Stor geologisk syklus av stoffer. Geologiske, store (biosfære) og små (biologiske) sykluser av materie i biosfæren

For at biosfæren skal fortsette å eksistere, slik at dens bevegelse (utvikling) ikke stopper, må sirkulasjonen av biologisk viktige stoffer hele tiden skje på jorden. Denne overgangen av biologisk viktige stoffer fra lenke til lenke kan bare utføres med et visst energiforbruk, hvis kilde er solen.

Solenergi gir to sykluser av stoffer på jorden:

- geologisk (abiotisk), eller stor, syklus;

- biologisk (biotisk), eller liten, syklus.

Geologisk syklus tydeligst manifestert i vannets syklus og atmosfærisk sirkulasjon.

Jorden mottar omtrent 21 10 20 kJ strålingsenergi årlig fra solen. Omtrent halvparten av det brukes på vannfordampning. Det er dette som forårsaker den store syklusen.

Vannets syklus i biosfæren er basert på at dens totale fordampning fra jordoverflaten kompenseres av nedbør. Samtidig fordamper mer vann fra havet enn det kommer tilbake med nedbør. På land faller det tvert imot mer nedbør enn vann fordamper. Dens overskudd renner ut i elver og innsjøer, og derfra igjen ut i havet.

I prosessen med den geologiske syklusen til vann overføres mineralforbindelser fra ett sted til et annet på planetarisk skala, og vannets samlede tilstand endres også (flytende, fast - snø, is; gass - damp). Vann sirkulerer mest intensivt i damptilstand.

Med ankomsten av levende materie basert på sirkulasjonen av atmosfæren, vann, mineralforbindelser oppløst i den, dvs. på grunnlag av den abiotiske, geologiske syklusen oppsto en syklus organisk materiale, eller liten, biologisk syklus.

Etter hvert som levende materie utvikler seg, trekkes stadig flere grunnstoffer ut av det geologiske kretsløpet og går inn i en ny, biologisk syklus.

I motsetning til den enkle overføringen og bevegelsen av mineralelementer i den store (geologiske) syklusen, i den lille (biologiske) syklusen er de viktigste punktene syntesen og ødeleggelsen av organiske forbindelser. Disse to prosessene står i et visst forhold, som ligger til grunn for livet og utgjør et av dets hovedtrekk.

I motsetning til det geologiske kretsløpet har det biologiske kretsløpet lavere energi. Som kjent brukes bare 0,1-0,2% av solenergien på jorden til å lage organisk materiale (opptil 50% for den geologiske syklusen). Til tross for dette brukes energien som er involvert i den biologiske syklusen på det enorme arbeidet med å skape primærproduksjon på jorden.

Med utseendet til levende materie på jorden, sirkulerer kjemiske elementer kontinuerlig i biosfæren, og beveger seg fra eksternt miljø inn i organismer og tilbake til det ytre miljø.

Slik sirkulasjon av kjemiske elementer langs mer eller mindre lukkede baner, som skjer ved bruk av solenergi gjennom levende organismer, kalles biogeokjemisk syklus (syklus).

De viktigste biogeokjemiske syklusene er syklusene av oksygen, karbon, nitrogen, fosfor, svovel, vann og næringsstoffer.

Karbon syklus.

På land begynner karbonsyklusen med at planter fikserer karbondioksid under fotosyntesen. Karbohydrater dannes da av karbondioksid og vann og oksygen frigjøres. I dette tilfellet frigjøres karbon delvis under planterespirasjon som karbondioksid. Karbonet festet i planter blir til en viss grad konsumert av dyr. Dyr frigjør også karbondioksid når de puster. Døde dyr og planter brytes ned av mikroorganismer, noe som fører til at karbonet i det døde organiske materialet oksideres til karbondioksid og slippes tilbake til atmosfæren.

En lignende karbonsyklus forekommer i havet.

Nitrogen syklus.

Nitrogenkretsløpet, som andre biogeokjemiske sykluser, dekker alle områder av biosfæren. Nitrogensyklusen er assosiert med omdannelsen til nitrater på grunn av aktiviteten til nitrogenfikserende og nitrifiserende bakterier. Nitrater absorberes av planter fra jord eller vann. Planter spises av dyr. Til slutt omdanner nedbrytere nitrogenet tilbake til gassform og slipper det tilbake til atmosfæren.

Under moderne forhold har mennesker grepet inn i nitrogenkretsløpet ved å dyrke nitrogenfikserende belgfrukter i store områder og kunstig fiksere naturlig nitrogen. Landbruk og industri antas å gi nesten 60 % mer fiksert nitrogen enn naturlige terrestriske økosystemer.

