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O papel dos organismos vivos na biosfera. O papel da matéria viva na biosfera A atenção principal na doutrina da biosfera

Questão 1. Qual é o impacto dos organismos vivos na biosfera?
Os seres vivos contribuem para a transferência e circulação de substâncias na natureza. Graças à atividade dos fotossintéticos, a quantidade de dióxido de carbono na atmosfera diminuiu, o oxigênio apareceu e uma camada protetora de ozônio se formou. A atividade dos organismos vivos determina a composição e estrutura do solo (processamento de resíduos orgânicos pelos decompositores), protege-o da erosão. Em grande parte, animais e plantas também determinam o conteúdo de várias substâncias na hidrosfera (especialmente em pequenos corpos d'água). Alguns organismos são capazes de absorver e acumular seletivamente certos elementos químicos - silício, cálcio, iodo, enxofre, etc. O resultado da atividade dos seres vivos são depósitos de calcário, minérios de ferro e manganês, reservas de petróleo, carvão, gás.

Questão 2. Conte-nos sobre o ciclo da água na natureza.
Sob a influência da energia solar, a água evapora da superfície dos reservatórios e é transportada por correntes de ar por longas distâncias. Ao cair na superfície do terreno na forma de precipitação, contribui para a destruição das rochas e disponibiliza seus minerais constituintes para plantas, microorganismos e animais. Ele corrói a camada superior do solo e sai junto com as substâncias dissolvidas nela. compostos químicos e partículas orgânicas e inorgânicas suspensas nos mares e oceanos. A circulação da água entre o oceano e a terra é o elo mais importante na manutenção da vida na Terra.
As plantas participam do ciclo da água de duas formas: extraem-na do solo e evaporam-na na atmosfera; Parte da água nas células vegetais é decomposta durante a fotossíntese. Nesse caso, o hidrogênio é fixado na forma de compostos orgânicos e o oxigênio entra na atmosfera.
Os animais consomem água para manter o equilíbrio osmótico e salino no corpo e a excretam em ambiente externo juntamente com os produtos metabólicos.

Questão 3. Que organismos absorvem dióxido de carbono da atmosfera?
O dióxido de carbono da atmosfera é absorvido por organismos fotossintéticos, que o assimilam e armazenam na forma de compostos orgânicos (principalmente glicose). O dióxido de carbono da atmosfera é absorvido por organismos fotossintéticos, que o assimilam e armazenam na forma de compostos orgânicos (principalmente glicose). Além disso, parte do dióxido de carbono atmosférico se dissolve na água dos mares e oceanos e, em seguida, na forma de íons de ácido carbônico, pode ser capturado por animais - moluscos, corais, esponjas, que usam carbonatos para construir conchas e esqueletos. O resultado de sua atividade pode ser a formação de rochas sedimentares (calcário, giz, etc.).

Questão 4. Descreva a forma como o carbono fixo é devolvido à atmosfera.
O carbono entra na biosfera como resultado de sua fixação no processo de fotossíntese. A quantidade de carbono retido pelas plantas anualmente é estimada em 46 bilhões de toneladas. Parte dele entra no corpo dos animais e é liberado como resultado da respiração na forma de CO 2, que entra novamente na atmosfera. Além disso, as reservas de carbono na atmosfera são reabastecidas pela atividade vulcânica e pela combustão humana de combustíveis fósseis. Embora a maior parte do dióxido de carbono que entra na atmosfera seja absorvida pelo oceano e depositada como carbonatos, o CO 2 no ar está aumentando lenta mas constantemente.

Questão 5. Que fatores, além das atividades dos organismos vivos, afetam o estado do nosso planeta?
Além da atividade dos organismos vivos, fatores abióticos influenciam o estado do nosso planeta: movimento das placas litosféricas, atividade vulcânica, ondas dos rios e mares, fenômenos climáticos, secas, inundações e outros processos naturais. Alguns deles agem muito lentamente; outros são capazes de mudar quase instantaneamente o estado de um grande número de ecossistemas (erupção vulcânica em grande escala; um forte terremoto acompanhado de tsunami; incêndios florestais; queda de um grande meteorito).

Pergunta 6. Quem introduziu pela primeira vez o termo "noosfera" na ciência?
Noosfera (do grego noos - mente) é um conceito que denota a esfera de interação entre a natureza e o homem; trata-se de um novo estado evolutivo da biosfera, no qual a atividade racional do homem torna-se o fator decisivo de seu desenvolvimento. O termo "noosfera" foi introduzido pela primeira vez na ciência em 1927 pelos cientistas franceses Edouard Leroy (1870-1954) e Pierre Teilhard de Chardin (1881-1955).

Resumo sobre o tema:

Introdução

O ciclo biológico é um fenômeno de natureza contínua, cíclica, regular, mas não uniforme no tempo e no espaço, a redistribuição de substâncias, energia e informação dentro de sistemas ecológicos de vários níveis hierárquicos de organização - da biogeocenose à biosfera. A circulação de substâncias na escala de toda a biosfera é chamada de grande círculo e dentro de uma biogeocenose específica - um pequeno círculo de troca biótica.

Acadêmico V.I. Vernadsky foi o primeiro a postular a tese sobre o papel mais importante dos organismos vivos na formação e manutenção das propriedades físicas e químicas básicas das conchas da Terra. Em seu conceito, a biosfera é considerada não apenas como um espaço ocupado pela vida, mas como um sistema funcional integral, no nível do qual se realiza a conexão inseparável dos processos geológicos e biológicos. As principais propriedades da vida que garantem essa conexão são a alta atividade química dos organismos vivos, sua mobilidade e a capacidade de se auto-reproduzir e evoluir. Na manutenção da vida como um fenômeno planetário, a diversidade de suas formas, que diferem no conjunto de substâncias consumidas e de resíduos lançados no meio ambiente, é de suma importância. A diversidade biológica é a base para a formação de ciclos biogeoquímicos estáveis de matéria e energia na biosfera da Terra.

As questões sobre o papel dos organismos vivos na pequena circulação foram consideradas por cientistas, professores como Nikolaikin N.I., Shilov I.A., Melekhova O.P. e etc

1. O papel dos organismos vivos no ciclo biológico

Uma propriedade específica da vida é a troca de substâncias com o meio ambiente. Qualquer organismo deve receber certas substâncias do ambiente externo como fontes de energia e material para construir seu próprio corpo. Produtos metabólicos que não são mais adequados para uso posterior são retirados. Assim, cada organismo ou conjunto de organismos idênticos no curso de sua atividade de vida piora as condições de seu habitat. A possibilidade do processo inverso - manter as condições de vida ou mesmo melhorá-las - é determinada pelo fato de a biosfera ser habitada por diferentes organismos com diferentes tipos de metabolismo.

Em sua forma mais simples, um conjunto de formas de vida qualitativas é representado por produtores, consumidores e decompositores, cuja atividade conjunta garante a extração de certas substâncias do meio ambiente, sua transformação em diferentes níveis de cadeias tróficas e a mineralização da matéria orgânica em componentes disponíveis para a próxima inclusão no ciclo (elementos básicos migrando ao longo das cadeias do ciclo biológico - carbono, hidrogênio, oxigênio, potássio, fósforo, enxofre, etc.).

Os produtores são organismos vivos capazes de sintetizar matéria orgânica de componentes inorgânicos usando fontes de energia externas. (Observe que obter energia de fora é uma condição geral para a vida de todos os organismos; em termos de energia, todos os sistemas biológicos são abertos) eles também são chamados de autótrofos, pois eles mesmos se abastecem de matéria orgânica. Nas comunidades naturais, os produtores desempenham a função de produtores da matéria orgânica acumulada nos tecidos desses organismos. A matéria orgânica também serve como fonte de energia para os processos vitais; a energia externa é usada apenas para a síntese primária.

