Kitaran geologi jirim yang hebat. Kitaran geologi, besar (biosfera) dan kecil (biologi) jirim dalam biosfera

Agar biosfera terus wujud, supaya pergerakannya (perkembangan) tidak berhenti, kitaran bahan penting secara biologi mesti sentiasa berlaku di Bumi. Peralihan bahan penting secara biologi ini dari pautan ke pautan boleh dilakukan hanya dengan perbelanjaan tenaga tertentu, yang mana sumbernya ialah Matahari.

Tenaga suria menyediakan dua kitaran jirim di Bumi:

- geologi (abiotik), atau besar, peredaran;

- biologi (biotik), atau peredaran kecil.

kitaran geologi paling jelas ditunjukkan dalam kitaran air dan peredaran atmosfera.

Kira-kira 21 10 20 kJ tenaga pancaran datang ke Bumi dari Matahari setiap tahun. Kira-kira separuh daripadanya dibelanjakan untuk penyejatan air. Inilah yang mewujudkan kitaran besar.

Kitaran air dalam biosfera adalah berdasarkan fakta bahawa jumlah penyejatan dari permukaan Bumi diimbangi oleh pemendakan. Pada masa yang sama, lebih banyak air yang menyejat dari lautan daripada kembali dengan kerpasan. Di darat, sebaliknya, lebih banyak hujan turun daripada air yang menyejat. Lebihannya mengalir ke sungai dan tasik, dan dari sana - sekali lagi ke lautan.

Dalam proses kitaran air geologi, sebatian mineral dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain pada skala planet, dan keadaan pengagregatan air juga berubah (cecair, pepejal - salji, ais; gas - wap). Air beredar paling intensif dalam keadaan wap.

Dengan kedatangan bahan hidup berdasarkan peredaran atmosfera, air, sebatian mineral terlarut di dalamnya, i.e. berdasarkan kitaran abiotik, geologi, kitaran itu timbul bahan organik, atau kecil, kitaran biologi.

Apabila bahan hidup berkembang, semakin banyak unsur sentiasa diekstrak daripada kitaran geologi dan memasuki kitaran biologi baharu.

Berbeza dengan pemindahan mudah unsur-unsur mineral dalam kitaran besar (geologi), dalam kitaran kecil (biologi), momen yang paling penting ialah sintesis dan pemusnahan sebatian organik. Kedua-dua proses ini berada dalam nisbah tertentu, yang mendasari kehidupan dan merupakan salah satu ciri utamanya.

Berbeza dengan kitaran geologi, kitaran biologi mempunyai tenaga yang lebih rendah. Seperti yang diketahui, hanya 0.1-0.2% daripada kejadian tenaga suria di Bumi dibelanjakan untuk penciptaan bahan organik (sehingga 50% pada kitaran geologi). Walaupun begitu, tenaga yang terlibat dalam kitaran biologi dibelanjakan untuk sejumlah besar kerja untuk mencipta pengeluaran utama di Bumi.

Dengan kedatangan bahan hidup di Bumi, unsur kimia terus beredar di biosfera, melalui persekitaran luaran ke dalam organisma dan kembali ke persekitaran.

Peredaran unsur kimia sedemikian di sepanjang laluan yang lebih kurang tertutup, meneruskan penggunaan tenaga suria melalui organisma hidup, dipanggil peredaran biogeokimia (kitaran).

Kitaran biogeokimia utama ialah kitaran oksigen, karbon, nitrogen, fosforus, sulfur, air dan unsur biogenik.

Kitaran karbon.

Di darat, kitaran karbon bermula dengan penetapan karbon dioksida oleh tumbuhan melalui fotosintesis. Selanjutnya, karbohidrat terbentuk daripada karbon dioksida dan air serta oksigen dibebaskan. Pada masa yang sama, karbon dibebaskan sebahagiannya semasa respirasi tumbuhan sebagai sebahagian daripada karbon dioksida. Karbon tetap dalam tumbuhan dimakan sedikit sebanyak oleh haiwan. Haiwan juga melepaskan karbon dioksida apabila mereka bernafas. Haiwan dan tumbuhan usang diuraikan oleh mikroorganisma, akibatnya karbon bahan organik mati teroksida kepada karbon dioksida dan memasuki semula atmosfera.

Kitaran karbon yang serupa berlaku di lautan.

Kitaran nitrogen.

Kitaran nitrogen, seperti kitaran biogeokimia yang lain, meliputi semua kawasan biosfera. Kitaran nitrogen dikaitkan dengan penukarannya kepada nitrat disebabkan oleh aktiviti bakteria pengikat nitrogen dan nitrifikasi. Nitrat diserap oleh tumbuhan daripada tanah atau air. Tumbuhan dimakan oleh haiwan. Pada akhirnya, pengurang sekali lagi menukar nitrogen ke dalam bentuk gas dan mengembalikannya ke atmosfera.

Dalam keadaan moden, seorang lelaki campur tangan dalam kitaran nitrogen, yang, menanam kekacang penetapan nitrogen di kawasan yang luas, mengikat nitrogen semula jadi secara buatan. Adalah dipercayai bahawa pertanian dan industri menyediakan hampir 60% lebih nitrogen tetap daripada ekosistem daratan semula jadi.