En lignende nitrogensyklus er observert i vannmiljøet.

Fosfor syklus.

I motsetning til karbon og nitrogen, finnes fosforforbindelser i bergarter som eroderer og frigjør fosfater. De fleste av dem ender opp i hav og hav og kan delvis returneres til land gjennom marine næringskjeder som ender med fiskespisende fugler. Noen fosfater kommer inn i jorda og absorberes av planterøtter. Absorpsjonen av fosfor av planter avhenger av surheten i jordløsningen: ettersom surheten øker, omdannes praktisk talt uløselige fosfater i vann til svært løselig fosforsyre. Plantene blir da spist av dyr.

Hovedlenkene i biogeokjemiske sykluser er forskjellige organismer, hvis variasjon av former bestemmer intensiteten til syklusene og involveringen av nesten alle elementer av jordskorpen i dem.

Generelt er hver syklus av ethvert kjemisk element en del av den generelle store syklusen av stoffer på jorden, dvs. de er nært beslektet.

Syklusen av stoffer i naturen er en gjentatt syklisk prosess med transformasjon og bevegelse av individuelle kjemiske elementer og deres forbindelser. Forekom gjennom hele jordens utviklingshistorie og fortsetter i dag. Det er alltid et visst avvik i sammensetningen og mengden av det sirkulerende stoffet, så i naturen er det ingen fullstendig repetisjon av syklusen. Dette bestemmer den progressive utviklingen av jorden som en planet. Sirkulasjonen av stoffer er spesielt karakteristisk for det geologiske utviklingsstadiet, da de grunnleggende formasjonene ble dannet. jordens skall. Når det gjelder manifestasjonsskala, er førsteplassen geologisk syklus . Den representerer bevegelsen av materie primært i de indre skjellene: stigning som følge av stigende tektoniske bevegelser og vulkanisme; dens horisontale overføring i ytre skall og akkumulering; nedadgående bevegelser - nedgraving av sedimenter, innsynkning som følge av nedadgående tektoniske bevegelser. På dypet oppstår metamorfose, smelting av materie med dannelse av magma og metamorfe bergarter. Den grunnleggende rollen i å skape den geografiske konvolutten spilles av Vannets kretsløp.

Siden livet dukket opp på jorden, biologisk syklus. Det sikrer kontinuerlige transformasjoner, som et resultat av at stoffer, etter å ha blitt brukt av noen organismer, går over i en form som er fordøyelig for andre organismer. Energigrunnlaget er solenergien som kommer til jorden. Planteorganismer absorberer mineraler, som kommer inn i dyrekroppen gjennom næringskjeder, og går deretter tilbake til jorda eller atmosfæren ved hjelp av nedbrytere (bakterier, sopp, etc.). Intensiteten til denne syklusen bestemmer antallet og mangfoldet av levende organismer på jorden og mengden energi de akkumulerer. biomasse. Maks. intensiteten av den biologiske syklusen på land observeres i tropiske regnskoger, hvor planterester nesten ikke samler seg og de frigjorte mineralene umiddelbart absorberes av planter. Intensiteten på syklusen er svært lav i sumper og tundra, der planterester som ikke har tid til å brytes ned samler seg. Av spesiell betydning er syklusene til biogene kjemiske elementer, primært karbon. Planteorganismer trekker ut opptil 300 milliarder tonn karbondioksid (eller 100 milliarder tonn karbon) fra atmosfæren årlig. Planter spises delvis av dyr og dør delvis. Som et resultat av respirasjon av organismer, nedbryting av restene deres, prosessene med gjæring og forfall, blir organisk materiale omdannet til karbondioksid eller avsatt i form av sapropel, humus, torv, hvorfra kull, olje og brennbar gass blir deretter dannet. En svært liten del av det deltar i det aktive karbonsyklusen; en betydelig mengde er bevart i form av brennbare fossile kalksteiner og andre bergarter. Grunnleggende massen av nitrogen er konsentrert i atmosfæren (3,8510N? t); i vannet i verdenshavet inneholder den 2510 Ni tonn I nitrogensyklusen tilhører den ledende rollen mikroorganismer: nitrogenfiksere, nitrifiers og denitrifiers. Hvert år på land går ca. 4510? t nitrogen, i vannmiljø 4 ganger mindre. Nitrogenholdige forbindelser fra døde rester omdannes ved å nitrifisere mikroorganismer til nitrogenoksider, som deretter brytes ned av denitrifiserende bakterier for å frigjøre molekylært nitrogen. Sykluser er også assosiert med levende materie oksygen, fosfor, svovel og mange andre elementer. Konsekvensene av menneskelig påvirkning på syklusen av stoffer blir stadig større. De ble sammenlignbare med resultatene geologiske prosesser: nye veier for migrering av stoffer oppstår i biosfæren, nye dukker opp kjemiske forbindelser, som ikke var der før, er vannets kretsløp i endring.

