Ciclos biológicos e geológicos da matéria. Ciclos de substâncias

circuito geológico substâncias tem a maior velocidade na direção horizontal entre a terra e o mar. O significado de uma grande circulação é que as rochas estão sujeitas à destruição, intemperismo e produtos do intemperismo, incluindo nutrientes solúveis em água, são transportados por fluxos de água para o Oceano Mundial com a formação de estratos marinhos e retornam à terra apenas parcialmente, por exemplo , com precipitação ou com organismos extraídos da água pelo homem. Então, por um longo período de tempo, ocorrem lentas mudanças geotectônicas - movimento dos continentes, ascensão e queda do fundo do mar, erupções vulcânicas, etc., como resultado das quais os estratos formados retornam à terra e o processo recomeça.

Grande ciclo geológico da matéria. Sob a influência dos processos de denudação, ocorre a destruição das rochas e a sedimentação. Rochas sedimentares são formadas. Em áreas de subsidência estável (geralmente o fundo do oceano), a substância do envelope geográfico entra nas camadas profundas da Terra. Além disso, sob a influência da temperatura e da pressão, ocorrem processos metamórficos, como resultado da formação de rochas, a substância se aproxima do centro da Terra. O magmatismo ocorre nas entranhas da Terra em temperaturas muito altas: as rochas derretem, sobem na forma de magma ao longo de falhas na superfície da Terra e se derramam na superfície durante as erupções. Assim, a circulação da matéria é realizada. O ciclo geológico é complicado se levarmos em conta a troca de matéria com o espaço sideral. O grande ciclo geológico não está fechado no sentido de que alguma partícula de matéria que caiu nas entranhas da Terra não necessariamente virá para a superfície, e vice-versa, uma partícula subindo durante uma erupção nunca poderia ter estado na superfície da terra antes.

As principais fontes de energia dos processos naturais da Terra

A radiação solar é a principal fonte de energia da Terra. Seu poder é caracterizado pela constante solar - a quantidade de energia que passa pela área de uma unidade de área, perpendicular aos raios solares. À distância de uma unidade astronômica (ou seja, na órbita da Terra), essa constante é de aproximadamente 1370 W/m².

Os organismos vivos utilizam a energia do Sol (fotossíntese) e a energia das ligações químicas (quimiossíntese). Essa energia pode ser utilizada em diversos processos naturais e artificiais. Um terço de toda a energia é refletida pela atmosfera, 0,02% é usado pelas plantas para a fotossíntese e o restante é usado para suportar muitos processos naturais - aquecimento da terra, oceano, atmosfera, movimento do ar. peso O aquecimento solar direto ou a conversão de energia usando células fotovoltaicas podem ser usados ​​para gerar eletricidade (usinas de energia solar) ou realizar outras trabalho útil. No passado distante, a energia armazenada no petróleo e outros combustíveis fósseis também era obtida por meio da fotossíntese.

Essa enorme energia leva ao aquecimento global, porque depois de passar por processos naturais, ela é irradiada de volta e a atmosfera não permite que ela volte.

2. Energia interna da Terra; manifestação - vulcões, fontes termais

18. Transformações energéticas de origem biótica e abiótica

Não há desperdício em um ecossistema natural em funcionamento. Todos os organismos, vivos ou mortos, são potencialmente alimento para outros organismos: uma lagarta come folhas, um tordo come lagartas, um falcão pode comer um tordo. Quando as plantas, lagarta, tordo e falcão morrem, eles por sua vez são processados ​​por decompositores.

Todos os organismos que comem o mesmo tipo de alimento pertencem ao mesmo nível trófico.

organismos ecossistemas naturais estão envolvidos em uma rede complexa de muitas cadeias alimentares interconectadas. Tal rede é chamada teia alimentar.

Pirâmides de fluxos de energia: Com cada transição de um nível trófico para outro dentro a cadeia alimentar ou rede, o trabalho é realizado e a energia térmica é liberada no ambiente, e a quantidade de energia Alta qualidade usado por organismos do próximo nível trófico diminui.

