje augalai ima iš dirvožemio fosfatus, kuriuos skaidytojai išskiria iš irstančių organinių liekanų. Tačiau šarminėje arba rūgštinėje dirvoje fosforo junginių tirpumas smarkiai sumažėja. Pagrindinis fosfatų rezervo fondas yra uolienose, susidariusiose vandenyno dugne geologinėje praeityje. Uolienų išplovimo metu dalis šių atsargų patenka į dirvožemį ir suspensijų bei tirpalų pavidalu išplaunama į vandens telkinius. Hidrosferoje fosfatus naudoja fitoplanktonas, maisto grandinėmis pereina į kitus hidrobiontus. Tačiau vandenyne dauguma fosforo junginių yra palaidoti kartu su gyvūnų ir augalų liekanomis dugne, o vėliau su nuosėdinėmis uolienomis pereina į didelį geologinį ciklą. Gilumoje ištirpę fosfatai jungiasi su kalciu, sudarydami fosforitus ir apatitus. Tiesą sakant, biosferoje yra vienakryptis fosforo srautas iš žemės uolienų į vandenyno gelmes, todėl jo mainų fondas hidrosferoje yra labai ribotas.

Ryžiai. 9. Fosforo ciklas

Trąšų gamyboje naudojami antžeminiai fosforitų ir apatitų telkiniai. Fosforo patekimas į gėlo vandens telkinius yra viena iš pagrindinių jų „žydėjimo“ priežasčių.

Sieros ciklas biosferoje

Sieros ciklas, būtinas daugelio aminorūgščių susidarymui, yra atsakingas už trimatę baltymų struktūrą ir yra palaikomas biosferoje daugybės bakterijų. Atskirose šio ciklo grandyse dalyvauja aerobiniai mikroorganizmai, oksiduojantys organinių liekanų sierą į sulfatus, taip pat anaerobiniai sulfato reduktoriai, redukuojantys sulfatus iki vandenilio sulfido. Be išvardintų sieros bakterijų grupių, jos oksiduoja sieros vandenilį iki elementinės sieros, o vėliau iki sulfatų. Iš dirvožemio ir vandens augalai sugeria tik SO2-4 jonus.

Centre esantis žiedas iliustruoja oksidacijos (O) ir redukcijos (R) procesą, kurio metu siera keičiasi tarp turimo sulfato telkinio ir geležies sulfido telkinio, esančio giliai dirvožemyje ir nuosėdose.

Ryžiai. 10. Sieros ciklas. Centre esantis žiedas iliustruoja oksidacijos (0) ir redukcijos (R) procesą, per kurį siera keičiasi tarp turimo sulfato telkinio ir geležies sulfidų telkinio, esančio giliai dirvožemyje ir nuosėdose.

Pagrindinis sieros kaupimasis vyksta vandenyne, kur sulfato jonai nuolat teka iš sausumos su upių nuotėkiu. Kai iš vandens išsiskiria sieros vandenilis, siera dalinai grąžinama į atmosferą, kur oksiduojasi į dioksidą, lietaus vandenyje virsdama sieros rūgštimi. Pramoniškai naudojant didelius kiekius sulfatų ir elementinės sieros bei deginant iškastinį kurą į atmosferą išskiriami dideli kiekiai sieros dioksido. Tai kenkia augmenijai, gyvūnams, žmonėms ir yra rūgščių lietaus šaltinis, o tai sustiprina neigiamą žmogaus įsikišimo į sieros ciklą poveikį.

Medžiagų cirkuliacijos greitis

Visi medžiagų ciklai vyksta skirtingu greičiu (11 pav.)

Taigi visų planetos biogeninių elementų ciklus palaiko sudėtinga skirtingų dalių sąveika. Jie susidaro veikiant skirtingų funkcijų organizmų grupėms, nuotėkio ir garavimo sistemai, jungiančiai vandenyną ir sausumą, vandens ir oro masių cirkuliacijos procesams, gravitacijos jėgoms veikiant, litosferos plokščių tektonikai ir kt. -masto geologiniai ir geofiziniai procesai.

