Grande ciclo geológico. Grande enciclopédia de petróleo e gás

Ciclos grandes (geológicos) e pequenos (biogeoquímicos) da matéria

Todas as substâncias do nosso planeta estão em processo de circulação. A energia solar causa dois ciclos de matéria na Terra:

Grande (geológico ou abiótico);

Pequeno (biótico, biogênico ou biológico).

Os ciclos da matéria e os fluxos de energia cósmica criam a estabilidade da biosfera. O ciclo da matéria sólida e da água, que ocorre como resultado da ação de fatores abióticos (natureza inanimada), é chamado de grande ciclo geológico. Com um grande ciclo geológico (fluxo de milhões de anos), as rochas são destruídas, intemperizadas, as substâncias se dissolvem e entram no Oceano Mundial; estão ocorrendo mudanças geotectônicas, o afundamento dos continentes, a elevação do fundo do mar. O tempo do ciclo da água nas geleiras é de 8.000 anos, nos rios - 11 dias. É a grande circulação que fornece nutrientes aos organismos vivos e determina em grande parte as condições de sua existência.

Um grande ciclo geológico na biosfera é caracterizado por dois pontos importantes: oxigênio carbono geológico

• a) realizada ao longo desenvolvimento geológico Terra;
• b) é um processo planetário moderno que tem um papel preponderante na desenvolvimento adicional biosfera.

No estágio atual do desenvolvimento humano, como resultado de uma grande circulação, os poluentes também são transportados por longas distâncias - óxidos de enxofre e nitrogênio, poeira, impurezas radioativas. Os territórios de latitudes temperadas do Hemisfério Norte foram submetidos à maior poluição.

Uma pequena circulação, biogênica ou biológica de substâncias ocorre nas fases sólida, líquida e gasosa com a participação de organismos vivos. O ciclo biológico, ao contrário do ciclo geológico, requer menos energia. Um pequeno ciclo faz parte de um grande, ocorre no nível das biogeocenoses (dentro dos ecossistemas) e reside no fato de que os nutrientes do solo, a água, o carbono se acumulam na matéria vegetal e são gastos na construção do corpo. Os produtos de decomposição da matéria orgânica se decompõem em componentes minerais. O pequeno ciclo não é fechado, o que está associado à entrada de substâncias e energia de fora para o ecossistema e à liberação de algumas delas no ciclo da biosfera.

Muitos elementos químicos e seus compostos estão envolvidos em grandes e pequenos ciclos, mas os mais importantes deles são aqueles que determinam o atual estágio de desenvolvimento da biosfera, associados à atividade econômica humana. Estes incluem os ciclos do carbono, enxofre e nitrogênio (seus óxidos são os principais poluentes da atmosfera), bem como do fósforo (os fosfatos são o principal poluente das águas continentais). Quase todos os poluentes agem como nocivos e são classificados como xenobióticos. Atualmente, os ciclos dos xenobióticos - elementos tóxicos - mercúrio (contaminante de alimentos) e chumbo (componente da gasolina) são de grande importância. Além disso, muitas substâncias de origem antrópica (DDT, pesticidas, radionuclídeos, etc.) entram na pequena circulação a partir da grande circulação, que causam danos à biota e à saúde humana.

A essência do ciclo biológico é o fluxo de dois processos opostos, mas inter-relacionados - a criação da matéria orgânica e sua destruição pela matéria viva.

Em contraste com o grande ciclo, o pequeno tem uma duração diferente: distinguem-se os pequenos ciclos sazonais, anuais, perenes e seculares. Circulação de produtos químicos do ambiente inorgânico através da vegetação e animais de volta ao ambiente inorgânico usando energia solar reações químicas chamado de ciclo biogeoquímico.

O presente e o futuro do nosso planeta dependem da participação dos organismos vivos no funcionamento da biosfera. Na circulação de substâncias, a matéria viva, ou biomassa, desempenha funções biogeoquímicas: gás, concentração, redox e bioquímica.

O ciclo biológico ocorre com a participação dos organismos vivos e consiste na reprodução da matéria orgânica do inorgânico e a decomposição deste orgânico no inorgânico através da cadeia trófica alimentar. A intensidade dos processos de produção e destruição no ciclo biológico depende da quantidade de calor e umidade. Por exemplo, a baixa taxa de decomposição da matéria orgânica nas regiões polares depende do déficit de calor.

Um indicador importante da intensidade do ciclo biológico é a taxa de circulação dos elementos químicos. A intensidade é caracterizada por um índice igual à razão entre a massa de serapilheira e a serapilheira. Quanto maior o índice, menor a intensidade do ciclo.

Índice em florestas de coníferas - 10 - 17; 3 - 4 de folhas largas; savana não mais que 0,2; florestas tropicais úmidas não mais que 0,1, ou seja, aqui o ciclo biológico é o mais intenso.

O fluxo de elementos (nitrogênio, fósforo, enxofre) através de microorganismos é uma ordem de grandeza maior do que através de plantas e animais. O ciclo biológico não é completamente reversível, está intimamente relacionado com o ciclo biogeoquímico. Os elementos químicos circulam na biosfera ao longo de vários caminhos do ciclo biológico:

• - absorvido pela matéria viva e carregado de energia;
• - deixa a matéria viva, liberando energia para o meio externo.

Esses ciclos são de dois tipos: a circulação de substâncias gasosas; ciclo sedimentar (reserva na crosta terrestre).

Os próprios ciclos consistem em duas partes:

• - fundo de reserva (é uma parte da substância que não está associada a organismos vivos);
• - fundo móvel (troca) (uma parte menor da substância associada à troca direta entre organismos e seu ambiente imediato).

Os ciclos são divididos em:

• - ciclos do tipo gás com fundo de reserva na crosta terrestre (ciclos de carbono, oxigênio, nitrogênio) - capazes de auto-regulação rápida;
• - ciclos sedimentares com um fundo de reserva na crosta terrestre (circulações de fósforo, cálcio, ferro, etc.) - são mais inertes, a maior parte da substância está em uma forma "inacessível" aos organismos vivos.

Os ciclos também podem ser divididos em:

• - fechado (circulação de substâncias gasosas, por exemplo, oxigênio, carbono e nitrogênio - uma reserva na atmosfera e hidrosfera do oceano, então a escassez é rapidamente compensada);
• - aberto (criando um fundo de reserva na crosta terrestre, por exemplo, fósforo - portanto, as perdas são mal compensadas, ou seja, um déficit é criado).

A base energética para a existência dos ciclos biológicos na Terra e seu elo inicial é o processo de fotossíntese. Cada novo ciclo de circulação não é uma repetição exata do anterior. Por exemplo, durante a evolução da biosfera, alguns dos processos foram irreversíveis, resultando na formação e acúmulo de precipitação biogênica, aumento na quantidade de oxigênio na atmosfera, mudança nas proporções quantitativas de isótopos de vários elementos, etc

A circulação de substâncias é comumente chamada de ciclos biogeoquímicos. Os principais ciclos biogeoquímicos (biosféricos) de substâncias: o ciclo da água, o ciclo do oxigênio, o ciclo do nitrogênio (participação de bactérias fixadoras de nitrogênio), o ciclo do carbono (participação de bactérias aeróbicas; anualmente cerca de 130 toneladas de carbono são descarregadas no meio geológico ciclo), o ciclo do fósforo (participação de bactérias do solo; anualmente em 14 milhões de toneladas de fósforo são lavados dos oceanos), o ciclo do enxofre, o ciclo dos cátions metálicos.

O ciclo da água

O ciclo da água é um ciclo fechado que pode ser realizado, como mencionado acima, mesmo na ausência de vida, mas os organismos vivos o modificam.

O ciclo é baseado no princípio de que a evaporação total é compensada pela precipitação. Para o planeta como um todo, a evaporação e a precipitação se equilibram. Ao mesmo tempo, mais água evapora do oceano do que retorna com a precipitação. Em terra, ao contrário, cai mais precipitação, mas o excesso flui para lagos e rios, e daí novamente para o oceano. O equilíbrio de umidade entre continentes e oceanos é mantido pelo escoamento dos rios.

Assim, o ciclo hidrológico global tem quatro fluxos principais: precipitação, evaporação, transferência de umidade e transpiração.

A água - a substância mais comum na biosfera - serve não apenas como habitat para muitos organismos, mas também é parte integral corpos de todos os seres vivos. Apesar da enorme importância da água em todos os processos vitais que ocorrem na biosfera, a matéria viva não desempenha um papel decisivo no grande ciclo da água no globo. A força motriz desse ciclo é a energia do sol, que é gasta na evaporação da água da superfície das bacias hidrográficas ou da terra. A umidade evaporada condensa na atmosfera na forma de nuvens sopradas pelo vento; À medida que as nuvens esfriam, a precipitação cai.

A quantidade total de água livre livre (a proporção de oceanos e mares onde a água salgada líquida) representa 86 a 98%. O restante da água (água doce) é armazenada nas calotas polares e geleiras e forma bacias hidrográficas e seus lençóis freáticos. A precipitação que cai na superfície da terra coberta com vegetação é parcialmente retida pela superfície da folha e subsequentemente evapora na atmosfera. A umidade que atinge o solo pode se juntar ao escoamento superficial ou ser absorvida pelo solo. Completamente absorvido pelo solo (isso depende do tipo de solo, características das rochas e cobertura vegetal), o excesso de sedimento pode penetrar profundamente nas águas subterrâneas. Se a quantidade de precipitação exceder a capacidade de água camadas superiores solo, começa o escoamento superficial, cuja velocidade depende do estado do solo, da inclinação do declive, da duração da precipitação e da natureza da vegetação (a vegetação pode proteger o solo da erosão hídrica). A água retida no solo pode evaporar de sua superfície ou, após absorção pelas raízes das plantas, ser transpirada (evaporar) para a atmosfera através das folhas.

O fluxo transpiratório da água (solo - raízes das plantas - folhas - atmosfera) é o principal caminho da água através da matéria viva em sua grande circulação em nosso planeta.

o ciclo do carbono

Toda a variedade de substâncias orgânicas, processos bioquímicos e formas de vida na Terra depende das propriedades e características do carbono. O conteúdo de carbono na maioria dos organismos vivos é de cerca de 45% de sua biomassa seca. Toda a matéria viva do planeta está envolvida no ciclo da matéria orgânica e todo o carbono da Terra, que continuamente surge, sofre mutações, morre, se decompõe, e nessa sequência o carbono é transferido de uma substância orgânica para a construção de outra ao longo do ciclo. cadeia alimentar. Além disso, todos os seres vivos respiram, liberando dióxido de carbono.

O ciclo do carbono na terra. O ciclo do carbono é mantido através da fotossíntese das plantas terrestres e do fitoplâncton oceânico. Ao absorver o dióxido de carbono (fixando o carbono inorgânico), as plantas usam a energia da luz solar para convertê-la em compostos orgânicos - criando sua própria biomassa. À noite, as plantas, como todos os seres vivos, respiram, liberando dióxido de carbono.

Plantas mortas, cadáveres e excrementos de animais servem de alimento para numerosos organismos heterotróficos (animais, plantas saprófitas, fungos, microorganismos). Todos esses organismos vivem principalmente no solo e no processo de vida criam sua própria biomassa, que inclui carbono orgânico. Eles também liberam dióxido de carbono, criando a "respiração do solo". Freqüentemente, a matéria orgânica morta não é completamente decomposta e o húmus (húmus) se acumula nos solos, o que desempenha um papel importante na fertilidade do solo. O grau de mineralização e humificação das substâncias orgânicas depende de muitos fatores: umidade, temperatura, propriedades físicas do solo, composição dos resíduos orgânicos, etc. Sob a ação de bactérias e fungos, o húmus pode se decompor em dióxido de carbono e compostos minerais.

O ciclo do carbono nos oceanos. O ciclo do carbono no oceano é diferente daquele na terra. No oceano, o elo fraco dos organismos de níveis tróficos superiores e, portanto, todos os elos do ciclo do carbono. O tempo de trânsito do carbono pelo elo trófico do oceano é curto e a quantidade de dióxido de carbono liberada é insignificante.