Liten (biologisk) syklus

Massen av levende stoffer i biosfæren er relativt liten. Hvis det er fordelt over jordoverflaten, blir resultatet et lag på bare 1,5 cm Tabell 4.1 sammenligner noen kvantitative egenskaper ved biosfæren og andre geosfærer på jorden. Biosfæren, som utgjør mindre enn 10-6 ganger massen av de andre skjellene på planeten, har et uforlignelig større mangfold og fornyer sammensetningen en million ganger raskere.

Tabell 4.1

Sammenligning av biosfæren med andre geosfærer på jorden

*Levende stoff basert på levende vekt

4.4.1. Biosfærens funksjoner

Takket være biotaen til biosfæren skjer den dominerende delen av kjemiske transformasjoner på planeten. Derfor dommen til V.I. Vernadsky om det enorme transformative geologisk rolle levende materie. Til organisk evolusjon levende organismer passerte gjennom seg selv, gjennom deres organer, vev, celler, blod, tusen ganger (for forskjellige sykluser fra 103 til 105 ganger) hele atmosfæren, hele volumet av verdenshavet, det meste av jordmassen, en enorm masse av mineraler. Og de gikk ikke bare glipp av det, men modifiserte også jordens miljø i samsvar med deres behov.

Takket være deres evne til å transformere solenergi til energien til kjemiske bindinger, utfører planter og andre organismer en rekke grunnleggende biogeokjemiske funksjoner på planetarisk skala.

Gassfunksjon. Levende ting utveksler konstant oksygen og karbondioksid med miljøet gjennom prosessene med fotosyntese og respirasjon. Planter spilte en avgjørende rolle i endringen fra et reduserende miljø til et oksiderende miljø i den geokjemiske utviklingen av planeten og i dannelsen av gasssammensetningen til den moderne atmosfæren. Planter kontrollerer strengt konsentrasjonene av O2 og CO2, som er optimale for helheten av alle moderne levende organismer.

Konsentrasjonsfunksjon. Ved å føre store mengder luft og naturlige løsninger gjennom kroppene, utfører levende organismer biogen migrasjon (bevegelse kjemiske substanser) og konsentrasjon av kjemiske elementer og deres forbindelser. Dette gjelder biosyntesen av organisk materiale, dannelsen av koralløyer, konstruksjonen av skjell og skjeletter, utseendet av sedimentære kalksteinslag, forekomster av noen metallmalmer, akkumulering av jern-mangan knuter på havbunnen, etc. tidlige stadier av biologisk evolusjon fant sted i vannmiljøet. Organismer har lært å trekke ut stoffene de trenger fra en fortynnet vandig løsning, og gjentatte ganger øker konsentrasjonen i kroppen.

Redoksfunksjonen til levende stoffer er nært knyttet til den biogene migrasjonen av grunnstoffer og konsentrasjonen av stoffer. Mange stoffer i naturen er stabile og gjennomgår ikke oksidasjon under normale forhold, for eksempel er molekylært nitrogen et av de viktigste biogene elementene. Men levende celler har så kraftige katalysatorer - enzymer - at de er i stand til å utføre mange redoksreaksjoner millioner av ganger raskere enn de kan finne sted i et abiotisk miljø.

Informasjonsfunksjon til levende stoff i biosfæren. Det var med utseendet til de første primitive levende vesenene at aktiv ("levende") informasjon dukket opp på planeten, som skilte seg fra den "døde" informasjonen, som er en enkel refleksjon av strukturen. Organismer viste seg å være i stand til å innhente informasjon ved å kombinere en strøm av energi med en aktiv molekylstruktur som spiller rollen som et program. Evnen til å oppfatte, lagre og behandle molekylær informasjon har gjennomgått en rask utvikling i naturen og har blitt den viktigste økologiske systemdannende faktoren. Den totale tilførselen av genetisk informasjon til biotaen er estimert til 1015 biter. Den totale kraften til flyten av molekylær informasjon assosiert med metabolisme og energi i alle celler i den globale biota når 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Komponenter i den biologiske syklusen.

Den biologiske syklusen skjer mellom alle komponenter i biosfæren (dvs. mellom jord, luft, vann, dyr, mikroorganismer, etc.). Det skjer med obligatorisk deltakelse av levende organismer.