Regra dos 10%: ao passar de um nível trófico para outro, 90% da energia é perdida e 10% é transferida para o próximo nível.

Quanto mais longa a cadeia alimentar, mais energia útil é desperdiçada. Portanto, o comprimento da cadeia alimentar geralmente não excede 4 a 5 elos.

Energética da esfera da paisagem da Terra:

1) energia solar: térmica, radiante

2) o fluxo de energia térmica das entranhas da Terra

3) a energia das correntes de maré

4) energia tectônica

5) assimilação de energia durante a fotossíntese

O ciclo da água na natureza

O ciclo da água na natureza é o processo de movimento cíclico da água na biosfera terrestre. Consiste em evaporação, condensação e precipitação (a precipitação atmosférica evapora parcialmente, forma parcialmente drenos e reservatórios temporários e permanentes, penetra parcialmente no solo e forma águas subterrâneas), bem como processos de desgaseificação do manto: a água flui continuamente do manto. água foi encontrada mesmo em grandes profundidades.

Os mares estão perdendo devido à evaporação Mais água do que obtido com precipitação, em terra - a situação é inversa. A água circula continuamente ao redor do globo, enquanto sua total continua sem alteração.

75% da superfície da Terra é coberta por água. A concha de água da Terra é a hidrosfera. A maior parte é água salgada dos mares e oceanos, e a parte menor é água fresca lagos, rios, geleiras, águas subterrâneas e vapor de água.

Na terra, a água existe em três estados de agregação: líquido, sólido e gasoso. Os organismos vivos não podem existir sem água. Em qualquer organismo, a água é o meio no qual reações químicas sem o qual os organismos vivos não podem viver. A água é a substância mais valiosa e necessária para a vida dos organismos vivos.

Existem vários tipos de ciclos da água na natureza:

Um grande ciclo, ou mundial, - o vapor d'água formado acima da superfície dos oceanos é levado pelos ventos para os continentes, cai lá na forma de precipitação e retorna ao oceano na forma de escoamento superficial. Nesse processo, a qualidade da água muda: durante a evaporação, o sal água do mar se transforma em fresco e poluído - é purificado.

Um ciclo pequeno ou oceânico - o vapor d'água formado acima da superfície do oceano condensa e precipita de volta ao oceano como precipitação.

Circulação intracontinental - a água que evaporou acima da superfície da terra cai novamente na terra na forma de precipitação.

No final, a precipitação em movimento atinge novamente os oceanos.

Velocidade de transferência vários tipos a água varia em uma ampla faixa, de modo que os períodos de fluxo e os períodos de renovação da água também são diferentes. Eles variam de algumas horas a várias dezenas de milênios. A umidade atmosférica, que é formada pela evaporação da água dos oceanos, mares e terra e existe na forma de nuvens, é atualizada em média após oito dias.

As águas que compõem os organismos vivos são restabelecidas em poucas horas. Este é o mais forma ativa troca de água. O período de renovação das reservas de água nas geleiras das montanhas é de cerca de 1.600 anos, nas geleiras dos países polares é muito mais longo - cerca de 9.700 anos.

A completa renovação das águas do Oceano Mundial ocorre em cerca de 2.700 anos.

Efeitos da interação da radiação solar, movimento e rotação da Terra.

EM esse assunto deve ser considerada a variabilidade sazonal: inverno/verão. Descreva que, devido à rotação e ao movimento da Terra, a radiação solar chega de forma desigual, o que significa que condições climáticas mudam com a latitude.

A Terra está inclinada em relação ao plano da eclíptica em 23,5 graus.

Os feixes viajam em ângulos diferentes. balanço de radiação. É importante não apenas quanto se ganha, mas também quanto se perde e quanto se mantém, levando em consideração o albedo.