O oceano desempenha o papel de principal regulador do teor de dióxido de carbono na atmosfera. Há uma intensa troca de dióxido de carbono entre o oceano e a atmosfera. As águas oceânicas têm um grande poder de dissolução e capacidade tampão. O sistema formado pelo ácido carbônico e seus sais (carbonatos) é uma espécie de depósito de dióxido de carbono, conectado com a atmosfera através da difusão de CO? da água para a atmosfera e vice-versa.

A fotossíntese do fitoplâncton ocorre intensamente no oceano durante o dia, enquanto o dióxido de carbono livre é consumido intensamente, os carbonatos servem como uma fonte adicional de sua formação. À noite, com o aumento do teor de ácido livre devido à respiração de animais e plantas, parte significativa dele entra novamente na composição dos carbonatos. Os processos em andamento seguem as seguintes direções: matéria viva? CO?? H?CO?? Sa(NSO?)?? CaCO?.

Na natureza, uma certa quantidade de matéria orgânica não sofre mineralização devido à falta de oxigênio, alta acidez do ambiente, condições específicas de soterramento, etc. Parte do carbono sai do ciclo biológico na forma de depósitos inorgânicos (calcário, giz, corais) e orgânicos (xisto, petróleo, carvão).

A atividade humana está fazendo mudanças significativas no ciclo do carbono em nosso planeta. As paisagens, os tipos de vegetação, as biocenoses e suas cadeias alimentares estão mudando, vastas áreas da superfície terrestre estão sendo drenadas ou irrigadas, a fertilidade do solo está melhorando (ou piorando), fertilizantes e pesticidas estão sendo aplicados, etc. O mais perigoso é a liberação de dióxido de carbono na atmosfera como resultado da queima de combustível. Isso aumenta a taxa do ciclo do carbono e encurta seu ciclo.

ciclo de oxigênio

O oxigênio é um pré-requisito para a existência de vida na Terra. Está incluído em quase todos os compostos biológicos, participa de reações bioquímicas de oxidação de substâncias orgânicas, fornecendo energia para todos os processos vitais dos organismos da biosfera. O oxigênio garante a respiração de animais, plantas e microorganismos na atmosfera, solo, água, participa de reações químicas de oxidação que ocorrem em rochas, solos, lodos, aquíferos.

Os principais ramos do ciclo do oxigênio:

• - a formação de oxigênio livre durante a fotossíntese e sua absorção durante a respiração de organismos vivos (plantas, animais, microorganismos na atmosfera, solo, água);
• - formação de uma tela de ozônio;
• - criação de zonamento redox;
• - oxidação de monóxido de carbono durante erupções vulcânicas, acumulação de rochas sedimentares de sulfato, consumo de oxigênio em atividades humanas, etc.; em todos os lugares, o oxigênio molecular está envolvido na fotossíntese.

ciclo do nitrogênio

O nitrogênio faz parte das substâncias orgânicas biologicamente importantes de todos os organismos vivos: proteínas, ácidos nucleicos, lipoproteínas, enzimas, clorofila, etc. Apesar do teor de nitrogênio (79%) no ar, ele é deficiente para os organismos vivos.

O nitrogênio na biosfera está na forma gasosa (N2) inacessível aos organismos - é quimicamente pouco ativo, portanto não pode ser usado diretamente por plantas superiores (e a maioria das plantas inferiores) e pelo mundo animal. As plantas absorvem nitrogênio do solo na forma de íons de amônio ou íons de nitrato, ou seja, chamado nitrogênio fixo.

Existem fixações atmosféricas, industriais e biológicas de nitrogênio.

A fixação atmosférica ocorre quando a atmosfera é ionizada por raios cósmicos e durante fortes descargas elétricas durante tempestades, enquanto os óxidos de nitrogênio e amônia são formados a partir do nitrogênio molecular do ar, que, devido à precipitação atmosférica, transforma-se em amônio, nitrito, nitrogênio nitrato e entrar no solo e nas bacias hidrográficas.

A fixação industrial ocorre como resultado das atividades humanas. A atmosfera é poluída com compostos de nitrogênio por plantas que produzem compostos de nitrogênio. Emissões quentes de usinas termelétricas, fábricas, espaçonaves e aeronaves supersônicas oxidam o nitrogênio no ar. Os óxidos de nitrogênio, interagindo com o vapor de água do ar com a precipitação, retornam ao solo, entram no solo na forma iônica.

A fixação biológica desempenha um papel importante no ciclo do nitrogênio. É realizado por bactérias do solo:

• - bactérias fixadoras de nitrogênio (e algas verde-azuladas);
• - microrganismos que vivem em simbiose com plantas superiores (bactérias nodulares);
• - amonificante;
• - nitrificante;
• - desnitrificante.

Vivendo livremente no solo, bactérias aeróbicas (existentes na presença de oxigênio) fixadoras de nitrogênio (Azotobacter) são capazes de fixar nitrogênio molecular atmosférico devido à energia obtida a partir da oxidação da matéria orgânica do solo durante a respiração, ligando-o finalmente com hidrogênio e introduzindo-o na forma de um grupo amino (-NH2) na composição dos aminoácidos do seu corpo. O nitrogênio molecular também é capaz de fixar algumas bactérias anaeróbias (que vivem na ausência de oxigênio) existentes no solo (Clostridium). Morrendo, esses e outros microorganismos enriquecem o solo com nitrogênio orgânico.

As algas verde-azuladas, especialmente importantes para os solos dos arrozais, também são capazes de fixar biologicamente o nitrogênio molecular.

A fixação biológica mais efetiva do nitrogênio atmosférico ocorre em bactérias que vivem em simbiose nos nódulos de leguminosas (bactérias do nódulo).

Essas bactérias (Rizobium) usam a energia da planta hospedeira para fixar nitrogênio enquanto fornecem os órgãos terrestres do hospedeiro com compostos de nitrogênio disponíveis.

Compostos de nitrogênio assimilados do solo nas formas de nitrato e amônio, as plantas constroem os compostos contendo nitrogênio necessários de seu corpo (o nitrogênio do nitrato nas células vegetais é restaurado preliminarmente). As plantas produtoras fornecem substâncias nitrogenadas para todo o mundo animal e humanidade. Plantas mortas são utilizadas, de acordo com a cadeia trófica, por biorredutores.

Microrganismos amonificantes decompõem substâncias orgânicas contendo nitrogênio (aminoácidos, uréia) com a formação de amônia. Parte do nitrogênio orgânico no solo não é mineralizado, mas é convertido em substâncias húmicas, betume e componentes de rochas sedimentares.

A amônia (como íon amônio) pode entrar no sistema radicular das plantas ou ser usada em processos de nitrificação.

Microrganismos nitrificantes são quimiossintéticos, eles usam a energia da oxidação da amônia para nitratos e nitritos para nitratos para garantir todos os processos vitais. Devido a essa energia, os nitrificantes repõem o dióxido de carbono e constroem as substâncias orgânicas de seu corpo. A oxidação da amônia durante a nitrificação ocorre de acordo com as seguintes reações:

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

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

Os nitratos formados nos processos de nitrificação entram novamente no ciclo biológico, são absorvidos do solo pelas raízes das plantas ou após entrarem com o escoamento da água nas bacias hidrográficas - fitoplâncton e fitobentos.

Junto com os organismos que fixam o nitrogênio atmosférico e o nitrificam, existem microrganismos na biosfera que podem reduzir nitratos ou nitritos a nitrogênio molecular. Esses microorganismos, chamados desnitrificadores, com falta de oxigênio livre na água ou no solo, usam o oxigênio dos nitratos para oxidar substâncias orgânicas:

C?H??O?(glicose) + 24KNO? ? 24KHCO? +6CO? + 12N? + 18H?O + energia

A energia liberada ao mesmo tempo serve como base para toda a atividade vital dos microorganismos desnitrificantes.

Assim, as substâncias vivas desempenham um papel excepcional em todos os elos do ciclo.

Atualmente, a fixação industrial do nitrogênio atmosférico pelo homem desempenha um papel cada vez mais importante no balanço de nitrogênio dos solos e, consequentemente, em todo o ciclo do nitrogênio na biosfera.

ciclo do fósforo

O ciclo do fósforo é mais simples. Enquanto o reservatório do nitrogênio é o ar, o reservatório do fósforo são as rochas, das quais ele é liberado durante a erosão.

Carbono, oxigênio, hidrogênio e nitrogênio migram com mais facilidade e rapidez na atmosfera, pois estão na forma gasosa, formando compostos gasosos nos ciclos biológicos. Para todos os outros elementos, exceto o enxofre, necessário para a existência da matéria viva, a formação de compostos gasosos nos ciclos biológicos não é característica. Esses elementos migram principalmente na forma de íons e moléculas dissolvidas em água.

O fósforo, assimilado pelas plantas na forma de íons de ácido ortofosfórico, desempenha um papel importante na vida de todos os organismos vivos. Faz parte do ADP, ATP, DNA, RNA e outros compostos.

O ciclo do fósforo na biosfera está aberto. Nas biogeocenoses terrestres, o fósforo, após a absorção pelas plantas do solo através da cadeia alimentar, entra novamente no solo na forma de fosfatos. A quantidade principal de fósforo é novamente absorvida pelo sistema radicular das plantas. Parcialmente, o fósforo pode ser lavado com o escoamento da água da chuva do solo para as bacias hidrográficas.

Nas biogeocenoses naturais, muitas vezes há falta de fósforo e, em meio alcalino e oxidado, geralmente é encontrado na forma de compostos insolúveis.

Uma grande quantidade de fosfatos contém rochas da litosfera. Alguns deles passam gradualmente para o solo, alguns são desenvolvidos pelo homem para a produção de fertilizantes fosfatados, a maioria deles é lixiviado e lavado na hidrosfera. Lá eles são usados ​​pelo fitoplâncton e organismos relacionados em diferentes níveis tróficos de cadeias alimentares complexas.

No Oceano Mundial, a perda de fosfatos do ciclo biológico ocorre devido à deposição de restos vegetais e animais em grandes profundidades. Como o fósforo se move principalmente da litosfera para a hidrosfera com água, ele migra para a litosfera biologicamente (comendo peixe por aves marinhas, usando algas bentônicas e farinha de peixe como fertilizante, etc.).

De todos os elementos da nutrição mineral das plantas, o fósforo pode ser considerado deficiente.

ciclo do enxofre

Para os organismos vivos, o enxofre é de grande importância, pois faz parte dos aminoácidos que contêm enxofre (cistina, cisteína, metionina, etc.). Estando na composição das proteínas, os aminoácidos contendo enxofre mantêm a estrutura tridimensional necessária das moléculas de proteína.

O enxofre é absorvido pelas plantas do solo apenas na forma oxidada, na forma de um íon. Nas plantas, o enxofre é reduzido e faz parte dos aminoácidos na forma de grupos sulfidrila (-SH) e dissulfeto (-S-S-).

Os animais assimilam apenas enxofre reduzido, que faz parte da matéria orgânica. Após a morte de organismos vegetais e animais, o enxofre retorna ao solo, onde, como resultado da atividade de inúmeras formas de microorganismos, sofre transformações.

Sob condições aeróbicas, alguns microrganismos oxidam o enxofre orgânico a sulfatos. Os íons sulfato, sendo absorvidos pelas raízes das plantas, são novamente incluídos no ciclo biológico. Alguns sulfatos podem ser incluídos na migração da água e removidos do solo. Em solos ricos em substâncias húmicas, uma quantidade significativa de enxofre é encontrada em compostos orgânicos, o que impede sua lixiviação.

Sob condições anaeróbicas, a decomposição de compostos orgânicos de enxofre produz sulfeto de hidrogênio. Se sulfatos e substâncias orgânicas estiverem em um ambiente sem oxigênio, a atividade das bactérias redutoras de sulfato é ativada. Eles usam o oxigênio dos sulfatos para oxidar a matéria orgânica e assim obter a energia necessária para sua existência.

