Biologiske og geologiske sykluser av materie. Stoffsykluser

geologisk kretsløp stoffer har størst hastighet i horisontal retning mellom land og hav. Betydningen av en stor sirkulasjon er at bergarter utsettes for ødeleggelse, forvitring og forvitringsprodukter, inkludert vannløselige næringsstoffer, føres med vannstrømmer inn i verdenshavet med dannelse av marine lag og går bare delvis tilbake til land, for eksempel , med nedbør eller med organismer utvunnet fra vann av mennesker. Deretter, over lang tid, oppstår langsomme geotektoniske endringer - bevegelse av kontinenter, stigning og fall av havbunnen, vulkanutbrudd, etc., som et resultat av at de dannede lagene går tilbake til land og prosessen begynner på nytt.

Stor geologisk syklus av materie. Under påvirkning av denudasjonsprosesser skjer ødeleggelse av bergarter og sedimentering. Sedimentære bergarter dannes. I områder med stabil innsynkning (vanligvis havbunnen), kommer substansen til den geografiske konvolutten inn i de dype lagene av jorden. Videre, under påvirkning av temperatur og trykk, foregår metamorfe prosesser, som et resultat av at det dannes bergarter, beveger stoffet seg nærmere jordens sentrum. Magmatisme oppstår i jordens tarmer ved svært høye temperaturer: bergarter smelter, stiger i form av magma langs forkastninger til jordoverflaten og renner ut til overflaten under utbrudd. Dermed utføres sirkulasjonen av materie. Det geologiske kretsløpet er komplisert dersom man tar hensyn til utveksling av stoff med det ytre rom. Den store geologiske syklusen er ikke lukket i den forstand at en partikkel av materie som har falt ned i jordens tarmer ikke nødvendigvis vil komme til overflaten, og omvendt, en partikkel som stiger opp under et utbrudd kunne aldri ha vært på jordens overflate før.

De viktigste energikildene til naturlige prosesser på jorden

Solstråling er den viktigste energikilden på jorden. Dens kraft er preget av solkonstanten - mengden energi som passerer gjennom området til en enhetsareal, vinkelrett på solstrålene. I en avstand på én astronomisk enhet (det vil si i jordens bane) er denne konstanten omtrent 1370 W / m².

Levende organismer bruker solens energi (fotosyntese) og energien til kjemiske bindinger (kjemosyntese). Denne energien kan brukes i ulike naturlige og kunstige prosesser. En tredjedel av all energi reflekteres av atmosfæren, 0,02% brukes av planter til fotosyntese, og resten brukes til å støtte mange naturlige prosesser - oppvarming av jorden, havet, atmosfæren, luftbevegelsen. vekt. Direkte solvarme eller energikonvertering ved bruk av fotovoltaiske celler kan brukes til å generere elektrisitet (solkraftverk) eller utføre andre nyttig arbeid. I en fjern fortid ble energien lagret i olje og annet fossilt brensel også hentet gjennom fotosyntese.

Denne enorme energien fører til global oppvarming, for etter at den har gått gjennom naturlige prosesser, stråler den tilbake og atmosfæren lar den ikke gå tilbake.

2. Jordens indre energi; manifestasjon - vulkaner, varme kilder

18. Energitransformasjoner av biotisk og abiotisk opprinnelse

Det er ikke noe avfall i et fungerende naturlig økosystem. Alle organismer, levende eller døde, er potensielt mat for andre organismer: en larve spiser blader, en trost spiser larver, en hauk kan spise en trost. Når plantene, larven, trosten og hauken dør, blir de igjen bearbeidet av nedbrytere.

Alle organismer som spiser samme type mat tilhører den samme trofisk nivå.

organismer naturlige økosystemer er involvert i et komplekst nettverk av mange sammenkoblede næringskjeder. Et slikt nettverk kalles matnett.

Pyramider av energistrømmer: Med hver overgang fra ett trofisk nivå til et annet innenfor næringskjeden eller nettverk, arbeid utføres og termisk energi slippes ut i miljøet, og mengden energi Høy kvalitet brukt av organismer på neste trofiske nivå reduseres.

10 % regel: når du flytter fra ett trofisk nivå til et annet, går 90 % av energien tapt, og 10 % overføres til neste nivå.

Jo lengre næringskjede, jo mer nyttig energi går til spille. Derfor er lengden på næringskjeden vanligvis ikke over 4 - 5 ledd.