Centros de Ação Atmosférica

Grandes áreas de alta ou baixa pressão persistentes associadas à circulação geral da atmosfera - centros de ação da atmosfera. Eles determinam a direção predominante dos ventos e servem como centros de formação tipos geográficos massas de ar. Nos mapas sinóticos, eles são expressos por linhas fechadas - isóbaras.

Causas: 1) heterogeneidade da Terra;

2) a diferença no físico. propriedades da terra e da água (capacidade de calor)

3) diferença no albedo da superfície (R/Q): água – 6%, equiv. florestas - 10-12%, amplas florestas - 18%, prados - 22-23%, neve - 92%;

4) F Coriolis

Isso causa OCA.

Centros de Ação Atmosférica:

● permanente- neles existe alta ou baixa pressão durante todo o ano:

1. desnudamento equatorial. pressão, cujo eixo migra um pouco do equador seguindo o Sol em direção ao hemisfério de verão - Depressão equatorial (motivos: grande quantidade de Q e oceanos);

2. em uma faixa subtropical elevada. pressão no Norte. e Yuzh. hemisférios; vários migram no verão para regiões subtropicais mais altas. latitudes, no inverno - para as mais baixas; dividem-se em vários oceânicos. anticiclones: no Norte. hemisférios - anticiclone açoriano (especialmente no verão) e havaiano; no Sul - Sul da Índia, Pacífico Sul e Atlântico Sul;

3. áreas rebaixadas. pressão sobre os oceanos nas altas latitudes das zonas temperadas: no Norte. hemisférios - baixas islandesas (especialmente no inverno) e aleutas, no sul - um anel contínuo de baixa pressão em torno da Antártica (50 0 S);

4. áreas de aumento. pressão sobre o Ártico (especialmente no inverno) e a Antártica - anticiclones;

● sazonal- são traçadas como áreas de alta ou baixa pressão durante uma estação, mudando em outra estação para o centro de ação da atmosfera do signo oposto. Sua existência está associada a uma mudança brusca durante o ano na temperatura da superfície terrestre em relação à temperatura da superfície dos oceanos; o superaquecimento da terra no verão cria condições favoráveis ​​\u200b\u200bpara a formação de áreas mais baixas aqui. pressão, hipotermia de inverno - para áreas de aumento. pressão. Tudo em. hemisfério para áreas de inverno aumentou. as pressões incluem os máximos asiáticos (siberianos) com centro na Mongólia e os máximos canadenses, nos máximos sul-australianos, sul-americanos e sul-africanos. Áreas de verão mais baixas pressão: em Sev. hemisférios - mínimas do sul da Ásia (ou da Ásia Ocidental) e da América do Norte, no sul. - mínimas australianas, sul-americanas e sul-africanas).

Os centros de ação da atmosfera são inerentes a um determinado tipo de clima. Portanto, o ar aqui adquire com relativa rapidez as propriedades da superfície subjacente - quente e úmido na depressão equatorial, frio e seco no anticiclone mongol, frio e úmido na baixa islandesa, etc.

Transferência de calor planetária e suas causas

As principais características da transferência de calor planetária. A energia solar absorvida pela superfície do globo é então gasta em evaporação e transferência de calor por fluxos turbulentos. A evaporação leva em média cerca de 80% ao redor do planeta e a transferência turbulenta de calor - os 20% restantes do calor total.

Os processos de transferência de calor e mudanças com a latitude geográfica de seus componentes no oceano e na terra são únicos. Todo o calor absorvido pela terra na primavera e no verão é completamente perdido no outono e no inverno; com um orçamento de calor anual equilibrado, portanto, acaba sendo igual a zero em todos os lugares.

No Oceano Mundial, devido à elevada capacidade calorífica da água e à sua mobilidade em baixas latitudes, acumula-se calor, de onde é transportado pelas correntes para altas latitudes, onde o seu gasto supera a sua ingestão. Assim, a deficiência criada na troca de calor da água com o ar é suprida.