Bactérias redutoras de sulfato são comuns em águas subterrâneas, lodo e água do mar estagnada. O sulfeto de hidrogênio é um veneno para a maioria dos organismos vivos, portanto, seu acúmulo em solos cheios de água, lagos, estuários, etc. reduz significativamente ou até interrompe completamente os processos vitais. Tal fenômeno é observado no Mar Negro a uma profundidade inferior a 200 m de sua superfície.

Assim, para criar um ambiente favorável, é necessário oxidar o sulfeto de hidrogênio em íons sulfato, que destruirão o efeito nocivo do sulfeto de hidrogênio, o enxofre se transformará em uma forma acessível às plantas - na forma de sais de sulfato. Esse papel é desempenhado na natureza por um grupo especial de bactérias sulfurosas (incolores, verdes, roxas) e bactérias tiônicas.

Bactérias sulfurosas incolores são quimiossintéticas: elas usam a energia obtida da oxidação do sulfeto de hidrogênio pelo oxigênio em enxofre elementar e sua posterior oxidação em sulfatos.

Bactérias sulfurosas coloridas são organismos fotossintéticos que usam sulfeto de hidrogênio como doador de hidrogênio para reduzir o dióxido de carbono.

O enxofre elementar resultante nas bactérias sulfurosas verdes é liberado das células, nas bactérias roxas ele se acumula dentro das células.

A reação geral desse processo é a fotorredução:

CO?+ 2H?S luz? (CH?O) + H?O +2S.

As bactérias thion oxidam o enxofre elementar e seus vários compostos reduzidos a sulfatos às custas do oxigênio livre, devolvendo-o à corrente principal do ciclo biológico.

Nos processos do ciclo biológico, onde o enxofre é convertido, os organismos vivos, especialmente os microorganismos, desempenham um papel importante.

O principal reservatório de enxofre em nosso planeta é o Oceano Mundial, uma vez que os íons de sulfato entram continuamente a partir do solo. Parte do enxofre do oceano retorna à terra através da atmosfera de acordo com o esquema sulfeto de hidrogênio - oxidando-o a dióxido de enxofre - dissolvendo-o na água da chuva com a formação de ácido sulfúrico e sulfatos - devolvendo o enxofre com precipitação à cobertura do solo da Terra.

Ciclo de cátions inorgânicos

Além dos elementos básicos que compõem os organismos vivos (carbono, oxigênio, hidrogênio, fósforo e enxofre), muitos outros macro e microelementos - cátions inorgânicos - são vitais. Nas bacias hidrográficas, as plantas recebem os cátions metálicos de que necessitam diretamente do ambiente. Em terra, a principal fonte de cátions inorgânicos é o solo, que os recebeu no processo de destruição das rochas-mãe. Nas plantas, os cátions absorvidos pelos sistemas radiculares se movem para as folhas e outros órgãos; alguns deles (magnésio, ferro, cobre e vários outros) fazem parte de moléculas biologicamente importantes (clorofila, enzimas); outros, permanecendo na forma livre, participam da manutenção das propriedades coloidais necessárias do protoplasma das células e desempenham várias outras funções.

Quando os organismos vivos morrem, os cátions inorgânicos retornam ao solo no processo de mineralização das substâncias orgânicas. A perda desses componentes do solo ocorre como resultado da lixiviação e remoção de cátions metálicos com água da chuva, rejeição e remoção de matéria orgânica pelo homem durante o cultivo de plantas agrícolas, extração de madeira, corte de grama para alimentação animal, etc.

O uso racional de fertilizantes minerais, a recuperação do solo, a aplicação de fertilizantes orgânicos e a tecnologia agrícola adequada ajudarão a restaurar e manter o equilíbrio dos cátions inorgânicos nas biocenoses da biosfera.

Ciclagem antropogênica: ciclagem de xenobióticos (mercúrio, chumbo, cromo)

A humanidade faz parte da natureza e só pode existir em constante interação com ela.

Existem semelhanças e contradições entre a circulação natural e antrópica de matéria e energia que ocorre na biosfera.

O ciclo natural (biogeoquímico) da vida tem as seguintes características:

• - o uso da energia solar como fonte de vida e todas as suas manifestações com base nas leis termodinâmicas;
• - é realizada sem desperdício, ou seja, todos os produtos de sua atividade vital são mineralizados e reincluídos no próximo ciclo da circulação de substâncias. Ao mesmo tempo, a energia térmica gasta e desvalorizada é removida para fora da biosfera. Durante o ciclo biogeoquímico das substâncias, são gerados resíduos, ou seja, reservas sob a forma de carvão, petróleo, gás e outros recursos minerais. Em contraste com o ciclo natural livre de resíduos, o ciclo antropogênico é acompanhado por um aumento de resíduos a cada ano.

Não há nada inútil ou nocivo na natureza, até as erupções vulcânicas trazem benefícios, porque os elementos necessários (por exemplo, nitrogênio) entram no ar com gases vulcânicos.

Existe uma lei de fechamento global da circulação biogeoquímica na biosfera, válida em todas as fases de seu desenvolvimento, bem como uma regra de fechamento crescente da circulação biogeoquímica no curso da sucessão.

Os seres humanos desempenham um papel enorme no ciclo biogeoquímico, mas na direção oposta. O homem viola os ciclos existentes de substâncias, e isso manifesta sua força geológica - destrutiva em relação à biosfera. Como resultado da atividade antropogênica, o grau de isolamento dos ciclos biogeoquímicos diminui.

O ciclo antropogênico não se limita à energia da luz solar captada pelas plantas verdes do planeta. A humanidade usa a energia de combustíveis, hidrelétricas e usinas nucleares.

Pode-se argumentar que a atividade antropogênica no estágio atual é uma enorme força destrutiva para a biosfera.

A biosfera tem uma propriedade especial - resistência significativa a poluentes. Esta estabilidade baseia-se na capacidade natural dos vários componentes ambiente naturalà autopurificação e à autocura. Mas não ilimitado. A possível crise global ocasionou a necessidade de construir um modelo matemático da biosfera como um todo (o sistema "Gaia") para obter informações sobre o possível estado da biosfera.

Um xenobiótico é uma substância estranha aos organismos vivos que aparece como resultado da atividade antropogênica (pesticidas, produtos químicos domésticos e outros poluentes), capaz de causar perturbações nos processos bióticos, incl. doença ou morte. Tais poluentes não sofrem biodegradação, mas se acumulam em cadeias tróficas.

Mercúrio é um elemento muito raro. Está disperso na crosta terrestre e apenas em alguns minerais, como o cinábrio, está contido de forma concentrada. O mercúrio está envolvido no ciclo da matéria na biosfera, migrando no estado gasoso e em soluções aquosas.

Entra na atmosfera da hidrosfera durante a evaporação, durante a liberação do cinábrio, com gases vulcânicos e gases de fontes termais. Parte do mercúrio gasoso na atmosfera passa para a fase sólida e é removido do ar. O mercúrio caído é absorvido pelos solos, especialmente argila, água e rochas. Em minerais combustíveis - petróleo e carvão - o mercúrio contém até 1 mg / kg. Existem aproximadamente 1,6 bilhão de toneladas na massa de água dos oceanos, 500 bilhões de toneladas nos sedimentos do fundo e 2 milhões de toneladas no plâncton. Cerca de 40 mil toneladas são transportadas pelas águas dos rios da terra todos os anos, o que é 10 vezes menos do que entra na atmosfera durante a evaporação (400 mil toneladas). Cerca de 100 mil toneladas caem na superfície terrestre anualmente.

O mercúrio passou de um componente natural do ambiente natural para uma das emissões feitas pelo homem mais perigosas na biosfera para a saúde humana. É amplamente utilizado nas indústrias metalúrgica, química, elétrica, eletrônica, papel e celulose e farmacêutica, sendo utilizado na produção de explosivos, vernizes e tintas, além da medicina. Efluentes industriais e emissões atmosféricas, juntamente com minas de mercúrio, plantas de produção de mercúrio e usinas termelétricas (CHP e caldeiras) usando carvão, petróleo e derivados, são as principais fontes de poluição da biosfera com esse componente tóxico. Além disso, o mercúrio é um ingrediente de pesticidas organomercuriais usados ​​na agricultura para tratar sementes e proteger as plantações de pragas. Entra no corpo humano com alimentos (ovos, grãos em conserva, carne de animais e pássaros, leite, peixe).

Mercúrio na água e nos sedimentos do fundo dos rios

Foi estabelecido que cerca de 80% do mercúrio que entra em corpos de água naturais está na forma dissolvida, o que acaba contribuindo para sua propagação por longas distâncias junto com os fluxos de água. O elemento puro não é tóxico.

O mercúrio é encontrado em águas de lodo de fundo com mais frequência em concentrações relativamente inofensivas. Os compostos inorgânicos de mercúrio são convertidos em compostos tóxicos de mercúrio orgânico, como o metilmercúrio CH?Hg e o etilmercúrio C?H?Hg, por bactérias que vivem em detritos e sedimentos, no lodo do fundo de lagos e rios, no muco que cobre os corpos de peixes, e também no muco estomacal dos peixes. Esses compostos são facilmente solúveis, móveis e altamente tóxicos. A base química da ação agressiva do mercúrio é sua afinidade com o enxofre, em particular com o grupo sulfeto de hidrogênio nas proteínas. Essas moléculas se ligam aos cromossomos e às células cerebrais. Peixes e mariscos podem acumulá-los em níveis perigosos para a pessoa que os ingere, causando a doença de Minamata.

O mercúrio metálico e seus compostos inorgânicos atuam principalmente no fígado, rins e trato intestinal, porém, em condições normais, são excretados do corpo de forma relativamente rápida e a quantidade perigosa para o corpo humano não tem tempo de se acumular. O metilmercúrio e outros compostos de alquil mercúrio são muito mais perigosos, porque ocorre a acumulação - a toxina entra no corpo mais rapidamente do que é excretada do corpo, atuando no sistema nervoso central.

Os sedimentos de fundo são uma característica importante dos ecossistemas aquáticos. Ao acumular metais pesados, radionuclídeos e substâncias orgânicas altamente tóxicas, os sedimentos de fundo, por um lado, contribuem para a autodepuração dos ambientes aquáticos e, por outro, são uma fonte constante de poluição secundária dos corpos d'água. Os sedimentos de fundo são um objeto de análise promissor, refletindo um padrão de poluição de longo prazo (especialmente em corpos d'água de fluxo lento). Além disso, o acúmulo de mercúrio inorgânico nos sedimentos de fundo é observado principalmente na foz dos rios. Uma situação tensa pode surgir quando a capacidade de adsorção de sedimentos (lodo, precipitação) se esgota. Quando a capacidade de adsorção é atingida, metais pesados, incl. mercúrio entrará na água.

Sabe-se que em condições anaeróbicas marinhas nos sedimentos de algas mortas, o mercúrio se liga ao hidrogênio e passa para compostos voláteis.

Com a participação de microorganismos, o mercúrio metálico pode ser metilado em duas etapas:

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

O metilmercúrio aparece no ambiente praticamente apenas durante a metilação do mercúrio inorgânico.

A meia-vida biológica do mercúrio é longa, é de 70 a 80 dias para a maioria dos tecidos do corpo humano.

Peixes grandes, como espadarte e atum, são conhecidos por serem contaminados com mercúrio no início da cadeia alimentar. Ao mesmo tempo, não é sem interesse notar que, ainda mais do que nos peixes, o mercúrio se acumula (acumula) nas ostras.

O mercúrio entra no corpo humano através da respiração, com alimentos e através da pele de acordo com o seguinte esquema:

Primeiro, há uma transformação do mercúrio. Este elemento ocorre naturalmente em várias formas.

O mercúrio metálico, usado em termômetros, e seus sais inorgânicos (por exemplo, cloreto) são eliminados do corpo com relativa rapidez.