Kitaran nitrogen yang serupa juga diperhatikan dalam persekitaran akuatik.

Kitaran fosforus.

Tidak seperti karbon dan nitrogen, sebatian fosforus ditemui dalam batuan yang terhakis dan membebaskan fosfat. Kebanyakannya berakhir di laut dan lautan dan sebahagiannya boleh dikembalikan ke darat semula melalui rantai makanan marin yang berakhir dengan burung pemakan ikan. Sebahagian daripada fosfat berakhir di dalam tanah dan diambil oleh akar tumbuhan. Penyerapan fosforus oleh tumbuhan bergantung pada keasidan larutan tanah: apabila keasidan meningkat, fosfat yang tidak larut secara praktikal dalam air ditukar kepada asid fosforik yang sangat larut. Tumbuhan itu kemudiannya dimakan oleh haiwan.

Pautan utama kitaran biogeokimia ialah pelbagai organisma, kepelbagaian bentuk yang menentukan keamatan kitaran dan penglibatan hampir semua unsur kerak bumi di dalamnya.

Secara umum, setiap peredaran mana-mana unsur kimia adalah sebahagian daripada peredaran besar umum bahan di Bumi, i.e. mereka berkait rapat.

Kitaran bahan dalam alam semula jadi adalah proses kitaran berulang transformasi dan pergerakan unsur kimia individu dan sebatian mereka. Berlaku sepanjang sejarah perkembangan Bumi dan berterusan pada masa sekarang. Sentiasa terdapat sisihan tertentu dalam komposisi dan kuantiti bahan yang beredar, jadi secara semula jadi tidak ada pengulangan lengkap kitaran. Ini menentukan perkembangan progresif Bumi sebagai sebuah planet. Peredaran bahan terutamanya ciri untuk peringkat geologi pembangunan, apabila utama. cangkerang bumi. Dari segi skala manifestasi, di tempat pertama ialah kitaran geologi . Ia mewakili pergerakan jirim terutamanya dalam cengkerang dalam: terangkat akibat pergerakan tektonik menaik dan gunung berapi; pemindahannya secara mendatar dalam cangkerang luar dan pengumpulan; pergerakan menurun - pengebumian sedimen, tenggelam akibat pergerakan tektonik menurun. Pada kedalaman, metamorfisme berlaku, pencairan bahan dengan pembentukan magma dan batu metamorf. Peranan asas dalam penciptaan sampul geografi dimainkan oleh Kitaran air.

Sejak kemunculan kehidupan di Bumi, kitaran biologi. Ia menyediakan transformasi berterusan, akibatnya bahan, selepas digunakan oleh sesetengah organisma, dipindahkan ke dalam bentuk yang boleh dihadam untuk organisma lain. Asas tenaga ialah tenaga suria yang datang ke Bumi. Organisma tumbuhan menyerap mineral yang masuk ke dalam badan haiwan melalui rantai makanan, kemudian kembali ke tanah atau atmosfera dengan bantuan pengurai (bakteria, kulat, dll.). Keamatan kitaran ini bergantung kepada bilangan dan kepelbagaian organisma hidup di Bumi dan jumlah tenaga yang terkumpul oleh mereka. biojisim. Maks. keamatan kitaran biologi di darat diperhatikan di hutan hujan tropika, di mana sisa tumbuhan hampir tidak terkumpul dan mineral yang dikeluarkan segera diserap oleh tumbuhan. Keamatan peredaran di paya dan tundra sangat rendah, di mana sisa tumbuhan yang tidak mempunyai masa untuk mengurai terkumpul. Yang paling penting ialah kitaran unsur kimia biogenik, terutamanya karbon. Organisma tumbuhan mengekstrak dari atmosfera sehingga 300 bilion tan karbon dioksida (atau 100 bilion tan karbon) setiap tahun. Tumbuhan sebahagiannya dimakan oleh haiwan, sebahagiannya mati. Hasil daripada pernafasan organisma, penguraian sisa mereka, proses penapaian dan pereputan, bahan organik bertukar menjadi karbon dioksida atau dimendapkan dalam bentuk sapropel, humus, gambut, dari mana arang batu, minyak, dan gas mudah terbakar seterusnya terbentuk. Sebahagian kecil daripadanya terlibat dalam kitaran aktif karbon, sejumlah besar terpelihara dalam bentuk batu kapur fosil mudah terbakar dan batu lain. Utama jisim nitrogen tertumpu di atmosfera (3.8510 N? t); di perairan Lautan Dunia ia mengandungi tan 2510Ni.Peranan utama dalam kitaran nitrogen adalah milik mikroorganisma: penetap nitrogen, nitrifier dan denitrifier. lebih kurang 4510? tan nitrogen, persekitaran akuatik 4 kali kurang. Sebatian yang mengandungi nitrogen daripada sisa-sisa mati ditukarkan dengan mikroorganisma yang mennitrifkan kepada oksida nitrogen, yang kemudiannya diuraikan oleh bakteria denitrifikasi dengan pembebasan nitrogen molekul. Kitaran juga dikaitkan dengan bahan hidup. oksigen, fosforus, sulfur dan banyak lagi elemen lain. Akibat kesan manusia terhadap kitaran bahan menjadi lebih ketara. Mereka setanding dengan hasilnya proses geologi: dalam biosfera, cara baru penghijrahan bahan muncul, baru sebatian kimia yang tidak wujud sebelum ini, kitaran air berubah.