Na zona equatorial do Oceano Mundial, com grande quantidade de radiação solar absorvida e reduzido consumo de energia, o balanço anual de calor apresenta valores máximos positivos. Com a distância do equador, o orçamento de calor anual positivo diminui devido a um aumento nos consumíveis de transferência de calor, principalmente a evaporação. Com a transição dos trópicos para as latitudes temperadas, o balanço de calor torna-se negativo.

Dentro da terra, todo o calor recebido no período primavera-verão é gasto no período outono-inverno. Nas águas do Oceano Mundial, ao longo da longa história da Terra, uma enorme quantidade de calor igual a 7,6 * 10^21 kcal se acumulou. O acúmulo de uma massa tão grande é explicado pela alta capacidade calorífica da água e sua intensa mistura, durante a qual ocorre uma redistribuição bastante complexa do calor na espessura da oceanosfera. A capacidade de calor de toda a atmosfera é 4 vezes menor que a de uma camada de dez metros das águas do Oceano Mundial.

Apesar do fato de que a parcela de energia solar usada para a troca turbulenta de calor entre a superfície da Terra e o ar é relativamente pequena, ela é a principal fonte de aquecimento da parte próxima à superfície da atmosfera. A intensidade desta transferência de calor depende da diferença de temperatura entre o ar e a superfície subjacente (água ou terra). Nas baixas latitudes do planeta (do equador até aproximadamente a quadragésima latitude de ambos os hemisférios), o ar é aquecido principalmente pela terra, que não consegue acumular energia solar e cede todo o calor que recebe para a atmosfera. Devido à transferência turbulenta de calor, o reservatório de ar recebe de 20 a 40 kcal/cm^2 por ano e, em áreas com baixa umidade (Saara, Arábia, etc.), até mais de 60 kcal/cm^2. As águas nessas latitudes acumulam calor, dando ao ar no processo de troca turbulenta de calor apenas 5-10 kcal/cm^2 por ano ou menos. Apenas em certas áreas (uma área limitada) a água fica mais fria em média por ano e, portanto, recebe calor do ar (na zona equatorial, no noroeste do Oceano Índico, bem como na costa oeste da África e América do Sul).

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Um grande ciclo geológico envolve rochas sedimentares profundamente na crosta terrestre, desligando por muito tempo os elementos nelas contidos do sistema. ciclo biológico. Durante história geológica as rochas sedimentares transformadas, novamente na superfície da Terra, são gradualmente destruídas pela atividade dos organismos vivos, água e ar, e são novamente incluídas no ciclo da biosfera.

Um grande ciclo geológico ocorre ao longo de centenas de milhares ou milhões de anos. Consiste no seguinte: as rochas são destruídas, intemperizadas e eventualmente arrastadas pela água que flui para os oceanos. Aqui eles são depositados no fundo, formando rochas sedimentares, e retornam apenas parcialmente à terra com organismos retirados da água por humanos ou outros animais.

No centro de um grande ciclo geológico está o processo de transferência de compostos minerais de um lugar para outro em escala planetária sem a participação de matéria viva.

Além da pequena circulação, há uma grande circulação geológica. Algumas substâncias penetram nas camadas profundas da Terra (através dos sedimentos do fundo dos mares ou de outra forma), onde ocorrem transformações lentas com a formação de vários compostos, minerais e orgânicos. Os processos do ciclo geológico são sustentados principalmente pela energia interna da Terra, seu núcleo ativo. A mesma energia contribui para a liberação de substâncias na superfície da Terra. Assim, uma grande circulação de substâncias se fecha. Demora milhões de anos.

No que diz respeito à velocidade e intensidade da grande circulação geológica de substâncias, atualmente é impossível fornecer dados precisos, existem apenas estimativas aproximadas e, portanto, apenas para o componente exógeno ciclo geral, ou seja sem levar em conta o influxo de matéria do manto para a crosta terrestre.

Este carbono participa de um grande ciclo geológico. Esse carbono, no processo de um pequeno ciclo biótico, mantém o equilíbrio gasoso da biosfera e da vida em geral.