Energetikk til jordens landskapssfære:

1) solenergi: termisk, strålende

2) strømmen av termisk energi fra jordens tarmer

3) energien til tidevannsstrømmer

4) tektonisk energi

5) energiassimilering under fotosyntese

Vannets kretsløp i naturen

Vannets syklus i naturen er prosessen med syklisk bevegelse av vann i jordens biosfære. Den består av fordampning, kondensering og nedbør (atmosfærisk nedbør fordamper delvis, danner delvis midlertidige og permanente avløp og reservoarer, siver delvis ned i bakken og danner grunnvann), samt mantelavgassingsprosesser: vann strømmer kontinuerlig fra mantelen. vann er funnet selv på store dyp.

Havet taper på grunn av fordampning mer vann enn oppnådd med nedbør, på land - situasjonen er omvendt. Vann sirkulerer kontinuerlig rundt kloden, mens dens Total forblir uendret.

75 % av jordens overflate er dekket med vann. Vannskallet på jorden er hydrosfæren. Det meste er saltvannet i hav og hav, og den mindre delen er det ferskvann innsjøer, elver, isbreer, grunnvann og vanndamp.

På jorden eksisterer vann i tre aggregeringstilstander: flytende, fast og gassformig. Levende organismer kan ikke eksistere uten vann. I enhver organisme er vann mediet der kjemiske reaksjoner uten hvilke levende organismer ikke kan leve. Vann er det mest verdifulle og mest nødvendige stoffet for livet til levende organismer.

Det finnes flere typer vannkretsløp i naturen:

En stor, eller verdens, syklus - vanndamp dannet over overflaten av havene bæres av vind til kontinentene, faller der i form av nedbør og går tilbake til havet i form av avrenning. I denne prosessen endres kvaliteten på vannet: under fordampning, salt sjøvann blir til fersk, og forurenset - er renset.

En liten, eller oseanisk, syklus - vanndamp dannet over overflaten av havet kondenserer og feller ut i havet som nedbør.

Intrakontinental sirkulasjon - vann som har fordampet over landoverflaten faller igjen på land i form av nedbør.

Til slutt når nedbøren i bevegelsesprosessen igjen havet.

Overføringshastighet forskjellige typer vann varierer over et bredt område, så periodene med strømning, og periodene med vannfornyelse er også forskjellige. De varierer fra noen få timer til flere titalls årtusener. Atmosfærisk fuktighet, som dannes ved fordampning av vann fra hav, hav og land og eksisterer i form av skyer, oppdateres i gjennomsnitt etter åtte dager.

Vannet som utgjør levende organismer, gjenopprettes i løpet av få timer. Dette er mest aktiv form vannutveksling. Perioden med fornyelse av vannreserver i fjellbreer er omtrent 1600 år, i isbreene i polare land er den mye lengre - omtrent 9700 år.

Den fullstendige fornyelsen av vannet i verdenshavet skjer om omtrent 2700 år.

Effekter av samspillet mellom solstråling, bevegelig og roterende jord.

I dette problemet sesongmessige variasjoner bør vurderes: vinter/sommer. Beskriv at på grunn av jordens rotasjon og bevegelse kommer solstråling ujevnt, noe som betyr at klimatiske forhold endres med breddegrad.

Jorden vippes til ekliptikkens plan med 23,5 grader.

Bjelkene beveger seg i forskjellige vinkler. strålingsbalanse. Det er viktig ikke bare hvor mye man vinner, men også hvor mye man taper, og hvor mye som gjenstår, tatt i betraktning albedoen.

Atmosfæriske handlingssentre

Store områder med vedvarende høyt eller lavt trykk knyttet til den generelle sirkulasjonen av atmosfæren - handlingssentre for atmosfæren. De bestemmer den rådende retningen til vindene og fungerer som formasjonssentre geografiske typer luftmasser. På synoptiske kart er de uttrykt med lukkede linjer - isobarer.

Fører til: 1) heterogenitet av jorden;

2) forskjellen i fysisk. egenskaper til land og vann (varmekapasitet)

3) forskjell i overflatealbedo (R/Q): vann – 6 %, ekv. skoger - 10-12%, brede skoger - 18%, enger - 22-23%, snø - 92%;

4) F Coriolis

Dette forårsaker OCA.