Peredaran kecil (biologi).

Jisim bahan hidup dalam biosfera adalah agak kecil. Jika ia diedarkan di atas permukaan bumi, maka lapisan hanya 1.5 cm akan diperolehi.Jadual 4.1 membandingkan beberapa ciri kuantitatif biosfera dan geosfera Bumi yang lain. Biosfera, menyumbang kurang daripada 10-6 jisim cangkerang lain di planet ini, mempunyai kepelbagaian yang tidak dapat ditandingi dan memperbaharui komposisinya sejuta kali lebih cepat.

Jadual 4.1

Perbandingan biosfera dengan geosfera lain di Bumi

*Bahan hidup berdasarkan berat hidup

4.4.1. Fungsi biosfera

Terima kasih kepada biota biosfera, bahagian utama transformasi kimia di planet ini dijalankan. Oleh itu penghakiman V.I. Vernadsky tentang transformatif yang besar peranan geologi bahan hidup. Untuk evolusi organik organisma hidup seribu kali (untuk kitaran yang berbeza dari 103 hingga 105 kali) melalui diri mereka sendiri, melalui organ, tisu, sel, darah, seluruh atmosfera, seluruh isipadu Lautan Dunia, sebahagian besar jisim tanah, yang besar. jisim mineral. Dan mereka bukan sahaja terlepas, tetapi juga mengubahsuai persekitaran duniawi sesuai dengan keperluan mereka.

Terima kasih kepada keupayaan untuk mengubah tenaga suria kepada tenaga ikatan kimia, tumbuhan dan organisma lain melaksanakan beberapa fungsi biogeokimia asas pada skala planet.

fungsi gas. Makhluk hidup sentiasa menukar oksigen dan karbon dioksida dengan persekitaran dalam proses fotosintesis dan respirasi. Tumbuhan memainkan peranan penting dalam perubahan daripada persekitaran pengurangan kepada persekitaran pengoksidaan dalam evolusi geokimia planet ini dan dalam pembentukan komposisi gas atmosfera moden. Tumbuhan mengawal kepekatan O2 dan CO2 dengan ketat, yang optimum untuk keseluruhan semua organisma hidup moden.

fungsi penumpuan. Melalui badan mereka sejumlah besar udara dan penyelesaian semula jadi, organisma hidup menjalankan penghijrahan biogenik (pergerakan bahan kimia) dan kepekatan unsur kimia dan sebatiannya. Ini terpakai kepada biosintesis organik, pembentukan pulau karang, pembinaan cengkerang dan rangka, penampilan strata batu kapur sedimen, deposit bijih logam tertentu, pengumpulan nodul besi-mangan, di dasar lautan, dsb. Peringkat awal evolusi biologi berlaku dalam persekitaran akuatik. Organisma telah belajar untuk mengekstrak bahan yang mereka perlukan daripada larutan akueus cair, mendarabkan kepekatannya dalam badan mereka berkali-kali ganda.

Fungsi redoks bahan hidup berkait rapat dengan penghijrahan biogenik unsur dan kepekatan bahan. Banyak bahan dalam alam semula jadi adalah stabil dan tidak mengalami pengoksidaan dalam keadaan normal, contohnya, nitrogen molekul adalah salah satu unsur biogenik yang paling penting. Tetapi sel hidup mempunyai pemangkin yang begitu kuat - enzim yang mampu melakukan banyak tindak balas redoks berjuta-juta kali lebih cepat daripada yang boleh berlaku dalam persekitaran abiotik.

Fungsi maklumat bahan hidup biosfera. Ia adalah dengan kemunculan makhluk hidup primitif yang pertama, maklumat aktif ("hidup") muncul di planet ini, yang berbeza daripada maklumat "mati", yang merupakan gambaran ringkas struktur. Organisma ternyata dapat menerima maklumat dengan menghubungkan aliran tenaga dengan struktur molekul aktif yang memainkan peranan program. Keupayaan untuk melihat, menyimpan dan memproses maklumat molekul telah mengalami evolusi maju dalam alam semula jadi dan telah menjadi faktor pembentuk sistem ekologi yang paling penting. Jumlah stok maklumat genetik biota dianggarkan sebanyak 1015 bit. Jumlah kuasa aliran maklumat molekul yang berkaitan dengan metabolisme dan tenaga dalam semua sel biota global mencapai 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Komponen kitaran biologi.

Kitaran biologi dijalankan antara semua komponen biosfera (iaitu, antara tanah, udara, air, haiwan, mikroorganisma, dll.). Ia berlaku dengan penyertaan wajib organisma hidup.