Todos os produtores, de acordo com a natureza da fonte de energia para a síntese de substâncias orgânicas, são divididos em fotoautotróficos e quimioautotróficos. Os primeiros utilizam a energia da radiação solar para síntese na parte do espectro com comprimento de onda de 380-710 nm. São principalmente plantas verdes, mas representantes de alguns outros reinos do mundo orgânico também são capazes de fotossíntese. Entre eles, são de particular importância as cianobactérias ("algas" verde-azuladas), que, aparentemente, foram os primeiros fotossintéticos na evolução da vida na Terra. Muitas bactérias também são capazes de fotossíntese, que, no entanto, usam um pigmento especial - bacterioclorina - e não emitem oxigênio durante a fotossíntese. As principais matérias-primas utilizadas para a fotossíntese são dióxido de carbono e água (a base para a síntese de carboidratos), bem como nitrogênio, fósforo, potássio e outros elementos da nutrição mineral.

Ao criar substâncias orgânicas com base na fotossíntese, os fotoautotróficos ligam a energia solar usada, como se a armazenassem. A subsequente destruição de ligações químicas leva à liberação dessa energia "armazenada". Isso se aplica não apenas ao uso de combustíveis fósseis; A energia “armazenada” nos tecidos vegetais é transferida na forma de alimento ao longo das cadeias tróficas e serve de base para os fluxos energéticos que acompanham o ciclo biogênico das substâncias.

Os quimioautotróficos utilizam a energia das ligações químicas nos processos de síntese da matéria orgânica. Este grupo inclui apenas procariontes: bactérias, arqueobactérias e parcialmente azul-esverdeadas. A energia química é liberada nos processos de oxidação de substâncias minerais. Processos oxidativos exotérmicos são usados por bactérias nitrificantes (oxidam amônia a nitritos e depois a nitratos), bactérias férricas (oxidação de ferro ferroso a óxido), bactérias sulfurosas (sulfeto de hidrogênio a sulfatos). Metano, CO e algumas outras substâncias também são usados como substrato para oxidação.

Com toda a variedade de formas específicas de produtores autotróficos, sua função biosférica geral é uma e consiste em envolver elementos de natureza inanimada na composição dos tecidos do corpo e, portanto, no ciclo biológico geral. A massa total de produtores autotróficos é mais de 95% da massa de todos os organismos vivos na biosfera.

Consumidores. Os seres vivos que não são capazes de construir seu corpo com base no uso de substâncias inorgânicas, necessitando da ingestão de matéria orgânica de fora, como parte da alimentação, pertencem ao grupo de organismos heterotróficos que vivem de produtos sintetizados por foto- ou quimiossintéticos. Os alimentos extraídos de uma forma ou de outra do ambiente externo são utilizados pelos heterótrofos para construir seu próprio corpo e como fonte de energia para diversas formas de vida. Assim, os heterótrofos utilizam a energia armazenada pelos autótrofos na forma de ligações químicas de substâncias orgânicas sintetizadas por eles. No fluxo de substâncias ao longo do ciclo, ocupam o patamar de consumidores obrigatoriamente associados a organismos autotróficos (consumidores de 1ª ordem) ou a outros heterótrofos dos quais se alimentam (consumidores de 2ª ordem).

O significado geral dos consumidores na circulação de substâncias é peculiar e ambíguo. Eles não são necessários no processo direto de circulação: sistemas de modelos fechados artificiais, compostos de plantas verdes e microorganismos do solo, na presença de umidade e sais minerais, podem existir indefinidamente. por muito tempo devido à fotossíntese, destruição de resíduos vegetais e envolvimento de elementos liberados em um novo ciclo. Mas isso só é possível em condições laboratoriais estáveis. Em um ambiente natural, a probabilidade de morte desses sistemas simples por várias causas aumenta. Os “garantidores” da estabilidade do ciclo são, antes de tudo, os consumidores.

No processo de seu próprio metabolismo, os heterótrofos decompõem as substâncias orgânicas obtidas na composição dos alimentos e, com base nisso, constroem as substâncias de seu próprio corpo. A transformação de substâncias produzidas principalmente por autotróficos em organismos consumidores leva a um aumento na diversidade da matéria viva. A diversidade é uma condição necessária para a estabilidade de qualquer sistema cibernético no contexto de distúrbios externos e internos. Os sistemas vivos - do organismo à biosfera como um todo - operam de acordo com o princípio cibernético. opinião.

Os animais, que constituem a maior parte dos organismos consumidores, são caracterizados pela mobilidade, a capacidade de se mover ativamente no espaço. Com isso, eles participam efetivamente da migração da matéria viva, sua dispersão pela superfície do planeta, o que, por um lado, estimula o assentamento espacial da vida e, por outro, serve como uma espécie de “mecanismo de garantia ” em caso de destruição da vida em qualquer lugar devido a vários motivos. .

Um exemplo dessa “garantia espacial” é a conhecida catástrofe em cerca de. Krakatoa: como resultado da erupção vulcânica em 1883, a vida na ilha foi completamente destruída, mas se recuperou em apenas 50 anos - cerca de 1200 espécies foram registradas. O povoamento decorreu sobretudo à custa de Java, Sumatra e ilhas vizinhas, que não foram afetadas pela erupção, de onde, de diversas formas, plantas e animais repovoaram a ilha coberta de cinzas e escoadas lávicas congeladas. Ao mesmo tempo, filmes de cianobactérias apareceram primeiro (após 3 anos) em tufos e cinzas vulcânicas. O processo de estabelecimento de comunidades sustentáveis na ilha continua; as cenoses florestais ainda estão nos estágios iniciais de sucessão e são bastante simplificadas em sua estrutura.

Finalmente, o papel dos consumidores, principalmente animais, é extremamente importante como reguladores da intensidade dos fluxos de matéria e energia ao longo das cadeias tróficas. A capacidade de autorregular ativamente a biomassa e a taxa de sua mudança no nível de ecossistemas e populações certos tiposé finalmente realizado na forma de manter a correspondência entre as taxas de criação e destruição de matéria orgânica nos sistemas de ciclo global. Não apenas os consumidores participam desse sistema regulatório, mas os últimos (especialmente os animais) se distinguem pela reação mais ativa e rápida a quaisquer distúrbios no equilíbrio da biomassa dos níveis tróficos adjacentes.

Em princípio, o sistema de regulação do fluxo de matéria no ciclo biogênico, baseado na complementaridade das categorias ecológicas de organismos vivos que compõem esse sistema, opera com base no princípio da produção livre de resíduos. No entanto, idealmente, esse princípio não pode ser observado devido à grande complexidade dos processos interativos e dos fatores que os influenciam. O resultado da violação da completude do ciclo foram os depósitos de petróleo, carvão, turfa, sapropels. Todas essas substâncias carregam a energia originalmente armazenada no processo de fotossíntese. Seu uso por uma pessoa é, por assim dizer, a conclusão dos ciclos do ciclo biológico “atrasado no tempo”.

Redutores. Esta categoria ecológica inclui organismos heterotróficos, que, utilizando a matéria orgânica morta (cadáveres, fezes, serapilheira, etc.) como alimento, a decompõem em componentes inorgânicos no processo de metabolismo.

A mineralização parcial de substâncias orgânicas ocorre em todos os organismos vivos. Assim, no processo de respiração, CO2 é liberado, água, sais minerais, amônia, etc. Os verdadeiros decompositores, que completam o ciclo de destruição das substâncias orgânicas, devem, portanto, ser considerados apenas aqueles organismos que liberam para o meio externo apenas substâncias inorgânicas que estão prontas para serem envolvidas em um novo ciclo.

A categoria de decompositores inclui muitos tipos de bactérias e fungos. Pela natureza de seu metabolismo, eles são organismos redutores. Assim, as bactérias desvitrificantes reduzem o nitrogênio ao seu estado elementar, enquanto as bactérias redutoras de sulfato reduzem o enxofre a sulfeto de hidrogênio. Os produtos finais da decomposição de substâncias orgânicas são dióxido de carbono, água, amônia, sais minerais. Sob condições anaeróbicas, a decomposição vai além - para hidrogênio; hidrocarbonetos também são formados.

