Stor geologisk syklus. Stort leksikon om olje og gass

Store (geologiske) og små (biogeokjemiske) sykluser av materie

Alle stoffer på planeten vår er i ferd med å sirkulere. Solenergi forårsaker to sykluser av materie på jorden:

Stor (geologisk eller abiotisk);

Liten (biotisk, biogen eller biologisk).

Materiesyklusene og strømmene av kosmisk energi skaper stabiliteten til biosfæren. Syklusen av fast stoff og vann, som oppstår som et resultat av virkningen av abiotiske faktorer (levende natur), kalles den store geologiske syklusen. Med en stor geologisk syklus (millioner av år flyter), blir bergarter ødelagt, forvitret, stoffer løses opp og kommer inn i verdenshavet; geotektoniske endringer finner sted, kontinentene synker, havbunnens stigning. Vannsyklustiden i isbreer er 8000 år, i elver - 11 dager. Det er den store sirkulasjonen som forsyner levende organismer med næringsstoffer og i stor grad bestemmer betingelsene for deres eksistens.

En stor, geologisk syklus i biosfæren er preget av to viktige punkter: oksygen karbon geologisk

• a) utføres gjennomgående geologisk utvikling Jord;
• b) er en moderne planetarisk prosess som tar en ledende del i videre utvikling biosfære.

På det nåværende stadiet av menneskelig utvikling, som et resultat av en stor sirkulasjon, transporteres også forurensninger over lange avstander - oksider av svovel og nitrogen, støv, radioaktive urenheter. Territoriene med tempererte breddegrader på den nordlige halvkule ble utsatt for den største forurensningen.

En liten, biogen eller biologisk sirkulasjon av stoffer skjer i faste, flytende og gassformige faser med deltagelse av levende organismer. Den biologiske syklusen, i motsetning til den geologiske syklusen, krever mindre energi. En liten syklus er en del av en stor, forekommer på nivå med biogeocenoser (innenfor økosystemer) og ligger i det faktum at jordnæringsstoffer, vann, karbon samler seg i plantemateriale og brukes på å bygge kroppen. Nedbrytningsproduktene av organisk materiale brytes ned til mineralske komponenter. Den lille syklusen er ikke lukket, noe som er assosiert med at stoffer og energi kommer inn i økosystemet fra utsiden og med frigjøring av noen av dem i biosfærisk syklus.

Mange kjemiske elementer og deres forbindelser er involvert i store og små sykluser, men de viktigste av dem er de som bestemmer det nåværende utviklingsstadiet av biosfæren, assosiert med menneskelig økonomisk aktivitet. Disse inkluderer syklusene av karbon, svovel og nitrogen (oksydene deres er de viktigste forurensende stoffene i atmosfæren), samt fosfor (fosfater er den viktigste forurensningen i kontinentalt farvann). Nesten alle forurensende stoffer virker skadelige, og de er klassifisert som fremmedfrykt. For tiden er syklusene av fremmedfrykt - giftige elementer - kvikksølv (en matforurensning) og bly (en komponent av bensin) av stor betydning. I tillegg kommer mange stoffer av menneskeskapt opprinnelse (DDT, plantevernmidler, radionuklider, etc.) inn i den lille sirkulasjonen fra den store sirkulasjonen, som forårsaker skade på biota og menneskers helse.

Essensen av den biologiske syklusen er strømmen av to motsatte, men innbyrdes beslektede prosesser - opprettelsen av organisk materiale og dets ødeleggelse av levende materie.

I motsetning til den store syklusen har den lille en annen varighet: sesongmessige, årlige, flerårige og sekulære små sykluser skilles. Sirkulasjon av kjemikalier fra det uorganiske miljøet gjennom vegetasjon og dyr tilbake til det uorganiske miljøet ved bruk av solenergi kjemiske reaksjoner kalt den biogeokjemiske syklusen.

Nåtiden og fremtiden til planeten vår avhenger av levende organismers deltakelse i biosfærens funksjon. I sirkulasjonen av stoffer, utfører levende materie eller biomasse biogeokjemiske funksjoner: gass, konsentrasjon, redoks og biokjemisk.

Den biologiske syklusen skjer med deltakelse av levende organismer og består i reproduksjon av organisk materiale fra uorganisk og nedbrytning av dette organiske til uorganisk gjennom matkjeden. Intensiteten av produksjons- og destruksjonsprosesser i den biologiske syklusen avhenger av mengden varme og fuktighet. For eksempel avhenger den lave nedbrytningshastigheten av organisk materiale i de polare områdene av varmeunderskuddet.

En viktig indikator på intensiteten av den biologiske syklusen er sirkulasjonshastigheten til kjemiske elementer. Intensiteten er preget av en indeks som er lik forholdet mellom massen av skogsøppel og kull. Jo høyere indeks, jo lavere intensitet på syklusen.

Indeks i barskoger - 10 - 17; bredbladet 3 - 4; savanne ikke mer enn 0,2; fuktige tropiske skoger ikke mer enn 0,1, dvs. her er den biologiske syklusen den mest intense.

Strømmen av grunnstoffer (nitrogen, fosfor, svovel) gjennom mikroorganismer er en størrelsesorden høyere enn gjennom planter og dyr. Den biologiske syklusen er ikke fullstendig reversibel, den er nært knyttet til den biogeokjemiske syklusen. Kjemiske elementer sirkulerer i biosfæren langs forskjellige veier i den biologiske syklusen:

• - absorbert av levende materie og ladet med energi;
• - forlate levende materie, frigjør energi til det ytre miljøet.

Disse syklusene er av to typer: sirkulasjonen av gassformige stoffer; sedimentær syklus (reserve i jordskorpen).

Selve syklusene består av to deler:

• - reservefond (dette er en del av stoffet som ikke er assosiert med levende organismer);
• - mobilt (utvekslings)fond (en mindre del av stoffet knyttet til direkte utveksling mellom organismer og deres nærmiljø).

Sykluser er delt inn i:

• - gass-type sykluser med et reservefond i jordskorpen (sykluser av karbon, oksygen, nitrogen) - i stand til rask selvregulering;
• - sedimentære sykluser med et reservefond i jordskorpen (sirkulasjoner av fosfor, kalsium, jern, etc.) - er mer inerte, hoveddelen av stoffet er i en form "utilgjengelig" for levende organismer.

Sykluser kan også deles inn i:

• - lukket (sirkulasjon av gassformige stoffer, for eksempel oksygen, karbon og nitrogen - en reserve i atmosfæren og hydrosfæren i havet, slik at mangelen raskt kompenseres);
• - åpen (opprette et reservefond i jordskorpen, for eksempel fosfor - derfor er tap dårlig kompensert, dvs. et underskudd skapes).

Energigrunnlaget for eksistensen av biologiske sykluser på jorden og deres første kobling er prosessen med fotosyntese. Hver ny sirkulasjonssyklus er ikke en eksakt repetisjon av den forrige. For eksempel, under utviklingen av biosfæren, var noen av prosessene irreversible, noe som resulterte i dannelse og akkumulering av biogen nedbør, en økning i mengden oksygen i atmosfæren, en endring i de kvantitative forholdene mellom isotoper av en rekke elementer osv.

Sirkulasjonen av stoffer kalles vanligvis biogeokjemiske sykluser. De viktigste biogeokjemiske (biosfæriske) syklusene av stoffer: vannets syklus, oksygensyklusen, nitrogensyklusen (deltakelse av nitrogenfikserende bakterier), karbonsyklusen (deltakelse av aerobe bakterier; årlig slippes rundt 130 tonn karbon ut i det geologiske syklus), fosforsyklusen (deltakelse av jordbakterier; årlig vaskes 14 millioner tonn fosfor ut av havene), svovelsyklusen, syklusen av metallkationer.

Vannets kretsløp

Vannets syklus er en lukket syklus som kan utføres, som nevnt ovenfor, selv i fravær av liv, men levende organismer modifiserer det.

Syklusen er basert på prinsippet om at total fordampning kompenseres av nedbør. For planeten som helhet balanserer fordampning og nedbør hverandre. Samtidig fordamper mer vann fra havet enn det kommer tilbake med nedbør. På land, tvert imot, faller mer nedbør, men overskuddet renner ut i innsjøer og elver, og derfra igjen ut i havet. Balansen av fuktighet mellom kontinenter og hav opprettholdes av elveavrenning.

Dermed har den globale hydrologiske syklusen fire hovedstrømmer: nedbør, fordampning, fuktighetsoverføring og transpirasjon.

Vann - det vanligste stoffet i biosfæren - tjener ikke bare som habitat for mange organismer, men er også integrert del kroppen til alle levende vesener. Til tross for den enorme betydningen av vann i alle livsprosesser som skjer i biosfæren, spiller ikke levende materie noen avgjørende rolle i det store vannets syklus på kloden. Drivkraften til denne syklusen er energien til solen, som brukes på fordampning av vann fra overflaten av vannbassenger eller land. Fordampet fuktighet kondenserer i atmosfæren i form av vindblåste skyer; Når skyene avkjøles, faller det nedbør.

Den totale mengden fritt ubundet vann (andelen hav og hav der flytende saltvann) utgjør 86 til 98 %. Resten av vannet (ferskvann) lagres i polarhetter og isbreer og danner vannbassenger og dets grunnvann. Nedbør som faller på overflaten av land dekket med vegetasjon holdes delvis tilbake av bladoverflaten og fordamper deretter inn i atmosfæren. Fuktighet som når jorda kan bli med overflateavrenning eller absorberes av jorda. Fullstendig absorbert av jorda (dette avhenger av type jord, egenskaper ved bergarter og vegetasjonsdekke), kan overflødig sediment sive dypt ned i grunnvannet. Dersom nedbørsmengden overstiger vannkapasiteten øvre lag jord, overflateavrenning begynner, hvis hastighet avhenger av jordsmonnets tilstand, skråningens bratthet, nedbørens varighet og vegetasjonens natur (vegetasjon kan beskytte jorda mot vannerosjon). Vann som er fanget i jorda kan fordampe fra overflaten eller, etter absorpsjon av planterøtter, transpireres (fordampes) inn i atmosfæren gjennom bladene.

Transpirasjonsstrømmen av vann (jord - planterøtter - blader - atmosfære) er hovedveien for vann gjennom levende stoff i dets store sirkulasjon på planeten vår.

Karbonkretsløpet

Hele utvalget av organiske stoffer, biokjemiske prosesser og livsformer på jorden avhenger av egenskapene og egenskapene til karbon. Karboninnholdet i de fleste levende organismer er omtrent 45 % av deres tørre biomasse. Alt det levende stoffet på planeten er involvert i syklusen av organisk materiale og alt karbon på jorden, som kontinuerlig oppstår, muterer, dør, brytes ned, og i denne sekvensen overføres karbon fra et organisk stoff til konstruksjonen av et annet langs næringskjede. I tillegg puster alle levende ting og frigjør karbondioksid.

Karbonkretsløpet på land. Karbonsyklusen opprettholdes gjennom fotosyntese av landplanter og oseanisk planteplankton. Ved å absorbere karbondioksid (fiksere uorganisk karbon), bruker planter energien fra sollys til å omdanne det til organiske forbindelser – og skaper sin egen biomasse. Om natten puster planter, som alle levende ting, og frigjør karbondioksid.