Sinaran suria yang mencapai biosfera membawa tenaga kira-kira 2.5 * 1024 J setahun. Hanya 0.3% daripadanya secara langsung ditukar dalam proses fotosintesis kepada tenaga ikatan kimia bahan organik, i.e. terlibat dalam kitaran biologi. Dan 0.1 - 0.2% daripada tenaga suria yang jatuh di Bumi ternyata tertutup dalam tulen. pengeluaran utama. Nasib lanjut Tenaga ini dikaitkan dengan pemindahan bahan organik makanan melalui lata rantai trofik.

Kitaran biologi boleh dibahagikan secara bersyarat kepada komponen yang saling berkaitan: kitaran bahan dan kitaran tenaga.

4.4.3. Kitaran tenaga. Transformasi tenaga dalam biosfera

Ekosistem boleh digambarkan sebagai koleksi organisma hidup yang bertukar-tukar tenaga, jirim dan maklumat secara berterusan. Tenaga boleh ditakrifkan sebagai keupayaan untuk melakukan kerja. Sifat tenaga, termasuk pergerakan tenaga dalam ekosistem, diterangkan oleh undang-undang termodinamik.

Undang-undang pertama termodinamik atau undang-undang pemuliharaan tenaga menyatakan bahawa tenaga tidak hilang dan tidak dicipta semula, ia hanya berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain.

Undang-undang kedua termodinamik menyatakan bahawa entropi hanya boleh meningkat dalam sistem tertutup. Berkenaan dengan tenaga dalam ekosistem, rumusan berikut adalah mudah: proses yang berkaitan dengan transformasi tenaga boleh berlaku secara spontan hanya jika tenaga berpindah dari bentuk pekat kepada yang meresap, iaitu, ia merosot. Ukuran jumlah tenaga yang menjadi tidak tersedia untuk digunakan, atau sebaliknya ukuran perubahan tertib yang berlaku apabila tenaga terdegradasi, adalah entropi. Semakin tinggi susunan sistem, semakin rendah entropinya.

Dalam kata lain, benda hidup menerima dan mengubah tenaga angkasa, matahari kepada tenaga proses terestrial (kimia, mekanikal, haba, elektrik). Ia melibatkan tenaga dan bahan bukan organik ini dalam peredaran berterusan bahan dalam biosfera. Aliran tenaga dalam biosfera mempunyai satu arah - dari Matahari melalui tumbuhan (autotrof) kepada haiwan (heterotrof). Ekosistem semula jadi yang tidak disentuh dalam keadaan stabil dengan penunjuk persekitaran penting yang berterusan (homeostasis) adalah sistem yang paling teratur dan dicirikan oleh entropi terendah.

4.4.4. Kitaran bahan dalam alam semula jadi

Pembentukan bahan hidup dan penguraiannya adalah dua sisi dari satu proses, yang dipanggil kitaran biologi unsur kimia. Kehidupan ialah peredaran unsur kimia antara organisma dan persekitaran.

Sebab bagi kitaran adalah keterbatasan unsur-unsur dari mana badan-badan organisma dibina. Setiap organisma mengekstrak daripada persekitaran bahan yang diperlukan untuk hidup dan kembali tidak digunakan. Di mana:

sesetengah organisma menggunakan mineral secara langsung dari alam sekitar;

yang lain menggunakan produk yang diproses dan diasingkan dahulu;

yang ketiga - yang kedua, dsb., sehingga bahan kembali ke alam sekitar dalam keadaan asalnya.

Dalam biosfera, keperluan untuk kewujudan bersama pelbagai organisma yang boleh menggunakan bahan buangan antara satu sama lain adalah jelas. Kami melihat pengeluaran biologi yang hampir bebas sisa.

Kitaran bahan dalam organisma hidup boleh dikurangkan secara bersyarat kepada empat proses:

1. Fotosintesis. Hasil daripada fotosintesis, tumbuhan menyerap dan mengumpul tenaga suria serta mensintesis bahan organik - produk biologi utama - dan oksigen daripada bahan bukan organik. Produk biologi utama sangat pelbagai - ia mengandungi karbohidrat (glukosa), kanji, serat, protein, lemak.

Skim fotosintesis karbohidrat paling ringkas (glukosa) mempunyai skema berikut:

Proses ini berlaku hanya pada siang hari dan disertai dengan peningkatan jisim tumbuhan.

Di Bumi, kira-kira 100 bilion tan bahan organik terbentuk setiap tahun hasil fotosintesis, kira-kira 200 bilion tan karbon dioksida diasimilasikan, dan kira-kira 145 bilion tan oksigen dibebaskan.

Fotosintesis memainkan peranan penting dalam memastikan kewujudan hidupan di Bumi. Kepentingan globalnya dijelaskan oleh fakta bahawa fotosintesis adalah satu-satunya proses di mana tenaga dalam proses termodinamik, mengikut prinsip minimalis, tidak hilang, sebaliknya terkumpul.