O ciclo completo de redução da matéria orgânica é mais complexo e envolve um número maior de participantes. Consiste em uma série de elos sucessivos, em uma série em que vários organismos destruidores convertem gradualmente as substâncias orgânicas, primeiro em formas mais simples e só depois em componentes inorgânicos pela ação de bactérias e fungos.

Níveis de organização da matéria viva. A atividade conjunta de produtores, consumidores e decompositores determina a manutenção contínua do ciclo biológico global de substâncias na biosfera terrestre. Este processo é apoiado pelas relações regulares das partes espaciais e funcionais que compõem a biosfera e é fornecido por um sistema especial de conexões que atuam como um mecanismo de homeostase da biosfera - mantendo seu funcionamento estável no contexto de mudança externa e fatores internos. Portanto, a biosfera pode ser considerada como um sistema ecológico global que garante a manutenção sustentável da vida em sua manifestação planetária.

Qualquer sistema biológico (incluindo ecológico) é caracterizado por uma função específica, relações ordenadas das partes (subsistemas) que compõem o sistema e mecanismos reguladores baseados nessas interações que determinam a integridade e a estabilidade do sistema no contexto de flutuações externas. condições. Pelo que foi dito acima, fica claro que a biosfera em sua estrutura e função corresponde ao conceito de sistema biológico (ecológico).

No nível da biosfera como um todo, é realizada uma conexão funcional universal da matéria viva com a natureza inanimada. Os seus componentes estruturais e funcionais (subsistemas), ao nível dos quais se realizam ciclos específicos do ciclo biológico, são biogeocenoses (ecossistemas).

2. Pequena circulação de substâncias na biosfera

Ciclo biológico (biogeoquímico) (pequeno ciclo de substâncias na biosfera) - o ciclo de substâncias, cuja força motriz é a atividade dos organismos vivos. O ciclo biogeoquímico das substâncias ocorre dentro da biosfera. A principal fonte de energia do ciclo é a radiação solar, que gera a fotossíntese. Em um ecossistema, substâncias orgânicas são sintetizadas por autotróficos a partir de substâncias inorgânicas. É então consumido por heterótrofos. Como resultado da excreção durante a atividade vital ou após a morte dos organismos, as substâncias orgânicas sofrem mineralização, ou seja, transformação em substâncias inorgânicas. Essas substâncias inorgânicas podem ser reutilizadas para a síntese de substâncias orgânicas pelos autotróficos.

Nos ciclos biogeoquímicos, duas partes devem ser distinguidas:

1. um fundo de reserva é uma parte de uma substância que não está associada a organismos vivos;

2. fundo de troca - uma parte muito menor de uma substância que está conectada por troca direta entre organismos e seus Ambiente Imediato.

Dependendo da localização do fundo de reserva, os ciclos biogeoquímicos podem ser divididos em dois tipos:

1. ciclos do tipo gás com fundo de reserva de substâncias na atmosfera e hidrosfera (ciclos de carbono, oxigênio, nitrogênio);

2. ciclos sedimentares com fundo de reserva na crosta terrestre (circulações de fósforo, cálcio, ferro, etc.).

Os ciclos do tipo gás são perfeitos, porque tem um grande fundo de câmbio e, portanto, formas de auto-regulação rápida. Os ciclos sedimentares são menos perfeitos, são mais inertes, porque a maior parte da substância está contida no fundo de reserva da crosta terrestre em uma forma "inacessível" aos organismos vivos. Tais ciclos são facilmente perturbados por vários tipos de influências, e parte do material trocado sai do ciclo. Ele pode retornar à circulação apenas como resultado de processos geológicos ou por extração por matéria viva. No entanto, para extrair as substâncias necessárias para os organismos vivos de crosta da terrra muito mais difícil do que da atmosfera.

A intensidade do ciclo biológico é determinada principalmente pela temperatura ambiente e pela quantidade de água. Assim, por exemplo, o ciclo biológico ocorre mais intensamente nas florestas tropicais úmidas do que na tundra. Além disso, os processos biológicos na tundra ocorrem apenas na estação quente.

Produtores, consumidores, detritófagos e decompositores do ecossistema, absorvendo e liberando diversas substâncias, interagem entre si de forma clara e coordenada. A matéria orgânica e o oxigênio produzidos pelas plantas fotossintéticas são os alimentos mais importantes para a alimentação e a respiração dos consumidores. Ao mesmo tempo, o dióxido de carbono e as substâncias minerais do esterco e da urina emitidos pelos consumidores são biogênicos, produtores muito necessários. Portanto, as substâncias nos ecossistemas fazem um ciclo quase completo, entrando primeiro nos organismos vivos, depois no ambiente abiótico e novamente retornando aos vivos. Aqui está um dos princípios básicos do funcionamento dos ecossistemas: o recebimento de recursos e o processamento de resíduos ocorrem no processo do ciclo de todos os elementos.

Considere os ciclos das substâncias e elementos mais significativos para os organismos vivos. O pequeno ciclo biogeoquímico dos elementos biogênicos inclui: carbono, nitrogênio, fósforo, enxofre, etc.

2.1 O ciclo do carbono

O carbono existe na natureza em muitas formas, inclusive em compostos orgânicos. A substância inorgânica subjacente ao ciclo biogénico deste elemento é o dióxido de carbono (CO2). Na natureza, o CO2 faz parte da atmosfera e também está dissolvido na hidrosfera. A inclusão de carbono na composição de substâncias orgânicas ocorre no processo de fotossíntese, como resultado da formação de açúcares com base em CO2 e H2O. Posteriormente, outros processos biossintéticos convertem esses carbonos em outros mais complexos, bem como em proteínas, lipídios. Todos esses compostos não apenas formam os tecidos dos organismos fotossintéticos, mas também servem como fonte de matéria orgânica para animais e plantas não verdes.

No processo de respiração, todos os organismos oxidam substâncias orgânicas complexas; o produto final desse processo, o CO2, é liberado no meio ambiente, onde pode ser novamente envolvido no processo de fotossíntese.

Sob certas condições no solo, a decomposição dos resíduos mortos acumulados ocorre em ritmo lento - através da formação de húmus por saprófagos, cuja mineralização pela ação de fungos e bactérias pode ocorrer em taxas diferentes, inclusive baixas. Em alguns casos, a cadeia de decomposição da matéria orgânica é incompleta. Em particular, a atividade dos saprófagos pode ser inibida pela falta de oxigênio ou aumento da acidez. Nesse caso, os resíduos orgânicos se acumulam na forma de turfa; o carbono não é liberado e o ciclo para. Situações semelhantes surgiram em épocas geológicas passadas, como evidenciado por depósitos de carvão e petróleo.

Na hidrosfera, a suspensão do ciclo do carbono está associada à incorporação de CO2 em CaCO3 na forma de calcário, giz e corais. Nesse caso, o carbono é excluído do ciclo por épocas geológicas inteiras. Só a subida das rochas organogénicas acima do nível do mar conduz à renovação do ciclo através da lixiviação do calcário por precipitação. E também de forma biogênica - pela ação dos liquens, raízes das plantas.

As florestas são o principal reservatório de carbono ligado biologicamente; elas contêm até 500 bilhões de toneladas desse elemento, que é 2/3 de sua reserva na atmosfera. A intervenção humana no ciclo do carbono leva ao aumento do teor de CO2 na atmosfera e ao desenvolvimento do efeito estufa.

Taxa de ciclo de CO2, ou seja, o tempo que leva para todo o dióxido de carbono na atmosfera passar pela matéria viva é de cerca de 300 anos.

2.2 O ciclo do nitrogênio

Principal fonte nitrogênio de compostos orgânicos - nitrogênio molecular na composição da atmosfera. Sua transição para compostos acessíveis aos organismos vivos pode ser realizada de diferentes maneiras. Assim, as descargas elétricas durante as trovoadas são sintetizadas a partir do nitrogênio e oxigênio do ar, óxido nítrico, que, com a água da chuva, entra no solo na forma de nitrato ou ácido nítrico. Há também a fixação fotoquímica de nitrogênio.