Muito mais tóxicos são os compostos de alquil mercúrio, em particular o metil e o etil mercúrio. Esses compostos são excretados muito lentamente do corpo - apenas cerca de 1% da quantidade total por dia. Embora a maior parte do mercúrio que entra nas águas naturais esteja na forma de compostos inorgânicos, ele sempre acaba nos peixes na forma do metilmercúrio, muito mais venenoso. Bactérias no lodo do fundo de lagos e rios, no muco que cobre os corpos dos peixes, bem como no muco do estômago dos peixes, são capazes de converter compostos inorgânicos de mercúrio em metilmercúrio.

Em segundo lugar, a acumulação seletiva, ou acumulação biológica (concentração), eleva o teor de mercúrio nos peixes e mariscos a níveis muitas vezes superiores aos da água da baía. Peixes e mariscos que vivem no rio acumulam metilmercúrio em concentrações perigosas para os humanos que os utilizam como alimento.

% da pesca mundial contém mercúrio em uma quantidade não superior a 0,5 mg/kg e 95% - abaixo de 0,3 mg/kg. Quase todo o mercúrio no peixe está na forma de metilmercúrio.

Dada a diferente toxicidade dos compostos de mercúrio para humanos em produtos alimentícios, é necessário determinar o mercúrio inorgânico (total) e organicamente ligado. Apenas determinamos o conteúdo total de mercúrio. De acordo com os requisitos médicos e biológicos, o teor de mercúrio em peixes predadores de água doce é permitido 0,6 mg/kg, em peixes marinhos - 0,4 mg/kg, em peixes não predadores de água doce apenas 0,3 mg/kg e em atum até 0,7 mg /kg.kg. Em produtos comida de bêbe o teor de mercúrio não deve exceder 0,02 mg/kg em carne enlatada, 0,15 mg/kg em conservas de peixe, no resto - 0,01 mg/kg.

O chumbo está presente em quase todos os componentes do ambiente natural. Ele contém 0,0016% na crosta terrestre. O nível natural de chumbo na atmosfera é de 0,0005 mg/m3. A maior parte é depositada com poeira, cerca de 40% cai com a precipitação atmosférica. As plantas obtêm chumbo do solo, da água e da precipitação atmosférica, enquanto os animais obtêm chumbo das plantas e da água. O metal entra no corpo humano com alimentos, água e poeira.

As principais fontes de poluição por chumbo na biosfera são motores a gasolina, cujos gases de escape contêm chumbo trietílico, usinas termelétricas queimando carvão, mineração, indústrias metalúrgicas e químicas. Uma quantidade significativa de chumbo é introduzida no solo junto com as águas residuais usadas como fertilizantes. Para extinguir o reator em chamas da usina nuclear de Chernobyl, também foi utilizado chumbo, que entrou na piscina de ar e se espalhou por vastas áreas. Com o aumento da poluição ambiental com chumbo, aumenta sua deposição nos ossos, cabelos e fígado.

Cromo. O mais perigoso é o cromo tóxico (6+), que é mobilizado em solos ácidos e alcalinos, em águas doces e marinhas. EM água do mar o cromo é 10 - 20% representado pela forma Cr (3+), 25 - 40% - pelo Cr (6+), 45 - 65% - pela forma orgânica. Na faixa de pH 5 - 7, o Cr (3+) predomina, e em pH > 7 - Cr (6+). Sabe-se que o Cr (6+) e os compostos orgânicos de cromo não co-precipitam com o hidróxido de ferro na água do mar.

Os ciclos naturais das substâncias estão praticamente fechados. Nos ecossistemas naturais, matéria e energia são gastas com parcimônia, e o desperdício de alguns organismos é uma condição importante para a existência de outros. O ciclo antropogênico de substâncias é acompanhado por um enorme consumo de recursos naturais e uma grande quantidade de resíduos que causam poluição ambiental. A criação mesmo das instalações de tratamento mais avançadas não resolve o problema, pelo que é necessário desenvolver tecnologias de baixo desperdício e sem resíduos que permitam tornar o ciclo antropogénico o mais fechado possível. Teoricamente, é possível criar uma tecnologia livre de resíduos, mas as tecnologias de baixo desperdício são reais.

Adaptação aos fenômenos naturais

Adaptações são várias adaptações ao ambiente desenvolvidas pelos organismos (desde as mais simples até as mais elevadas) no processo de evolução. A capacidade de adaptação é uma das principais propriedades dos vivos, proporcionando a possibilidade de sua existência.

Os principais fatores que desenvolvem o processo de adaptação incluem: hereditariedade, variabilidade, seleção natural (e artificial).

A tolerância pode mudar se o corpo entrar em outras condições externas. Entrando nessas condições, depois de um tempo ele se acostuma, por assim dizer, se adapta a elas (do lat. adaptação - adaptar). A consequência disso é uma mudança nas provisões do ótimo fisiológico.

A propriedade dos organismos de se adaptar à existência em um determinado intervalo fator ambiental chamada de plasticidade ecológica.

Quanto mais amplo for o alcance do fator ecológico dentro do qual um determinado organismo pode viver, maior será sua plasticidade ecológica. De acordo com o grau de plasticidade, distinguem-se dois tipos de organismos: stenobiont (stenoeks) e eurybiont (euryeks). Assim, os estenobiontes são ecologicamente não plásticos (por exemplo, o linguado vive apenas em água salgada e a carpa cruciana apenas em água doce), ou seja, curto-resistente e euribiontes são ecologicamente plásticos, ou seja, são mais resistentes (por exemplo, o esgana-gata de três espinhos pode viver em águas doces e salgadas).

As adaptações são multidimensionais, pois um organismo deve se conformar a muitos fatores ambientais diferentes ao mesmo tempo.

Existem três formas principais de adaptação dos organismos às condições ambientais: ativa; passiva; evitar efeitos adversos.

O caminho ativo da adaptação é o fortalecimento da resistência, o desenvolvimento de processos regulatórios que permitem realizar todas as funções vitais do corpo, apesar do desvio do fator do ideal. Por exemplo, animais de sangue quente mantêm uma temperatura corporal constante - ideal para os processos bioquímicos que ocorrem nele.

O caminho passivo de adaptação é a subordinação das funções vitais dos organismos às mudanças nos fatores ambientais. Por exemplo, sob condições ambientais adversas, muitos organismos entram em estado de anabiose ( vida escondida), em que o metabolismo do corpo praticamente para (estado de dormência invernal, estupor de insetos, hibernação, preservação de esporos no solo na forma de esporos e sementes).

Prevenção de efeitos adversos - o desenvolvimento de adaptações, o comportamento dos organismos (adaptação), que ajudam a evitar condições adversas. Neste caso, as adaptações podem ser: morfológicas (a estrutura do corpo muda: modificação das folhas de um cacto), fisiológicas (o camelo se alimenta de umidade devido à oxidação das reservas de gordura), etológicas (alterações no comportamento: sazonal migrações de pássaros, hibernação no inverno).

Os organismos vivos estão bem adaptados a fatores periódicos. Fatores não periódicos podem causar doenças e até a morte do organismo (por exemplo, drogas, pesticidas). No entanto, com exposição prolongada, também pode ocorrer adaptação a eles.

Organismos adaptados aos ritmos diários, sazonais, das marés, ritmos da atividade solar, fases lunares e outros fenômenos estritamente periódicos. Assim, a adaptação sazonal é distinguida como sazonalidade na natureza e o estado de dormência no inverno.

Sazonalidade na natureza. O principal valor para plantas e animais na adaptação dos organismos é a variação anual da temperatura. O período favorável à vida, em média para o nosso país, dura cerca de seis meses (primavera, verão). Mesmo antes da chegada de geadas estáveis, um período de dormência de inverno começa na natureza.

Dormência de inverno. A dormência do inverno não é apenas uma interrupção do desenvolvimento como resultado de Baixas temperaturas, mas uma adaptação fisiológica complexa, além disso, ocorrendo apenas em um determinado estágio de desenvolvimento. Por exemplo, o mosquito da malária e a mariposa da urtiga hibernam no estágio de inseto adulto, a borboleta do repolho no estágio de pupa e a mariposa cigana no estágio de ovo.

Biorritmos. Cada espécie no processo de evolução desenvolveu um ciclo anual característico de crescimento e desenvolvimento intensivo, reprodução, preparação para o inverno e invernada. Esse fenômeno é chamado de ritmo biológico. A coincidência de cada período do ciclo de vida com a estação correspondente é crucial para a existência da espécie.

O principal fator na regulação dos ciclos sazonais na maioria das plantas e animais é a mudança na duração do dia.

Os biorritmos são:

ritmos exógenos (externos) (surgem como uma reação a mudanças periódicas no ambiente (mudança de dia e noite, estações, atividade solar) endógenos (ritmos internos) são gerados pelo próprio corpo

Por sua vez, os endógenos são divididos em:

Ritmos fisiológicos (batimento cardíaco, respiração, glândulas endócrinas, DNA, RNA, síntese de proteínas, enzimas, divisão celular, etc.)

Ritmos ecológicos (diário, anual, das marés, lunar, etc.)

Os processos de DNA, RNA, síntese de proteínas, divisão celular, batimentos cardíacos, respiração, etc. têm ritmo. As influências externas podem mudar as fases desses ritmos e alterar sua amplitude.

Os ritmos fisiológicos variam de acordo com o estado do corpo, enquanto os ritmos ambientais são mais estáveis ​​e correspondem aos ritmos externos. Com ritmos endógenos, o corpo pode navegar no tempo e se preparar com antecedência para as próximas mudanças no ambiente - este é o relógio biológico do corpo. Muitos organismos vivos são caracterizados por ritmos circadianos e circanianos.

Ritmos circadianos (circadiano) - intensidades recorrentes e natureza dos processos e fenômenos biológicos com período de 20 a 28 horas. Os ritmos circadianos estão associados à atividade de animais e plantas durante o dia e, via de regra, dependem da temperatura e da intensidade luminosa. Por exemplo, os morcegos voam ao entardecer e descansam durante o dia, muitos organismos planctônicos permanecem na superfície da água à noite e descem para as profundezas durante o dia.

Os ritmos biológicos sazonais estão associados à influência da luz - o fotoperíodo. A reação dos organismos à duração do dia é chamada de fotoperiodismo. O fotoperiodismo é uma importante adaptação comum que regula os fenômenos sazonais em uma ampla variedade de organismos. O estudo do fotoperiodismo em plantas e animais mostrou que a reação dos organismos à luz é baseada na alternância de períodos de luz e escuridão de certa duração durante o dia. A reação dos organismos (de unicelulares a humanos) à duração do dia e da noite mostra que eles são capazes de medir o tempo, ou seja, tem algum tipo de relógio biológico. O relógio biológico, além dos ciclos sazonais, controla muitos outros fenômenos biológicos, determina o ritmo diário correto tanto da atividade de organismos inteiros quanto dos processos que ocorrem até no nível das células, em particular as divisões celulares.

Uma propriedade universal de todos os seres vivos, de vírus e microorganismos a plantas e animais superiores, é a capacidade de dar mutações - mudanças repentinas, naturais e causadas artificialmente, herdadas no material genético, levando a uma mudança em certos sinais do organismo. A variabilidade mutacional não corresponde às condições ambientais e, via de regra, interrompe as adaptações existentes.

Muitos insetos entram em diapausa (uma longa parada no desenvolvimento) em um determinado estágio de desenvolvimento, o que não deve ser confundido com um estado de repouso em condições adversas. A reprodução de muitos animais marinhos é influenciada pelos ritmos lunares.

Os ritmos circanianos (quase anuais) são mudanças recorrentes na intensidade e na natureza dos processos e fenômenos biológicos com um período de 10 a 13 meses.

O estado físico e psicológico de uma pessoa também tem um caráter rítmico.

O ritmo perturbado de trabalho e descanso reduz a eficiência e tem um efeito adverso na saúde humana. A condição humana em condições extremas vai depender do grau de preparo dele para essas condições, já que praticamente não há tempo para adaptação e recuperação.

Todas as substâncias do planeta estão em processo de circulação. A energia solar causa dois ciclos de matéria na Terra: grande (geológico, biosférico) E pequeno (biológico).