Døde planter, lik og ekskrementer fra dyr tjener som mat for mange heterotrofe organismer (dyr, saprofyttplanter, sopp, mikroorganismer). Alle disse organismene lever hovedsakelig i jorda og skaper i løpet av livet sin egen biomasse, som inkluderer organisk karbon. De frigjør også karbondioksid, og skaper "jordrespirasjon". Ofte brytes ikke dødt organisk materiale helt ned og humus (humus) samler seg i jordsmonnet, noe som spiller en viktig rolle for jordens fruktbarhet. Graden av mineralisering og humifisering av organiske stoffer avhenger av mange faktorer: fuktighet, temperatur, jordas fysiske egenskaper, sammensetning av organiske rester, etc. Under påvirkning av bakterier og sopp kan humus brytes ned til karbondioksid og mineralforbindelser.

Karbonkretsløpet i havene. Karbonsyklusen i havet er forskjellig fra den på land. I havet er det svake leddet til organismer med høyere trofiske nivåer, og derfor alle ledd i karbonsyklusen. Transittiden for karbon gjennom den trofiske forbindelsen til havet er kort, og mengden karbondioksid som frigjøres er ubetydelig.

Havet spiller rollen som hovedregulatoren for karbondioksidinnholdet i atmosfæren. Det foregår en intensiv utveksling av karbondioksid mellom havet og atmosfæren. Havvann har stor oppløsningskraft og bufferkapasitet. Systemet som består av karbonsyre og dens salter (karbonater) er et slags depot av karbondioksid, forbundet med atmosfæren gjennom diffusjon av CO? fra vann til atmosfære og omvendt.

Planteplanktonfotosyntesen foregår intensivt i havet i løpet av dagen, mens fritt karbondioksid forbrukes intensivt, tjener karbonater som en ekstra kilde til dannelsen. Om natten, med en økning i innholdet av fri syre på grunn av respirasjon av dyr og planter, kommer en betydelig del av det igjen inn i sammensetningen av karbonater. De pågående prosessene går i følgende retninger: levende materie? CO?? H?CO?? Sa(NSO?)?? CaCO?.

I naturen gjennomgår ikke en viss mengde organisk materiale mineralisering som følge av mangel på oksygen, høy surhet i miljøet, spesifikke gravforhold, etc. En del av karbonet forlater det biologiske kretsløpet i form av uorganiske (kalkstein, kritt, koraller) og organiske (skifer, olje, kull) forekomster.

Menneskelig aktivitet gjør betydelige endringer i karbonkretsløpet på planeten vår. Landskap, vegetasjonstyper, biocenoser og deres næringskjeder er i endring, store områder av landoverflaten blir drenert eller vannet, jords fruktbarhet forbedres (eller forverres), gjødsel og plantevernmidler blir brukt, etc. Det farligste er utslipp av karbondioksid til atmosfæren som et resultat av drivstoffforbrenning. Dette øker hastigheten på karbonsyklusen og forkorter syklusen.

Oksygen syklus

Oksygen er en forutsetning for at det skal eksistere liv på jorden. Det er inkludert i nesten alle biologiske forbindelser, deltar i biokjemiske reaksjoner av oksidasjon av organiske stoffer, og gir energi til alle vitale prosesser av organismer i biosfæren. Oksygen sikrer åndedrett av dyr, planter og mikroorganismer i atmosfæren, jord, vann, deltar i kjemiske oksidasjonsreaksjoner som oppstår i bergarter, jordsmonn, silt, akviferer.

Hovedgrenene i oksygensyklusen:

• - dannelse av fritt oksygen under fotosyntese og dets absorpsjon under respirasjon av levende organismer (planter, dyr, mikroorganismer i atmosfæren, jord, vann);
• - dannelse av en ozonskjerm;
• - opprettelse av redokssonering;
• - oksidasjon av karbonmonoksid under vulkanutbrudd, akkumulering av sulfatsedimentære bergarter, oksygenforbruk i menneskelige aktiviteter, etc.; overalt er molekylært oksygen involvert i fotosyntesen.

nitrogen syklus

Nitrogen er en del av de biologisk viktige organiske stoffene i alle levende organismer: proteiner, nukleinsyrer, lipoproteiner, enzymer, klorofyll, etc. Til tross for innholdet av nitrogen (79 %) i luften er det mangelfullt for levende organismer.

Nitrogen i biosfæren er i gassform (N2) utilgjengelig for organismer - det er kjemisk lavaktivt, derfor kan det ikke brukes direkte av høyere planter (og de fleste lavere planter) og dyreverdenen. Planter tar opp nitrogen fra jorda i form av ammoniumioner eller nitrationer, d.v.s. såkalt fiksert nitrogen.

Det er atmosfærisk, industriell og biologisk nitrogenfiksering.

Atmosfærisk fiksering oppstår når atmosfæren ioniseres av kosmiske stråler og ved sterke elektriske utladninger under tordenvær, mens nitrogen- og ammoniakkoksider dannes fra luftens molekylære nitrogen, som på grunn av atmosfærisk nedbør blir til ammonium, nitritt, nitratnitrogen og gå inn i jord- og vannbassengene.

Industriell fiksering oppstår som et resultat av menneskelige aktiviteter. Atmosfæren er forurenset med nitrogenforbindelser av planter som produserer nitrogenforbindelser. Varme utslipp fra termiske kraftverk, fabrikker, romfartøyer, supersoniske fly oksiderer nitrogen i luften. Nitrogenoksider, som interagerer med luftvanndamp med nedbør, går tilbake til bakken, kommer inn i jorda i ionisk form.

Biologisk fiksering spiller en stor rolle i nitrogensyklusen. Det utføres av jordbakterier:

• - nitrogenfikserende bakterier (og blågrønnalger);
• - mikroorganismer som lever i symbiose med høyere planter (knutebakterier);
• - ammonifisering;
• - nitrifiserende;
• - denitrifiserende.

Levende fritt i jorda, er nitrogenfikserende aerobe (eksisterende i nærvær av oksygen) bakterier (Azotobacter) i stand til å fikse atmosfærisk molekylært nitrogen på grunn av energien som oppnås fra oksidasjon av jordorganisk materiale under respirasjon, og til slutt binder det med hydrogen og introdusere det i form av en aminogruppe (- NH2) i sammensetningen av aminosyrer i kroppen din. Molekylært nitrogen er også i stand til å fikse noen anaerobe (lever i fravær av oksygen) bakterier som finnes i jorda (Clostridium). Ved å dø av beriker både disse og andre mikroorganismer jorda med organisk nitrogen.

Blågrønnalger, som er spesielt viktige for jorda i rismarker, er også i stand til biologisk fiksering av molekylært nitrogen.

Den mest effektive biologiske fikseringen av atmosfærisk nitrogen skjer i bakterier som lever i symbiose i knuter av belgfrukter (knutebakterier).

Disse bakteriene (Rizobium) bruker energien til vertsplanten til å fikse nitrogen mens de forsyner vertens terrestriske organer med tilgjengelige nitrogenforbindelser.

Assimilerte nitrogenforbindelser fra jorda i nitrat- og ammoniumformer, planter bygger de nødvendige nitrogenholdige forbindelsene i kroppen sin (nitratnitrogen i planteceller er foreløpig gjenopprettet). Produsentanlegg leverer nitrogenholdige stoffer til hele dyreverden og menneskeheten. Døde planter brukes, ifølge den trofiske kjeden, av bioreduksjonsmidler.

Ammonifiserende mikroorganismer bryter ned organiske stoffer som inneholder nitrogen (aminosyrer, urea) med dannelse av ammoniakk. En del av det organiske nitrogenet i jorda er ikke mineralisert, men omdannes til humusstoffer, bitumen og komponenter av sedimentære bergarter.

Ammoniakk (som ammoniumion) kan komme inn i rotsystemet til planter, eller brukes i nitrifikasjonsprosesser.

Nitrifiserende mikroorganismer er kjemosyntetiske stoffer, de bruker energien fra ammoniakkoksidasjon til nitrater og nitritter til nitrater for å sikre alle livsprosesser. På grunn av denne energien gjenoppretter nitrifikatorer karbondioksid og bygger de organiske stoffene i kroppen. Oksidasjon av ammoniakk under nitrifikasjon fortsetter i henhold til følgende reaksjoner:

NH? + 3O? ? 2HNO? + 2H20 + 600 kJ (148 kcal).

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

Nitrater dannet i nitrifikasjonsprosessene går igjen inn i den biologiske syklusen, absorberes fra jorden av plantens røtter eller etter å ha kommet inn med vannavrenning i vannbassenger - fytoplankton og fytobenthos.

Sammen med organismer som fikserer atmosfærisk nitrogen og nitrifiserer det, finnes det mikroorganismer i biosfæren som kan redusere nitrater eller nitritter til molekylært nitrogen. Slike mikroorganismer, kalt denitrifiers, med mangel på fritt oksygen i vann eller jord, bruker oksygen fra nitrater for å oksidere organiske stoffer:

C?H??O2(glukose) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6CO? + 12N? + 18H2O + energi

Energien som frigjøres på samme tid tjener som grunnlag for all vital aktivitet til denitrifiserende mikroorganismer.

Dermed spiller levende stoffer en eksepsjonell rolle i alle ledd i syklusen.

For tiden spiller den industrielle fikseringen av atmosfærisk nitrogen av mennesker en stadig viktigere rolle i nitrogenbalansen i jordsmonn og, følgelig, i hele nitrogensyklusen i biosfæren.

Fosfor syklus

Fosforsyklusen er enklere. Mens reservoaret av nitrogen er luft, er reservoaret av fosfor bergarter, hvorfra det frigjøres under erosjon.

Karbon, oksygen, hydrogen og nitrogen migrerer lettere og raskere i atmosfæren, da de er i gassform, og danner gassformige forbindelser i biologiske sykluser. For alle andre elementer, bortsett fra svovel, som er nødvendige for eksistensen av levende stoffer, er dannelsen av gassformige forbindelser i biologiske sykluser ukarakteristisk. Disse elementene migrerer hovedsakelig i form av ioner og molekyler oppløst i vann.

Fosfor, assimilert av planter i form av ortofosforsyreioner, spiller en viktig rolle i livet til alle levende organismer. Det er en del av ADP, ATP, DNA, RNA og andre forbindelser.

Syklusen av fosfor i biosfæren er åpen. I terrestriske biogeocenoser kommer fosfor, etter absorpsjon av planter fra jorda gjennom næringskjeden, igjen inn i jorda i form av fosfater. Hovedmengden av fosfor absorberes igjen av plantens rotsystem. Delvis kan fosfor vaskes ut med avrenning av regnvann fra jorda til vannbassenger.

I naturlige biogeocenoser er det ofte mangel på fosfor, og i et alkalisk og oksidert miljø finnes det vanligvis i form av uløselige forbindelser.

En stor mengde fosfater inneholder bergarter i litosfæren. Noen av dem går gradvis inn i jorden, noen er utviklet av mennesker for produksjon av fosfatgjødsel, de fleste av dem utvaskes og vaskes inn i hydrosfæren. Der brukes de av planteplankton og beslektede organismer på forskjellige trofiske nivåer av komplekse næringskjeder.

I Verdenshavet skjer tapet av fosfater fra det biologiske kretsløpet på grunn av avsetning av plante- og dyrerester på store dyp. Siden fosfor hovedsakelig beveger seg fra litosfæren til hydrosfæren med vann, migrerer den biologisk til litosfæren (spiser fisk av sjøfugl, bruker bunnalger og fiskemel som gjødsel osv.).