Uma forma mais importante de assimilação de nitrogênio é a atividade de microrganismos fixadores de nitrogênio sintetizando proteínas complexas. Quando morrem, enriquecem o solo com nitrogênio orgânico, que se mineraliza rapidamente. Desta forma, cerca de 25 kg de nitrogênio por 1 ha anualmente entra no solo.

A fixação de nitrogênio mais eficiente é realizada por bactérias que formam ligações simbióticas com plantas leguminosas. O nitrogênio orgânico formado por eles se difunde na rizosfera e também é incluído nos órgãos do solo da planta hospedeira. Desta forma, 150-400 kg de nitrogênio são acumulados por ano no solo e nos órgãos subterrâneos das plantas por 1 hectare.

Existem microrganismos fixadores de nitrogênio que formam simbiose com outras plantas. EM ambiente aquático e em solo muito úmido, as cianobactérias fixam diretamente o nitrogênio atmosférico. Em todos esses casos, o nitrogênio entra nas plantas na forma de nitratos. Esses compostos são transportados pelas raízes e caminhos até as folhas, onde são usados para a síntese de proteínas; estes últimos servem de base para a nutrição nitrogenada dos animais.

Excrementos e organismos mortos formam a base das cadeias alimentares de organismos saprófagos que decompõem compostos orgânicos com a transformação gradual de substâncias orgânicas contendo nitrogênio em inorgânicas. O elo final dessa cadeia de redução são os organismos amonificantes que formam amônia, que pode então entrar no ciclo de nitrificação. Desta forma, o ciclo do nitrogênio pode ser continuado.

Ao mesmo tempo, há um retorno constante de nitrogênio para a atmosfera pela ação de bactérias desnitrificantes, que decompõem nitratos em N2. Essas bactérias são ativas em solos ricos em nitrogênio e carbono. Graças às suas atividades, até 50-60 kg de nitrogênio são volatilizados anualmente de 1 ha de solo.

O nitrogênio pode ser excluído do ciclo acumulando-se nos sedimentos oceânicos profundos. Até certo ponto, isso é compensado pela liberação de N2 molecular na composição dos gases vulcânicos.

2.3 Ciclo do fósforo

De todos os macronutrientes (elementos necessários para toda a vida em grandes quantidades), o fósforo é um dos mais raros reservatórios disponíveis na superfície da Terra. Na natureza, o fósforo é encontrado em grandes quantidades em várias rochas. No processo de destruição dessas rochas, ela entra nos ecossistemas terrestres ou é lixiviada pela precipitação e acaba chegando à hidrosfera. Em ambos os casos, esse elemento entra na cadeia alimentar. Na maioria dos casos, os organismos decompositores mineralizam substâncias orgânicas contendo fósforo em fosfatos inorgânicos, que podem ser novamente utilizados pelas plantas e, portanto, novamente envolvidos no ciclo.

No oceano, parte dos fosfatos com resíduos orgânicos mortos entra em sedimentos profundos e aí se acumula, sendo excluído do ciclo. O processo do ciclo natural do fósforo nas condições modernas é intensificado pelo uso de fertilizantes fosfatados na agricultura, cuja fonte são os depósitos de fosfatos minerais. Isso pode ser motivo de preocupação, uma vez que os sais de fósforo são rapidamente lixiviados desse uso e a escala de exploração recursos minerais estão crescendo o tempo todo. Atualmente totalizando cerca de 2 milhões de toneladas por ano.

2.4 Ciclo do Enxofre

O principal fundo de reserva de enxofre está nos sedimentos e no solo, mas ao contrário do fósforo, existe um fundo de reserva na atmosfera. O principal papel no envolvimento do enxofre no ciclo biogeoquímico pertence aos microrganismos. Alguns deles são agentes redutores, outros são agentes oxidantes.

O enxofre ocorre nas rochas na forma de sulfetos, em soluções - na forma de um íon, na fase gasosa na forma de sulfeto de hidrogênio ou dióxido de enxofre. Em alguns organismos, o enxofre se acumula em sua forma pura (S) e, quando eles morrem, formam-se depósitos de enxofre nativo no fundo dos mares.

Nos ecossistemas terrestres, o enxofre entra nas plantas do solo principalmente na forma de sulfatos. Nos organismos vivos, o enxofre é encontrado nas proteínas, na forma de íons, etc. Após a morte dos organismos vivos, parte do enxofre é reduzida no solo por microrganismos a HS, a outra parte é oxidada a sulfatos e é novamente incluída no ciclo. O sulfeto de hidrogênio resultante escapa para a atmosfera, se oxida e retorna ao solo com a precipitação.

A combustão humana de combustíveis fósseis, bem como as emissões indústria química, leva ao acúmulo de dióxido de enxofre (SO) na atmosfera, que, reagindo com o vapor d'água, cai no solo na forma de chuva ácida.

Os ciclos biogeoquímicos são amplamente influenciados pelos seres humanos. A atividade econômica viola seu isolamento, eles se tornam acíclicos.

Conclusão

Ao longo da longa história da Terra, formaram-se relações complexas que sustentam uma circulação estável de substâncias e, com ela, a existência da vida como fenômeno global de nosso planeta.

A atividade conjunta de vários organismos vivos determina a circulação regular de elementos individuais e compostos químicos, incluindo sua introdução na composição de células vivas, transformações substancias químicas nos processos metabólicos, liberação no meio ambiente e destruição de substâncias orgânicas, resultando na liberação de substâncias minerais, que são novamente incluídas nos ciclos biológicos.

Assim, os processos cíclicos ocorrem em ecossistemas específicos, mas os ciclos biogeoquímicos são realizados integralmente apenas no nível da biosfera como um todo. E a atividade conjunta de formas de vida de alta qualidade garante a extração de certas substâncias do ambiente externo, sua transformação em diferentes níveis de cadeias tróficas e a mineralização da matéria orgânica em componentes disponíveis para a próxima inclusão no ciclo (os principais elementos migrando ao longo das cadeias do ciclo biológico estão carbono, hidrogênio, nitrogênio, potássio, cálcio, etc.).

Bibliografia

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Questão 2. Conte-nos sobre o ciclo da água na natureza.
Sob a influência da energia solar, a água evapora da superfície dos reservatórios e é transportada por correntes de ar por longas distâncias. Ao cair na superfície do terreno na forma de precipitação, contribui para a destruição das rochas e disponibiliza seus minerais constituintes para plantas, microorganismos e animais. Ele erode a camada superior do solo e acompanha os compostos químicos nele dissolvidos e as partículas orgânicas e inorgânicas suspensas nos mares e oceanos. A circulação da água entre o oceano e a terra é o elo mais importante na manutenção da vida na Terra.
As plantas participam do ciclo da água de duas formas: extraem-na do solo e evaporam-na na atmosfera; Parte da água nas células vegetais é decomposta durante a fotossíntese. Nesse caso, o hidrogênio é fixado na forma de compostos orgânicos e o oxigênio entra na atmosfera.
Os animais consomem água para manter o equilíbrio osmótico e salino no corpo e a liberam no ambiente externo junto com os produtos metabólicos.

A proteção da natureza é comumente entendida como um sistema de medidas destinadas a manter uma interação racional entre as atividades humanas e o ambiente natural. Este sistema de medidas deve garantir a conservação e recuperação dos recursos naturais, o uso racional recursos naturais, bem como para prevenir efeitos nocivos diretos e indiretos produção industrial sobre a natureza e a saúde humana. Ao mesmo tempo, a tarefa é manter um equilíbrio entre o desenvolvimento da produção e a sustentabilidade do ambiente natural no interesse da humanidade. Isso requer um estudo abrangente dos processos que ocorrem no ambiente natural e a organização de todos os tipos de produção, levando em consideração os padrões identificados. A base científica para o estudo dos objetos naturais e uma abordagem integrada para a organização da produção moderna é a doutrina da biosfera da Terra.