Biosfera veikia kaip viena sudėtinga sistema, kurioje vyksta įvairūs medžiagų ciklai. Pagrindinis jų variklis ciklai yra gyvoji planetos medžiaga, visi gyvi organizmai, organinių medžiagų sintezės, transformacijos ir skilimo procesai.

Ryžiai. 11. Medžiagų cirkuliacijos tempai (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Ekologinio pasaulio požiūrio pagrindas yra mintis, kad kiekvieną gyvą būtybę supa daugybė skirtingų jį įtakojančių veiksnių, kurie kartu sudaro jos buveinę – biotopą. Vadinasi, biotopas – teritorijos atkarpa, kuri pagal gyvenimo sąlygas yra vienalytė tam tikroms augalų ar gyvūnų rūšims(daubos šlaitas, miesto miško parkas, mažas ežeras arba didelio ežero dalis, bet su vienalytėmis sąlygomis - pakrantės dalis, giliavandenė dalis).

Susidaro tam tikram biotopui būdingi organizmai gyvybės bendruomenė arba biocenozė(ežerų, pievų, pajūrio juostų gyvūnai, augalai ir mikroorganizmai).

Gyvoji bendruomenė (biocenozė) su savo biotopu sudaro vientisą visumą, kuri vadinama ekologinė sistema (ekosistema). Natūralių ekosistemų pavyzdys – skruzdėlynas, ežeras, tvenkinys, pieva, miškas, miestas, vienkiemis. Klasikinis dirbtinės ekosistemos pavyzdys yra erdvėlaivis. Kaip matote, čia nėra griežtos erdvinės struktūros. Ekosistemos sąvokai artima yra sąvoka biogeocenozė.

Pagrindiniai ekosistemų komponentai yra šie:

• negyva (abiotinė) aplinka. Tai vanduo, mineralai, dujos, taip pat organinės medžiagos ir humusas;
• biotiniai komponentai. Tai: gamintojai arba gamintojai (žali augalai), vartotojai arba vartotojai (gyvos būtybės, kurios maitinasi gamintojais) ir skaidytojai arba skaidytojai (mikroorganizmai).

Gamta veikia itin ekonomiškai. Taigi organizmų sukurta biomasė (organizmų kūnų medžiaga) ir juose esanti energija perduodama kitiems ekosistemos nariams: gyvūnai valgo augalus, šiuos gyvūnus – kiti gyvūnai. Šis procesas vadinamas maisto, arba trofinės, grandinės. Gamtoje mitybos grandinės dažnai susikerta, formuojantis maisto tinklą.

Maisto grandinių pavyzdžiai: augalas – žolėdis – plėšrūnas; javai – lauko pelė – lapė ir kt., o maisto tinklas parodytas pav. 12.

Taigi pusiausvyros būsena biosferoje pagrįsta biotinių ir abiotinių aplinkos veiksnių sąveika, kuri palaikoma nuolat vykstant medžiagų ir energijos mainams tarp visų ekosistemų komponentų.

Uždaroje natūralių ekosistemų cirkuliacijoje, kartu su kitais, būtinas dviejų veiksnių dalyvavimas: skaidytojų buvimas ir nuolatinis saulės energijos tiekimas. Miesto ir dirbtinėse ekosistemose skaidytojų yra mažai arba jų visai nėra, todėl kaupiasi skystos, kietos ir dujinės atliekos, kurios teršia aplinką.

Ryžiai. 12. Maisto tinklas ir medžiagos srauto kryptis

Didelis medžiagų ciklas gamtoje sukelia saulės energijos sąveika su gilia Žemės energija ir vykdo medžiagos persiskirstymą tarp biosferos ir gilesnių Žemės horizontų.