Escoamento sólido de alguns rios do mundo.

A contribuição dos componentes biosféricos e tecnosféricos para o grande ciclo geológico das substâncias da Terra é muito significativa: há um crescimento constantemente progressivo dos componentes tecnosféricos devido à expansão da esfera da atividade produtiva humana.

Uma vez que o principal fluxo tecnobio-geoquímico na superfície terrestre é direcionado no âmbito de uma grande circulação geológica de substâncias para 70% da terra no oceano e para 30% - em depressões fechadas sem drenagem, mas sempre de elevações mais altas para mais baixas, como resultado da ação das forças gravitacionais, respectivamente, diferenciação da matéria da crosta terrestre de altas para baixas elevações, de terra para oceano. Fluxos reversos (transporte atmosférico, atividade humana, movimentos tectônicos, vulcanismo, migração de organismos) até certo ponto complicam esse movimento descendente geral da matéria, criando ciclos migratórios locais, mas não o alteram em geral.

A circulação da água entre a terra e o oceano através da atmosfera refere-se a um grande ciclo geológico. A água evapora da superfície dos oceanos e é transferida para a terra, onde cai na forma de precipitação, que novamente retorna ao oceano na forma de escoamento superficial e subterrâneo, ou cai na forma de precipitação na superfície do oceano. o oceano. Mais de 500 mil km3 de água participam do ciclo da água na Terra todos os anos. 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.

De acordo com sua formulação, o ciclo biológico de substâncias se desenvolve em parte da trajetória de um grande ciclo geológico de substâncias na natureza.

O transporte de matéria por superfície e lençóis freáticos- este é o principal fator em termos de diferenciação geoquímica da terra do globo, mas não o único, e se falamos da grande circulação geológica de substâncias na superfície terrestre como um todo, então é muito Papel essencial os fluxos também desempenham, em particular, o transporte oceânico e atmosférico.

No que diz respeito à velocidade e intensidade da grande circulação geológica de substâncias, atualmente é impossível fornecer dados exatos, existem apenas estimativas aproximadas e apenas para o componente exógeno do ciclo geral, ou seja, sem levar em conta o influxo de matéria do manto para a crosta terrestre. O componente exógeno da grande circulação geológica de substâncias é o processo constante de desnudamento da superfície terrestre.

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Ciclo geológico (grande ciclo de substâncias na natureza) - o ciclo de substâncias, força motriz que são processos geológicos exógenos e endógenos.

Circulação geológica - a circulação de substâncias, cuja força motriz são processos geológicos exógenos e endógenos.

Os limites do ciclo geológico são muito mais amplos que os limites da biosfera, sua amplitude captura as camadas da crosta terrestre muito além da biosfera. E, o mais importante, os organismos vivos desempenham um papel secundário nos processos desse ciclo.

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.

O papel mais importante no grande ciclo do ciclo geológico é desempenhado pelos pequenos ciclos da matéria, tanto biosféricos quanto tecnosféricos, uma vez que a substância é desligada por um longo tempo do grande fluxo geoquímico, transformando-se em ciclos intermináveis ​​de síntese e decomposição.

O papel mais importante no grande ciclo da circulação geológica é desempenhado pelos pequenos ciclos da matéria, tanto biosféricos quanto tecnosféricos, uma vez que, a substância é desligada por um longo tempo do grande fluxo geoquímico, transformando-se em ciclos intermináveis ​​de síntese e decomposição.

Este carbono participa do ciclo geológico lento.

É esse carbono que participa do lento ciclo geológico. A vida na Terra e o balanço gasoso da atmosfera são sustentados por quantidades relativamente pequenas de carbono contidas nos tecidos vegetais (5 10 t) e animais (5 109 t) que participam do pequeno ciclo (biogênico). Porém, atualmente, a pessoa está fechando intensamente o ciclo das substâncias, inclusive do carbono. Por exemplo, estima-se que a biomassa total de todos os animais domésticos já ultrapasse a biomassa de todos os animais selvagens terrestres. As áreas de plantas cultivadas estão se aproximando das áreas de biogeocenoses naturais, e muitos ecossistemas culturais, em termos de produtividade, continuamente aumentada pelo homem, são significativamente superiores aos naturais.