O termo "biosfera" foi introduzido em 1875 pelo geólogo austríaco E. Suess; o fundador da teoria moderna da biosfera é o cientista russo V. I. Vernadsky. Na visão de V. I. Vernadsky, a biosfera abrange o espaço no qual a matéria viva atua como uma força geológica que forma a face da Terra;

EM visão moderna A biosfera é um grande sistema dinâmico complexo que consiste em muitos componentes de natureza animada e inanimada, cuja integridade é mantida como resultado do ciclo biológico de substâncias em ação constante.

Os ensinamentos de V. I. Vernadsky são baseados nas ideias do papel geoquímico planetário da matéria viva na formação da biosfera, como produto de uma transformação de longo prazo da matéria e da energia no curso do desenvolvimento geológico da Terra. Substância Viva é um conjunto de organismos vivos que existiram ou existem em um determinado período de tempo e são um poderoso fator geológico. Ao contrário dos seres vivos estudados pela biologia, a matéria viva como fator biogeoquímico é caracterizada pela composição elementar, massa e energia. Acumula e transforma a energia solar e envolve a matéria inorgânica em um ciclo contínuo. Átomos de quase todos os elementos químicos passaram repetidamente pela matéria viva. Em última análise, a matéria viva determinou a composição da atmosfera, da hidrosfera, dos solos e, em grande parte, das rochas sedimentares do nosso planeta.

DENTRO E. Vernadsky apontou que a matéria viva acumula a energia do cosmos, transforma-a na energia dos processos terrestres (químicos, mecânicos, térmicos, elétricos, etc.) a formação da matéria viva, que não apenas substitui suas massas moribundas, mas também introduz novas qualidades, determinando assim o processo de evolução do mundo orgânico.

Nas visões de V. I. Vernadsky, a biosfera inclui quatro componentes principais:

matéria viva - a totalidade de todos os organismos vivos;

matéria biogênica, ou seja, produtos formados como resultado da atividade vital de vários organismos (carvão, betume, turfa, serapilheira, húmus do solo e ip.);

matéria bioinerte - matéria inorgânica transformada por organismos (por exemplo, a atmosfera superficial, algumas rochas sedimentares, etc.);

matéria inerte - rochas de origem principalmente ígnea e inorgânica que compõem a crosta terrestre.

Quaisquer espécies de plantas, animais e microorganismos, interagindo com o ambiente, garantem a sua existência não como um somatório de indivíduos, mas como um único todo funcional, que é uma população (populações de pinheiros, mosquitos, etc.).

Segundo S.S. Schwartz, uma população é um agrupamento elementar de organismos de uma determinada espécie, que possui todas as condições necessárias para manter seu número indefinidamente. muito tempo e em condições ambientais em constante mudança. Em outras palavras, uma população é uma forma de existência de uma espécie, aquele sistema supraorganismal que torna uma espécie potencialmente (mas não realmente) imortal. Isso indica que a capacidade adaptativa da população é muito maior do que a dos organismos individuais que a compõem.

Uma população como unidade ecológica elementar tem uma certa estrutura, que se caracteriza por seus indivíduos constituintes e sua distribuição no espaço. As populações são caracterizadas pelo crescimento, desenvolvimento e capacidade de manter a existência em condições de constante mudança.

Na natureza, populações de plantas, animais e microorganismos constituem sistemas de nível superior - comunidades de organismos vivos, ou, como são comumente chamadas, biocenoses. Biocenose é grupo organizado populações de plantas, animais e microrganismos vivendo em interação sob as mesmas condições ambientais. O conceito de "biocenose" foi proposto em 1877 pelo zoólogo alemão K-Mobius, que descobriu que todos os membros de uma comunidade de organismos vivos estão em relacionamento próximo e constante. A biocenose é um produto seleção natural, quando sua existência estável no tempo e no espaço depende da natureza da interação das populações e só é possível com o fornecimento obrigatório de energia radiante do Sol e a presença de uma circulação constante de substâncias.

Às vezes, para simplificar o estudo da biocenose, ela é condicionalmente dividida em componentes separados: fitocenose - vegetação, zoocenose - mundo animal, microbiocenose - microorganismos. Tal divisão leva à separação artificial de grupos separados de organismos vivos que não podem existir independentemente. Não pode haver nenhum sistema estável que consistisse apenas de plantas ou apenas de animais. As comunidades e seus componentes devem ser considerados como uma unidade biológica tipos diferentes organismos vivos.

A biocenose não pode se desenvolver por conta própria, fora e independentemente do ambiente do mundo inorgânico. Como resultado, certos complexos relativamente estáveis, conjuntos de componentes vivos e não vivos, são formados na natureza. Um espaço com condições homogêneas habitado por uma comunidade de organismos (biocenose) é chamado de biótopo, ou seja, um biótopo é um lugar de existência, um habitat para uma biocenose. Portanto, a biocenose pode ser considerada como um complexo de organismos historicamente estabelecido, característico deste biótopo particular.

A biocenose forma uma unidade dialética com o biótopo, um macrossistema biológico de nível ainda mais elevado - a biogeocenose. O termo "biogeocenose", denotando a totalidade da biocenose e seu habitat, foi proposto em 1940 por V.N. Sukachev. O termo é praticamente idêntico ao termo "ecossistema", que pertence a A. Tensley.

Um sistema ecológico é um sistema que consiste em elementos vivos e não vivos do meio ambiente, entre os quais há troca de matéria, energia e informações. Os sistemas ecológicos de diferentes níveis podem incluir um número limitado ou muito grande de componentes e ocupar áreas e volumes pequenos ou muito grandes; o sistema ecológico da Europa, o sistema ecológico do país, o sistema ecológico da região, distrito, área de atuação da empresa, etc.

A biogeocenose é entendida como um elemento da biosfera, onde, até certo ponto, a biocenose (comunidade de organismos vivos) e o biótopo correspondente (partes da atmosfera, litosfera e hidrosfera) permanecem homogêneos e intimamente interligados em um único complexo . Ou seja, a biogeocenose é entendida como um complexo natural natural através do qual não passa nenhum limite biocenótico, geomorfológico, hidrológico, microclimático, noturno-geoquímico ou qualquer outro significativo. Esta é uma região da biosfera homogênea em termos de condições topográficas, microclimáticas, hidrológicas e bióticas. O conceito de “sistema ecológico” não comporta esta limitação e pode combinar diferentes complexos naturais (floresta, prado, rio, etc.). A própria biogeocenose é um sistema ecológico elementar.

A unidade estrutural elementar da biosfera - biogeocenose - consiste em dois componentes inter-relacionados (Fig. 3.1):

abiótico (biótopo), incluindo elementos abióticos do ambiente que estão em relação com organismos vivos;

biótico (biocenose), uma comunidade de organismos vivos que vivem dentro de um biótopo selecionado (sistema ecológico selecionado).

O componente abiótico inclui os seguintes componentes: litosfera, hidrosfera e atmosfera.

Na litosfera, uma seção de um conjunto de rochas, a superfície da terra, que são o habitat de organismos vivos e fazem parte da biocenose selecionada. Uma característica importante biótopo é uma seção da superfície terrestre com uma estrutura especial e composição material de solos (pedosfera) dentro da área selecionada.

A hidrosfera inclui as águas superficiais e subterrâneas localizadas dentro do biótopo e que direta ou indiretamente fornecem a atividade vital dos organismos vivos, bem como a água que cai na forma de precipitação no território de uma área selecionada.

A atmosfera (componente gasosa) inclui: ar atmosférico; gases dissolvidos em águas superficiais e subterrâneas; o componente gasoso dos solos, bem como os gases liberados da serra, que afetam direta ou indiretamente a atividade vital dos organismos vivos.

O componente biótico do ambiente natural (biocenose) inclui três componentes: fitocenose-produtores (produtores) de produção primária, acumulando energia solar; eocenose - consumidores, produtores de produtos secundários, utilizando para sua vida a energia contida na matéria orgânica da fitocenose; redutores de microbocenose (disruptores), organismos que vivem da energia da matéria orgânica morta e garantem sua destruição (mineralização) com a produção de elementos minerais iniciais em uma forma conveniente para uso pelas plantas para a reprodução de produtos orgânicos primários.