Solstråling som når biosfæren bærer energi på omtrent 2,5 * 1024 J per år. Bare 0,3 % av det omdannes direkte under fotosynteseprosessen til energien til kjemiske bindinger av organiske stoffer, dvs. er involvert i den biologiske syklusen. Og 0,1 - 0,2 % av solenergien som faller på jorden viser seg å være inneholdt i ren primærproduksjon. Videre skjebne Denne energien er assosiert med overføring av organisk materiale av mat gjennom kaskader av trofiske kjeder.

Det biologiske kretsløpet kan betinget deles inn i sammenkoblede komponenter: stoffkretsløpet og energikretsløpet.

4.4.3. Energisyklus. Transformasjon av energi i biosfæren

Et økosystem kan beskrives som en samling av levende organismer som kontinuerlig utveksler energi, materie og informasjon. Energi kan defineres som evnen til å utføre arbeid. Egenskapene til energi, inkludert energiens bevegelse i økosystemer, er beskrevet av termodynamikkens lover.

Termodynamikkens første lov eller loven om energibevaring sier at energi ikke forsvinner eller skapes på nytt, den går bare fra en form til en annen.

Termodynamikkens andre lov sier at i et lukket system kan entropien bare øke. I forhold til energi i økosystemer er følgende formulering praktisk: prosesser knyttet til transformasjon av energi kan bare skje spontant under forutsetning av at energien går fra en konsentrert form til en spredt, det vil si at den brytes ned. Målet på mengden energi som blir utilgjengelig for bruk, eller på annen måte målet for endringen i rekkefølgen som skjer under nedbrytningen av energi, er entropi. Jo høyere rekkefølge systemet har, desto lavere er entropien.

Med andre ord, levende materie mottar og transformerer energien fra rommet og solen til energien til jordiske prosesser (kjemiske, mekaniske, termiske, elektriske). Involverer denne energien og det uorganiske materialet i den kontinuerlige syklusen av stoffer i biosfæren. Strømmen av energi i biosfæren har én retning - fra solen gjennom planter (autotrofer) til dyr (heterotrofer). Naturlige uberørte økosystemer i stabil tilstand med konstante kritiske miljøindikatorer (homeostase) er de mest ordnede systemene og er preget av den laveste entropien.

4.4.4. Syklus av stoffer i levende natur

Dannelsen av levende materie og dens nedbrytning er to sider av en enkelt prosess, som kalles den biologiske syklusen av kjemiske elementer. Livet er syklusen av kjemiske elementer mellom organismer og miljøet.

Årsaken til syklusen er det begrensede antallet elementer som kroppene til organismer er bygget av. Hver organisme trekker ut fra miljø stoffer som er nødvendige for livet og returnerer ubrukte. Hvori:

Noen organismer forbruker mineraler direkte fra miljøet;

andre bruker bearbeidede og isolerte produkter først;

tredje - andre osv., til stoffene kommer tilbake til miljøet i sin opprinnelige tilstand.

I biosfæren er det et åpenbart behov for sameksistens av ulike organismer som er i stand til å bruke hverandres avfallsprodukter. Vi ser tilnærmet avfallsfri biologisk produksjon.

Sirkulasjonen av stoffer i levende organismer kan grovt reduseres til fire prosesser:

1. Fotosyntese. Som et resultat av fotosyntesen absorberer og akkumulerer planter solenergi og syntetiserer organiske stoffer - primære biologiske produkter - og oksygen fra uorganiske stoffer. Primære biologiske produkter er svært forskjellige - de inneholder karbohydrater (glukose), stivelse, fiber, proteiner og fett.

Fotosynteseskjemaet for det enkleste karbohydratet (glukose) har følgende skjema:

Denne prosessen skjer bare i løpet av dagen og er ledsaget av en økning i plantemasse.

På jorden dannes det årlig rundt 100 milliarder tonn organisk materiale som følge av fotosyntesen, omtrent 200 milliarder tonn karbondioksid absorberes, og omtrent 145 milliarder tonn oksygen frigjøres.

Fotosyntese spiller en avgjørende rolle for å sikre eksistensen av liv på jorden. Dens globale betydning forklares av det faktum at fotosyntese er den eneste prosessen der energi i en termodynamisk prosess, i samsvar med det minimalistiske prinsippet, ikke spres, men snarere akkumuleres.

Ved å syntetisere aminosyrene som er nødvendige for konstruksjon av proteiner, kan planter eksistere relativt uavhengig av andre levende organismer. Dette manifesterer autotrofien til planter (uavhengighet i ernæring). Samtidig er den grønne massen av planter og oksygenet som produseres under fotosyntesen grunnlaget for å støtte livet til den neste gruppen av levende organismer - dyr, mikroorganismer. Dette demonstrerer heterotrofien til denne gruppen av organismer.