Atmosfæriske handlingssentre:

● fast- i dem eksisterer høy- eller lavtrykk hele året:

1. ekvatorial stripe ned. trykk, hvis akse migrerer noe fra ekvator etter solen mot sommerhalvkulen - Ekvatorial depresjon (årsaker: en stor mengde Q og hav);

2. på ett subtropisk bånd forhøyet. trykket i nord. og Yuzh. halvkuler; flere migrerer om sommeren til høyere subtroper. breddegrader, om vinteren - til lavere; bryte opp i en rekke oseaniske. antisykloner: i nord. halvkuler - Azorene antisyklon (spesielt om sommeren) og Hawaiian; i Sør-Sør-Indisk, Sør-Stillehavet og Sør-Atlanteren;

3. områder senket. trykk over havene i de høye breddegrader av tempererte soner: i nord. halvkuler - islandske (spesielt om vinteren) og Aleutiske lavmål, i sør - en kontinuerlig ring av lavtrykk som omgir Antarktis (50 0 S);

4. økningsområder. press over Arktis (spesielt om vinteren) og Antarktis - antisykloner;

● sesongmessige- spores som områder med høy- eller lavtrykk i løpet av en sesong, og endres i en annen sesong til handlingssenteret for atmosfæren til det motsatte tegnet. Deres eksistens er forbundet med en kraftig endring i løpet av året i temperaturen på landoverflaten i forhold til temperaturen på overflaten av havene; sommer overoppheting av landet skaper gunstige forhold for dannelsen av lavere områder her. trykk, vinter hypotermi - for områder med økt. press. Alt i. halvkule til vinterområder økte. presset inkluderer den asiatiske (sibirske) med et senter i Mongolia og den kanadiske maksima, i de sør-australske, søramerikanske og sørafrikanske maksima. Sommerområder lavere trykk: i Sev. halvkuler - sørasiatiske (eller vestasiatiske) og nordamerikanske lavmål, i sør. - Australske, søramerikanske og sørafrikanske lavmål).

Atmosfærens handlingssentre er iboende i en bestemt type vær. Derfor får luften her relativt raskt egenskapene til den underliggende overflaten - varm og fuktig i ekvatorialdepresjonen, kald og tørr i den mongolske antisyklonen, kjølig og fuktig i den islandske lav, etc.

Planetarisk varmeoverføring og dens årsaker

Hovedtrekkene ved planetarisk varmeoverføring. Solenergien som absorberes av jordklodens overflate blir deretter brukt på fordampning og varmeoverføring ved turbulente strømmer. Fordampning tar i gjennomsnitt rundt planeten rundt 80%, og turbulent varmeoverføring - de resterende 20% av den totale varmen.

Prosessene for varmeoverføring og endringer med den geografiske breddegraden til komponentene i havet og på land er veldig unike. All varmen som absorberes av landet om våren og sommeren går helt tapt om høsten og vinteren; med et balansert årlig varmebudsjett viser det seg derfor å være lik null overalt.

I verdenshavet, på grunn av den høye varmekapasiteten til vann og dets mobilitet på lave breddegrader, akkumuleres varme, hvorfra den transporteres med strøm til høye breddegrader, hvor utgiftene overstiger inntaket. Dermed dekkes mangelen som skapes i varmevekslingen av vann med luft.

I ekvatorialsonen av verdenshavet, med en stor mengde absorbert solstråling og redusert energiforbruk, har det årlige varmebudsjettet maksimale positive verdier. Med avstand fra ekvator synker det positive årlige varmebudsjettet på grunn av en økning i varmeoverføringsforbruksvarer, hovedsakelig fordampning. Med overgangen fra tropene til tempererte breddegrader blir varmebudsjettet negativt.

Innenfor landet tilbringes all varmen som mottas i vår-sommertiden i høst-vinterperioden. I vannet i verdenshavet, i løpet av jordens lange historie, har en enorm mengde varme lik 7,6 * 10^21 kcal samlet seg. Akkumuleringen av en så stor masse forklares av den høye varmekapasiteten til vann og dets intense blanding, hvor det oppstår en ganske kompleks omfordeling av varme i tykkelsen av oceanosfæren. Varmekapasiteten til hele atmosfæren er 4 ganger mindre enn for et ti-meters lag av vannet i verdenshavet.