Dengan mensintesis asid amino yang diperlukan untuk membina protein, tumbuhan boleh wujud secara relatifnya bebas daripada organisma hidup yang lain. Ini menunjukkan autotrofi tumbuhan (sara diri dalam pemakanan). Pada masa yang sama, jisim hijau tumbuhan dan oksigen yang terbentuk dalam proses fotosintesis adalah asas untuk mengekalkan kehidupan kumpulan organisma hidup seterusnya - haiwan, mikroorganisma. Ini menunjukkan heterotrofi kumpulan organisma ini.

2. Pernafasan. Proses ini adalah kebalikan dari fotosintesis. Berlaku dalam semua sel hidup. Semasa respirasi, bahan organik dioksidakan oleh oksigen, mengakibatkan pembentukan karbon dioksida, air dan tenaga.

3. Hubungan pemakanan (trofik) antara organisma autotrof dan heterotrofik. Dalam kes ini, terdapat pemindahan tenaga dan jirim di sepanjang pautan rantai makanan, yang kami bincangkan sebelum ini dengan lebih terperinci.

4. Proses transpirasi. Salah satu proses terpenting dalam kitaran biologi.

Secara skematik, ia boleh digambarkan seperti berikut. Tumbuhan menyerap kelembapan tanah melalui akarnya. Pada masa yang sama, bahan mineral yang larut dalam air memasukinya, yang diserap, dan kelembapan menguap lebih kurang secara intensif, bergantung pada keadaan persekitaran.

4.4.5. Kitaran biogeokimia

Geologi dan kitaran biologi disambungkan - ia wujud sebagai satu proses, menimbulkan peredaran bahan, yang dipanggil kitaran biogeokimia (BGHC). Peredaran unsur ini adalah disebabkan oleh sintesis dan pereputan bahan organik dalam ekosistem (Rajah 4.1).Bukan semua unsur biosfera terlibat dalam BHCC, tetapi hanya unsur biogenik. Organisma hidup terdiri daripada mereka, unsur-unsur ini memasuki pelbagai tindak balas dan mengambil bahagian dalam proses yang berlaku dalam organisma hidup. Dari segi peratusan, jumlah jisim bahan hidup biosfera terdiri daripada unsur biogenik utama berikut: oksigen - 70%, karbon - 18%, hidrogen - 10.5%, kalsium - 0.5%, kalium - 0.3%, nitrogen - 0 , 3%, (oksigen, hidrogen, nitrogen, karbon terdapat dalam semua landskap dan merupakan asas kepada organisma hidup - 98%).

Intipati penghijrahan biogenik unsur kimia.

Oleh itu, dalam biosfera terdapat kitaran biogenik bahan (iaitu, kitaran yang disebabkan oleh aktiviti penting organisma) dan aliran tenaga satu arah. Penghijrahan biogenik unsur kimia ditentukan terutamanya oleh dua proses yang bertentangan:

1. Pembentukan bahan hidup daripada unsur alam sekitar disebabkan oleh tenaga suria.

2. Pemusnahan bahan organik, disertai dengan pembebasan tenaga. Pada masa yang sama, unsur-unsur bahan mineral berulang kali memasuki organisma hidup, dengan itu memasuki komposisi sebatian organik kompleks, bentuk, dan kemudian, apabila yang terakhir dimusnahkan, mereka sekali lagi memperoleh bentuk mineral.

Terdapat unsur yang merupakan sebahagian daripada organisma hidup, tetapi tidak berkaitan dengan unsur biogenik. Unsur-unsur tersebut dikelaskan mengikut pecahan beratnya dalam organisma:

Makronutrien - komponen sekurang-kurangnya 10-2% daripada jisim;

Unsur surih - komponen dari 9 * 10-3 hingga 1 * 10-3% daripada jisim;

Ultramikroelemen - kurang daripada 9 * 10-6% daripada jisim;

Untuk menentukan tempat unsur biogenik antara unsur kimia biosfera lain, mari kita pertimbangkan klasifikasi yang diterima pakai dalam ekologi. Mengikut aktiviti yang ditunjukkan dalam proses yang berlaku di biosfera, semua unsur kimia dibahagikan kepada 6 kumpulan:

Gas mulia ialah helium, neon, argon, krypton, xenon. Gas lengai bukan sebahagian daripada organisma hidup.

Logam mulia - ruthenium, radium, paladium, osmium, iridium, platinum, emas. Logam ini hampir tidak membentuk sebatian dalam kerak bumi.

Unsur kitaran atau biogenik (ia juga dipanggil migrasi). Kumpulan unsur biogenik dalam kerak bumi ini menyumbang 99.7% daripada jumlah jisim, dan baki 5 kumpulan - 0.3%. Oleh itu, sebahagian besar elemen adalah pendatang yang menjalankan peredaran masuk sampul geografi, dan bahagian unsur lengai adalah sangat kecil.

Unsur bertaburan, dicirikan oleh dominasi atom bebas. Masuk ke dalam tindak balas kimia, tetapi sebatian mereka jarang ditemui dalam kerak bumi. Mereka dibahagikan kepada dua subkumpulan. Yang pertama - rubidium, cesium, niobium, tantalum - mencipta sebatian di kedalaman kerak bumi, dan di permukaan mineral mereka dimusnahkan. Yang kedua - iodin, bromin - bertindak balas hanya pada permukaan.