Av alle elementene i mineralernæringen til planter, kan fosfor betraktes som mangelfull.

Svovel syklus

For levende organismer er svovel av stor betydning, siden det er en del av de svovelholdige aminosyrene (cystin, cystein, metionin, etc.). Ved å være i sammensetningen av proteiner opprettholder svovelholdige aminosyrer den nødvendige tredimensjonale strukturen til proteinmolekyler.

Svovel absorberes av planter fra jorda bare i oksidert form, i form av et ion. I planter reduseres svovel og er en del av aminosyrer i form av sulfhydryl (-SH) og disulfid (-S-S-) grupper.

Dyr assimilerer kun redusert svovel, som er en del av organisk materiale. Etter døden til plante- og dyreorganismer går svovel tilbake til jorda, hvor det, som et resultat av aktiviteten til en rekke former for mikroorganismer, gjennomgår transformasjoner.

Under aerobe forhold oksiderer noen mikroorganismer organisk svovel til sulfater. Sulfationer, som blir absorbert av plantenes røtter, er igjen inkludert i den biologiske syklusen. Noen sulfater kan inkluderes i vannmigrering og fjernes fra jorda. I jord som er rik på humusstoffer, finnes en betydelig mengde svovel i organiske forbindelser, som forhindrer utvasking.

Under anaerobe forhold produserer nedbrytningen av organiske svovelforbindelser hydrogensulfid. Hvis sulfater og organiske stoffer er i et oksygenfritt miljø, aktiveres aktiviteten til sulfatreduserende bakterier. De bruker oksygenet til sulfater for å oksidere organisk materiale og dermed få den energien som er nødvendig for deres eksistens.

Sulfatreduserende bakterier er vanlige i grunnvann, silt og stillestående sjøvann. Hydrogensulfid er en gift for de fleste levende organismer, så det akkumuleres i vannfylt jord, innsjøer, elvemunninger, etc. reduserer eller til og med fullstendig stopper vitale prosesser. Et slikt fenomen er observert i Svartehavet på en dybde under 200 m fra overflaten.

Således, for å skape et gunstig miljø, er det nødvendig å oksidere hydrogensulfid til sulfationer, noe som vil ødelegge den skadelige effekten av hydrogensulfid, svovel vil bli til en form tilgjengelig for planter - i form av sulfatsalter. Denne rollen utføres i naturen av en spesiell gruppe svovelbakterier (fargeløse, grønne, lilla) og tioniske bakterier.

Fargeløse svovelbakterier er kjemosyntetiske: de bruker energien som oppnås fra oksidasjon av hydrogensulfid med oksygen til elementært svovel og videre oksidasjon til sulfater.

Fargede svovelbakterier er fotosyntetiske organismer som bruker hydrogensulfid som hydrogengiver for å redusere karbondioksid.

Det resulterende elementære svovelet i grønne svovelbakterier frigjøres fra cellene, i lilla bakterier samler det seg inne i cellene.

Den generelle reaksjonen av denne prosessen er fotoreduksjon:

CO2+ 2H?S lys? (CH2O) + H2O +2S.

Tionbakterier oksiderer elementært svovel og dets forskjellige reduserte forbindelser til sulfater på bekostning av fritt oksygen, og returnerer det tilbake til hovedstrømmen av den biologiske syklusen.

I prosessene i den biologiske syklusen, hvor svovel omdannes, spiller levende organismer, spesielt mikroorganismer, en stor rolle.

Hovedreservoaret av svovel på planeten vår er verdenshavet, siden sulfationer kontinuerlig kommer inn i det fra jorda. En del av svovelet fra havet går tilbake til land gjennom atmosfæren i henhold til ordningen hydrogensulfid - oksiderer det til svoveldioksid - oppløser sistnevnte i regnvann med dannelse av svovelsyre og sulfater - returnerer svovel med nedbør til jordens jorddekke.

Syklus av uorganiske kationer

I tillegg til de grunnleggende elementene som utgjør levende organismer (karbon, oksygen, hydrogen, fosfor og svovel), er mange andre makro- og mikroelementer - uorganiske kationer - livsviktige. I vannbassenger mottar planter metallkationene de trenger direkte fra miljøet. På land er den viktigste kilden til uorganiske kationer jorda, som mottok dem i prosessen med ødeleggelse av foreldrebergarter. Hos planter flytter kationene som absorberes av rotsystemene til bladene og andre organer; noen av dem (magnesium, jern, kobber og en rekke andre) er en del av biologisk viktige molekyler (klorofyll, enzymer); andre, som forblir i fri form, deltar i å opprettholde de nødvendige kolloidale egenskapene til protoplasmaet til celler og utfører forskjellige andre funksjoner.

Når levende organismer dør, går uorganiske kationer tilbake til jorden i prosessen med mineralisering av organiske stoffer. Tapet av disse komponentene fra jorda skjer som følge av utvasking og fjerning av metallkationer med regnvann, avvisning og fjerning av organisk materiale av mennesker under dyrking av landbruksplanter, hogst, klipping av gress til husdyrfôr, etc.

Rasjonell bruk av mineralgjødsel, jordgjenvinning, bruk av organisk gjødsel og riktig landbruksteknologi vil bidra til å gjenopprette og opprettholde balansen mellom uorganiske kationer i biocenosene i biosfæren.

Menneskeskapt syklus: syklus av fremmedfrykt (kvikksølv, bly, krom)

Menneskeheten er en del av naturen og kan bare eksistere i konstant interaksjon med den.

Det er likheter og motsetninger mellom den naturlige og menneskeskapte sirkulasjonen av materie og energi som forekommer i biosfæren.

Den naturlige (biogeokjemiske) livssyklusen har følgende egenskaper:

• - bruken av solenergi som en kilde til liv og alle dens manifestasjoner basert på termodynamiske lover;
• - det utføres uten avfall, dvs. alle produktene av dens vitale aktivitet mineraliseres og tas med på nytt i neste syklus av sirkulasjonen av stoffer. Samtidig fjernes brukt, devaluert termisk energi utenfor biosfæren. Under det biogeokjemiske kretsløpet av stoffer genereres avfall, d.v.s. reserver i form av kull, olje, gass og annet mineralressurser. I motsetning til det avfallsfrie naturlige kretsløpet, er det menneskeskapte kretsløpet ledsaget av en økning i avfall hvert år.

Det er ingenting ubrukelig eller skadelig i naturen, selv vulkanutbrudd har fordeler, fordi de nødvendige elementene (for eksempel nitrogen) kommer inn i luften med vulkanske gasser.

Det er en lov om global lukking av den biogeokjemiske sirkulasjonen i biosfæren, som er gyldig i alle stadier av dens utvikling, samt en regel for å øke stengingen av den biogeokjemiske sirkulasjonen i løpet av rekkefølgen.

Mennesker spiller en enorm rolle i den biogeokjemiske syklusen, men i motsatt retning. Mennesket bryter de eksisterende syklusene av stoffer, og dette manifesterer hans geologiske kraft - destruktiv i forhold til biosfæren. Som et resultat av menneskeskapt aktivitet reduseres graden av isolasjon av biogeokjemiske sykluser.

Den menneskeskapte syklusen er ikke begrenset til energien til sollys fanget av de grønne plantene på planeten. Menneskeheten bruker energien til drivstoff, vannkraft og kjernekraftverk.

Det kan hevdes at menneskeskapt aktivitet på det nåværende stadiet er en enorm destruktiv kraft for biosfæren.

Biosfæren har en spesiell egenskap - betydelig motstand mot forurensninger. Denne stabiliteten er basert på den naturlige evnen til de ulike komponentene naturlige omgivelser til selvrensing og selvhelbredelse. Men ikke ubegrenset. Den mulige globale krisen førte til behovet for å bygge en matematisk modell av biosfæren som helhet ("Gaia"-systemet) for å få informasjon om biosfærens mulige tilstand.

Et xenobiotikum er et stoff fremmed for levende organismer som oppstår som et resultat av menneskeskapt aktivitet (sprøytemidler, husholdningskjemikalier og andre forurensende stoffer), som kan forårsake forstyrrelse av biotiske prosesser, inkl. sykdom eller død. Slike forurensninger gjennomgår ikke biologisk nedbrytning, men akkumuleres i trofiske kjeder.

Kvikksølv er et svært sjeldent grunnstoff. Det er spredt i jordskorpen og bare i noen få mineraler, for eksempel kanel, finnes i konsentrert form. Kvikksølv er involvert i stoffets syklus i biosfæren, og migrerer i gassform og i vandige løsninger.

Det kommer inn i atmosfæren fra hydrosfæren under fordampning, under utslipp fra sinober, med vulkanske gasser og gasser fra termiske kilder. En del av det gassformige kvikksølvet i atmosfæren går over i den faste fasen og fjernes fra luften. Fallet kvikksølv absorberes av jordsmonn, spesielt leire, vann og steiner. I brennbare mineraler - olje og kull - inneholder kvikksølv opptil 1 mg / kg. Det er omtrent 1,6 milliarder tonn i vannmassen i havene, 500 milliarder tonn i bunnsedimenter og 2 millioner tonn i plankton. Omtrent 40 tusen tonn blir utført av elvevann fra land hvert år, noe som er 10 ganger mindre enn det som kommer inn i atmosfæren under fordampning (400 tusen tonn). Omtrent 100 tusen tonn faller på landoverflaten årlig.

Kvikksølv har forvandlet seg fra en naturlig del av det naturlige miljøet til et av de mest farlige menneskeskapte utslippene til biosfæren for menneskers helse. Det er mye brukt i metallurgi, kjemisk, elektrisk, elektronisk, tremasse og papir og farmasøytisk industri og brukes til produksjon av eksplosiver, lakk og maling, så vel som i medisin. Industrielt avløp og atmosfæriske utslipp, sammen med kvikksølvgruver, kvikksølvproduksjonsanlegg og termiske kraftverk (CHP og kjelehus) som bruker kull, olje og oljeprodukter, er hovedkildene til biosfæreforurensning med denne giftige komponenten. I tillegg er kvikksølv en ingrediens i organiske kvikksølv plantevernmidler som brukes i landbruket for å behandle frø og beskytte avlinger mot skadedyr. Det kommer inn i menneskekroppen med mat (egg, syltet korn, kjøtt av dyr og fugler, melk, fisk).

Kvikksølv i vann og bunnsedimenter i elver

Det er fastslått at omtrent 80 % av kvikksølv som kommer inn i naturlige vannforekomster er i oppløst form, noe som til slutt bidrar til at det spres over lange avstander sammen med vannstrømmer. Det rene grunnstoffet er ikke giftig.

Kvikksølv finnes oftere i bunnsiltvann i relativt ufarlige konsentrasjoner. Uorganiske kvikksølvforbindelser omdannes til giftige organiske kvikksølvforbindelser, som metylkvikksølv CH?Hg og etylkvikksølv CH?H?Hg, av bakterier som lever i detritus og sedimenter, i bunnslammet i innsjøer og elver, i slimet som dekker kroppene til fisk, og også i fiskemageslim. Disse forbindelsene er lett løselige, mobile og svært giftige. Det kjemiske grunnlaget for den aggressive virkningen av kvikksølv er dets affinitet for svovel, spesielt med hydrogensulfidgruppen i proteiner. Disse molekylene binder seg til kromosomer og hjerneceller. Fisk og skalldyr kan samle dem til farlige nivåer for personen som spiser dem, og forårsake Minamata-sykdom.