Til tross for at andelen solenergi som brukes til turbulent varmeveksling mellom jordoverflaten og luften er relativt liten, er den hovedkilden til oppvarming av den overflatenære delen av atmosfæren. Intensiteten til denne varmeoverføringen avhenger av temperaturforskjellen mellom luften og den underliggende overflaten (vann eller land). På planetens lave breddegrader (fra ekvator til omtrent førtiende breddegrader på begge halvkuler) varmes luften hovedsakelig opp fra land, som ikke er i stand til å akkumulere solenergi og avgir all varmen den mottar til atmosfæren. På grunn av turbulent varmeoverføring mottar luftskallet fra 20 til 40 kcal/cm^2 per år, og i områder med lav fuktighet (Sahara, Arabia, etc.) enda mer enn 60 kcal/cm^2. Vann på disse breddegrader akkumulerer varme, noe som gir luften i prosessen med turbulent varmeveksling bare 5-10 kcal/cm^2 per år eller mindre. Bare i visse områder (et begrenset område) viser vannet seg å være kaldere i gjennomsnitt per år og mottar derfor varme fra luften (i ekvatorialsonen, nordvest i Det indiske hav, samt utenfor den vestlige kysten av Afrika og Sør-Amerika).

Side 1

En stor geologisk syklus involverer sedimentære bergarter dypt ned i jordskorpen, og slår av elementene i dem i lang tid fra systemet. biologisk syklus. I løpet av geologisk historie de transformerte sedimentære bergartene, igjen på jordoverflaten, blir gradvis ødelagt av aktiviteten til levende organismer, vann og luft, og er igjen inkludert i den biosfæriske syklusen.

En stor geologisk syklus skjer over hundretusener eller millioner av år. Den består av følgende: bergarter blir ødelagt, forvitret og til slutt vasket bort av vannstrømmer ut i havene. Her blir de avsatt på bunnen og danner sedimentære bergarter, og kommer bare delvis tilbake til land med organismer fjernet fra vannet av mennesker eller andre dyr.

I hjertet av en stor geologisk syklus er prosessen med å overføre mineralforbindelser fra ett sted til et annet på planetarisk skala uten deltakelse av levende materie.

I tillegg til den lille sirkulasjonen er det en stor, geologisk sirkulasjon. Noen stoffer kommer inn i de dype lagene av jorden (gjennom havets bunnsedimenter eller på annen måte), hvor langsomme transformasjoner skjer med dannelse av forskjellige forbindelser, mineralske og organiske. Prosessene i den geologiske syklusen støttes hovedsakelig av den indre energien til jorden, dens aktive kjerne. Den samme energien bidrar til frigjøring av stoffer til jordens overflate. Dermed stenger en stor sirkulasjon av stoffer. Det tar millioner av år.

Når det gjelder hastigheten og intensiteten til den store geologiske sirkulasjonen av stoffer, er det for øyeblikket umulig å gi noen nøyaktige data, det er bare omtrentlige estimater, og da bare for den eksogene komponenten generell syklus, dvs. uten å ta hensyn til tilstrømningen av materie fra mantelen til jordskorpen.

Dette karbonet deltar i en stor geologisk syklus. Dette karbonet, i ferd med en liten biotisk syklus, opprettholder gassbalansen i biosfæren og livet generelt.

Solid avrenning fra noen elver i verden.

Bidraget fra biosfæriske og teknosfæriske komponenter til den store geologiske syklusen av jordens stoffer er svært betydelig: det er en konstant progressiv vekst av teknosfæriske komponenter på grunn av utvidelsen av sfæren av menneskelig produksjonsaktivitet.

Siden den viktigste teknobio-geokjemiske strømmen på jordens overflate er rettet innenfor rammen av en stor geologisk sirkulasjon av stoffer for 70% av landet i havet og for 30% - inn i lukkede avløpsfrie depresjoner, men alltid fra høyere til lavere høyder, som et resultat av virkningen av gravitasjonskrefter, henholdsvis differensiering av jordskorpen fra høye til lave høyder, fra land til hav. Omvendte strømmer (atmosfærisk transport, menneskelig aktivitet, tektoniske bevegelser, vulkanisme, migrasjon av organismer) kompliserer til en viss grad denne generelle nedadgående bevegelsen av materie, og skaper lokale migrasjonssykluser, men endrer den ikke generelt.

Sirkulasjonen av vann mellom land og hav gjennom atmosfæren refererer til en stor geologisk syklus. Vann fordamper fra overflaten av havene og overføres enten til land, hvor det faller i form av nedbør, som igjen går tilbake til havet i form av overflate- og underjordisk avrenning, eller faller i form av nedbør til overflaten av havet. Mer enn 500 tusen km3 vann deltar i vannets syklus på jorden hvert år. 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.