O mais extenso no tempo e no espaço é o chamado ciclo geológico da matéria.

Existem 2 tipos de circulação de substâncias na natureza: um grande ciclo ou ciclo geológico de substâncias entre a terra e o oceano; pequeno ou biológico - entre o solo e as plantas.

A água extraída pela planta do solo no estado de vapor entra na atmosfera, depois, esfriando, condensa e volta novamente ao solo ou oceano como precipitação. O ciclo geológico da água proporciona redistribuição mecânica, sedimentação, acúmulo de sedimentos sólidos na terra e no fundo dos corpos d'água, bem como no processo de destruição mecânica de solos e rochas. No entanto, a função química da água é realizada com a participação de organismos vivos ou seus produtos metabólicos. As águas naturais, como os solos, são uma substância bioinerte complexa.

A atividade geoquímica do homem está se tornando comparável em escala com a biológica e processos geológicos. No ciclo geológico, o elo de denudação aumenta acentuadamente.

O fator que deixa a marca principal no caráter geral e biológico. Ao mesmo tempo, o ciclo geológico da água está constantemente se esforçando para levar todos esses elementos dos estratos de terra seca para a bacia oceânica. Portanto, a preservação de elementos alimentares vegetais dentro da terra requer sua conversão para uma forma absolutamente insolúvel em água. Este requisito é atendido por um orgânico vivo.

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

*Viver importa em termos de 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 transformador papel geológico substância viva. Para evolução orgânica organismos vivos mil vezes (para diferentes ciclos de 103 a 105 vezes) 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, um enorme massa de minerais. 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. Passando pelo corpo grandes volumes de ar e soluções naturais, os organismos vivos realizam migração biogênica (movimento substancias químicas) e 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 encerrada em puro produção primária. 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 de ambiente substâncias necessárias à vida e devoluções não utilizadas. 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. EM este 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 complexos compostos orgânicos, formas, e então, quando as últimas são destruídas, elas 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, 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 atmosférico 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. Nitrogênio é parte integral 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.

Para que a biosfera continue existindo, para que seu movimento (desenvolvimento) não pare, o ciclo de substâncias biologicamente importantes deve ocorrer constantemente na Terra. Essa transição de substâncias biologicamente importantes de link para link só pode ser realizada com um certo gasto de energia, cuja fonte é o Sol.

A energia solar fornece dois ciclos de matéria na Terra:

- circulação geológica (abiótica), ou grande;

- circulação biológica (biótica), ou pequena.

ciclo geológico mais claramente manifestado no ciclo da água e na circulação atmosférica.

Aproximadamente 21 10 20 kJ de energia radiante vem do Sol para a Terra todos os anos. Cerca de metade é gasto na evaporação da água. Isso é o que cria o grande ciclo.

O ciclo da água na biosfera é baseado no fato de que sua evaporação total da superfície da Terra é compensada pela precipitação. Ao mesmo tempo, mais água evapora do oceano do que retorna com a precipitação. Em terra, pelo contrário, cai mais precipitação do que a água evapora. Seu excesso flui para rios e lagos e de lá - novamente para o oceano.

No processo do ciclo geológico da água, os compostos minerais são transferidos de um lugar para outro em escala planetária, e o estado de agregação da água também muda (líquido, sólido - neve, gelo; gasoso - vapor). A água circula mais intensamente no estado de vapor.

Com o advento da matéria viva baseada na circulação da atmosfera, água, compostos minerais dissolvidos nela, ou seja, com base no ciclo abiótico, geológico, surgiu o ciclo da matéria orgânica, ou pequeno, ciclo biológico.