Metallkvikksølv og dets uorganiske forbindelser virker hovedsakelig på leveren, nyrene og tarmkanalen, men under normale forhold skilles de relativt raskt ut fra kroppen og mengden som er farlig for menneskekroppen har ikke tid til å samle seg. Metylkvikksølv og andre alkylkvikksølvforbindelser er mye farligere, fordi det oppstår kumulering - giftstoffet kommer inn i kroppen raskere enn det skilles ut fra kroppen, og virker på sentralnervesystemet.

Bunnsedimenter er en viktig egenskap ved akvatiske økosystemer. Ved å akkumulere tungmetaller, radionuklider og svært giftige organiske stoffer bidrar bunnsedimenter på den ene siden til selvrensing av vannmiljøer, og er på den andre siden en konstant kilde til sekundær forurensning av vannforekomster. Bunnsedimenter er et lovende analyseobjekt, som gjenspeiler et langsiktig forurensningsmønster (spesielt i sakteflytende vannforekomster). Dessuten observeres akkumulering av uorganisk kvikksølv i bunnsedimenter spesielt i elvemunninger. En spent situasjon kan oppstå når adsorpsjonskapasiteten til sedimenter (silt, nedbør) er oppbrukt. Når adsorpsjonskapasiteten er nådd, tungmetaller, inkl. kvikksølv vil komme inn i vannet.

Det er kjent at under marine anaerobe forhold i sedimentene til døde alger, binder kvikksølv seg til hydrogen og går over i flyktige forbindelser.

Med deltakelse av mikroorganismer kan metallisk kvikksølv metyleres i to trinn:

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

Metylkvikksølv dukker opp i miljøet praktisk talt bare under metylering av uorganisk kvikksølv.

Den biologiske halveringstiden til kvikksølv er lang, den er 70-80 dager for de fleste vev i menneskekroppen.

Stor fisk, som sverdfisk og tunfisk, er kjent for å være forurenset med kvikksølv tidlig i næringskjeden. Samtidig er det ikke uten interesse å merke seg at det i enda større grad enn i fisk samler seg opp (akkumulerer) kvikksølv i østers.

Kvikksølv kommer inn i menneskekroppen gjennom pust, med mat og gjennom huden i henhold til følgende skjema:

For det første er det en transformasjon av kvikksølv. Dette elementet forekommer naturlig i flere former.

Metallisk kvikksølv, brukt i termometre, og dets uorganiske salter (f.eks. klorid) elimineres relativt raskt fra kroppen.

Mye mer giftig er alkylkvikksølvforbindelser, spesielt metyl- og etylkvikksølv. Disse forbindelsene skilles veldig sakte ut fra kroppen - bare omtrent 1% av den totale mengden per dag. Selv om det meste av kvikksølvet som kommer inn i naturlige vann er i form av uorganiske forbindelser, ender det alltid opp i fisk i form av det mye giftigere metylkvikksølvet. Bakterier i bunnslammet i innsjøer og elver, i slimet som dekker fiskens kropper, samt i slimet i fiskemagen, er i stand til å omdanne uorganiske kvikksølvforbindelser til metylkvikksølv.

For det andre øker selektiv akkumulering, eller biologisk akkumulering (konsentrasjon), kvikksølvinnholdet i fisk og skalldyr til nivåer mange ganger høyere enn i buktvann. Fisk og skalldyr som lever i elva akkumulerer metylkvikksølv til konsentrasjoner som er farlige for mennesker som bruker dem til mat.

% av verdens fiskefangst inneholder kvikksølv i en mengde som ikke overstiger 0,5 mg/kg, og 95 % - under 0,3 mg/kg. Nesten alt kvikksølv i fisk er i form av metylkvikksølv.

Gitt den forskjellige toksisiteten til kvikksølvforbindelser for mennesker i matvarer, er det nødvendig å bestemme uorganisk (totalt) og organisk bundet kvikksølv. Vi bestemmer kun det totale kvikksølvinnholdet. I henhold til medisinske og biologiske krav er innholdet av kvikksølv i ferskvannsrovfisk tillatt 0,6 mg/kg, i marin fisk - 0,4 mg/kg, i ferskvanns ikke-rovfisk kun 0,3 mg/kg, og i tunfisk opptil 0,7 mg /kg kg. I produkter baby mat innholdet av kvikksølv bør ikke overstige 0,02 mg/kg i hermetisert kjøtt, 0,15 mg/kg i hermetisk fisk, i resten - 0,01 mg/kg.

Bly er tilstede i nesten alle komponenter i det naturlige miljøet. Den inneholder 0,0016 % i jordskorpen. Det naturlige nivået av bly i atmosfæren er 0,0005 mg/m3. Mesteparten av det er avsatt med støv, ca 40% faller med atmosfærisk nedbør. Planter får bly fra jord, vann og atmosfærisk nedfall, mens dyr får bly fra planter og vann. Metall kommer inn i menneskekroppen med mat, vann og støv.

De viktigste kildene til blyforurensning i biosfæren er bensinmotorer, hvis eksosgasser inneholder trietylbly, termiske kraftverk som brenner kull, gruvedrift, metallurgisk og kjemisk industri. En betydelig mengde bly introduseres i jorda sammen med avløpsvann som brukes som gjødsel. For å slukke den brennende reaktoren til atomkraftverket i Tsjernobyl ble det også brukt bly, som kom inn i luftbassenget og spredte seg over store områder. Med en økning i miljøforurensning med bly, øker avsetningen i bein, hår og lever.

Krom. Det farligste er giftig krom (6+), som mobiliseres i sur og alkalisk jord, i ferskvann og hav. I sjøvann krom er 10 - 20% representert av Cr (3+)-formen, 25 - 40% - av Cr (6+), 45 - 65% - av den organiske formen. I pH-området 5 - 7 dominerer Cr (3+), og ved pH > 7 - Cr (6+). Det er kjent at Cr (6+) og organiske kromforbindelser ikke felles ut sammen med jernhydroksid i sjøvann.

Naturlige sykluser av stoffer er praktisk talt lukket. I naturlige økosystemer brukes materie og energi sparsomt, og avfall fra noen organismer er en viktig betingelse for andres eksistens. Den menneskeskapte syklusen av stoffer er ledsaget av et enormt forbruk av naturressurser og en stor mengde avfall som forårsaker miljøforurensning. Opprettelsen av selv de mest avanserte behandlingsanleggene løser ikke problemet, så det er nødvendig å utvikle lavavfalls- og avfallsfrie teknologier som gjør det mulig å gjøre den menneskeskapte syklusen så lukket som mulig. Teoretisk er det mulig å lage en avfallsfri teknologi, men lavavfallsteknologier er reelle.

Tilpasning til naturfenomener

Tilpasninger er ulike tilpasninger til miljøet utviklet av organismer (fra de enkleste til de høyeste) i evolusjonsprosessen. Evnen til å tilpasse seg er en av hovedegenskapene til de levende, og gir muligheten for deres eksistens.

Hovedfaktorene som utvikler tilpasningsprosessen inkluderer: arv, variasjon, naturlig (og kunstig) seleksjon.

Toleransen kan endres dersom kroppen går inn i andre ytre forhold. Å komme inn i slike forhold, etter en stund, blir han vant til det, som det var, tilpasser seg dem (fra lat. tilpasning - å tilpasse seg). Konsekvensen av dette er en endring i bestemmelsene til det fysiologiske optimum.

Egenskapen til organismer til å tilpasse seg tilværelsen i et bestemt område miljøfaktor kalt økologisk plastisitet.

Jo bredere rekkevidden av den økologiske faktoren som en gitt organisme kan leve innenfor, jo større er dens økologiske plastisitet. I henhold til graden av plastisitet skilles to typer organismer: stenobiont (stenoeks) og eurybiont (euryeks). Dermed er stenobionter økologisk ikke-plastiske (f.eks. flyndre lever bare i saltvann, og karpe kun i ferskvann), dvs. kortherdig, og eurybionts er økologisk plastiske, dvs. er mer hardføre (for eksempel kan den trepiggede pinneryggen leve i både ferskvann og saltvann).

Tilpasninger er flerdimensjonale, da en organisme må tilpasse seg mange ulike miljøfaktorer samtidig.

Det er tre hovedmåter å tilpasse organismer til miljøforhold: aktiv; passiv; unngå uønskede effekter.

Den aktive tilpasningsveien er styrking av motstand, utvikling av reguleringsprosesser som gjør det mulig å utføre alle kroppens vitale funksjoner, til tross for faktorens avvik fra det optimale. For eksempel opprettholder varmblodige dyr en konstant kroppstemperatur - optimal for de biokjemiske prosessene som skjer i den.

Den passive tilpasningsveien er underordningen av organismers vitale funksjoner til endringer i miljøfaktorer. For eksempel, under ugunstige miljøforhold, går mange organismer inn i en tilstand av anabiose ( skjult liv), hvor stoffskiftet i kroppen praktisk talt stopper (tilstanden av vinterhvile, stupor av insekter, dvalemodus, bevaring av sporer i jorda i form av sporer og frø).

Unngåelse av uønskede effekter - utvikling av tilpasninger, oppførsel av organismer (tilpasning), som bidrar til å unngå ugunstige forhold. I dette tilfellet kan tilpasninger være: morfologiske (kroppsstrukturen endres: modifisering av bladene til en kaktus), fysiologiske (kamelen gir seg fuktighet på grunn av oksidasjon av fettreserver), etologisk (endringer i atferd: sesongmessige fugletrekk, dvale om vinteren).

Levende organismer er godt tilpasset periodiske faktorer. Ikke-periodiske faktorer kan forårsake sykdom og til og med død av organismen (for eksempel narkotika, plantevernmidler). Men ved langvarig eksponering kan tilpasning til dem også forekomme.

Organismer tilpasset daglige, sesongmessige, tidevannsrytmer, rytmer av solaktivitet, månefaser og andre strengt periodiske fenomener. Så sesongtilpasning utmerker seg som sesongvariasjon i naturen og vinterhvilen.

Sesongmessighet i naturen. Den ledende verdien for planter og dyr i tilpasning av organismer er den årlige temperaturvariasjonen. Perioden som er gunstig for livet, i gjennomsnitt for landet vårt, varer omtrent seks måneder (vår, sommer). Allerede før ankomsten av stabil frost begynner en periode med vinterhvile i naturen.

Vinterhvile. Vinterhvile er ikke bare en utviklingsstans som følge av lave temperaturer, men en kompleks fysiologisk tilpasning som dessuten bare forekommer på et visst utviklingsstadium. For eksempel overvintrer malariamyggen og neslemøllen på voksent insektstadium, kålsommerfuglen på puppestadiet og sigøynermøll på eggstadiet.

Biorytmer. Hver art i utviklingsprosessen har utviklet en karakteristisk årlig syklus med intensiv vekst og utvikling, reproduksjon, forberedelse til vinter og overvintring. Dette fenomenet kalles biologisk rytme. Sammenfallet av hver periode i livssyklusen med den tilsvarende sesongen er avgjørende for artens eksistens.

Hovedfaktoren i reguleringen av sesongsykluser hos de fleste planter og dyr er endringen i lengden på dagen.