Ifølge hans formulering utvikler den biologiske syklusen av stoffer seg på en del av banen til en stor, geologisk syklus av stoffer i naturen.

Transport av materie etter overflate og grunnvann- dette er hovedfaktoren når det gjelder geokjemisk differensiering av jordklodens land, men ikke den eneste, og hvis vi snakker om den store geologiske sirkulasjonen av stoffer på jordens overflate som helhet, så er det veldig essensiell rolle strømmer spiller også spesielt hav- og atmosfærisk transport.

Når det gjelder hastigheten og intensiteten til den store geologiske sirkulasjonen av stoffer, er det foreløpig umulig å gi noen nøyaktige data, det er bare omtrentlige estimater, og da bare for den eksogene komponenten av den generelle syklusen, dvs. uten å ta hensyn til tilstrømningen av materie fra mantelen til jordskorpen. Den eksogene komponenten i den store geologiske sirkulasjonen av stoffer er den stadig pågående prosessen med denudering av jordoverflaten.

Side 1

Geologisk syklus (stor syklus av stoffer i naturen) - syklusen av stoffer, drivkraft som er eksogene og endogene geologiske prosesser.

Geologisk sirkulasjon - sirkulasjonen av stoffer, hvis drivkraft er eksogene og endogene geologiske prosesser.

Grensene for den geologiske syklusen er mye bredere enn biosfærens grenser, dens amplitude fanger opp lagene av jordskorpen langt utenfor biosfæren. Og viktigst av alt, levende organismer spiller en sekundær rolle i prosessene i denne syklusen.

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

Den viktigste rollen i den store syklusen til den geologiske syklusen spilles av små sykluser av materie, både biosfæriske og teknosfæriske, en gang hvor stoffet er slått av i lang tid fra den store geokjemiske strømmen, og transformeres i endeløse sykluser av syntese og nedbrytning.

Den viktigste rollen i den store syklusen til den geologiske sirkulasjonen spilles av små sykluser av materie, både biosfæriske og teknosfæriske, en gang i hvilke stoffet er slått av i lang tid fra den store geokjemiske strømmen, og transformeres i endeløse syntesesykluser og nedbrytning.

Dette karbonet tar del i den langsomme geologiske syklusen.

Det er dette karbonet som tar del i den langsomme geologiske syklusen. Livet på jorden og gassbalansen i atmosfæren støttes av relativt små mengder karbon som finnes i plantevev (5 10 t) og dyrevev (5 109 t) som deltar i den lille (biogene) syklusen. Men for tiden lukker en person intensivt syklusen av stoffer, inkludert karbon. For eksempel er det anslått at den totale biomassen til alle husdyr allerede overstiger biomassen til alle ville landdyr. Områdene med dyrkede planter nærmer seg områdene med naturlige biogeocenoser, og mange kulturelle økosystemer, når det gjelder produktivitet, kontinuerlig økt av mennesker, er betydelig overlegne naturlige.

Den mest omfattende i tid og rom er den såkalte geologiske syklusen av materie.

Det er 2 typer sirkulasjon av stoffer i naturen: en stor eller geologisk syklus av stoffer mellom land og hav; liten eller biologisk - mellom jord og planter.

Vannet som trekkes ut av planten fra jorda i damptilstand kommer inn i atmosfæren, deretter avkjøles, kondenserer og går tilbake til jorda eller havet som nedbør. Den geologiske vannsyklusen gir mekanisk omfordeling, sedimentering, akkumulering av faste sedimenter på land og i bunnen av vannforekomster, samt i prosessen med mekanisk ødeleggelse av jord og bergarter. Imidlertid utføres den kjemiske funksjonen til vann med deltakelse av levende organismer eller deres metabolske produkter. Naturlig vann, som jordsmonn, er et komplekst bio-inert stoff.

Den geokjemiske aktiviteten til mennesket er i ferd med å sammenlignes i skala med biologiske og geologiske prosesser. I den geologiske syklusen øker koblingen av denudering kraftig.

Faktoren som etterlater hovedavtrykket på den generelle karakteren og biologiske. Samtidig streber det geologiske vannkretsløpet hele tiden etter å vaske alle disse elementene ut av lagene av tørt land og inn i havbassenget. Derfor krever bevaring av plantematelementer i landet deres konvertering til en absolutt vannuløselig form. Dette kravet oppfylles av en levende organisk.