A grande circulação de substâncias na biosfera é caracterizada por dois pontos importantes: é realizada ao longo de todo o desenvolvimento geológico da Terra e é um processo planetário moderno que assume um papel preponderante no desenvolvimento posterior da biosfera.

O ciclo geológico está associado à formação e destruição de rochas e ao subsequente movimento de produtos de destruição - material detrítico e elementos químicos. Um papel significativo nesses processos foi desempenhado e continua a ser desempenhado pelas propriedades térmicas da superfície da terra e da água: absorção e reflexão da luz solar, condutividade térmica e capacidade de calor. O instável regime hidrotermal da superfície da Terra, juntamente com o sistema de circulação atmosférica planetária, determinou a circulação geológica de substâncias, que na fase inicial do desenvolvimento da Terra, juntamente com processos endógenos, esteve associada à formação de continentes, oceanos e oceanos modernos geosferas. Com a formação da biosfera, os produtos da atividade vital dos organismos foram incluídos no grande ciclo. O ciclo geológico fornece nutrientes aos organismos vivos e determina em grande parte as condições de sua existência.

Principais elementos químicos litosferas: oxigênio, silício, alumínio, ferro, magnésio, sódio, potássio e outros - participam de uma grande circulação, passando das partes profundas do manto superior para a superfície da litosfera. Rocha ígnea formada durante a cristalização

O magma, tendo entrado na superfície da litosfera das profundezas da Terra, sofre decomposição e intemperismo na biosfera. Os produtos do intemperismo passam a um estado móvel, são levados pelas águas, pelo vento para locais de baixo relevo, caem nos rios, no oceano e formam espessas camadas de rochas sedimentares, que com o tempo, mergulhando em profundidade em áreas com temperatura e pressão elevadas, sofrem metamorfose, ou seja, "refundido". Durante esta refusão, uma nova rocha metamórfica aparece, entrando nos horizontes superiores da crosta terrestre e reentrando na circulação de substâncias. (Fig. 32).

Arroz. 32. Circulação geológica (grande) de substâncias

Substâncias facilmente móveis - gases e águas naturais que compõem a atmosfera e a hidrosfera do planeta - sofrem a circulação mais intensa e rápida. O material da litosfera circula muito mais lentamente. Em geral, cada circulação de qualquer elemento químico faz parte da grande circulação geral de substâncias na Terra, e todas elas estão intimamente interconectadas. A matéria viva da biosfera nesta circulação realiza um enorme trabalho de redistribuição dos elementos químicos que circulam continuamente na biosfera, passando do meio externo para os organismos e novamente para o meio externo.

Circulação pequena ou biológica de substâncias- Esse

circulação de substâncias entre plantas, animais, fungos, microorganismos e solo. A essência do ciclo biológico é o fluxo de dois processos opostos, mas inter-relacionados - a criação de substâncias orgânicas e sua destruição. O estágio inicial do surgimento das substâncias orgânicas se deve à fotossíntese das plantas verdes, ou seja, a formação da matéria viva a partir do dióxido de carbono, água e compostos minerais simples com o uso da energia solar. As plantas (produtoras) extraem moléculas de enxofre, fósforo, cálcio, potássio, magnésio, manganês, silício, alumínio, zinco, cobre e outros elementos do solo em uma solução. Animais herbívoros (consumidores de primeira ordem) absorvem compostos desses elementos já na forma de alimentos de origem vegetal. Os predadores (consumidores de segunda ordem) se alimentam de animais herbívoros, consumindo alimentos de composição mais complexa, incluindo proteínas, gorduras, aminoácidos e outras substâncias. No processo de destruição por microorganismos (decompositores) da matéria orgânica de plantas mortas e restos de animais, compostos minerais simples entram no solo e no meio aquático, disponíveis para assimilação pelas plantas, e inicia-se a próxima rodada do ciclo biológico. (Fig. 33).

Pequena circulação (biológica)

A massa de matéria viva na biosfera é relativamente pequena. Se for distribuído sobre a superfície terrestre, obter-se-á uma camada de apenas 1,5 cm.Tabela 4.1 compara algumas características quantitativas da biosfera e outras geosferas da Terra. A biosfera, representando menos de 10-6 massas de outras conchas do planeta, tem uma diversidade incomparavelmente maior e renova sua composição um milhão de vezes mais rápido.

Tabela 4.1

Comparação da biosfera com outras geosferas da Terra

* Substância viva com base no peso vivo

4.4.1. Funções da biosfera

Graças à biota da biosfera, é realizada a parte predominante das transformações químicas do planeta. Daí o julgamento de V.I. Vernadsky sobre o enorme papel geológico transformador da matéria viva. Ao longo da evolução orgânica, os organismos vivos passaram por si mesmos, por seus órgãos, tecidos, células, sangue, toda a atmosfera, todo o volume do Oceano Mundial, a maior parte da massa de solo, uma enorme massa de substâncias minerais por si mesmos, por seus órgãos, tecidos, células, sangue, mil vezes (para diferentes ciclos de 103 a 105 vezes). E eles não apenas perderam, mas também modificaram o ambiente terrestre de acordo com suas necessidades.

Graças à capacidade de transformar a energia solar em energia de ligações químicas, as plantas e outros organismos desempenham uma série de funções biogeoquímicas fundamentais em escala planetária.

função do gás. Os seres vivos trocam constantemente oxigênio e dióxido de carbono com o meio ambiente nos processos de fotossíntese e respiração. As plantas tiveram um papel decisivo na passagem de um ambiente redutor para um ambiente oxidante na evolução geoquímica do planeta e na formação da composição gasosa da atmosfera moderna. As plantas controlam rigorosamente as concentrações de O2 e CO2, que são ideais para a totalidade de todos os organismos vivos modernos.

função concentração. Ao passar grandes volumes de ar e soluções naturais por seus corpos, os organismos vivos realizam a migração biogênica (o movimento de produtos químicos) e a concentração de elementos químicos e seus compostos. Isso se refere à biossíntese de matéria orgânica, à formação de ilhas de coral, à construção de conchas e esqueletos, ao aparecimento de estratos calcários sedimentares, depósitos de certos minérios metálicos, acúmulo de nódulos de ferro-manganês, no fundo do oceano, etc. Os primeiros estágios da evolução biológica ocorreram em ambiente aquático. Os organismos aprenderam a extrair as substâncias de que precisam de uma solução aquosa diluída, multiplicando muitas vezes sua concentração em seus corpos.

A função redox da matéria viva está intimamente relacionada com a migração biogênica de elementos e a concentração de substâncias. Muitas substâncias na natureza são estáveis ​​e não sofrem oxidação em condições normais, por exemplo, o nitrogênio molecular é um dos elementos biogênicos mais importantes. Mas as células vivas têm catalisadores tão poderosos - enzimas que são capazes de realizar muitas reações redox milhões de vezes mais rápido do que em um ambiente abiótico.

Função de informação da matéria viva da biosfera. Foi com o advento dos primeiros seres vivos primitivos que surgiram no planeta informações ativas (“vivas”), que diferem das informações “mortas”, que são um simples reflexo da estrutura. Os organismos acabaram sendo capazes de receber informações conectando o fluxo de energia com uma estrutura molecular ativa que desempenha o papel de um programa. A capacidade de perceber, armazenar e processar informações moleculares passou por uma evolução avançada na natureza e se tornou o mais importante fator de formação de sistemas ecológicos. O estoque total de informações genéticas da biota é estimado em 1015 bits. A potência total do fluxo de informação molecular associada ao metabolismo e energia em todas as células da biota global chega a 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Componentes do ciclo biológico.

O ciclo biológico é realizado entre todos os componentes da biosfera (ou seja, entre solo, ar, água, animais, microrganismos, etc.). Ocorre com a participação obrigatória de organismos vivos.

A radiação solar que atinge a biosfera carrega uma energia de cerca de 2,5 * 1024 J por ano. Apenas 0,3% dela é convertida diretamente no processo de fotossíntese em energia de ligações químicas de substâncias orgânicas, ou seja, envolvidos no ciclo biológico. E 0,1 - 0,2% da energia solar que cai na Terra acaba sendo contida na produção primária líquida. Mais destino Essa energia está associada à transferência de matéria orgânica dos alimentos através das cascatas das cadeias tróficas.

O ciclo biológico pode ser condicionalmente dividido em componentes inter-relacionados: o ciclo das substâncias e o ciclo da energia.

4.4.3. Ciclo de energia. Transformação de energia na biosfera

Um ecossistema pode ser descrito como uma coleção de organismos vivos que trocam continuamente energia, matéria e informações. Energia pode ser definida como a capacidade de realizar trabalho. As propriedades da energia, incluindo o movimento da energia nos ecossistemas, são descritas pelas leis da termodinâmica.

A primeira lei da termodinâmica ou a lei da conservação da energia afirma que a energia não desaparece e não é criada de novo, apenas muda de uma forma para outra.

A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia só pode aumentar em um sistema fechado. No que diz respeito à energia nos ecossistemas, é conveniente a seguinte formulação: os processos associados à transformação de energia podem ocorrer espontaneamente apenas se a energia passar de uma forma concentrada para difusa, ou seja, degrada. Uma medida da quantidade de energia que se torna indisponível para uso, ou outra medida da mudança na ordem que ocorre quando a energia é degradada, é a entropia. Quanto maior a ordem do sistema, menor sua entropia.

Em outras palavras, a matéria viva recebe e transforma a energia do cosmos, do sol, na energia dos processos terrestres (química, mecânica, térmica, elétrica). Envolve essa energia e matéria inorgânica na circulação contínua de substâncias na biosfera. O fluxo de energia na biosfera tem uma direção - do Sol através das plantas (autotróficos) aos animais (heterotróficos). Ecossistemas naturais intocados em um estado estável com indicadores ambientais importantes constantes (homeostase) são os sistemas mais ordenados e são caracterizados pela menor entropia.

4.4.4. O ciclo das substâncias na natureza

A formação da matéria viva e sua decomposição são duas faces de um único processo, chamado ciclo biológico dos elementos químicos. A vida é a circulação de elementos químicos entre os organismos e o meio ambiente.

A razão do ciclo é a limitação dos elementos dos quais os corpos dos organismos são construídos. Cada organismo extrai do ambiente as substâncias necessárias à vida e as devolve sem uso. Em que:

alguns organismos consomem minerais diretamente do ambiente;

outros usam produtos processados ​​e isolados primeiro;

o terceiro - o segundo, etc., até que as substâncias retornem ao meio ambiente em seu estado original.

Na biosfera, é óbvia a necessidade da coexistência de vários organismos que podem usar os resíduos uns dos outros. Vemos uma produção biológica praticamente sem desperdício.

O ciclo de substâncias em organismos vivos pode ser reduzido condicionalmente a quatro processos:

1. Fotossíntese. Como resultado da fotossíntese, as plantas absorvem e acumulam energia solar e sintetizam substâncias orgânicas - produtos biológicos primários - e oxigênio a partir de substâncias inorgânicas. Os produtos biológicos primários são muito diversos - contêm carboidratos (glicose), amido, fibras, proteínas, gorduras.

O esquema da fotossíntese do carboidrato mais simples (glicose) tem o seguinte esquema:

Esse processo ocorre apenas durante o dia e é acompanhado por um aumento na massa de plantas.

Na Terra, cerca de 100 bilhões de toneladas de matéria orgânica são formadas anualmente como resultado da fotossíntese, cerca de 200 bilhões de toneladas de dióxido de carbono são assimiladas e cerca de 145 bilhões de toneladas de oxigênio são liberadas.

A fotossíntese desempenha um papel decisivo para garantir a existência de vida na Terra. Seu significado global é explicado pelo fato de que a fotossíntese é o único processo durante o qual a energia no processo termodinâmico, de acordo com o princípio minimalista, não se dissipa, mas se acumula.