Biorytmer er:

eksogene (eksterne) rytmer (oppstår som en reaksjon på periodiske endringer i miljøet (endring av dag og natt, årstider, solaktivitet) endogene (indre rytmer) genereres av kroppen selv

I sin tur er endogene delt inn i:

Fysiologiske rytmer (hjerteslag, respirasjon, endokrine kjertler, DNA, RNA, proteinsyntese, enzymer, celledeling, etc.)

Økologiske rytmer (daglig, årlig, tidevann, måne, etc.)

Prosessene med DNA, RNA, proteinsyntese, celledeling, hjerteslag, respirasjon osv. har rytme. Ytre påvirkninger kan endre fasene til disse rytmene og endre deres amplitude.

Fysiologiske rytmer varierer avhengig av kroppens tilstand, mens miljørytmer er mer stabile og tilsvarer ytre rytmer. Med endogene rytmer kan kroppen navigere i tid og forberede seg på forhånd for de kommende endringene i miljøet - dette er kroppens biologiske klokke. Mange levende organismer er preget av døgn- og døgnrytmer.

Døgnrytmer (døgnrytme) - tilbakevendende intensiteter og natur av biologiske prosesser og fenomener med en periode på 20 til 28 timer. Døgnrytmer er assosiert med aktiviteten til dyr og planter i løpet av dagen og er som regel avhengig av temperatur og lysintensitet. Flaggermus flyr for eksempel i skumringen og hviler om dagen, mange planktoniske organismer holder seg ved vannoverflaten om natten og går ned i dypet om dagen.

Sesongmessige biologiske rytmer er assosiert med påvirkning av lys - fotoperioden. Reaksjonen til organismer på lengden av dagen kalles fotoperiodisme. Fotoperiodisme er en vanlig viktig tilpasning som regulerer sesongmessige fenomener i en lang rekke organismer. Studiet av fotoperiodisme hos planter og dyr viste at organismers reaksjon på lys er basert på veksling av perioder med lys og mørke av en viss varighet i løpet av dagen. Reaksjonen til organismer (fra encellede til mennesker) på lengden av dag og natt viser at de er i stand til å måle tid, d.v.s. har en slags biologisk klokke. Den biologiske klokken, i tillegg til sesongsykluser, kontrollerer mange andre biologiske fenomener, bestemmer den riktige daglige rytmen til både aktiviteten til hele organismer og prosesser som oppstår selv på cellenivå, spesielt celledelinger.

En universell egenskap for alle levende ting, fra virus og mikroorganismer til høyerestående planter og dyr, er evnen til å gi mutasjoner - plutselige, naturlige og kunstig forårsaket, arvelige endringer i arvestoffet, som fører til en endring i visse tegn på organismen. Mutasjonsvariabilitet samsvarer ikke med miljøforhold og forstyrrer som regel eksisterende tilpasninger.

Mange insekter faller i diapause (en lang stopp i utviklingen) på et visst utviklingsstadium, som ikke bør forveksles med en hviletilstand under ugunstige forhold. Reproduksjonen til mange marine dyr er påvirket av månerytmer.

Sirkaniske (nesten årlige) rytmer er tilbakevendende endringer i intensiteten og naturen til biologiske prosesser og fenomener med en periode på 10 til 13 måneder.

Den fysiske og psykologiske tilstanden til en person har også en rytmisk karakter.

Den forstyrrede rytmen i arbeid og hvile reduserer effektiviteten og har en negativ effekt på menneskers helse. Den menneskelige tilstanden i ekstreme forhold vil avhenge av graden av hans beredskap for disse forholdene, siden det praktisk talt ikke er tid til tilpasning og restitusjon.

Alle stoffer på planeten er i ferd med å sirkulere. Solenergi forårsaker to sykluser av materie på jorden: stor (geologisk, biosfærisk) Og liten (biologisk).

Den store sirkulasjonen av stoffer i biosfæren er preget av to viktige punkter: den utføres gjennom hele jordens geologiske utvikling og er en moderne planetarisk prosess som tar en ledende rolle i den videre utviklingen av biosfæren.

Den geologiske syklusen er assosiert med dannelsen og ødeleggelsen av bergarter og den påfølgende bevegelsen av ødeleggelsesprodukter - skadelig materiale og kjemiske elementer. En betydelig rolle i disse prosessene ble spilt og fortsetter å spilles av de termiske egenskapene til overflaten av land og vann: absorpsjon og refleksjon av sollys, termisk ledningsevne og varmekapasitet. Det ustabile hydrotermiske regimet på jordoverflaten, sammen med det planetariske atmosfæriske sirkulasjonssystemet, bestemte den geologiske sirkulasjonen av stoffer, som i det innledende stadiet av jordens utvikling, sammen med endogene prosesser, var assosiert med dannelsen av kontinenter, hav og moderne geosfærer. Med dannelsen av biosfæren ble produktene av vital aktivitet av organismer inkludert i den store syklusen. Det geologiske kretsløpet forsyner levende organismer med næringsstoffer og bestemmer i stor grad betingelsene for deres eksistens.

De viktigste kjemiske elementene litosfærer: oksygen, silisium, aluminium, jern, magnesium, natrium, kalium og andre - deltar i en stor sirkulasjon, som går fra de dype delene av den øvre mantelen til overflaten av litosfæren. Magmatisk bergart dannet under krystallisering

Magma, etter å ha kommet inn i overflaten av litosfæren fra jordens dyp, gjennomgår nedbrytning og forvitring i biosfæren. Forvitringsprodukter går over i en mobil tilstand, bæres av vann, vind til steder med lavt relieff, faller ned i elver, havet og danner tykke lag av sedimentære bergarter, som over tid, stuper til en dybde i områder med forhøyet temperatur og trykk, gjennomgår metamorfose, dvs. "omsmeltet". Under denne omsmeltingen dukker det opp en ny metamorf bergart som kommer inn i de øvre horisontene av jordskorpen og går inn i sirkulasjonen av stoffer igjen. (Fig. 32).

Ris. 32. Geologisk (stor) sirkulasjon av stoffer

Enkelt mobile stoffer - gasser og naturlig vann som utgjør atmosfæren og hydrosfæren på planeten - gjennomgår den mest intensive og raske sirkulasjonen. Materialet i litosfæren sykluser mye saktere. Generelt er hver sirkulasjon av et hvilket som helst kjemisk element en del av den generelle store sirkulasjonen av stoffer på jorden, og alle er nært forbundet. Det levende stoffet i biosfæren i denne sirkulasjonen utfører en enorm jobb med å omfordele de kjemiske elementene som kontinuerlig sirkulerer i biosfæren, og går fra det ytre miljøet til organismer og igjen til det ytre miljøet.

Liten, eller biologisk, sirkulasjon av stoffer- Dette

sirkulasjon av stoffer mellom planter, dyr, sopp, mikroorganismer og jord. Essensen av den biologiske syklusen er strømmen av to motsatte, men sammenhengende prosesser - dannelsen av organiske stoffer og deres ødeleggelse. Det første stadiet i fremveksten av organiske stoffer skyldes fotosyntesen av grønne planter, det vil si dannelsen av levende stoffer fra karbondioksid, vann og enkle mineralforbindelser ved bruk av solenergi. Planter (produsenter) trekker ut molekyler av svovel, fosfor, kalsium, kalium, magnesium, mangan, silisium, aluminium, sink, kobber og andre grunnstoffer fra jorda i en løsning. Planteetende dyr (forbrukere av første orden) absorberer forbindelser av disse elementene allerede i form av mat av planteopprinnelse. Rovdyr (forbrukere av andre orden) lever av planteetende dyr og spiser mat med en mer kompleks sammensetning, inkludert proteiner, fett, aminosyrer og andre stoffer. I prosessen med ødeleggelse av mikroorganismer (nedbrytere) av organisk materiale fra døde planter og dyrerester, kommer enkle mineralforbindelser inn i jorda og vannmiljøet, tilgjengelig for assimilering av planter, og neste runde av den biologiske syklusen begynner. (Fig. 33).

Liten (biologisk) sirkulasjon

Massen av levende stoffer i biosfæren er relativt liten. Hvis det er fordelt over jordoverflaten, vil man få et lag på kun 1,5 cm Tabell 4.1 sammenligner noen kvantitative egenskaper ved biosfæren og andre geosfærer på jorden. Biosfæren, som utgjør mindre enn 10-6 masser av andre skjell 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, utføres den dominerende delen av de kjemiske transformasjonene på planeten. Derfor dommen til V.I. Vernadsky om den enorme transformative geologiske rollen til levende materie. Gjennom organisk evolusjon har levende organismer gått gjennom seg selv, gjennom deres organer, vev, celler, blod, hele atmosfæren, hele volumet av verdenshavet, mesteparten av jordmassen, en enorm masse mineralstoffer gjennom seg selv, gjennom deres organer, vev, celler, blod, tusen ganger (for forskjellige sykluser fra 103 til 105 ganger). Og de savnet det ikke bare, men modifiserte også det jordiske miljøet i samsvar med deres behov.

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

gass ​​funksjon. Levende vesener utveksler konstant oksygen og karbondioksid med miljøet i 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 deres, utfører levende organismer biogen migrasjon (bevegelse av kjemikalier) og konsentrasjonen av kjemiske elementer og deres forbindelser. Dette refererer til biosyntesen av organisk materiale, dannelsen av koralløyer, konstruksjonen av skjell og skjeletter, utseendet av sedimentære kalksteinslag, forekomster av visse metallmalmer, akkumulering av jern-mangan knuter, på havbunnen, etc. De tidlige stadiene av biologisk evolusjon fant sted i vannmiljø. Organismer har lært å trekke ut stoffene de trenger fra en fortynnet vandig løsning, og multiplisere konsentrasjonen i kroppen mange ganger.

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 det kan finne sted i et abiotisk miljø.

Informasjonsfunksjonen til det levende stoffet i biosfæren. Det var med ankomsten av de første primitive levende vesenene at aktiv ("levende") informasjon dukket opp på planeten, som skiller seg fra den "døde" informasjonen, som er en enkel refleksjon av strukturen. Organismer viste seg å kunne motta informasjon ved å koble energistrømmen med en aktiv molekylstruktur som spiller rollen som et program. Evnen til å oppfatte, lagre og behandle molekylær informasjon har gjennomgått en avansert evolusjon i naturen og har blitt den viktigste økologiske systemdannende faktoren. Den totale bestanden av biotagenetisk informasjon er estimert til 1015 biter. Den totale kraften til flyten av molekylær informasjon assosiert med metabolismen og energien i alle celler i den globale biotaen når 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Komponenter i den biologiske syklusen.

Den biologiske syklusen utføres 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 en energi på omtrent 2,5 * 1024 J per år. Bare 0,3 % av det blir direkte omdannet i prosessen med fotosyntese til energien til kjemiske bindinger av organiske stoffer, dvs. involvert i den biologiske syklusen. Og 0,1 - 0,2 % av solenergien som faller på jorden viser seg å være inneholdt i netto primærproduksjon. Videre skjebne Denne energien er assosiert med overføring av organisk materiale av mat gjennom kaskadene av trofiske kjeder.

Den biologiske syklusen kan betinget deles inn i innbyrdes beslektede komponenter: syklusen av stoffer og energisyklusen.

4.4.3. Energisyklus. Energitransformasjon 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 og ikke skapes på nytt, den endres bare fra en form til en annen.