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 materie når det gjelder 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 det enorme transformative geologisk rolle levende stoff. Til organisk evolusjon levende organismer tusen ganger (for forskjellige sykluser fra 103 til 105 ganger) passerte gjennom seg selv, gjennom deres organer, vev, celler, blod, hele atmosfæren, hele volumet av verdenshavet, mesteparten av jordmassen, en enorm masse av mineraler. 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. Når levende organismer passerer gjennom kroppen store mengder luft og naturlige løsninger, utfører levende organismer biogen migrasjon (bevegelse kjemiske substanser) og konsentrasjon 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 innelukket i ren 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 stoffer 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 fra miljø stoffer som er nødvendige for livet og returnerer ubrukte. 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 denne saken det skjer 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 går derved inn i sammensetningen av komplekset organiske forbindelser, dannes, og så, 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 integrert del 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.

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

Solenergi gir to sykluser av materie på jorden:

- geologisk (abiotisk), eller stor, sirkulasjon;

- biologisk (biotisk), eller liten, sirkulasjon.

geologisk syklus tydeligst manifestert i vannets syklus og atmosfærisk sirkulasjon.

Omtrent 21 10 20 kJ strålingsenergi kommer til jorden fra solen hvert år. Omtrent halvparten av det brukes på fordampning av vann. Det er dette som skaper 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. Overskuddet strømmer inn i elver og innsjøer, og derfra - igjen ut i havet.

I prosessen med den geologiske vannsyklusen overføres mineralforbindelser fra ett sted til et annet på planetarisk skala, og vannets aggregeringstilstand endres også (flytende, fast - snø, is; gassformig - 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, syklusen av organisk materiale, eller liten, oppsto, 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 overføringsbevegelsen av mineralelementer i en stor (geologisk) syklus, i en liten (biologisk) syklus, er de viktigste momentene syntesen og ødeleggelsen av organiske forbindelser. Disse to prosessene er i et visst forhold, som ligger til grunn for livet og er en av hovedtrekkene.

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

Med ankomsten av levende materie på jorden, sirkulerer kjemiske elementer kontinuerlig i biosfæren, og passerer fra eksternt miljø inn i organismer og tilbake til miljøet.

En slik sirkulasjon av kjemiske elementer langs mer eller mindre lukkede baner, som fortsetter med bruk av solenergi gjennom levende organismer, kalles biogeokjemisk sirkulasjon (syklus).

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

Karbonkretsløpet.

På land begynner karbonsyklusen med at planter fikserer karbondioksid gjennom fotosyntese. Videre dannes karbohydrater fra karbondioksid og vann og oksygen frigjøres. Samtidig frigjøres karbon delvis under respirasjon av planter som en del av karbondioksid. Karbonet som er festet i planter, konsumeres til en viss grad av dyr. Dyr frigjør også karbondioksid når de puster. De foreldede dyrene og plantene brytes ned av mikroorganismer, som et resultat av at karbonet fra det døde organiske materialet oksideres til karbondioksid og kommer inn i atmosfæren igjen.

En lignende syklus av karbon forekommer i havet.

Nitrogenkretsløpet.

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 reduksjonsmidlene igjen nitrogen til en gassform og returnerer det til atmosfæren.

Under moderne forhold grep en mann inn i nitrogensyklusen, som ved å dyrke nitrogenfikserende belgfrukter på store områder, kunstig binder naturlig nitrogen. Det antas at landbruk og industri gir nesten 60 % mer fiksert nitrogen enn naturlige terrestriske økosystemer.

En lignende nitrogensyklus er også observert i vannmiljøet.

Fosfor syklus.

I motsetning til karbon og nitrogen finnes fosforforbindelser i bergarter som eroderes og frigjør fosfater. De fleste av dem havner i hav og hav og kan delvis returneres til land igjen gjennom marine næringskjeder som ender i fiskespisende fugler. Noen av fosfatene havner i jorda og tas opp av planterøttene. 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 til biogeokjemiske sykluser er forskjellige organismer, hvis mangfold av former bestemmer intensiteten til syklusene og involveringen av nesten alle elementer av jordskorpen i dem.

Generelt er hver sirkulasjon av ethvert kjemisk element en del av den generelle grandiose sirkulasjonen av stoffer på jorden, dvs. de er nært beslektet.