À medida que a matéria viva se desenvolve, mais e mais elementos são constantemente extraídos do ciclo geológico e entram em um novo ciclo biológico.

Em contraste com o simples movimento de transferência de elementos minerais em um grande ciclo (geológico), em um pequeno ciclo (biológico), os momentos mais importantes são a síntese e destruição de compostos orgânicos. Esses dois processos estão em uma certa proporção, que fundamenta a vida e é uma de suas principais características.

Em contraste com o ciclo geológico, o ciclo biológico tem uma energia mais baixa. Como é sabido, apenas 0,1-0,2% da energia solar incidente na Terra é gasto na criação de matéria orgânica (até 50% no ciclo geológico). Apesar disso, a energia envolvida no ciclo biológico é gasta em uma enorme quantidade de trabalho para criar a produção primária na Terra.

Com o advento da matéria viva na Terra, os elementos químicos circulam continuamente na biosfera, passando de ambiente externo nos organismos e de volta ao meio ambiente.

Essa circulação de elementos químicos ao longo de caminhos mais ou menos fechados, procedendo com o uso da energia solar através de organismos vivos, é chamada de circulação biogeoquímica (ciclo).

Os principais ciclos biogeoquímicos são os ciclos do oxigênio, carbono, nitrogênio, fósforo, enxofre, água e elementos biogênicos.

O ciclo do carbono.

Na terra, o ciclo do carbono começa com a fixação do dióxido de carbono pelas plantas através da fotossíntese. Além disso, os carboidratos são formados a partir de dióxido de carbono e água e oxigênio são liberados. Ao mesmo tempo, o carbono é parcialmente liberado durante a respiração das plantas como parte do dióxido de carbono. O carbono fixado nas plantas é consumido em certa medida pelos animais. Os animais também liberam dióxido de carbono quando respiram. Os animais e plantas obsoletos são decompostos por microorganismos, como resultado do qual o carbono da matéria orgânica morta é oxidado a dióxido de carbono e entra novamente na atmosfera.

Um ciclo semelhante de carbono ocorre no oceano.

O ciclo do nitrogênio.

O ciclo do nitrogênio, como outros ciclos biogeoquímicos, abrange todas as áreas da biosfera. O ciclo do nitrogênio está associado à sua conversão em nitratos devido à atividade de bactérias fixadoras de nitrogênio e nitrificantes. Os nitratos são absorvidos pelas plantas a partir do solo ou da água. As plantas são comidas pelos animais. No final, os redutores convertem novamente o nitrogênio em uma forma gasosa e o devolvem à atmosfera.

Nas condições modernas, um homem interveio no ciclo do nitrogênio, que, cultivando leguminosas fixadoras de nitrogênio em vastas áreas, liga artificialmente o nitrogênio natural. Acredita-se que a agricultura e a indústria forneçam quase 60% mais nitrogênio fixo do que os ecossistemas terrestres naturais.

Um ciclo de nitrogênio semelhante também é observado no ambiente aquático.

Ciclo do fósforo.

Ao contrário do carbono e do nitrogênio, os compostos de fósforo são encontrados em rochas que sofrem erosão e liberam fosfatos. A maioria deles acaba nos mares e oceanos e, em parte, pode ser devolvido à terra novamente por meio de cadeias alimentares marinhas que terminam em pássaros que se alimentam de peixes. Alguns dos fosfatos acabam no solo e são absorvidos pelas raízes das plantas. A absorção de fósforo pelas plantas depende da acidez da solução do solo: à medida que a acidez aumenta, os fosfatos praticamente insolúveis na água são convertidos em ácido fosfórico altamente solúvel. As plantas são então comidas pelos animais.

Os principais elos dos ciclos biogeoquímicos são vários organismos, cuja variedade de formas determina a intensidade dos ciclos e o envolvimento de quase todos os elementos da crosta terrestre neles.

Em geral, cada circulação de qualquer elemento químico faz parte da grandiosa circulação geral de substâncias na Terra, ou seja, eles estão intimamente relacionados.