Termodynamikkens andre lov sier at entropi bare kan øke i et lukket system. Når det gjelder energi i økosystemer, er følgende formulering praktisk: prosessene knyttet til transformasjonen av energi kan bare skje spontant hvis energien går fra en konsentrert form til en diffus form, det vil si at den brytes ned. Et mål på mengden energi som blir utilgjengelig for bruk, eller på annen måte et mål på rekkefølgeendringen som oppstår når energi degraderes, er entropi. Jo høyere rekkefølge systemet har, desto lavere er entropien.

Med andre ord, levende materie mottar og transformerer energien til kosmos, solen til energien til jordiske prosesser (kjemiske, mekaniske, termiske, elektriske). Det involverer denne energien og det uorganiske materialet i den kontinuerlige sirkulasjonen 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 viktige miljøindikatorer (homeostase) er de mest ordnede systemene og er preget av den laveste entropien.

4.4.4. Stoffkretsløpet i naturen

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

Årsaken til syklusen er begrensetheten til elementene som kroppene til organismer er bygget av. Hver organisme trekker ut de stoffene som er nødvendige for liv fra miljøet og returnerer ubrukt. Hvori:

noen organismer forbruker mineraler direkte fra miljøet;

andre bruker produkter behandlet og isolert først;

den tredje - den andre, etc., til stoffene går tilbake til miljøet i sin opprinnelige tilstand.

I biosfæren er behovet for sameksistens av ulike organismer som kan bruke hverandres avfallsprodukter åpenbart. Vi ser praktisk talt avfallsfri biologisk produksjon.

Syklusen av stoffer i levende organismer kan betinget 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, fett.

Skjemaet for fotosyntese av det enkleste karbohydratet (glukose) har følgende skjema:

Denne prosessen foregår bare i løpet av dagen og er ledsaget av en økning i massen av planter.

På jorden dannes det årlig rundt 100 milliarder tonn organisk materiale som følge av fotosyntesen, rundt 200 milliarder tonn karbondioksid assimileres, og rundt 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 den termodynamiske prosessen, i henhold til det minimalistiske prinsippet, ikke forsvinner, men snarere akkumuleres.

Ved å syntetisere aminosyrene som er nødvendige for å bygge proteiner, kan planter eksistere relativt uavhengig av andre levende organismer. Dette manifesterer autotrofien til planter (selvforsyning med ernæring). Samtidig er den grønne massen av planter og oksygenet som dannes i prosessen med fotosyntese grunnlaget for å opprettholde livet til den neste gruppen av levende organismer - dyr, mikroorganismer. Dette viser heterotrofien til denne organismegruppen.

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 energi.

3. Ernæringsmessige (trofiske) forhold mellom autotrofe og heterotrofe organismer. I dette tilfellet er det en overføring av energi og materie langs leddene i næringskjeden, som vi diskuterte mer detaljert tidligere.

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

Skjematisk kan det beskrives som følger. Planter absorberer jordfuktighet gjennom røttene. Samtidig kommer mineralstoffer oppløst i vann inn i dem, som absorberes, og fuktighet fordamper mer eller mindre intensivt, avhengig av miljøforhold.

4.4.5. Biogeokjemiske sykluser

Geologiske og biologiske sykluser henger sammen - de eksisterer som en enkelt prosess, som gir opphav til sirkulasjon av stoffer, de såkalte biogeokjemiske syklusene (BGCC). Denne sirkulasjonen av grunnstoffer skyldes syntese og nedbrytning av organiske stoffer i økosystemet (Fig. 4.1) Ikke alle elementer i biosfæren er involvert i BHCC, men bare biogene. Levende organismer består av dem, disse elementene inngår i en rekke reaksjoner og deltar i prosessene som skjer i levende organismer. Prosentvis består den totale massen av det levende stoffet 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 finnes 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 motsatte prosesser:

1. Dannelse av levende materie fra elementene i miljøet på grunn av solenergi.

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

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

Makronæringsstoffer - komponenter på minst 10-2% av massen;

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

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

For å bestemme stedet for biogene elementer blant andre kjemiske elementer i biosfæren, la oss vurdere klassifiseringen som er tatt i bruk i økologi. I henhold til aktiviteten vist i prosessene som skjer i biosfæren, er alle kjemiske elementer delt inn i 6 grupper:

Edelgassene er 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 ikke 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 driver sirkulasjon inn geografisk konvolutt, og delen av inerte elementer er veldig liten.

Spredte elementer, preget av overvekt av frie atomer. De inngår 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 av mineralene deres blir ødelagt. Den andre - jod, brom - reagerer bare på overflaten.

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

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

Biokjemiske sykluser året rundt setter i gang rundt 480 milliarder tonn materie.

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

Biogen migrasjon av kjemiske elementer i biosfæren har alltid en tendens til maksimal manifestasjon.

Utviklingen av arter i løpet av geologisk tid, som fører til skapelsen av bærekraftige former for liv, fortsetter 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.

Karbonkretsløpet. Hoveddeltakeren i det biotiske kretsløpet er karbon som grunnlag for organiske stoffer. For det meste skjer karbonsyklus mellom levende stoff og karbondioksid i atmosfæren i prosessen med fotosyntese. Planteetere får det med mat, rovdyr får det fra planteetere. Ved pusting, råtnende føres karbondioksid delvis tilbake til atmosfæren, tilbakeføringen skjer når organiske mineraler brennes.

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

Oksygensyklusen.

Oksygen har høy kjemisk aktivitet, går inn i forbindelser med nesten alle elementer i jordskorpen. Det forekommer 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.

Nitrogenkretsløpet. Nitrogen er en integrert del av alle proteiner. Det totale forholdet mellom bundet nitrogen, som et grunnstoff som utgjør organisk materiale, og nitrogen i naturen er 1:100 000. Den kjemiske bindingsenergien i nitrogenmolekylet er svært høy. Derfor krever kombinasjonen av nitrogen med andre elementer - oksygen, hydrogen (prosessen med nitrogenfiksering) - mye energi. Industriell nitrogenfiksering finner sted 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 å danne disse saltene 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 (verdensvolumet av industriell fiksering er omtrent 90 millioner tonn).

Jordnitrogenfikserende bakterier er i stand til å assimilere molekylært nitrogen fra luften. De beriker jorda med nitrogenholdige forbindelser, så verdien er ekstremt høy.

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

Under påvirkning av bakterier omdannes nitrogen til nitrater, nitritter, 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 blir assimilert av levende organismer, som med sin deltakelse syntetiserer en rekke organiske forbindelser og overfører dem til forskjellige trofiske nivåer.

Etter å ha fullført reisen langs trofiskkjedene, brytes organiske fosfater ned av mikrober og blir 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. avfallsprodukter) fra hver livsform er grobunn for andre organismer.

Teoretisk sett bør biosfæren alltid opprettholde en balanse mellom produksjonen av biomasse og dens nedbrytning. Men i visse geologiske perioder ble balansen i den biologiske syklusen forstyrret når, på grunn av visse naturlige forhold, katastrofer, ikke alle biologiske produkter ble assimilert og transformert. I disse tilfellene ble det dannet overskudd av biologiske produkter, som ble konservert og avsatt i jordskorpen, under vannsøylen, sedimenter og havnet i permafrostsonen. Så forekomster av kull, olje, gass, kalkstein ble dannet. Det skal bemerkes at de ikke forsøpler biosfæren. Solens energi, akkumulert i prosessen med fotosyntese, er konsentrert i organiske mineraler. Nå, ved å brenne organisk fossilt brensel, frigjør en person denne energien.

Er en fremragende russisk vitenskapsmann akademiker V.I. Vernadsky.

Biosfære- Jordens komplekse ytre skall, som inneholder helheten av levende organismer og den delen av planetens substans som er i ferd med kontinuerlig utveksling med disse organismene. Dette er en av de viktigste geosfærene på jorden, som er hovedkomponenten i det naturlige miljøet rundt mennesket.

Jorden er bygd opp av konsentriske skjell(geosfærer) både interne og eksterne. De indre er kjernen og mantelen, og de ytre er: litosfæren - steinskallet på jorden, inkludert jordskorpen (fig. 1) med en tykkelse på 6 km (under havet) til 80 km (fjellsystemer); hydrosfære - vann skall av jorden; atmosfære- Jordens gassformede hylster, bestående av en blanding av forskjellige gasser, vanndamp og støv.

I en høyde på 10 til 50 km er det et ozonlag, med sin maksimale konsentrasjon i en høyde på 20-25 km, og beskytter jorden mot overdreven ultrafiolett stråling, som er dødelig for kroppen. Biosfæren hører også hjemme her (til de ytre geosfærene).

Biosfære - det ytre skallet av jorden, som inkluderer en del av atmosfæren opp til en høyde på 25-30 km (til ozonlaget), nesten hele hydrosfæren og den øvre delen av litosfæren til en dybde på ca. 3 km

Ris. 1. Skjema av strukturen til jordskorpen

(Fig. 2). Det særegne ved disse delene er at de er bebodd av levende organismer som utgjør planetens levende substans. Interaksjon abiotisk del av biosfæren- luft, vann, steiner og organisk materiale - biota førte til dannelsen av jord og sedimentære bergarter.

Ris. 2. Strukturen til biosfæren og forholdet mellom overflater okkupert av de viktigste strukturelle enhetene

Syklusen av stoffer i biosfæren og økosystemene

Alt tilgjengelig for levende organismer kjemiske forbindelser begrenset i biosfæren. Uttømmeligheten av kjemiske stoffer egnet for assimilering hindrer ofte utviklingen av visse grupper av organismer i lokale områder av landet eller havet. Ifølge akademiker V.R. Williams, den eneste måten å gi de endelige egenskapene til det uendelige er å få det til å rotere langs en lukket kurve. Følgelig opprettholdes stabiliteten til biosfæren på grunn av sirkulasjonen av stoffer og energistrømmer. Tilgjengelig to hovedsykluser av stoffer: stor - geologisk og liten - biogeokjemisk.

Stor geologisk syklus(Fig. 3). Krystallinske bergarter (magmatiske) under påvirkning av fysiske, kjemiske og biologiske faktorer omdannes til sedimentære bergarter. Sand og leire er typiske sedimenter, produkter av transformasjon av dype bergarter. Imidlertid skjer dannelsen av sedimenter ikke bare på grunn av ødeleggelsen av eksisterende bergarter, men også gjennom syntesen av biogene mineraler - skjelettene til mikroorganismer - fra naturressurser - havvann, hav og innsjøer. Løse vannholdige sedimenter, ettersom de er isolert i bunnen av reservoarene av nye deler av sedimentært materiale, nedsenket til en dybde, faller inn i nye termodynamiske forhold (høyere temperaturer og trykk), mister vann, stivner og omdannes til sedimentære bergarter.

I fremtiden synker disse bergartene ned i enda dypere horisonter, hvor prosessene med deres dype transformasjon til nye temperatur- og trykkforhold finner sted - prosessene med metamorfose finner sted.

Under påvirkning av endogene energistrømmer omsmeltes dype bergarter, og danner magma - kilden til nye magmatiske bergarter. Etter økningen av disse bergartene til jordoverflaten, under påvirkning av prosessene med forvitring og transport, blir de igjen omdannet til nye sedimentære bergarter.

En stor sirkulasjon skyldes således samspillet mellom solenergien (eksogen) og jordens dype (endogene) energi. Den omfordeler stoffer mellom biosfæren og de dypere horisontene på planeten vår.