2. Puste. Prosessen er det motsatte av fotosyntesen. Forekommer i alle levende celler. Under respirasjon oksideres organisk materiale av oksygen, noe som resulterer i dannelse av karbondioksid, vann og frigjøring av energi.

3. Mat (trofiske) forbindelser mellom autotrofe og heterotrofe organismer. I dette tilfellet overføres energi og materie langs leddene næringskjeden, som vi diskuterte mer detaljert tidligere.

4. Transpirasjonsprosessen. En av de viktigste prosessene i det biologiske kretsløpet.

Det kan skjematisk beskrives som følger. Planter absorberer jordfuktighet gjennom røttene. Samtidig mottar de mineraler oppløst i vann, som absorberes, og fuktigheten fordamper mer eller mindre intensivt avhengig av miljøforhold.

4.4.5. Biogeokjemiske sykluser

Geologisk og biologiske sykluser er koblet sammen - de eksisterer som en enkelt prosess, som gir opphav til sirkulasjon av stoffer, de såkalte biogeokjemiske syklusene (BGCC). Denne syklusen av grunnstoffer skyldes syntese og nedbrytning av organiske stoffer i økosystemet (Fig. 4.1) Ikke alle elementene i biosfæren er involvert i BGCC, men bare biogene. Levende organismer er sammensatt av dem; disse elementene inngår i en rekke reaksjoner og deltar i prosesser som skjer i levende organismer. Prosentvis består den totale massen av levende stoffer i biosfæren av følgende biogene hovedelementer: oksygen - 70%, karbon - 18%, hydrogen - 10,5%, kalsium - 0,5%, kalium - 0,3%, nitrogen - 0, 3% (oksygen, hydrogen, nitrogen, karbon er tilstede i alle landskap og er grunnlaget for levende organismer - 98%).

Essensen av biogen migrasjon av kjemiske elementer.

I biosfæren er det således en biogen syklus av stoffer (dvs. en syklus forårsaket av den vitale aktiviteten til organismer) og en ensrettet strøm av energi. Biogen migrasjon av kjemiske elementer bestemmes hovedsakelig av to motstridende prosesser:

1. Dannelse av levende materie fra miljøelementer på grunn av solenergi.

2. Ødeleggelse av organiske stoffer, ledsaget av frigjøring av energi. I dette tilfellet kommer elementer av mineralstoffer gjentatte ganger inn i levende organismer, og blir derved en del av komplekse organiske forbindelser, former, og deretter, når sistnevnte blir ødelagt, får de igjen en mineralform.

Det finnes elementer som er en del av levende organismer, men som ikke er klassifisert som biogene. Slike elementer er klassifisert i henhold til deres vektfraksjon i organismer:

Makroelementer - utgjør minst 10-2% av massen;

Mikroelementer - komponenter fra 9*10-3 til 1*10-3% av massen;

Ultramikroelementer - mindre enn 9*10-6% av massen;

For å bestemme stedet for næringsstoffer blant andre kjemiske elementer i biosfæren, la oss vurdere klassifiseringen som er akseptert i økologi. I henhold til deres aktivitet i prosesser som forekommer i biosfæren, er alle kjemiske elementer delt inn i 6 grupper:

Edelgasser - helium, neon, argon, krypton, xenon. Inerte gasser er ikke en del av levende organismer.

Edelmetaller - rutenium, radium, palladium, osmium, iridium, platina, gull. Disse metallene lager nesten ingen forbindelser i jordskorpen.

Sykliske eller biogene elementer (de kalles også migrerende). Denne gruppen av biogene elementer i jordskorpen utgjør 99,7% av den totale massen, og de resterende 5 gruppene - 0,3%. Dermed er hoveddelen av elementene migranter som sirkulerer inn geografisk konvolutt, og delen av inerte elementer er veldig liten.

Spredte grunnstoffer preget av en overvekt av frie atomer. Bli med kjemiske reaksjoner, men deres forbindelser finnes sjelden i jordskorpen. De er delt inn i to undergrupper. Den første - rubidium, cesium, niob, tantal - skaper forbindelser i dypet av jordskorpen, og på overflaten blir mineralene deres ødelagt. Den andre - jod, brom - reagerer bare på overflaten.

Radioaktive elementer - polonium, radon, radium, uran, neptunium, plutonium.

Sjeldne jordelementer - yttrium, samarium, europium, thulium, etc.

Hele året setter biokjemiske sykluser i gang rundt 480 milliarder tonn materie.