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

Unsur nadir bumi - yttrium, samarium, europium, thulium, dll.

Kitaran biokimia sepanjang tahun bergerak kira-kira 480 bilion tan jirim.

DALAM DAN. Vernadsky merumuskan tiga prinsip biogeokimia yang menerangkan intipati penghijrahan biogenik unsur kimia:

Penghijrahan biogenik unsur kimia dalam biosfera sentiasa cenderung kepada manifestasi maksimumnya.

Evolusi spesies dalam perjalanan masa geologi, yang membawa kepada penciptaan bentuk kehidupan yang mampan, meneruskan ke arah yang meningkatkan penghijrahan biogenik atom.

Bahan hidup berada dalam pertukaran kimia berterusan dengan persekitarannya, yang merupakan faktor yang mencipta dan mengekalkan biosfera.

Mari kita pertimbangkan bagaimana beberapa unsur ini bergerak dalam biosfera.

Kitaran karbon. Peserta utama dalam kitaran biotik ialah karbon sebagai asas bahan organik. Kebanyakan kitar karbon berlaku antara bahan hidup dan karbon dioksida atmosfera dalam proses fotosintesis. Herbivor mendapatkannya dengan makanan, pemangsa mendapatkannya dari herbivor. Apabila bernafas, reput, karbon dioksida sebahagiannya dikembalikan ke atmosfera, pulangan berlaku apabila mineral organik dibakar.

Sekiranya tiada kembali karbon ke atmosfera, ia akan digunakan oleh tumbuhan hijau dalam 7-8 tahun. Kadar perolehan biologi karbon melalui fotosintesis ialah 300 tahun. Lautan memainkan peranan penting dalam mengawal kandungan CO2 di atmosfera. Jika kandungan CO2 meningkat di atmosfera, sebahagian daripadanya larut dalam air, bertindak balas dengan kalsium karbonat.

Kitaran oksigen.

Oksigen mempunyai aktiviti kimia yang tinggi, memasuki sebatian dengan hampir semua unsur kerak bumi. Ia berlaku terutamanya dalam bentuk sebatian. Setiap atom keempat bahan hidup adalah atom oksigen. Hampir semua molekul oksigen di atmosfera berasal dan dikekalkan pada tahap yang tetap disebabkan oleh aktiviti tumbuhan hijau. Oksigen atmosfera, terikat semasa pernafasan dan dibebaskan semasa fotosintesis, melalui semua organisma hidup dalam 200 tahun.

Kitaran nitrogen. Nitrogen ialah sebahagian semua protein. Jumlah nisbah nitrogen terikat, sebagai unsur yang membentuk bahan organik, kepada nitrogen dalam alam semula jadi ialah 1:100,000. Tenaga ikatan kimia dalam molekul nitrogen adalah sangat tinggi. Oleh itu, gabungan nitrogen dengan unsur lain - oksigen, hidrogen (proses penetapan nitrogen) - memerlukan banyak tenaga. Penetapan nitrogen industri berlaku dengan kehadiran pemangkin pada suhu -500°C dan tekanan -300 atm.

Seperti yang anda ketahui, atmosfera mengandungi lebih daripada 78% nitrogen molekul, tetapi dalam keadaan ini ia tidak tersedia untuk tumbuhan hijau. Untuk pemakanan mereka, tumbuhan hanya boleh menggunakan garam asid nitrik dan nitrus. Apakah cara-cara pembentukan garam ini? Berikut adalah sebahagian daripada mereka:

Dalam biosfera, penetapan nitrogen dilakukan oleh beberapa kumpulan bakteria anaerobik dan cyanobacteria pada suhu dan tekanan normal kerana kecekapan biopemangkinan yang tinggi. Adalah dipercayai bahawa bakteria menukarkan kira-kira 1 bilion tan nitrogen setahun ke dalam bentuk terikat (isipadu penetapan industri dunia adalah kira-kira 90 juta tan).

Bakteria pengikat nitrogen tanah mampu mengasimilasikan nitrogen molekul dari udara. Mereka memperkayakan tanah dengan sebatian nitrogen, jadi nilainya sangat tinggi.

Hasil daripada penguraian sebatian yang mengandungi nitrogen bahan organik asal tumbuhan dan haiwan.

Di bawah tindakan bakteria, nitrogen ditukar menjadi nitrat, nitrit, sebatian ammonium. Dalam tumbuhan, sebatian nitrogen mengambil bahagian dalam sintesis sebatian protein, yang dipindahkan dari organisma ke organisma dalam rantai makanan.

Kitaran fosforus. Satu lagi unsur penting, tanpa sintesis protein adalah mustahil, ialah fosforus. Sumber utama ialah batuan igneus (apatit) dan batuan sedimen (fosforit).

Fosforus bukan organik terlibat dalam kitaran hasil daripada proses larut lesap semula jadi. Fosforus diasimilasikan oleh organisma hidup, yang, dengan penyertaannya, mensintesis sejumlah sebatian organik dan memindahkannya ke pelbagai peringkat trofik.