Ao sintetizar os aminoácidos necessários para a construção de proteínas, as plantas podem existir de forma relativamente independente de outros organismos vivos. Isso manifesta a autotrofia das plantas (autossuficiência em nutrição). Ao mesmo tempo, a massa verde das plantas e o oxigênio formado no processo de fotossíntese são a base para manter a vida do próximo grupo de organismos vivos - animais, microorganismos. Isso mostra a heterotrofia desse grupo de organismos.

2. Respiração. O processo é o inverso da fotossíntese. Ocorre em todas as células vivas. Durante a respiração, a matéria orgânica é oxidada pelo oxigênio, resultando na formação de dióxido de carbono, água e energia.

3. Relações nutricionais (tróficas) entre organismos autotróficos e heterotróficos. Nesse caso, há uma transferência de energia e matéria ao longo dos elos da cadeia alimentar, que discutimos com mais detalhes anteriormente.

4. O processo de transpiração. Um dos processos mais importantes do ciclo biológico.

Esquematicamente, pode ser descrito da seguinte forma. As plantas absorvem a umidade do solo através de suas raízes. Ao mesmo tempo, entram neles substâncias minerais dissolvidas na água, que são absorvidas e a umidade evapora com mais ou menos intensidade, dependendo das condições ambientais.

4.4.5. ciclos biogeoquímicos

Os ciclos geológicos e biológicos estão conectados - eles existem como um único processo, dando origem à circulação de substâncias, os chamados ciclos biogeoquímicos (BGCC). Essa circulação de elementos se deve à síntese e decomposição de substâncias orgânicas no ecossistema (Fig. 4.1) Nem todos os elementos da biosfera estão envolvidos no BHCC, mas apenas os biogênicos. Os organismos vivos consistem neles, esses elementos entram em inúmeras reações e participam dos processos que ocorrem nos organismos vivos. Em termos percentuais, a massa total da matéria viva da biosfera consiste nos seguintes elementos biogênicos principais: oxigênio - 70%, carbono - 18%, hidrogênio - 10,5%, cálcio - 0,5%, potássio - 0,3%, nitrogênio - 0 , 3%, (oxigênio, hidrogênio, nitrogênio, carbono estão presentes em todas as paisagens e são a base dos organismos vivos - 98%).

Essência de migração biogênica de elementos químicos.

Assim, na biosfera há um ciclo biogênico de substâncias (ou seja, um ciclo causado pela atividade vital dos organismos) e um fluxo unidirecional de energia. A migração biogênica de elementos químicos é determinada principalmente por dois processos opostos:

1. A formação da matéria viva a partir dos elementos do meio ambiente devido à energia solar.

2. A destruição de substâncias orgânicas, acompanhada pela liberação de energia. Ao mesmo tempo, elementos de substâncias minerais entram repetidamente em organismos vivos, entrando assim na composição de compostos orgânicos complexos, formas e, quando estes são destruídos, eles adquirem novamente uma forma mineral.

Existem elementos que fazem parte dos organismos vivos, mas não relacionados aos biogênicos. Tais elementos são classificados de acordo com sua fração de peso em organismos:

Macronutrientes - componentes de pelo menos 10-2% da massa;

Oligoelementos - componentes de 9 * 10-3 a 1 * 10-3% da massa;

Ultramicroelementos - menos de 9 * 10-6% da massa;

Para determinar o lugar dos elementos biogênicos entre outros elementos químicos da biosfera, consideremos a classificação adotada em ecologia. De acordo com a atividade mostrada nos processos que ocorrem na biosfera, todos os elementos químicos são divididos em 6 grupos:

Os gases nobres são hélio, néon, argônio, criptônio, xenônio. Os gases inertes não fazem parte dos organismos vivos.

Metais nobres - rutênio, rádio, paládio, ósmio, irídio, platina, ouro. Esses metais quase não criam compostos na crosta terrestre.

Elementos cíclicos ou biogênicos (eles também são chamados de migratórios). Este grupo de elementos biogênicos na crosta terrestre representa 99,7% da massa total e os 5 grupos restantes - 0,3%. Assim, o grosso dos elementos são migrantes que realizam a circulação em envelope geográfico, e a parte de elementos inertes é muito pequena.

Elementos dispersos, caracterizados pela predominância de átomos livres. Eles entram em reações químicas, mas seus compostos raramente são encontrados na crosta terrestre. Eles são divididos em dois subgrupos. Os primeiros - rubídio, césio, nióbio, tântalo - criam compostos nas profundezas da crosta terrestre e seus minerais são destruídos na superfície. O segundo - iodo, bromo - reage apenas na superfície.

Elementos radioativos - polônio, radônio, rádio, urânio, neptúnio, plutônio.

Elementos de terras raras - ítrio, samário, európio, túlio, etc.

Ciclos bioquímicos durante todo o ano colocam em movimento cerca de 480 bilhões de toneladas de matéria.

DENTRO E. Vernadsky formulou três princípios biogeoquímicos que explicam a essência da migração biogênica de elementos químicos:

A migração biogênica de elementos químicos na biosfera tende sempre à sua manifestação máxima.

A evolução das espécies ao longo do tempo geológico, levando à criação de formas de vida sustentáveis, segue uma direção que aumenta a migração biogênica dos átomos.

A matéria viva está em contínua troca química com seu ambiente, que é um fator que recria e mantém a biosfera.

Vamos considerar como alguns desses elementos se movem na biosfera.

O ciclo do carbono. O principal participante do ciclo biótico é o carbono como base das substâncias orgânicas. Principalmente o ciclo do carbono ocorre entre a matéria viva e o dióxido de carbono da atmosfera no processo de fotossíntese. Herbívoros obtê-lo com alimentos, predadores obtê-lo de herbívoros. Ao respirar, apodrecendo, o dióxido de carbono é parcialmente devolvido à atmosfera, o retorno ocorre quando os minerais orgânicos são queimados.

Na ausência de retorno de carbono para a atmosfera, ele seria usado pelas plantas verdes em 7 a 8 anos. A taxa de renovação biológica do carbono através da fotossíntese é de 300 anos. Os oceanos desempenham um papel importante na regulação do teor de CO2 na atmosfera. Se o teor de CO2 aumentar na atmosfera, parte dele se dissolve na água, reagindo com o carbonato de cálcio.

O ciclo do oxigênio.

O oxigênio tem uma alta atividade química, entra em compostos com quase todos os elementos da crosta terrestre. Ocorre principalmente na forma de compostos. Cada quarto átomo de matéria viva é um átomo de oxigênio. Quase todo o oxigênio molecular da atmosfera se originou e é mantido em um nível constante devido à atividade das plantas verdes. O oxigênio atmosférico, ligado durante a respiração e liberado durante a fotossíntese, passa por todos os organismos vivos em 200 anos.

O ciclo do nitrogênio. O nitrogênio é parte integrante de todas as proteínas. A proporção total de nitrogênio ligado, como elemento constituinte da matéria orgânica, para o nitrogênio na natureza é de 1:100.000. A energia de ligação química na molécula de nitrogênio é muito alta. Portanto, a combinação de nitrogênio com outros elementos - oxigênio, hidrogênio (o processo de fixação do nitrogênio) - requer muita energia. A fixação industrial de nitrogênio ocorre na presença de catalisadores a uma temperatura de -500°C e uma pressão de -300 atm.

Como você sabe, a atmosfera contém mais de 78% de nitrogênio molecular, mas neste estado não está disponível para as plantas verdes. Para sua nutrição, as plantas podem usar apenas sais de ácidos nítrico e nitroso. Quais são as formas de formação desses sais? Aqui estão alguns deles:

Na biosfera, a fixação de nitrogênio é realizada por diversos grupos de bactérias anaeróbias e cianobactérias em temperatura e pressão normais devido à alta eficiência da biocatálise. Acredita-se que as bactérias convertam aproximadamente 1 bilhão de toneladas de nitrogênio por ano em uma forma ligada (o volume mundial de fixação industrial é de cerca de 90 milhões de toneladas).

As bactérias fixadoras de nitrogênio do solo são capazes de assimilar o nitrogênio molecular do ar. Eles enriquecem o solo com compostos nitrogenados, então seu valor é extremamente alto.

Como resultado da decomposição de compostos contendo nitrogênio de substâncias orgânicas de origem vegetal e animal.

Sob a ação de bactérias, o nitrogênio é convertido em nitratos, nitritos, compostos de amônio. Nas plantas, os compostos nitrogenados participam da síntese de compostos proteicos, que são transferidos de organismo para organismo nas cadeias alimentares.

Ciclo do fósforo. Outro elemento importante, sem o qual a síntese de proteínas é impossível, é o fósforo. As principais fontes são rochas ígneas (apatitas) e rochas sedimentares (fosforitos).

O fósforo inorgânico está envolvido no ciclo como resultado de processos naturais de lixiviação. O fósforo é assimilado por organismos vivos, que, com sua participação, sintetizam vários compostos orgânicos e os transferem para vários níveis tróficos.

Tendo terminado sua jornada ao longo das cadeias tróficas, os fosfatos orgânicos são decompostos por micróbios e se transformam em fosfatos minerais disponíveis para as plantas verdes.

No processo de circulação biológica, que garante o movimento da matéria e da energia, não há lugar para o acúmulo de resíduos. Os produtos residuais (ou seja, produtos residuais) de cada forma de vida são o terreno fértil para outros organismos.

Teoricamente, a biosfera deveria sempre manter um equilíbrio entre a produção de biomassa e sua decomposição. No entanto, em certos períodos geológicos, o equilíbrio do ciclo biológico foi perturbado quando, devido a certas condições naturais, cataclismos, nem todos os produtos biológicos foram assimilados e transformados. Nestes casos, formaram-se excedentes de produtos biológicos, que se conservaram e se depositaram na crosta terrestre, sob a coluna de água, nos sedimentos, e acabaram na zona do permafrost. Assim, formaram-se depósitos de carvão, petróleo, gás e calcário. Deve-se notar que eles não sujam a biosfera. A energia do Sol, acumulada no processo de fotossíntese, concentra-se em minerais orgânicos. Agora, ao queimar combustíveis fósseis orgânicos, uma pessoa libera essa energia.

É um excelente cientista acadêmico russo V.I. Vernadsky.

Biosfera- a complexa casca externa da Terra, que contém a totalidade dos organismos vivos e aquela parte da substância do planeta que está em processo de troca contínua com esses organismos. Esta é uma das geosferas mais importantes da Terra, que é o principal componente do ambiente natural que envolve o homem.

A Terra é formada por concêntricos cartuchos(geosferas) internas e externas. Os internos são o núcleo e o manto, e os externos são: litosfera - a casca de pedra da Terra, incluindo a crosta terrestre (Fig. 1) com uma espessura de 6 km (sob o oceano) a 80 km (sistemas montanhosos); hidrosfera - concha de água da Terra; atmosfera- o envelope gasoso da Terra, constituído por uma mistura de vários gases, vapor de água e poeira.

A uma altitude de 10 a 50 km existe uma camada de ozônio, com sua concentração máxima a uma altitude de 20-25 km, protegendo a Terra do excesso de radiação ultravioleta, que é fatal para o corpo. A biosfera também pertence aqui (às geosferas externas).

Biosfera - a camada externa da Terra, que inclui parte da atmosfera até uma altura de 25-30 km (até a camada de ozônio), quase toda a hidrosfera e a parte superior da litosfera até uma profundidade de cerca de 3 km

Arroz. 1. Esquema da estrutura da crosta terrestre

(Figura 2). A peculiaridade dessas partes é que são habitadas por organismos vivos que compõem a substância viva do planeta. Interação parte abiótica da biosfera- ar, água, rochas e matéria orgânica - Biota levou à formação de solos e rochas sedimentares.

Arroz. 2. A estrutura da biosfera e a proporção de superfícies ocupadas pelas principais unidades estruturais

O ciclo das substâncias na biosfera e nos ecossistemas

Todos disponíveis para organismos vivos compostos químicos limitada na biosfera. A exauribilidade de substâncias químicas adequadas para assimilação muitas vezes impede o desenvolvimento de certos grupos de organismos em áreas locais da terra ou do oceano. Segundo o acadêmico V.R. Williams, a única maneira de dar as propriedades finitas do infinito é fazê-lo girar ao longo de uma curva fechada. Consequentemente, a estabilidade da biosfera é mantida devido à circulação de substâncias e fluxos de energia. Disponível dois ciclos principais de substâncias: grande - geológico e pequeno - biogeoquímico.