Ris. 3. Stor (geologisk) sirkulasjon av stoffer (tynne piler) og endring i mangfold i jordskorpen (solide brede piler - vekst, stiplet - nedgang i mangfold)

Stor sirkel også kalt vannsyklusen mellom hydrosfæren, atmosfæren og litosfæren, som drives av solens energi. Vann fordamper fra overflaten av vannforekomster og land og returnerer deretter til jorden i form av nedbør. Fordampning overstiger nedbør over havet, og omvendt over land. Disse forskjellene kompenseres av elvestrømmer. Landvegetasjon spiller en viktig rolle i den globale vannsyklusen. Transpirasjon av planter i visse områder av jordens overflate kan være opptil 80-90% av nedbøren som faller her, og i gjennomsnitt for alle klimasoner - omtrent 30%. I motsetning til den store syklusen, skjer den lille syklusen av stoffer kun innenfor biosfæren. Sammenhengen mellom de store og små vannsyklusene er vist i fig. 4.

Sykluser på planetarisk skala skapes fra utallige lokale sykliske bevegelser av atomer drevet av den vitale aktiviteten til organismer i individuelle økosystemer, og de bevegelsene som er forårsaket av virkningen av landskap og geologiske faktorer (overflate og underjordisk avrenning, vinderosjon, bevegelse av havbunnen, vulkanisme, fjellbygging osv.).

Ris. 4. Forholdet mellom den store geologiske syklusen (GBC) av vann og den lille biogeokjemiske syklusen (MBC) av vann

I motsetning til energi, som en gang brukes av kroppen, blir til varme og går tapt, sirkulerer stoffer i biosfæren og skaper biogeokjemiske sykluser. Av de mer enn nitti grunnstoffene som finnes i naturen, trenger levende organismer rundt førti. De viktigste for dem kreves i store mengder - karbon, hydrogen, oksygen, nitrogen. Syklusene til grunnstoffer og stoffer utføres gjennom selvregulerende prosesser der alle komponenter deltar. Disse prosessene er ikke-avfall. Finnes loven om global lukking av den biogeokjemiske sirkulasjonen i biosfæren opererer på alle stadier av utviklingen. I prosessen med utviklingen av biosfæren, rollen til den biologiske komponenten i lukkingen av det biogeokjemiske
hvem syklusen. Mennesket har en enda større innflytelse på det biogeokjemiske kretsløpet. Men dens rolle manifesteres i motsatt retning (sirkulasjoner blir åpne). Grunnlaget for den biogeokjemiske sirkulasjonen av stoffer er solens energi og klorofyllet til grønne planter. Andre viktigste kretsløp - vann, karbon, nitrogen, fosfor og svovel - er assosiert med biogeokjemisk og bidrar til det.

Vannets kretsløp i biosfæren

Planter bruker vannhydrogen under fotosyntesen for å bygge organiske forbindelser, og frigjøre molekylært oksygen. I respirasjonsprosessene til alle levende vesener, under oksidasjon av organiske forbindelser, dannes vann igjen. I livets historie har alt det frie vannet i hydrosfæren gjentatte ganger gått gjennom sykluser med nedbrytning og nyformasjon i det levende stoffet på planeten. Omtrent 500 000 km 3 vann er involvert i vannets kretsløp på jorden hvert år. Vannkretsløpet og dets reserver er vist i fig. 5 (relativt sett).

Oksygensyklusen i biosfæren

Jorden skylder sin unike atmosfære med et høyt innhold av fritt oksygen til prosessen med fotosyntese. Dannelsen av ozon i de høye lagene av atmosfæren er nært knyttet til oksygensyklusen. Oksygen frigjøres fra vannmolekyler og er i hovedsak et biprodukt av fotosyntetisk aktivitet i planter. Abiotisk oppstår oksygen i den øvre atmosfæren på grunn av fotodissosiasjonen av vanndamp, men denne kilden er bare tusendeler av en prosent av de som tilføres ved fotosyntese. Mellom oksygeninnholdet i atmosfæren og hydrosfæren er det en mobil likevekt. I vann er det omtrent 21 ganger mindre.

Ris. Fig. 6. Opplegg for oksygensyklusen: fete piler - hovedstrømmene av oksygentilførsel og -forbruk

Det frigjorte oksygenet brukes intensivt på respirasjonsprosessene til alle aerobe organismer og på oksidasjon av forskjellige mineralforbindelser. Disse prosessene skjer i atmosfæren, jord, vann, silt og bergarter. Det er vist at en betydelig del av oksygenet bundet i sedimentære bergarter er av fotosyntetisk opprinnelse. Utvekslingsfondet for O i atmosfæren er ikke mer enn 5% av den totale produksjonen av fotosyntese. Mange anaerobe bakterier oksiderer også organisk materiale under anaerob respirasjon ved å bruke sulfater eller nitrater til dette.

Den fullstendige nedbrytningen av organisk materiale skapt av planter krever nøyaktig samme mengde oksygen som ble frigjort under fotosyntesen. Nedgravingen av organiske stoffer i sedimentære bergarter, kull og torv fungerte som grunnlag for å opprettholde oksygenutvekslingsfondet i atmosfæren. Alt oksygenet den inneholder passerer full syklus gjennom levende organismer i rundt 2000 år.

For tiden er en betydelig del av atmosfærisk oksygen bundet som følge av transport, industri og andre former for menneskeskapt aktivitet. Det er kjent at menneskeheten allerede bruker mer enn 10 milliarder tonn fritt oksygen fra den totale mengden på 430-470 milliarder tonn levert av fotosynteseprosesser. Hvis vi tar i betraktning at bare en liten del av fotosyntetisk oksygen kommer inn i utvekslingsfondet, begynner aktiviteten til mennesker i denne forbindelse å få alarmerende proporsjoner.

Oksygensyklusen er nært knyttet til karbonsyklusen.

Karbonkretsløpet i biosfæren

Karbon som kjemisk grunnstoff er grunnlaget for liv. Han kan forskjellige måter kombineres med mange andre elementer, og danner enkle og komplekse organiske molekyler som utgjør levende celler. Når det gjelder distribusjon på planeten, inntar karbon den ellevte plassen (0,35 % av vekten av jordskorpen), men i levende materie utgjør det i gjennomsnitt omtrent 18 eller 45 % av tørr biomasse.

I atmosfæren inngår karbon i sammensetningen av karbondioksid CO 2, i mindre grad - i sammensetningen av metan CH 4 . I hydrosfæren er CO 2 oppløst i vann, og dens totale innhold er mye høyere enn atmosfærisk. Havet fungerer som en kraftig buffer for regulering av CO 2 i atmosfæren: med en økning i konsentrasjonen i luften, øker absorpsjonen av karbondioksid av vann. Noen av CO 2-molekylene reagerer med vann, og danner karbonsyre, som deretter dissosieres til HCO 3 - og CO 2- 3-ioner. Disse ionene reagerer med kalsium- eller magnesiumkationer for å felle ut karbonater. Lignende reaksjoner ligger til grunn for buffersystemet i havet, holde pH i vannet konstant.

Karbondioksid i atmosfæren og hydrosfæren er et utvekslingsfond i karbonkretsløpet, hvorfra det hentes av landplanter og alger. Fotosyntese ligger til grunn for alle biologiske sykluser på jorden. Frigjøring av fiksert karbon skjer under respirasjonsaktiviteten til selve fotosyntetiske organismer og alle heterotrofer - bakterier, sopp, dyr inkludert i næringskjeden på bekostning av levende eller dødt organisk materiale.

Ris. 7. Karbonsyklus

Spesielt aktiv er tilbakeføringen av CO 2 til atmosfæren fra jorda, hvor aktiviteten til mange grupper av organismer er konsentrert, nedbryting av restene av døde planter og dyr og respirasjon av plantens rotsystemer utføres. Denne integrerte prosessen omtales som "jordrespirasjon" og gir et betydelig bidrag til påfyll av CO 2 -utvekslingsfondet i luften. Parallelt med prosessene med mineralisering av organisk materiale, dannes humus i jord - et komplekst og stabilt molekylært kompleks rikt på karbon. Jordhumus er et av de viktige reservoarene av karbon på land.

Under forhold der aktiviteten til destruktorer hemmes av miljøfaktorer (for eksempel når et anaerobt regime oppstår i jordsmonn og på bunnen av vannforekomster), brytes ikke organisk materiale akkumulert av vegetasjon ned, og blir over tid til bergarter som kull, torv, sapropeller, oljeskifer og andre rike på akkumulert solenergi. De fyller på reservefondet av karbon, og blir slått av fra den biologiske syklusen i lang tid. Karbon avsettes også midlertidig i levende biomasse, i dødt søppel, i oppløst organisk materiale i havet, etc. derimot hovedreservefondet for karbon på skrive er ikke levende organismer og ikke brennbare fossiler, men sedimentære bergarter er kalksteiner og dolomitter. Dannelsen deres er også assosiert med aktiviteten til levende materie. Karbonet til disse karbonatene er begravet i lang tid i jordens tarmer og kommer inn i sirkulasjonen bare under erosjon når bergarter blir eksponert i tektoniske sykluser.

Bare brøkdeler av en prosent karbon fra den totale mengden på jorden deltar i den biogeokjemiske syklusen. Atmosfærisk karbon og hydrosfære passerer gjentatte ganger gjennom levende organismer. Landplanter er i stand til å tømme reservene i luften om 4-5 år, reserver i jordhumus - om 300-400 år. Hovedavkastningen av karbon til utvekslingsfondet skjer på grunn av aktiviteten til levende organismer, og bare en liten del av det (tusendeler av en prosent) blir kompensert av utslipp fra jordens indre som en del av vulkanske gasser.

For tiden er utvinning og brenning av enorme reserver av fossilt brensel i ferd med å bli en kraftig faktor i overføringen av karbon fra reserven til biosfærens utvekslingsfond.

Nitrogenkretsløpet i biosfæren

Atmosfæren og levende stoffer inneholder mindre enn 2 % av alt nitrogen på jorden, men det er han som støtter livet på planeten. Nitrogen er en av de viktigste organiske molekyler- DNA, proteiner, lipoproteiner, ATP, klorofyll osv. I plantevev er forholdet med karbon i gjennomsnitt 1: 30, og i tang I: 6. Derfor er den biologiske syklusen av nitrogen også nært knyttet til karbon.

Det molekylære nitrogenet i atmosfæren er ikke tilgjengelig for planter, som bare kan absorbere dette elementet i form av ammoniumioner, nitrater eller fra jord- eller vannløsninger. Derfor er nitrogenmangel ofte en faktor som begrenser primærproduksjon- arbeidet til organismer knyttet til dannelsen av organiske stoffer fra uorganiske. Ikke desto mindre er atmosfærisk nitrogen mye involvert i den biologiske syklusen på grunn av aktiviteten til spesielle bakterier (nitrogenfiksere).

Ammonifiserende mikroorganismer tar også en viktig del i nitrogenkretsløpet. De bryter ned proteiner og andre nitrogenholdige organiske stoffer til ammoniakk. I ammoniumform blir nitrogen delvis reabsorbert av plantenes røtter, og delvis fanget opp av nitrifiserende mikroorganismer, som er motsatt av funksjonene til en gruppe mikroorganismer - denitrifiers.