Setelah menamatkan perjalanan mereka di sepanjang rantai trofik, fosfat organik diuraikan oleh mikrob dan bertukar menjadi fosfat mineral yang tersedia untuk tumbuhan hijau.

Dalam proses peredaran biologi, yang memastikan pergerakan bahan dan tenaga, tidak ada tempat untuk pengumpulan sisa. Bahan buangan (iaitu bahan buangan) setiap bentuk hidupan adalah tempat pembiakan organisma lain.

Secara teorinya, biosfera harus sentiasa mengekalkan keseimbangan antara pengeluaran biojisim dan penguraiannya. Walau bagaimanapun, dalam tempoh geologi tertentu, keseimbangan kitaran biologi terganggu apabila, disebabkan oleh tertentu keadaan semula jadi, malapetaka, tidak semua produk biologi diasimilasikan, diubah. Dalam kes ini, lebihan produk biologi telah terbentuk, yang dipelihara dan disimpan di kerak bumi, di bawah lajur air, sedimen, dan berakhir di zon permafrost. Jadi deposit arang batu, minyak, gas, batu kapur terbentuk. Perlu diingatkan bahawa mereka tidak mengotori biosfera. Tenaga Matahari, terkumpul dalam proses fotosintesis, tertumpu dalam mineral organik. Kini, dengan membakar bahan api fosil organik, seseorang membebaskan tenaga ini.

Dalam biosfera, terdapat peredaran global (besar, atau geologi) bahan, yang wujud sebelum kemunculan organisma hidup pertama. Ia melibatkan pelbagai jenis unsur kimia. Kitaran geologi dijalankan terima kasih kepada jenis tenaga solar, graviti, tektonik dan kosmik.

Dengan kedatangan bahan hidup, berdasarkan kitaran geologi, kitaran bahan organik timbul - kitaran kecil (biotik, atau biologi).

Kitaran biotik bahan adalah proses pergerakan berterusan, kitaran, tidak sekata dalam masa dan ruang dan transformasi bahan yang berlaku dengan penyertaan langsung organisma hidup. Ia adalah proses penciptaan dan pemusnahan bahan organik yang berterusan dan dilaksanakan dengan penyertaan ketiga-tiga kumpulan organisma: pengeluar, pengguna dan pengurai. Kira-kira 40 unsur biogenik terlibat dalam kitaran biotik. Nilai tertinggi bagi organisma hidup, mereka mempunyai kitaran karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, fosforus, sulfur, besi, kalium, kalsium dan magnesium.

Apabila bahan hidup berkembang, semakin banyak unsur sentiasa diekstrak daripada kitaran geologi dan memasuki kitaran biologi baharu. Jumlah jisim bahan abu yang terlibat setiap tahun dalam kitaran biotik bahan hanya di darat adalah kira-kira 8 bilion tan. Ini adalah beberapa kali jisim hasil letusan semua gunung berapi di dunia sepanjang tahun. Kadar peredaran bahan dalam biosfera adalah berbeza. Bahan hidup biosfera dikemas kini secara purata selama 8 tahun, jisim fitoplankton di lautan dikemas kini setiap hari. Semua oksigen biosfera melalui bahan hidup dalam 2000 tahun, dan karbon dioksida - dalam 300 tahun.

Kitaran biotik tempatan dijalankan dalam ekosistem, dan kitaran biogeokimia penghijrahan atom dijalankan di biosfera, yang bukan sahaja mengikat ketiga-tiga cangkang luar planet menjadi satu keseluruhan, tetapi juga menentukan evolusi berterusan komposisinya.

HIDROSFERA SUASANA

­ ¯ ­ ¯

BAHAN HIDUP

TANAH

Evolusi biosfera

Biosfera muncul dengan kelahiran organisma hidup pertama kira-kira 3.5 bilion tahun yang lalu. Dalam perjalanan perkembangan kehidupan, ia berubah. Peringkat-peringkat evolusi biosfera boleh dibezakan dengan mengambil kira ciri-ciri jenis ekosistem.

1. Kemunculan dan perkembangan hidupan di dalam air. Pentas berkaitan dengan kewujudan ekosistem akuatik. Tiada oksigen di atmosfera.

2. Kemunculan organisma hidup di darat, perkembangan persekitaran darat-udara dan tanah, dan kemunculan ekosistem daratan. Ini menjadi mungkin kerana kemunculan oksigen di atmosfera dan skrin ozon. Ia berlaku 2.5 bilion tahun yang lalu.

3. Kemunculan manusia, transformasinya menjadi makhluk biososial dan kemunculan antropoekosistem berlaku 1 juta tahun dahulu.