Grande ciclo geológico(Fig. 3). As rochas cristalinas (ígneas) sob influência de fatores físicos, químicos e biológicos transformam-se em rochas sedimentares. Areia e argila são sedimentos típicos, produtos da transformação de rochas profundas. No entanto, a formação de sedimentos ocorre não apenas pela destruição das rochas existentes, mas também pela síntese de minerais biogênicos - esqueletos de microrganismos - a partir de recursos naturais - águas oceânicas, mares e lagos. Os sedimentos aquosos soltos, ao serem isolados no fundo dos reservatórios por novas porções de material sedimentar, imersos em profundidade, caindo em novas condições termodinâmicas (temperaturas e pressões mais elevadas), perdem água, endurecem, transformando-se em rochas sedimentares.

No futuro, essas rochas afundam em horizontes ainda mais profundos, onde ocorrem os processos de sua profunda transformação em novas condições de temperatura e pressão - ocorrem os processos de metamorfismo.

Sob a influência de fluxos de energia endógenos, as rochas profundas são refundidas, formando o magma - a fonte de novas rochas ígneas. Após a ascensão dessas rochas à superfície da Terra, sob a influência dos processos de intemperismo e transporte, elas são novamente transformadas em novas rochas sedimentares.

Assim, uma grande circulação se deve à interação da energia solar (exógena) com a energia profunda (endógena) da Terra. Redistribui substâncias entre a biosfera e os horizontes mais profundos do nosso planeta.

Arroz. 3. Grande circulação (geológica) de substâncias (setas finas) e mudança na diversidade da crosta terrestre (setas sólidas largas - crescimento, tracejadas - diminuição da diversidade)

círculo grande também chamado de ciclo da água entre a hidrosfera, a atmosfera e a litosfera, que é impulsionado pela energia do sol. A água evapora da superfície dos corpos d'água e da terra e depois retorna à Terra na forma de precipitação. A evaporação excede a precipitação sobre o oceano e vice-versa sobre a terra. Essas diferenças são compensadas pelos fluxos dos rios. A vegetação terrestre desempenha um papel importante no ciclo global da água. A transpiração das plantas em certas áreas da superfície terrestre pode chegar a 80-90% da precipitação que cai aqui e, em média, para todas as zonas climáticas - cerca de 30%. Em contraste com o grande ciclo, o pequeno ciclo de substâncias ocorre apenas dentro da biosfera. A relação entre os grandes e pequenos ciclos da água é mostrada na fig. 4.

Os ciclos em escala planetária são criados a partir de inúmeros movimentos cíclicos locais de átomos impulsionados pela atividade vital de organismos em ecossistemas individuais, e aqueles movimentos que são causados ​​pela ação da paisagem e fatores geológicos (escoamento superficial e subterrâneo, erosão eólica, movimento de fundo do mar, vulcanismo, formação de montanhas, etc. ).

Arroz. 4. Relação entre o grande ciclo geológico (GBC) da água e o pequeno ciclo biogeoquímico (MBC) da água

Ao contrário da energia, que uma vez utilizada pelo corpo, se transforma em calor e se perde, as substâncias da biosfera circulam, criando ciclos biogeoquímicos. Dos mais de noventa elementos encontrados na natureza, os organismos vivos precisam de cerca de quarenta. Os mais importantes para eles são necessários em grandes quantidades - carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio. Os ciclos de elementos e substâncias são realizados através de processos auto-regulados nos quais todos os componentes participam. Esses processos não são resíduos. Existe a lei do fechamento global da circulação biogeoquímica na biosfera operando em todas as fases de seu desenvolvimento. No processo de evolução da biosfera, o papel do componente biológico no fechamento do biogeoquímico
quem o ciclo. O homem tem uma influência ainda maior no ciclo biogeoquímico. Mas seu papel se manifesta na direção oposta (as circulações se abrem). A base da circulação biogeoquímica das substâncias é a energia do Sol e a clorofila das plantas verdes. Outros ciclos mais importantes - água, carbono, nitrogênio, fósforo e enxofre - estão associados à biogeoquímica e contribuem para ela.

O ciclo da água na biosfera

As plantas usam o hidrogênio da água durante a fotossíntese para construir compostos orgânicos, liberando oxigênio molecular. Nos processos de respiração de todos os seres vivos, durante a oxidação dos compostos orgânicos, a água é formada novamente. Na história da vida, toda a água livre da hidrosfera passou repetidamente por ciclos de decomposição e neoformação na matéria viva do planeta. Cerca de 500.000 km 3 de água estão envolvidos no ciclo da água na Terra todos os anos. O ciclo da água e suas reservas são mostrados na fig. 5 (em termos relativos).

O ciclo do oxigênio na biosfera

A Terra deve sua atmosfera única com alto teor de oxigênio livre ao processo de fotossíntese. A formação de ozônio nas altas camadas da atmosfera está intimamente relacionada ao ciclo do oxigênio. O oxigênio é liberado das moléculas de água e é essencialmente um subproduto da atividade fotossintética nas plantas. Abioticamente, o oxigênio surge na atmosfera superior devido à fotodissociação do vapor d'água, mas essa fonte é apenas milésimos de um por cento daqueles fornecidos pela fotossíntese. Entre o teor de oxigênio na atmosfera e na hidrosfera existe um equilíbrio móvel. Na água, é cerca de 21 vezes menor.

Arroz. Fig. 6. Esquema do ciclo do oxigênio: setas em negrito - os principais fluxos de suprimento e consumo de oxigênio

O oxigênio liberado é intensamente gasto nos processos de respiração de todos os organismos aeróbicos e na oxidação de vários compostos minerais. Esses processos ocorrem na atmosfera, no solo, na água, nos siltes e nas rochas. Foi demonstrado que uma parte significativa do oxigênio contido nas rochas sedimentares é de origem fotossintética. O fundo de troca de O na atmosfera não passa de 5% da produção total da fotossíntese. Muitas bactérias anaeróbicas também oxidam a matéria orgânica durante a respiração anaeróbica usando sulfatos ou nitratos para isso.

A decomposição completa da matéria orgânica criada pelas plantas requer exatamente a mesma quantidade de oxigênio que foi liberada durante a fotossíntese. O enterro de orgânicos em rochas sedimentares, carvões e turfa serviu de base para manter o fundo de troca de oxigênio na atmosfera. Todo o oxigênio que contém passa ciclo completo através de organismos vivos por cerca de 2000 anos.

Atualmente, uma parte significativa do oxigênio atmosférico é retida como resultado do transporte, da indústria e de outras formas de atividade antrópica. Sabe-se que a humanidade já gasta mais de 10 bilhões de toneladas de oxigênio livre de sua quantidade total de 430-470 bilhões de toneladas fornecidas pelos processos de fotossíntese. Se levarmos em conta que apenas uma pequena parte do oxigênio fotossintético entra no fundo de troca, a atividade das pessoas a esse respeito começa a adquirir proporções alarmantes.

O ciclo do oxigênio está intimamente relacionado ao ciclo do carbono.

O ciclo do carbono na biosfera

O carbono como elemento químico é a base da vida. Ele pode jeitos diferentes combinam com muitos outros elementos, formando moléculas orgânicas simples e complexas que constituem as células vivas. Em termos de distribuição no planeta, o carbono ocupa o décimo primeiro lugar (0,35% do peso da crosta terrestre), mas na matéria viva representa em média cerca de 18 ou 45% da biomassa seca.

Na atmosfera, o carbono está incluído na composição do dióxido de carbono CO 2 , em menor grau - na composição do metano CH 4 . Na hidrosfera, o CO 2 é dissolvido em água e seu conteúdo total é muito maior que o atmosférico. O oceano serve como um poderoso amortecedor para a regulação do CO 2 na atmosfera: com o aumento de sua concentração no ar, aumenta a absorção de dióxido de carbono pela água. Algumas das moléculas de CO 2 reagem com a água, formando ácido carbônico, que então se dissocia em íons HCO 3 - e CO 2- 3. Esses íons reagem com cátions de cálcio ou magnésio para precipitar carbonatos. mantendo o pH da água constante.

O dióxido de carbono da atmosfera e da hidrosfera é um fundo de troca no ciclo do carbono, de onde é retirado por plantas terrestres e algas. A fotossíntese é a base de todos os ciclos biológicos na Terra. A liberação de carbono fixo ocorre durante a atividade respiratória dos próprios organismos fotossintéticos e de todos os heterótrofos - bactérias, fungos, animais incluídos na cadeia alimentar em detrimento da matéria orgânica viva ou morta.

Arroz. 7. Ciclo do carbono

Especialmente ativo é o retorno do CO 2 para a atmosfera a partir do solo, onde se concentra a atividade de numerosos grupos de organismos, decompondo os restos de plantas e animais mortos e realizando a respiração dos sistemas radiculares das plantas. Este processo integral é referido como "respiração do solo" e contribui significativamente para a reposição do fundo de troca de CO 2 no ar. Paralelamente aos processos de mineralização da matéria orgânica, forma-se nos solos o húmus - um complexo molecular complexo e estável, rico em carbono. O húmus do solo é um dos importantes reservatórios de carbono na terra.

Em condições em que a atividade dos destruidores é inibida por fatores ambientais (por exemplo, quando ocorre um regime anaeróbico nos solos e no fundo dos corpos d'água), a matéria orgânica acumulada pela vegetação não se decompõe, transformando-se com o tempo em rochas como carvão, turfa, sapropels, xisto betuminoso e outros ricos em energia solar acumulada. Eles reabastecem o fundo de reserva de carbono, sendo desligados do ciclo biológico por muito tempo. O carbono também é temporariamente depositado na biomassa viva, no lixo morto, na matéria orgânica dissolvida do oceano, etc. No entanto o principal fundo de reserva de carbono na gravação não são organismos vivos e nem fósseis combustíveis, mas rochas sedimentares são calcários e dolomitas. Sua formação também está associada à atividade da matéria viva. O carbono desses carbonatos fica enterrado por muito tempo nas entranhas da Terra e entra na circulação apenas durante a erosão, quando as rochas são expostas em ciclos tectônicos.

Apenas frações de um por cento de carbono de sua quantidade total na Terra participam do ciclo biogeoquímico. O carbono atmosférico e da hidrosfera passa repetidamente por organismos vivos. As plantas terrestres são capazes de esgotar suas reservas no ar em 4-5 anos, as reservas no húmus do solo - em 300-400 anos. O principal retorno do carbono ao fundo de troca ocorre devido à atividade dos organismos vivos, e apenas uma pequena parte dele (milésimos por cento) é compensada pela liberação do interior da Terra como parte dos gases vulcânicos.

Atualmente, a extração e queima de enormes reservas de combustíveis fósseis está se tornando um fator poderoso na transferência de carbono da reserva para o fundo de troca da biosfera.

Ciclo do nitrogênio na biosfera

A atmosfera e a matéria viva contêm menos de 2% de todo o nitrogênio da Terra, mas é ele quem sustenta a vida no planeta. O nitrogênio é um dos mais importantes moléculas orgânicas- DNA, proteínas, lipoproteínas, ATP, clorofila, etc. Nos tecidos vegetais, sua proporção com o carbono é em média 1: 30 e nas algas I: 6. Portanto, o ciclo biológico do nitrogênio também está intimamente relacionado ao carbono.

O nitrogênio molecular da atmosfera não está disponível para as plantas, que podem absorver esse elemento apenas na forma de íons amônio, nitratos ou de soluções do solo ou da água. Portanto, a deficiência de nitrogênio é muitas vezes um fator limitante produção primária- o trabalho de organismos associados à criação de substâncias orgânicas a partir de substâncias inorgânicas. No entanto, o nitrogênio atmosférico está amplamente envolvido no ciclo biológico devido à atividade de bactérias especiais (fixadores de nitrogênio).