I OG. Vernadsky formulerte tre biogeokjemiske prinsipper som forklarer essensen av biogen migrasjon av kjemiske elementer:

Biogen migrering av kjemiske elementer i biosfæren streber alltid etter maksimal manifestasjon.

Utviklingen av arter over geologisk tid, som fører til dannelsen av stabile livsformer, går i en retning som forbedrer den biogene migrasjonen av atomer.

Levende stoff er i kontinuerlig kjemisk utveksling med omgivelsene, som er en faktor som gjenskaper og vedlikeholder biosfæren.

La oss vurdere hvordan noen av disse elementene beveger seg i biosfæren.

Karbon syklus. Hoveddeltakeren i det biotiske kretsløpet er karbon som grunnlag for organiske stoffer. Karbonsyklusen skjer primært mellom levende stoffer og atmosfærisk karbondioksid gjennom prosessen med fotosyntese. Det er hentet fra mat av planteetere, og fra planteetere av rovdyr. Under respirasjon og forfall returneres karbondioksid delvis til atmosfæren; returen skjer når organiske mineraler brennes.

I fravær av karbonretur til atmosfæren vil det bli konsumert av grønne planter om 7-8 år. Hastigheten for biologisk karbonomsetning gjennom fotosyntese er 300 år. Havet spiller en stor rolle i å regulere CO2-innholdet i atmosfæren. Hvis CO2-innholdet øker i atmosfæren, løses noe av det opp i vann og reagerer med kalsiumkarbonat.

Oksygen syklus.

Oksygen har høy kjemisk aktivitet og kombineres med nesten alle elementene i jordskorpen. Det finnes hovedsakelig i form av forbindelser. Hvert fjerde atom av levende materie er et oksygenatom. Nesten alt av molekylært oksygen i atmosfæren oppsto og holdes på et konstant nivå på grunn av aktiviteten til grønne planter. Atmosfærisk oksygen, bundet under respirasjon og frigjort under fotosyntesen, passerer gjennom alle levende organismer på 200 år.

Nitrogen syklus. Nitrogen er integrert del alle proteiner. Det generelle forholdet mellom fiksert nitrogen, som et grunnstoff som utgjør organisk materiale, og nitrogen i naturen er 1:100 000. Den kjemiske bindingsenergien i et nitrogenmolekyl er veldig høy. Derfor krever kombinasjonen av nitrogen med andre elementer - oksygen, hydrogen (prosessen med nitrogenfiksering) - mye energi. Industriell nitrogenfiksering skjer i nærvær av katalysatorer ved en temperatur på -500 °C og et trykk på -300 atm.

Som du vet, inneholder atmosfæren mer enn 78% molekylært nitrogen, men i denne tilstanden er det ikke tilgjengelig for grønne planter. For deres ernæring kan planter bare bruke salter av salpetersyre og salpetersyre. Hva er måtene disse saltene dannes på? Her er noen av dem:

I biosfæren utføres nitrogenfiksering av flere grupper av anaerobe bakterier og cyanobakterier ved normal temperatur og trykk på grunn av den høye effektiviteten til biokatalyse. Det antas at bakterier omdanner omtrent 1 milliard tonn nitrogen per år til en bundet form (det globale volumet av industriell fiksering er omtrent 90 millioner tonn).

Jordnitrogenfikserende bakterier er i stand til å absorbere molekylært nitrogen fra luften. De beriker jorda med nitrogenforbindelser, så deres betydning er ekstremt stor.

Som et resultat av nedbrytning av nitrogenholdige forbindelser av organiske stoffer av plante- og animalsk opprinnelse.

Under påvirkning av bakterier blir nitrogen til nitrater, nitritter og ammoniumforbindelser. I planter deltar nitrogenforbindelser i syntesen av proteinforbindelser, som overføres fra organisme til organisme i næringskjeder.

Fosfor syklus. Et annet viktig element, uten hvilket proteinsyntese er umulig, er fosfor. Hovedkildene er magmatiske bergarter (apatitter) og sedimentære bergarter (fosforitter).

Uorganisk fosfor er involvert i kretsløpet som et resultat av naturlige utvaskingsprosesser. Fosfor absorberes av levende organismer, som med sin deltakelse syntetiserer en rekke organiske forbindelser og overfører dem til forskjellige trofiske nivåer.

Etter å ha fullført sin reise gjennom trofiske kjeder, spaltes organiske fosfater av mikrober og omdannes til mineralfosfater tilgjengelig for grønne planter.

I prosessen med biologisk sirkulasjon, som sikrer bevegelse av materie og energi, er det ikke noe sted for akkumulering av avfall. Avfallsproduktene (dvs. avfall) fra hver livsform gir grobunn for andre organismer.