Todos os componentes do ambiente natural (biogeocenose), seus componentes bióticos e abióticos estão em constante relação e garantem o desenvolvimento evolutivo uns dos outros. A composição e as propriedades da litosfera, hidrosfera e atmosfera determinam em grande parte os organismos vivos. Ao mesmo tempo, os próprios organismos vivos, fornecendo a atividade vital uns dos outros, dependem de mudanças nas condições ambientais. O ambiente externo fornece-lhes energia e nutrientes essenciais.

Assim, em geral, a biosfera inclui os seguintes níveis de vida: população, biocenose, biogeocenose. Cada um desses níveis é relativamente independente, o que garante a evolução do macrossistema como um todo, onde a unidade evolutiva é a população. Ao mesmo tempo, a unidade estrutural elementar da biosfera é a biogeocenose, ou seja, a comunidade de organismos em conjunto com o habitat inorgânico (ver Fig. 3.1).

Nas condições modernas, a atividade humana transforma recursos naturais(florestas, estepes, lagos). Eles são substituídos por semeadura e plantio de plantas cultivadas. Assim se formam novos sistemas ecológicos - agrobiogeocenoses ou agrocenoses. As agrocenoses não são apenas campos agrícolas, mas também plantações florestais protetoras de campos, pastagens, plantações florestais, lagoas e reservatórios, canais e pântanos drenados. Na maioria dos casos, as agrobiocenoses em sua estrutura são caracterizadas por um pequeno número de espécies de organismos vivos, mas sua alta abundância. Embora existam muitas características específicas na estrutura e energia das biocenoses naturais e artificiais, não há diferenças fundamentais entre elas.

A situação é muito mais complicada com sistemas ecológicos que surgem nas zonas de influência de empreendimentos industriais, cidades, barragens e outras grandes estruturas de engenharia. Aqui, como resultado do impacto ativo das pessoas no meio ambiente, são formados sistemas ecológicos qualitativamente novos, cujo funcionamento é garantido como resultado de processos naturais e o impacto constante de uma empresa industrial no abiótico (não vivo) e componentes bióticos (vivos) da natureza.

5. Ciclo biótico de substâncias na biosfera

A existência da biosfera como um todo e de suas partes individuais garante a circulação de substâncias e a conversão de energia:

A circulação de substâncias na biosfera é realizada em primeiro lugar com base na atividade vital de uma grande variedade de organismos. Cada organismo extrai do ambiente as substâncias necessárias à sua atividade vital e devolve as não utilizadas. Além disso, alguns tipos de organismos vivos consomem as substâncias de que precisam diretamente do meio ambiente, outros usam primeiro produtos processados e isolados, outros ainda em segundo lugar, e assim por diante até que a substância retorne ao ambiente natural1 em seu estado original. Daí surge a necessidade da coexistência de vários organismos (diversidade de espécies) capazes de utilizar os produtos da atividade vital uns dos outros, ou seja, opera praticamente sem desperdício; nova produção de produtos biológicos.

O número total de organismos vivos e a taxa de seu desenvolvimento na biocenose dependem da quantidade de energia que entra no sistema ecológico, da taxa de sua transferência através dos elementos individuais do sistema e da intensidade da circulação de substâncias minerais. Uma característica desses processos é que os nutrientes (carbono, nitrogênio, água, fósforo etc.) de radiação solar, é gasto ^ Xia Completamente. De acordo com a lei de conservação e transformação, a energia que entra no sistema ecológico pode mudar de uma forma para outra. O segundo princípio fundamental é que qualquer ação associada à transformação de energia não pode ocorrer sem que ela se perca na forma de calor dissipado no espaço, ou seja, parte da energia que entra no sistema ecológico se perde e não pode realizar trabalho.

Qualquer sistema ecológico No processo de sua evolução tende ao seu estado de equilíbrio, quando todos os seus parâmetros fn=eicos assumem um valor constante, & o coeficiente de eficiência atinge seu valor máximo»

A atividade vital de qualquer organismo é assegurada como resultado das relações bióticas multifacetadas que estabelece com outros organismos. Todos os organismos podem ser classificados de acordo com o modo de alimentação e o nível trófico em que se encontram na cadeia alimentar geral. De acordo com o método de nutrição, distinguem-se dois grupos: autotróficos e heterotróficos.

Os autotróficos têm a capacidade de criar substâncias orgânicas a partir de substâncias inorgânicas usando a energia do Sol ou a energia liberada durante as reações químicas.

Organismos heterotróficos usam matéria orgânica como alimento. Neste caso, plantas vivas ou seus frutos, restos de plantas e animais mortos podem ser usados como alimento. Além disso, cada organismo na natureza, de uma forma ou de outra, serve como fonte de nutrição para vários outros organismos.

Como resultado da transição sucessiva da matéria orgânica de um nível trófico para outro, ocorre o ciclo da matéria e a transferência de energia na natureza (Fig. 3.2). Ao mesmo tempo, as substâncias orgânicas, passando de um nível trófico para outro, são parcialmente excluídas do ciclo. Como resultado, os compostos orgânicos se acumulam na Terra na forma de depósitos minerais (turfa, carvão, petróleo, gás, xisto betuminoso, etc.). No entanto, essencialmente, a biomassa na Terra não se acumula, mas é mantida em um determinado nível, pois é constantemente destruída e recriada a partir do mesmo material de construção, ou seja, dentro de seus limites, ocorre uma circulação ininterrupta de substâncias. Na tabela. 3.1 fornece dados sobre a taxa de reprodução da biomassa para alguns sistemas ecológicos naturais.

No processo de atividade vital dos organismos, a parte inanimada da biosfera também foi radicalmente transformada. Oxigênio livre apareceu na atmosfera e uma tela de ozônio apareceu em suas camadas superiores; o dióxido de carbono, extraído pelos organismos do ar e da água, foi preservado em depósitos de carvão e carbonato de cálcio.

Como resultado de processos geológicos, ocorrem deformações e destruição da parte superior da litosfera. Rochas sedimentares previamente enterradas estão novamente na superfície. No futuro, ocorre seu intemperismo, no qual os organismos vivos também participam ativamente.

Ao liberar dióxido de carbono, ácidos orgânicos e minerais, eles contribuem para a destruição das rochas e, assim, participam do processo de migração de elementos químicos.

A quantidade total de energia solar recebida anualmente pela Terra é de aproximadamente 2-1024 J. No processo de fotossíntese, cerca de 100 bilhões de toneladas de substâncias orgânicas são formadas por ano e 1,9-1021 J de energia solar é acumulada. Para os processos de fotossíntese, 170 bilhões de toneladas de dióxido de carbono são anualmente envolvidos da atmosfera, cerca de 130 bilhões de toneladas de água são decompostas por meios fotoquímicos e 115 bilhões de toneladas de oxigênio são liberados no meio ambiente. Além disso, 2 bilhões de toneladas de nitrogênio, silício, amônio, ferro, cálcio e muitas outras substâncias estão envolvidas na circulação de substâncias. No total, mais de 60 elementos estão envolvidos no ciclo biológico.

A fase de síntese da matéria orgânica é substituída na próxima etapa do ciclo biológico pela fase de sua destruição com dissipação simultânea de energia química potencial (na forma de energia térmica) no espaço. Como resultado, a matéria orgânica passa para o gás, formas líquidas e sólidas (minerais e outros compostos). No processo dessas três fases, renova-se o ciclo biológico, que é sustentado pela energia solar e no qual estão envolvidas praticamente as mesmas massas de substâncias e elementos químicos.

No processo de circulação geológica das substâncias, os compostos minerais são transferidos de um lugar para outro em escala planetária, havendo também transferência e mudança no estado de agregação da água (líquido, sólido - neve, gelo; gasoso - lares). A água circula mais intensamente no estado de vapor.

O ciclo da água na biosfera é baseado no fato de que a evaporação total é compensada pela precipitação. 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.