Microrganismos amonificantes também desempenham um papel importante no ciclo do nitrogênio. Eles decompõem proteínas e outras substâncias orgânicas contendo nitrogênio em amônia. Na forma de amônio, o nitrogênio é parcialmente reabsorvido pelas raízes das plantas e parcialmente interceptado por microrganismos nitrificantes, o que é oposto às funções de um grupo de microrganismos - desnitrificadores.

Arroz. 8. Ciclo do nitrogênio

Em condições anaeróbicas em solos ou águas, utilizam o oxigênio dos nitratos para oxidar a matéria orgânica, obtendo energia para sua atividade vital. O nitrogênio é reduzido a nitrogênio molecular. A fixação de nitrogênio e a desnitrificação na natureza são aproximadamente equilibradas. O ciclo do nitrogênio depende, portanto, predominantemente da atividade bacteriana, enquanto as plantas entram nele usando os produtos intermediários desse ciclo e aumentando muito a circulação de nitrogênio na biosfera através da produção de biomassa.

O papel das bactérias no ciclo do nitrogênio é tão grande que, se apenas 20 de suas espécies forem destruídas, a vida em nosso planeta cessará.

A fixação não biológica de nitrogênio e a entrada de seus óxidos e amônia nos solos também ocorrem com chuvas durante a ionização atmosférica e descargas atmosféricas. A moderna indústria de fertilizantes fixa nitrogênio atmosférico em excesso da fixação natural de nitrogênio para aumentar a produção agrícola.

Atualmente, a atividade humana está afetando cada vez mais o ciclo do nitrogênio, principalmente no sentido de exceder sua conversão em formas ligadas ao longo dos processos de retorno ao estado molecular.

Ciclo do fósforo na biosfera

Este elemento, necessário para a síntese de muitas substâncias orgânicas, incluindo ATP, DNA, RNA, é absorvido pelas plantas apenas na forma de íons de ácido ortofosfórico (PO 3 4 +). Pertence aos elementos limitantes da produção primária tanto em terra como principalmente no oceano, uma vez que o fundo de troca de fósforo nos solos e nas águas é pequeno. A circulação desse elemento na escala da biosfera não é fechada.

Em terra, as plantas extraem fosfatos do solo, liberados por decompositores de resíduos orgânicos em decomposição. No entanto, em solo alcalino ou ácido, a solubilidade dos compostos de fósforo cai drasticamente. O principal fundo de reserva de fosfatos está contido em rochas criadas no fundo do oceano no passado geológico. Durante a lixiviação das rochas, parte dessas reservas passa para o solo e é arrastada para corpos d'água na forma de suspensões e soluções. Na hidrosfera, os fosfatos são utilizados pelo fitoplâncton, passando pelas cadeias alimentares para outros hidrobiontes. No entanto, no oceano, a maior parte dos compostos de fósforo está enterrada com restos de animais e plantas no fundo, seguindo-se uma transição com rochas sedimentares para um grande ciclo geológico. Em profundidade, os fosfatos dissolvidos ligam-se ao cálcio, formando fosforitos e apatitas. Na biosfera, de fato, há um fluxo unidirecional de fósforo das rochas da terra para as profundezas do oceano, portanto, seu fundo de troca na hidrosfera é muito limitado.

Arroz. 9. Ciclo do fósforo

Depósitos de fosforitos e apatitas são usados ​​na produção de fertilizantes. A entrada de fósforo na água doce é um dos principais motivos de sua "floração".

Ciclo do enxofre na biosfera

O ciclo do enxofre, necessário para a construção de vários aminoácidos, é responsável pela estrutura tridimensional das proteínas e é sustentado na biosfera por uma ampla gama de bactérias. Microrganismos aeróbicos, que oxidam o enxofre de resíduos orgânicos a sulfatos, bem como redutores anaeróbicos de sulfato, que reduzem sulfatos a sulfeto de hidrogênio, participam de elos separados desse ciclo. Além dos grupos listados de bactérias sulfurosas, eles oxidam sulfeto de hidrogênio a enxofre elementar e posteriormente a sulfatos. As plantas absorvem apenas íons SO 2-4 do solo e da água.

O anel no centro ilustra os processos de oxidação (O) e redução (R) que trocam enxofre entre a poça de sulfato disponível e a poça de sulfeto de ferro nas profundezas do solo e sedimento.

Arroz. 10. Ciclo do enxofre. O anel no centro ilustra os processos de oxidação (0) e redução (R) que trocam enxofre entre a poça de sulfato disponível e a poça de sulfeto de ferro nas profundezas do solo e sedimento.

O principal acúmulo de enxofre ocorre no oceano, onde os íons sulfato são continuamente fornecidos por terra com o escoamento do rio. Quando o sulfeto de hidrogênio é liberado das águas, o enxofre é parcialmente devolvido à atmosfera, onde é oxidado a dióxido, transformando-se em ácido sulfúrico na água da chuva. O uso industrial de grandes quantidades de sulfatos e enxofre elementar e a combustão de combustíveis fósseis liberam grandes quantidades de dióxido de enxofre na atmosfera. Isso prejudica a vegetação, os animais, as pessoas e serve como fonte de chuva ácida, o que agrava os efeitos negativos da intervenção humana no ciclo do enxofre.

A taxa de circulação de substâncias

Todos os ciclos de substâncias ocorrem em velocidades diferentes (Fig. 11)

Assim, os ciclos de todos os elementos biogênicos do planeta são sustentados por uma complexa interação de diferentes partes. Eles são formados pela atividade de grupos de organismos com diferentes funções, pelo sistema de escoamento e evaporação que liga o oceano e a terra, pelos processos de circulação de massas de água e ar, pela ação das forças gravitacionais, pelas placas tectônicas litosféricas, e por outros processos geológicos e geofísicos de larga escala.

A biosfera atua como um único sistema complexo no qual ocorrem vários ciclos de substâncias. O motor principal destes ciclos é a substância viva do planeta, todos os organismos vivos, proporcionando processos de síntese, transformação e decomposição da matéria orgânica.

Arroz. 11. A taxa de circulação de substâncias (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

A base da visão ecológica do mundo é a ideia de que todo ser vivo é cercado por muitos fatores diferentes que o influenciam, que juntos formam seu habitat - um biótopo. Por isso, biótopo - pedaço de território homogêneo em termos de condições de vida para certos tipos de plantas ou animais(a encosta de uma ravina, um parque florestal urbano, um pequeno lago ou parte de um grande, mas com condições homogéneas - a parte costeira, a parte de águas profundas).

Os organismos característicos de um determinado biótopo são comunidade de vida, ou biocenose(animais, plantas e microorganismos do lago, prado, faixa costeira).

A comunidade de vida (biocenose) forma um todo único com seu biótopo, que é chamado sistema ecológico (ecossistema). Um formigueiro, um lago, um lago, um prado, uma floresta, uma cidade, uma fazenda podem servir de exemplo de ecossistemas naturais. Um exemplo clássico de um ecossistema artificial é uma nave espacial. Como você pode ver, não há estrutura espacial estrita aqui. Próximo do conceito de ecossistema está o conceito biogeocenose.

Os principais componentes dos ecossistemas são:

• ambiente inanimado (abiótico). São água, minerais, gases, bem como substâncias orgânicas e húmus;
• componentes bióticos. Estes incluem: produtores ou produtores (plantas verdes), consumidores ou consumidores (criaturas vivas que se alimentam de produtores) e decompositores ou decompositores (microorganismos).

A natureza é extremamente econômica. Assim, a biomassa criada pelos organismos (a substância dos corpos dos organismos) e a energia nelas contida são transferidas para outros membros do ecossistema: os animais comem plantas, esses animais são comidos por outros animais. Este processo é chamado cadeia alimentar ou trófica. Na natureza, as cadeias alimentares frequentemente se cruzam, formando uma teia alimentar.

Exemplos de cadeias alimentares: planta - herbívoro - predador; cereal - rato do campo - raposa, etc. e a teia alimentar são mostrados na fig. 12.

Assim, o estado de equilíbrio da biosfera é baseado na interação de fatores ambientais bióticos e abióticos, que se mantém devido à troca contínua de matéria e energia entre todos os componentes dos ecossistemas.

Nos ciclos fechados dos ecossistemas naturais, entre outros, é obrigatória a participação de dois fatores: a presença de decompositores e o fornecimento constante de energia solar. Há poucos ou nenhum decompositor nos ecossistemas urbanos e artificiais, então os resíduos líquidos, sólidos e gasosos se acumulam, poluindo o meio ambiente.

Arroz. 12. Teia alimentar e direção do fluxo de matéria

Grande ciclo de substâncias na natureza devido à interação da energia solar com a energia profunda da Terra e redistribui a matéria entre a biosfera e os horizontes mais profundos da Terra.

Rochas sedimentares formadas devido ao intemperismo de rochas ígneas nas zonas móveis da crosta terrestre mergulham novamente na zona de altas temperaturas e pressões. Lá eles são derretidos e formam magma - a fonte de novas rochas ígneas. Após a ascensão dessas rochas à superfície terrestre e a ação dos processos de intemperismo, elas são novamente transformadas em novas rochas sedimentares. O novo ciclo de circulação não repete exatamente o antigo, mas introduz algo novo, que ao longo do tempo leva a mudanças muito significativas.

força motriz grande circulação (geológica) são exógeno e endógeno processos geológicos.

processos endógenos(processos de dinâmica interna) ocorrem sob a influência da energia interna da Terra, liberada como resultado do decaimento radioativo, reações químicas da formação de minerais, cristalização de rochas, etc. (por exemplo, movimentos tectônicos, terremotos, magmatismo , metamorfose).

Processos exógenos(processos de dinâmica externa) ocorrem sob a influência da energia externa do Sol. Exemplos: intemperismo de rochas e minerais, remoção de produtos de destruição de algumas áreas da crosta terrestre e sua transferência para novas áreas, deposição e acúmulo de produtos de destruição com formação de rochas sedimentares. Para Ex.pr. relação atividade geológica da atmosfera, hidrosfera, bem como organismos vivos e seres humanos.

Os maiores acidentes geográficos (continentes e depressões oceânicas) e grandes acidentes geográficos (montanhas e planícies) foram formados devido a processos endógenos, enquanto os acidentes geográficos médios e pequenos (vales fluviais, colinas, ravinas, dunas, etc.), sobrepostos a acidentes geográficos maiores, foram formados devido a processos exógenos. Assim, processos endógenos e exógenos são opostos. As primeiras levam à formação de grandes relevos, as segundas ao seu alisamento.

Exemplos do ciclo geológico. As rochas ígneas são transformadas em rochas sedimentares como resultado do intemperismo. Nas zonas móveis da crosta terrestre, eles afundam nas profundezas da Terra. Ali, sob a influência de altas temperaturas e pressões, eles derretem e formam o magma, que, subindo à superfície e, solidificando, forma rochas ígneas.

Um exemplo de um grande ciclo é a circulação da água entre a terra e o oceano através da atmosfera (Fig. 2.1).

Arroz. 2.1. O esquema geralmente aceito de hidrologia (climática)

ciclo da água na natureza

A umidade evaporada da superfície do Oceano Mundial (que consome quase metade da energia solar que chega à superfície da Terra) é transferida para a terra, onde cai na forma de precipitação, que novamente retorna ao oceano na forma de superfície e escoamento subterrâneo. O ciclo da água também ocorre de acordo com um esquema mais simples: evaporação da umidade da superfície do oceano - condensação do vapor d'água - precipitação na mesma superfície da água do oceano.

O ciclo da água como um todo desempenha um papel importante na formação das condições naturais do nosso planeta. Levando em consideração a transpiração da água pelas plantas e sua absorção no ciclo biogeoquímico, todo o suprimento de água da Terra decai e é restaurado em 2 milhões de anos.

Assim, a circulação geológica de substâncias ocorre sem a participação de organismos vivos e redistribui a matéria entre a biosfera e as camadas mais profundas da Terra.