Teoretisk sett bør det alltid opprettholdes en balanse i biosfæren mellom produksjonen av biomasse og dens nedbrytning. Imidlertid ble balansen i den biologiske syklusen i visse geologiske perioder forstyrret når det på grunn av visse naturlige forhold, katastrofer, ikke alle biologiske produkter ble assimilert eller transformert. I disse tilfellene ble det dannet overskudd av biologiske produkter, som ble bevart og avsatt i jordskorpen, under tykkelsen av vann, sediment, og havnet i permafrostsonen. Dette er hvordan forekomster av kull, olje, gass og kalkstein ble dannet. Det skal bemerkes at de ikke forurenser biosfæren. Solens energi, akkumulert under fotosynteseprosessen, er konsentrert i organiske mineraler. Nå, ved å brenne organiske brennbare mineraler, frigjør en person denne energien.

I biosfæren er det en global (stor eller geologisk) syklus av stoffer, som eksisterte før de første levende organismer dukket opp. Et bredt utvalg av kjemiske elementer er involvert i det. Den geologiske syklusen utføres takket være solenergi, gravitasjonsenergi, tektoniske og kosmiske energityper.

Med fremkomsten av levende materie på grunnlag av den geologiske syklusen oppsto en syklus av organisk materiale - en liten (biotisk eller biologisk) syklus.

Den biotiske syklusen av stoffer er en kontinuerlig, syklisk, ujevn i tid og rom prosess med bevegelse og transformasjon av stoffer, som skjer med direkte deltakelse av levende organismer. Det er en kontinuerlig prosess med skapelse og ødeleggelse av organisk materiale og realiseres med deltakelse av alle tre grupper av organismer: produsenter, forbrukere og nedbrytere. Omtrent 40 biogene elementer er involvert i biotiske sykluser. Høyeste verdi for levende organismer er det sykluser av karbon, hydrogen, oksygen, nitrogen, fosfor, svovel, jern, kalium, kalsium og magnesium.

Etter hvert som levende materie utvikler seg, trekkes stadig flere grunnstoffer ut av det geologiske kretsløpet og går inn i en ny, biologisk syklus. Den totale massen av askestoffer som årlig er involvert i det biotiske kretsløpet av stoffer alene på land er om lag 8 milliarder tonn. Dette er flere ganger større enn massen av produkter som produseres av utbruddene fra alle vulkaner i verden gjennom året. Hastigheten av sirkulasjon av materie i biosfæren er forskjellig. Det levende stoffet i biosfæren fornyes i gjennomsnitt hvert 8. år, massen av planteplankton i havet oppdateres daglig. Alt oksygenet i biosfæren går gjennom levende stoffer om 2000 år, og karbondioksid – om 300 år.

I økosystemer finner lokale biotiske sykluser sted, og i biosfæren finner biogeokjemiske sykluser av atommigrasjon sted, som ikke bare forbinder alle tre ytre skall av planeten til en enkelt helhet, men også bestemmer den kontinuerlige utviklingen av dens sammensetning.

ATMOSFÆRE HYDROSFÆRE

­ ¯ ­ ¯

LEVENDE SUBSTANS

JORDEN

Evolusjon av biosfæren

Biosfæren dukket opp med fremveksten av de første levende organismene for omtrent 3,5 milliarder år siden. Etter hvert som livet utviklet seg, endret det seg. Stadiene i biosfæreutviklingen kan skilles ut ved å ta hensyn til egenskapene til typen økosystemer.

1. Fremveksten og utviklingen av liv i vann. Scenen er assosiert med eksistens akvatiske økosystemer. Det var ikke oksygen i atmosfæren.

2. Fremveksten av levende organismer på land, utviklingen av jord-luftmiljøet og jordsmonnet og fremveksten av terrestriske økosystemer. Dette ble mulig takket være tilstedeværelsen av oksygen i atmosfæren og ozonskjermen. Skjedde for 2,5 milliarder år siden.

3. Menneskets utseende, dets transformasjon til et biososialt vesen og fremveksten av antropoøkosystemer skjedde for 1 million år siden.

4. Overgangen av biosfæren under påvirkning av intelligent menneskelig aktivitet til en ny kvalitativ tilstand - inn i noosfæren.