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

No ciclo biológico, o processo mais importante é a transpiração. Quando a umidade do solo é absorvida pelas raízes de uma planta, substâncias minerais e orgânicas dissolvidas na água entram nela com água. O processo de transpiração também é importante para regular a temperatura da planta, evitando que ela superaqueça. Devido à perda de calor que ocorre durante a evaporação da água, a temperatura da planta diminui. Ao mesmo tempo, esse processo é regulado pela própria planta - em clima quente, os estômatos localizados nas folhas se abrem mais e isso contribui para o aumento da evaporação e diminuição da temperatura, e em temperaturas mais baixas, os estômatos são cobertos , a intensidade da evaporação diminui. Assim, a transpiração é um processo fisiológico e físico, pois difere da evaporação comum da matéria inanimada na capacidade de regular a própria planta.

A capacidade de transpiração de uma planta muitas vezes é estimada pelo coeficiente de transpiração, que caracteriza o volume de água que deve ser gasto para formar uma unidade de massa de matéria seca da planta. Por exemplo, para a formação de 1 tonelada de massa vegetal moída de trigo, ou seja, grãos e palha, 300-500 m3 de água são consumidos O consumo de água para travepiração depende de um grande número de fatores: a própria natureza da planta, condições climáticas e presença de umidade no solo. Em clima seco e quente, a planta precisa gastar uma grande quantidade de água para a transpiração.

As raízes das plantas absorvem a umidade do solo de diferentes profundidades. O sistema radicular do trigo se estende a uma profundidade de 2,0-2,5 m, as raízes do carvalho às vezes penetram até 20 m de profundidade. Devido a isso, as plantas são capazes de usar a umidade localizada em grandes profundidades e dependem menos das flutuações no teor de umidade da camada superficial do solo.

A evaporação do solo não pode ser considerada isoladamente da transpiração, por exemplo, sob o dossel de uma floresta, pouca água evapora da superfície do solo, independentemente de sua presença. Isso ocorre porque a radiação solar penetra fracamente pelas copas das árvores. Além disso, sob o dossel da floresta, a velocidade do movimento do ar diminui e fica mais saturada de umidade. Nessas condições, a maior parte da umidade evapora devido à transpiração.

No ciclo da água, as fases mais importantes são aquelas que ocorrem em bacias hidrográficas e lacustres individuais. A vegetação desempenha uma importante função de triagem, retendo parte da água que cai na precipitação. Essa interceptação, que obviamente é máxima durante chuvas leves, pode chegar a 25% do total de precipitação em latitudes temperadas.

Parte da água fica retida no solo, e quanto mais forte, mais significativo é o complexo coloidal do solo (húmus e argila). A parte da água que penetra no solo a uma profundidade de 20 a 30 cm pode subir novamente à superfície por capilares e evaporar. Assim, a transição da água da superfície para a atmosfera é realizada como resultado da evaporação física e do processo de transpiração. Ao mesmo tempo, a quantidade de água transpirada pelas plantas aumenta com a melhoria do seu abastecimento de água. Assim, uma bétula evapora 0,075 m3 de água por dia; faia - 0,1 m; tília - 0,2 e 1 ha de floresta - 20-50 m3. 1 hectare de floresta de bétulas, cujo peso de folhagem é de 4940 kg, evapora 47 m - "de água por dia, e 1 hectare de floresta de abetos, cujo peso de agulha é de 31 mil kg. Transpira 43 m:< воды в день. 1 га пшеницы за период развития использует 375 мм осадков, а продуцирует 12,5 т (сухая масса) растительного вещества.

O ciclo biológico, ao contrário do ciclo geológico, requer menos energia. Apenas 0.!-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 faz um grande trabalho de criação de produção primária no planeta.

A circulação de substâncias é geralmente chamada de ciclos biogeoquímicos. Os principais ciclos biogeoquímicos são a circulação de oxigênio, carbono, água, nitrogênio, fósforo e uma série de outros elementos.

Em geral, cada circulação de qualquer elemento químico faz parte da grandiosa circulação geral de substâncias na Terra, ou seja, todas estão intimamente interligadas por várias formas de interação. Os principais elos dos ciclos biogeoquímicos são os organismos vivos, que determinam a intensidade de todos os ciclos e o envolvimento de quase todos os elementos da crosta terrestre neles.

Quase todo o oxigênio molecular na atmosfera terrestre se originou e é mantido em um certo nível graças à atividade das plantas verdes. Em grandes quantidades, é consumido por organismos no processo de respiração. Mas, além disso, tendo uma alta atividade química, o oxigênio certamente entrará em compostos com quase todos os elementos da crosta terrestre. Estima-se que todo o oxigênio contido na atmosfera passa pelos organismos vivos (ligando-se durante a respiração e liberado durante a fotossíntese) em 200 anos, o dióxido de carbono circula na direção oposta em 300 anos e todas as águas da Terra são decompostas e recriadas por fotossíntese e respiração em 2 milhões de anos.

O ciclo e a migração de substâncias em ciclos bioquímicos podem ser considerados usando o ciclo do carbono como exemplo (Fig. 3.3). Em terra, começa com a fixação de dióxido de carbono pelas plantas durante a fotossíntese. O dióxido de carbono contido na atmosfera é absorvido pelas plantas e, como resultado da fotossíntese, formam-se hidrocarbonetos e libera-se oxigênio.

Por sua vez, os carboidratos são a matéria-prima para a formação das plantas.

O carbono fixado na planta é amplamente consumido pelos animais. Os animais também liberam dióxido de carbono quando respiram. Plantas e animais obsoletos são decompostos por microorganismos, como resultado do qual o carbono da matéria orgânica morta é oxidado em dióxido de carbono e entra novamente na atmosfera. Um ciclo semelhante de carbono ocorre no oceano.

Parte do dióxido de carbono da atmosfera entra no oceano, onde está na forma dissolvida. Ou seja, o oceano garante a manutenção do dióxido de carbono na atmosfera dentro de certos limites. Por sua vez, o teor de carbono no oceano em um determinado nível é fornecido pelas reservas acumuladas de carbonato de cálcio nos sedimentos de fundo. A presença deste processo natural permanente regula em certa medida o teor de dióxido de carbono na atmosfera e nas águas do oceano.

O ciclo do nitrogênio, como outros ciclos biogeoquímicos, cobre todas as áreas da biosfera (Fig. 3.4). O nitrogênio, que é muito abundante na atmosfera, só é absorvido pelas plantas depois de combinado com hidrogênio ou oxigênio. Nas condições modernas, o homem interveio no ciclo do nitrogênio. Ele cultiva leguminosas fixadoras de nitrogênio em vastas áreas ou fixa artificialmente o nitrogênio natural. Acredita-se que Agricultura e a indústria fornecem quase 60% a mais de nitrogênio fixo do que o produzido naturalmente.

O ciclo do fósforo, que é um dos principais elementos requeridos pelos organismos vivos, é relativamente simples. As principais fontes de fósforo são as rochas ígneas (apatitas) e 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 diferentes níveis tróficos. Tendo terminado sua jornada pelas cadeias tróficas, os fosfatos orgânicos são decompostos por micróbios e se transformam em ortofosfatos minerais disponíveis para as plantas verdes. Os fosfatos entram nos corpos d'água como resultado do escoamento dos rios, o que contribui para o desenvolvimento do fitoplâncton e dos organismos vivos localizados em diferentes níveis da cadeia trófica de corpos d'água doce ou marinhos. O retorno de fosfatos minerais à água também é realizado como resultado da atividade de microorganismos. No entanto, deve-se notar que os fosfatos depositados em grandes profundidades são excluídos do ciclo, o que deve ser levado em consideração ao compilar o balanço deste ciclo biogeoquímico. Assim, há apenas um retorno parcial do fósforo que caiu no oceano de volta à terra. Esse processo ocorre em decorrência da vida das aves que se alimentam de peixes.