Nuosėdinės uolienos, susidarančios dėl magminių uolienų dūlėjimo, judriose žemės plutos zonose vėl panardinamos į aukštos temperatūros ir slėgio zoną. Ten jie tirpsta ir suformuoja magmą – naujų magminių uolienų šaltinį. Po to, kai šios uolienos pakyla į žemės paviršių ir patiria atmosferos procesus, jos vėl virsta naujomis nuosėdinėmis uolienomis. Naujasis ciklas tiksliai nepakartoja senojo, o įveda kažką naujo, kas laikui bėgant lemia labai reikšmingus pokyčius.

Varomoji jėga didysis (geologinis) ciklas yra egzogeninis ir endogeninis geologiniai procesai.

Endogeniniai procesai(vidinės dinamikos procesai) vyksta veikiant vidinei Žemės energijai, išsiskiriančiai dėl radioaktyvaus skilimo, cheminių mineralų susidarymo reakcijų, uolienų kristalizacijos ir kt. (pvz., tektoniniai judėjimai, žemės drebėjimai, magmatizmas). , metamorfizmas).

Egzogeniniai procesai(išorinės dinamikos procesai) vyksta veikiant išorinei Saulės energijai. Pavyzdžiai: uolienų ir mineralų atmosferos poveikis, naikinimo produktų pašalinimas iš kai kurių žemės plutos sričių ir jų perkėlimas į naujas sritis, naikinimo produktų nusėdimas ir kaupimasis, kai susidaro nuosėdinės uolienos. Į Ex.pr. rel. atmosferos, hidrosferos, taip pat gyvų organizmų ir žmonių geologinis aktyvumas.

Didžiausios reljefo formos (žemynai ir vandenynų baseinai) ir stambios formos (kalnai ir lygumos) susidarė dėl endogeninių procesų, o vidutinės ir mažos reljefo formos (upių slėniai, kalvos, daubos, kopos ir kt.), išsidėsčiusios ant didesnių. formos – dėl egzogeninių procesų. Taigi endogeniniai ir egzogeniniai procesai yra priešingi. Pirmieji lemia didelių reljefo formų susidarymą, antrieji – jų išlyginimą.

Geologinio ciklo pavyzdžiai. Magminės uolienos dėl oro sąlygų virsta nuosėdinėmis uolienomis. Judančiose žemės plutos zonose jie pasineria giliai į Žemę. Ten, veikiant aukštai temperatūrai ir slėgiui, jie ištirpsta ir susidaro magma, kuri, iškilusi į paviršių ir kietėjanti, sudaro magmines uolienas.

Didelio ciklo pavyzdys – vandens ciklas tarp sausumos ir vandenyno per atmosferą (2.1 pav.).

Ryžiai. 2.1. Visuotinai priimta hidrologinė (klimato) schema

vandens ciklas gamtoje

Iš Pasaulio vandenyno paviršiaus išgaravusi drėgmė (kuri sunaudoja beveik pusę Žemės paviršių pasiekiančios saulės energijos) persikelia į sausumą, kur iškrenta kritulių pavidalu, kurie paviršinio ir požeminio nuotėkio pavidalu grįžta į vandenyną. . Vandens ciklas taip pat vyksta pagal paprastesnę schemą: drėgmės išgarinimas nuo vandenyno paviršiaus - vandens garų kondensacija - krituliai tame pačiame vandenyno vandens paviršiuje.

Vandens ciklas kaip visuma vaidina svarbų vaidmenį formuojant gamtines sąlygas mūsų planetoje. Atsižvelgiant į augalų transpiraciją ir jo absorbciją biogeocheminiame cikle, visas vandens tiekimas Žemėje sugenda ir atsistato per 2 mln.

Taigi geologinis medžiagų ciklas vyksta nedalyvaujant gyviems organizmams ir perskirsto medžiagas tarp biosferos ir gilesnių Žemės sluoksnių.