Noosfære

Det høyeste utviklingsstadiet av biosfæren er noosfæren - stadiet for rimelig regulering av forholdet mellom menneske og natur. Dette begrepet ble introdusert i 1927 av den franske filosofen E. Leroy. Han mente at noosfæren inkluderer det menneskelige samfunn med dets industri, språk og andre attributter for intelligent aktivitet. På 30-40-tallet. XX århundre V.I. Vernadsky utviklet materialistiske ideer om noosfæren. Han mente at noosfæren oppstår som et resultat av samspillet mellom biosfæren og samfunnet, er styrt av det nære forholdet mellom naturlovene, tenkningen og samfunnets sosioøkonomiske lover, og understreket at

noosfæren (fornuftens sfære) er utviklingsstadiet av biosfæren når intelligent aktivitet til mennesker vil bli den viktigste avgjørende faktoren i dens bærekraftige utvikling.

Noosfæren er et nytt, høyeste stadium av biosfæren, assosiert med fremveksten og utviklingen av menneskeheten i den, som ved å lære naturlovene og forbedre teknologien blir en stor kraft som i skala kan sammenlignes med geologiske, og begynner å ha en avgjørende innflytelse på forløpet av prosesser på Jorden, og endrer det dypt med arbeidet ditt. Dannelsen og utviklingen av menneskeheten kom til uttrykk i fremveksten av nye former for utveksling av materie og energi mellom samfunn og natur, i menneskets stadig økende innvirkning på biosfæren. Noosfæren vil komme når menneskeheten, ved hjelp av vitenskapen, vil være i stand til meningsfullt å kontrollere naturlige og sosiale prosesser. Derfor kan noosfæren ikke betraktes som et spesielt jordskall.

Vitenskapen om å håndtere relasjoner mellom menneskelig samfunn og naturen kalles noogenics.

Hovedmålet med noogenics er å planlegge nåtiden for fremtidens skyld, og dens hovedoppgaver er å korrigere brudd i forholdet mellom menneske og natur forårsaket av teknologiens fremgang, og bevisst styring av utviklingen av biosfæren. Det må dannes en planlagt, vitenskapelig basert bruk av naturressurser, som sørger for gjenoppretting i kretsløpet av stoffer av det som er blitt forstyrret av mennesket, i motsetning til en spontan, rovdrift til naturen, som fører til miljøforringelse. For dette er det nødvendig bærekraftig utvikling et samfunn som møter dagens behov uten at det går på bekostning av fremtidige generasjoners evne til å møte deres behov.

For tiden har planeten dannet seg bioteknosfæren er en del av biosfæren, radikalt forvandlet av mennesket til ingeniørmessige og tekniske strukturer: byer, anlegg og fabrikker, steinbrudd og gruver, veier, demninger og reservoarer, etc.

BIOSFÆRE OG MENNESKE

Biosfæren for mennesker er habitat og kilde til naturressurser.

Naturlige ressurser – naturlige gjenstander og fenomener som mennesker bruker i arbeidsprosessen. De gir en person mat, klær og husly. I henhold til graden av utmattelse er de delt inn i utømmelig og uuttømmelig . Uttømmelig ressursene er delt inn i fornybar Og ikke-fornybare . Ikke-fornybare ressurser inkluderer de ressursene som ikke regenereres (eller fornyes hundrevis av ganger langsommere enn de forbrukes): olje, kull, metallmalm og de fleste mineraler. Fornybar Naturlige ressurser– jord, plante og dyreverden, mineralske råvarer (bordsalt). Disse ressursene blir stadig gjenopprettet fra i forskjellige hastigheter: dyr - flere år, skog - 60-80 år, jord som har mistet fruktbarhet - i flere tusen år. Å overskride forbrukshastigheten over reproduksjonshastigheten fører til fullstendig forsvinning av ressursen.

Uuttømmelig ressurser inkluderer vann, klima ( atmosfærisk luft og vindenergi) og rom: solstråling, energi fra tidevann. Økende miljøforurensning krever imidlertid gjennomføring av miljøtiltak for å bevare disse ressursene.

Å tilfredsstille menneskelige behov er utenkelig uten utnyttelse av naturressurser.

Alle typer menneskelig aktivitet i biosfæren kan kombineres i fire former.

1. Endringer i strukturen til jordoverflaten(pløye land, drenere vannforekomster, hogge ned skog, bygge kanaler). Menneskeheten er i ferd med å bli en mektig geologisk kraft. Mennesket bruker 75 % av landet, 15 % av elvevannet, 20 hektar med skog hugges ned hvert minutt.

· Geologiske og geomorfologiske endringer – intensivering av prosessene for dannelse av raviner, utseendet og hyppigheten av gjørme og jordskred.

· Komplekse (landskaps)endringer – brudd på landskapets integritet og naturlige struktur, det unike ved naturmonumenter, tap av produktive landområder, ørkenspredning.