Ris. 8. Nitrogenkretsløp

Under anaerobe forhold i jordsmonn eller vann bruker de oksygen fra nitrater til å oksidere organisk materiale, og får energi til livsaktiviteten. Nitrogen reduseres til molekylært nitrogen. Nitrogenfiksering og denitrifikasjon i naturen er tilnærmet balansert. Nitrogenkretsløpet avhenger altså hovedsakelig av bakteriell aktivitet, mens planter kommer inn i det ved å bruke mellomproduktene i denne syklusen og øke nitrogensirkulasjonen i biosfæren kraftig gjennom produksjon av biomasse.

Bakterienes rolle i nitrogensyklusen er så stor at hvis bare 20 av artene deres blir ødelagt, vil livet på planeten vår opphøre.

Ikke-biologisk fiksering av nitrogen og inntrengning av dets oksider og ammoniakk i jorda skjer også med nedbør under atmosfærisk ionisering og lynutslipp. Den moderne gjødselindustrien fikserer atmosfærisk nitrogen i overkant av naturlig nitrogenfiksering for å øke avlingsproduksjonen.

For tiden påvirker menneskelig aktivitet i økende grad nitrogensyklusen, hovedsakelig i retning av å overskride omdannelsen til bundne former over prosessene med å returnere til molekylær tilstand.

Fosforsyklus i biosfæren

Dette elementet, som er nødvendig for syntesen av mange organiske stoffer, inkludert ATP, DNA, RNA, absorberes av planter bare i form av ortofosforsyreioner (PO 3 4 +). Det tilhører elementene som begrenser primærproduksjonen både på land og spesielt i havet, siden utvekslingsfondet for fosfor i jord og vann er lite. Sirkulasjonen av dette elementet på biosfærens skala er ikke stengt.

På land trekker planter fosfater fra jorda, frigjort av nedbrytere fra råtnende organiske rester. Men i alkalisk eller sur jord faller løseligheten av fosforforbindelser kraftig. Hovedreservefondet for fosfater er inneholdt i bergarter skapt på havbunnen i den geologiske fortiden. I løpet av steinutvaskingen går deler av disse reservene ned i jorda og vaskes ut i vannforekomster i form av suspensjoner og løsninger. I hydrosfæren brukes fosfater av planteplankton, og passerer gjennom næringskjeder til andre hydrobioner. Men i havet er de fleste fosforforbindelsene begravd med rester av dyr og planter på bunnen, etterfulgt av en overgang med sedimentære bergarter til en stor geologisk syklus. På dypet binder oppløste fosfater seg til kalsium og danner fosforitter og apatitter. I biosfæren er det faktisk en ensrettet strøm av fosfor fra bergartene i landet til dypet av havet, derfor er utvekslingsfondet i hydrosfæren svært begrenset.

Ris. 9. Fosforsyklus

Grunnforekomster av fosforitter og apatitter brukes til produksjon av gjødsel. Inntrengning av fosfor i ferskvann er en av hovedårsakene til deres "blomstring".

Svovel syklus i biosfæren

Svovelsyklusen, nødvendig for konstruksjonen av en rekke aminosyrer, er ansvarlig for den tredimensjonale strukturen til proteiner, og støttes i biosfæren av et bredt spekter av bakterier. Aerobe mikroorganismer, som oksiderer svovelet i organiske rester til sulfater, samt anaerobe sulfatreduserende midler, som reduserer sulfater til hydrogensulfid, deltar i separate koblinger i denne syklusen. I tillegg til de listede gruppene av svovelbakterier, oksiderer de hydrogensulfid til elementært svovel og videre til sulfater. Planter absorberer bare SO 2-4 ioner fra jord og vann.

Ringen i midten illustrerer oksidasjons- (O) og reduksjons- (R) prosessene som utveksler svovel mellom det tilgjengelige sulfatbassenget og jernsulfidbassenget dypt i jorda og sedimentet.

Ris. 10. Svovelkretsløp. Ringen i midten illustrerer oksidasjons- (0) og reduksjons- (R) prosessene som utveksler svovel mellom det tilgjengelige sulfatbassenget og jernsulfidbassenget dypt i jord og sediment.

Hovedansamlingen av svovel skjer i havet, hvor sulfationer kontinuerlig tilføres fra land med elveavrenning. Når hydrogensulfid frigjøres fra vannet, føres svovel delvis tilbake til atmosfæren, hvor det oksideres til dioksid, og blir til svovelsyre i regnvann. Industriell bruk av store mengder sulfater og elementært svovel og forbrenning av fossilt brensel frigjør store mengder svoveldioksid til atmosfæren. Dette skader vegetasjon, dyr, mennesker og fungerer som en kilde til sur nedbør, noe som forverrer de negative effektene av menneskelig inngripen i svovelsyklusen.

Sirkulasjonshastigheten til stoffer

Alle sykluser av stoffer skjer med forskjellige hastigheter (fig. 11)

Dermed støttes syklusene til alle biogene elementer på planeten av en kompleks interaksjon av forskjellige deler. De er dannet av aktiviteten til grupper av organismer med forskjellige funksjoner, av systemet med avrenning og fordampning som forbinder hav og land, av prosessene med sirkulasjon av vann og luftmasser, ved virkningen av gravitasjonskrefter, av litosfærisk platetektonikk, og ved andre storskala geologiske og geofysiske prosesser.

Biosfæren fungerer som et enkelt komplekst system der ulike sykluser av stoffer finner sted. Hovedmotoren til disse sykluser er det levende stoffet på planeten, alle levende organismer, gir prosesser for syntese, transformasjon og nedbrytning av organisk materiale.

Ris. 11. Stoffers sirkulasjonshastighet (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Grunnlaget for det økologiske synet på verden er ideen om at hvert levende vesen er omgitt av mange forskjellige faktorer som påvirker det, som til sammen danner dets habitat - en biotop. Derfor, biotop - et stykke territorium som er homogent når det gjelder levekår for visse typer planter eller dyr(skråningen til en kløft, en urban skogspark, en liten innsjø eller del av en stor, men med homogene forhold - kystdelen, dypvannsdelen).

Organismer som er karakteristiske for en bestemt biotop er livsfellesskap, eller biocenose(dyr, planter og mikroorganismer i innsjøen, engen, kyststripen).

Livssamfunnet (biocenose) danner en helhet med sin biotop, som kalles økologisk system (økosystem). En maurtue, en innsjø, en dam, en eng, en skog, en by, en gård kan tjene som et eksempel på naturlige økosystemer. Et klassisk eksempel på et kunstig økosystem er et romskip. Som du kan se, er det ingen streng romlig struktur her. Nær konseptet om et økosystem ligger konseptet biogeocenose.

Hovedkomponentene i økosystemene er:

• livløst (abiotisk) miljø. Dette er vann, mineraler, gasser, samt organiske stoffer og humus;
• biotiske komponenter. Disse inkluderer: produsenter eller produsenter (grønne planter), forbrukere eller forbrukere (levende skapninger som lever av produsenter), og nedbrytere, eller nedbrytere (mikroorganismer).

Naturen er ekstremt økonomisk. Dermed overføres biomassen skapt av organismer (stoffet i organismenes kropper) og energien i dem til andre medlemmer av økosystemet: dyr spiser planter, disse dyrene blir spist av andre dyr. Denne prosessen kalles mat eller trofisk kjede. I naturen krysser næringskjedene seg ofte, danner et næringsnett.

Eksempler på næringskjeder: plante - planteeter - rovdyr; korn - åkermus - rev osv. og næringsnettet er vist i fig. 12.

Således er likevektstilstanden i biosfæren basert på samspillet mellom biotiske og abiotiske miljøfaktorer, som opprettholdes på grunn av kontinuerlig utveksling av materie og energi mellom alle komponenter i økosystemene.

I lukkede sykluser av naturlige økosystemer, sammen med andre, er deltakelsen av to faktorer obligatorisk: tilstedeværelsen av nedbrytere og konstant tilførsel av solenergi. Det er få eller ingen nedbrytere i urbane og kunstige økosystemer, så flytende, fast og gassformig avfall samler seg og forurenser miljøet.

Ris. 12. Næringsvev og retning av materiestrøm

Stort kretsløp av stoffer i naturen på grunn av samspillet mellom solenergi og jordens dype energi og omfordeler materie mellom biosfæren og jordens dypere horisonter.

Sedimentære bergarter dannet på grunn av forvitring av magmatiske bergarter i de mobile sonene i jordskorpen stuper igjen inn i sonen med høye temperaturer og trykk. Der smeltes de ned og danner magma – kilden til nye magmatiske bergarter. Etter stigningen av disse bergartene til jordens overflate og virkningen av forvitringsprosesser, blir de igjen omdannet til nye sedimentære bergarter. Den nye sirkulasjonssyklusen gjentar ikke akkurat den gamle, men introduserer noe nytt, som over tid fører til svært betydelige endringer.

drivkraft stor (geologisk) sirkulasjon er eksogene og endogene geologiske prosesser.

Endogene prosesser(prosesser av indre dynamikk) skjer under påvirkning av jordens indre energi, frigjort som et resultat av radioaktivt forfall, kjemiske reaksjoner ved dannelse av mineraler, krystallisering av bergarter, etc. (for eksempel tektoniske bevegelser, jordskjelv, magmatisme , metamorfose).

Eksogene prosesser(prosesser med ytre dynamikk) fortsetter under påvirkning av solens ytre energi. Eksempler: forvitring av bergarter og mineraler, fjerning av ødeleggelsesprodukter fra enkelte områder av jordskorpen og overføring av disse til nye områder, avsetning og akkumulering av ødeleggelsesprodukter med dannelse av sedimentære bergarter. Til Ex.pr. forhold geologisk aktivitet av atmosfæren, hydrosfæren, samt levende organismer og mennesker.

De største landformene (kontinenter og oseaniske forsenkninger) og store landformer (fjell og sletter) ble dannet på grunn av endogene prosesser, mens mellomstore og små landformer (elvedaler, åser, raviner, sanddyner osv.), lagt over større landformer, ble dannet på grunn av eksogene prosesser. Dermed er endogene og eksogene prosesser motsatte. Førstnevnte fører til dannelsen av store landformer, sistnevnte til utjevning.

Eksempler på det geologiske kretsløpet. Magmatiske bergarter omdannes til sedimentære bergarter som følge av forvitring. I de mobile sonene i jordskorpen synker de ned i jordens dyp. Der, under påvirkning av høye temperaturer og trykk, smelter de og danner magma, som stiger til overflaten og størkner danner magmatiske bergarter.

Et eksempel på en stor syklus er sirkulasjonen av vann mellom land og hav gjennom atmosfæren (fig. 2.1).

Ris. 2.1. Det generelt aksepterte skjemaet for hydrologisk (klimatisk)

vannets kretsløp i naturen

Fuktighet som fordampes fra overflaten av verdenshavet (som forbruker nesten halvparten av solenergien som kommer til jordens overflate) overføres til land, hvor den faller i form av nedbør, som igjen går tilbake til havet i form av overflate og underjordisk avrenning. Vannsyklusen skjer også etter et enklere skjema: fordampning av fuktighet fra havoverflaten - kondensering av vanndamp - nedbør på samme vannoverflate i havet.

Vannets kretsløp som helhet spiller en stor rolle i å forme de naturlige forholdene på planeten vår. Tatt i betraktning plantenes transpirasjon av vann og dets absorpsjon i den biogeokjemiske syklusen, forfaller hele vanntilførselen på jorden og gjenopprettes i løpet av 2 millioner år.

Dermed fortsetter den geologiske sirkulasjonen av stoffer uten deltakelse av levende organismer og omfordeler materie mellom biosfæren og de dypere lagene av jorden.