4. Peralihan biosfera di bawah pengaruh aktiviti manusia pintar ke keadaan kualitatif baru - ke noosfera.

Noosphere

Peringkat tertinggi dalam pembangunan biosfera ialah noosfera - peringkat peraturan munasabah hubungan antara manusia dan alam semula jadi. Istilah ini diperkenalkan pada tahun 1927 oleh ahli falsafah Perancis E. Leroy. Beliau percaya bahawa noosfera merangkumi masyarakat manusia dengan industri, bahasa dan sifat-sifat lain aktiviti pintar. Dalam 30-40an. Abad XX V.I. Vernadsky mengembangkan idea materialistik tentang noosfera. Beliau percaya bahawa noosfera timbul akibat interaksi biosfera dan masyarakat, dikawal oleh hubungan rapat antara undang-undang alam, pemikiran dan undang-undang sosio-ekonomi masyarakat, dan menekankan bahawa

noosfera (sfera minda) - peringkat pembangunan biosfera, apabila aktiviti pintar manusia akan menjadi faktor penentu utama dalam pembangunan mampannya.

Noosfera adalah peringkat biosfera baru yang lebih tinggi, yang dikaitkan dengan kemunculan dan perkembangan manusia di dalamnya, yang, mengetahui undang-undang alam semula jadi dan meningkatkan teknologi, menjadi kuasa terbesar yang setanding dalam skala dengan geologi, dan mula mempunyai pengaruh yang menentukan ke atas perjalanan proses di Bumi, mengubahnya secara mendalam dengan tenaga kerja mereka. Pembentukan dan perkembangan manusia telah dinyatakan dalam kemunculan bentuk baru pertukaran bahan dan tenaga antara masyarakat dan alam, dalam kesan manusia yang semakin meningkat pada biosfera. Noosfera akan datang apabila manusia, dengan bantuan sains, akan dapat mengurus proses semula jadi dan sosial secara bermakna. Oleh itu, noosfera tidak boleh dianggap sebagai cangkang khas Bumi.

Sains pengurusan perhubungan masyarakat manusia dan alam semula jadi dipanggil noogenics.

Matlamat utama noogenics ialah perancangan masa kini demi masa depan, dan tugas utamanya ialah pembetulan pelanggaran dalam hubungan antara manusia dan alam semula jadi yang disebabkan oleh kemajuan teknologi, kawalan sedar evolusi biosfera. . Penggunaan sumber semula jadi yang terancang dan berasas secara saintifik harus dibentuk, menyediakan pemulihan dalam kitaran bahan apa yang telah dilanggar oleh manusia, berbanding dengan sikap pemangsa yang spontan terhadap alam semula jadi, yang membawa kepada kemerosotan alam sekitar. Untuk ini adalah perlu pembangunan mampan masyarakat yang memenuhi keperluan masa kini tanpa menjejaskan keupayaan generasi akan datang untuk memenuhi keperluan mereka sendiri.

Pada masa ini, planet ini telah terbentuk bioteknosfera - sebahagian daripada biosfera, diubah secara radikal oleh manusia kepada struktur kejuruteraan: bandar, kilang dan kilang, kuari dan lombong, jalan raya, empangan dan takungan, dsb.

BIOSFERA DAN MANUSIA

Biosfera bagi manusia ialah dan habitat dan sumber sumber semula jadi.

Sumber semula jadi – objek dan fenomena semula jadi yang digunakan oleh seseorang dalam proses buruh. Mereka menyediakan orang ramai dengan makanan, pakaian, tempat tinggal. Mengikut tahap keletihan, mereka dibahagikan kepada habis dan tidak habis . Habis sumber dibahagikan kepada boleh diperbaharui Dan tidak boleh diperbaharui . Sumber yang tidak boleh diperbaharui termasuk sumber yang tidak dihidupkan semula (atau diperbaharui ratusan kali lebih perlahan daripada yang dibelanjakan): minyak, arang batu, bijih logam dan kebanyakan mineral. Boleh diperbaharui Sumber semula jadi tanah, tumbuh-tumbuhan dan dunia haiwan, bahan mentah mineral (garam meja). Sumber-sumber ini sentiasa diisi semula kelajuan yang berbeza: haiwan - beberapa tahun, hutan - 60-80 tahun, tanah yang telah kehilangan kesuburan - selama beberapa milenium. Melebihi kadar penggunaan berbanding kadar pembiakan membawa kepada kehilangan sepenuhnya sumber.

Tak habis-habis sumber termasuk air, iklim ( udara atmosfera dan tenaga angin) dan angkasa: sinaran suria, tenaga pasang surut laut dan pasang surut. Walau bagaimanapun, pencemaran alam sekitar yang semakin meningkat memerlukan pelaksanaan langkah-langkah alam sekitar untuk memulihara sumber ini.

Pemenuhan keperluan manusia tidak dapat difikirkan tanpa eksploitasi sumber alam.

Semua jenis aktiviti manusia dalam biosfera boleh digabungkan menjadi empat bentuk.

1. Mengubah struktur permukaan bumi(membajak tanah, mengeringkan badan air, penebangan hutan, membina terusan). Kemanusiaan menjadi kuasa geologi yang kuat. Seseorang menggunakan 75% tanah, 15% air sungai, 20 hektar hutan ditebang setiap minit.

· Perubahan geologi dan geomorfologi - pengukuhan pembentukan jurang, rupa dan kekerapan aliran lumpur dan tanah runtuh.

· Perubahan kompleks (landskap) - pelanggaran integriti dan struktur semula jadi landskap, keunikan monumen semula jadi, kehilangan tanah produktif, penggurunan.