Parte do fósforo chega ao continente como resultado da pesca humana. No entanto, a quantidade de fósforo fornecida anualmente com os produtos pesqueiros é muito inferior à sua remoção para a hidrosfera, que chega a muitos milhões de toneladas por ano. Além disso, ao aplicar fertilizantes fosfatados nos campos, uma pessoa acelera significativamente o processo de remoção de fósforo nos cursos d'água e no oceano. Ao mesmo tempo, os danos ambientais são causados aos corpos d'água, pois os processos naturais da atividade vital dos organismos que vivem na água são perturbados.

Como as reservas de fósforo são muito limitadas, seu consumo descontrolado pode levar a uma série de consequências negativas. É o principal fator limitante para organismos autotróficos de ambientes aquáticos e terrestres, o principal regulador de uma série de outros ciclos biogeoquímicos. Por exemplo, o teor de nitratos na água ou oxigênio na atmosfera depende muito da intensidade do ciclo do fósforo na biosfera.

6. sistemas ecológicos naturais

Estrutura e dinâmica das populações. O estudo da estrutura e dinâmica das populações é de grande importância prática.

Não conhecer os padrões de vida da população. É impossível garantir o desenvolvimento de medidas ambientais, de engenharia e organizacionais com base científica para o uso racional e proteção dos recursos naturais.

A abordagem populacional para o estudo da atividade vital dos organismos é baseada em sua capacidade de regular sua abundância e densidade sob a influência de vários fatores ambientais abióticos e bióticos.

Os principais parâmetros de uma população são sua abundância e densidade. O tamanho da população é o número total de indivíduos em uma determinada área ou em um determinado volume. Nunca é constante e, via de regra, depende da proporção entre a intensidade da reprodução e a mortalidade.

A densidade populacional é determinada pelo número de indivíduos ou biomassa por unidade de área ou volume. Por exemplo, 106 plantas de bétula por 1 ha. ou 1,5 poleiro por 1 m3 de água caracteriza a densidade populacional dessas espécies. Com o aumento da abundância, a densidade de He aumenta apenas se a população puder ser dispersa em uma área maior ou em um volume maior.

O tamanho da área de distribuição, o número e a densidade das populações não são constantes e podem variar dentro de limites significativos. Muitas vezes, essas mudanças estão associadas às atividades humanas. Mas as principais razões para tal dinâmica são as mudanças nas condições de existência, a disponibilidade de alimentos (ou seja, recursos energéticos) e outras razões.

Foi estabelecido que o número de populações pode flutuar sem limites. Manter a população dentro de certos limites é assegurado por sua capacidade de auto-regulação. Qualquer população sempre tem limites de densidade inferiores E superiores, além dos quais não pode ir (Fig. 3.5). Com uma combinação favorável de fatores, a densidade populacional é mantida em algum nível ótimo, desviando-se ligeiramente dele. Tais flutuações na densidade são geralmente corretas, de natureza regular e refletem claramente a reação da População a mudanças específicas nas condições ambientais. Na natureza, podem ocorrer flutuações sazonais na preguiça, especialmente em pequenos animais (roedores semelhantes a camundongos. Insetos, alguns pássaros). Assim, o número de roedores semelhantes a camundongos durante uma estação às vezes aumenta de 300 a 100 vezes e de alguns insetos de 1.300 a 1.500 vezes.

Uma queda na densidade abaixo do ideal causa uma deterioração nas propriedades protetoras da população, uma diminuição em sua fertilidade e uma série de outros fenômenos negativos. Populações com número mínimo de indivíduos não podem existir por muito tempo, sendo conhecidos casos de extinção de animais com número reduzido mesmo em reservas com condições de vida muito favoráveis. Aumentar a densidade acima do ótimo também afeta negativamente a população, pois destrói o suprimento de alimentos e reduz o espaço vital.

As populações regulam seus números e se adaptam às mudanças nas condições ambientais atualizando os indivíduos. Os indivíduos aparecem na população por nascimento e imigração e desaparecem por morte e emigração. Com uma intensidade equilibrada de nascimentos e mortes, forma-se uma população estável. Em tal população, a mortalidade é compensada pelo crescimento, ou seja, tamanho da população para o seu alcance é mantido em um certo nível.

No entanto, o equilíbrio populacional não existe na natureza. Cada população é dotada de propriedades estáticas e dinâmicas, de modo que sua densidade está em constante flutuação. Mas sob condições externas estáveis, essas flutuações ocorrem em torno de algum valor médio. Como resultado, as populações não diminuem ou aumentam, não expandem ou estreitam seu alcance.

A autorregulação da densidade populacional é realizada por duas forças que se equilibram mutuamente e atuam na Natureza. Isso, por um lado, é a capacidade dos organismos de se reproduzir, por outro lado, processos que dependem da densidade populacional e limitam a reprodução. A autorregulação da densidade populacional é uma adaptação necessária para manter a vida em condições de constante mudança.

Uma população é a menor unidade em evolução. Não existe isoladamente, mas em conexão com populações de outras espécies. Portanto, mecanismos não populacionais de regulação automática, mais precisamente, mecanismos interpopulacionais, também são difundidos na natureza ao mesmo tempo. Ao mesmo tempo, a população é um objeto regulado, e o sistema natural, que consiste em muitas populações de diferentes espécies, atua como regulador. Este sistema como um todo e as populações de outras espécies incluídas nele afetam esta população particular, e cada uma separadamente, por sua vez, afeta todo o sistema do qual faz parte.

Funcionamento e estrutura das biogeocenoses. Nas biocenoses entre Vários tipos organismos vivos têm certas conexões. A principal forma dessas conexões são as relações nutricionais, com base nas quais são formadas cadeias e ciclos complexos de nutrição e relações espaciais. É por meio das relações alimentares e espaciais (tróficas e tópicas) que se constroem diversos complexos bióticos que unem as espécies de organismos vivos em um único todo, ou seja, no macrossistema biológico - biogeocenose.

As biogeocenoses naturais geralmente representam comunidades multiespécies. E quanto mais diversa na composição de espécies a biocenose, mais oportunidades ela tem para um desenvolvimento mais completo e econômico de recursos materiais e energéticos.

Todos os elos da cadeia alimentar estão interligados e dependem uns dos outros. Entre eles, do primeiro ao último elo, ocorre a transferência de matéria e energia (Fig. 3.6, a). Quando a energia é transferida de um nível trófico para outro, a energia é perdida. Como resultado, a cadeia de suprimentos não pode ser longa. Na maioria das vezes, consiste em 4-6 links em terra e 5-8 no oceano. Em qualquer cadeia alimentar, nem todos os alimentos são utilizados para o crescimento de um indivíduo, ou seja, para o acúmulo de biomassa. Parte dele é gasto no atendimento dos custos de energia do corpo: para respiração, movimento, reprodução, manutenção da temperatura corporal, etc. Ao mesmo tempo, a biomassa de um elo não pode ser totalmente processada pelo próximo elo. Em cada elo subsequente da cadeia alimentar, há uma diminuição da biomassa em relação ao anterior. Isso se aplica não apenas à biomassa, mas também ao número de indivíduos e ao fluxo de energia.

Esse fenômeno foi estudado por C. Elton e chamado de pirâmide dos números ou pirâmide de Elton (Fig. 3.6.6). A base da pirâmide é formada por plantas - produtoras, os fitófagos estão localizados acima delas. O próximo elo é representado pelos consumidores de segunda ordem. E assim por diante até o topo da pirâmide, que é formado pelos maiores predadores. O número de andares da pirâmide geralmente corresponde ao número de elos da cadeia alimentar.

As pirâmides ecológicas expressam a estrutura trófica de um sistema ecológico em forma geométrica. Eles podem ser construídos a partir de retângulos separados da mesma altura, cujo comprimento em uma determinada escala reflete o valor do parâmetro medido. Assim, podem ser construídas pirâmides de números, biomassa e energia.

A fonte de energia para o ciclo biológico das substâncias é a radiação solar acumulada pelas plantas verdes - autotróficas. De toda a radiação solar que atinge a Terra, apenas cerca de 0,1-0,2% da energia é captada pelas plantas verdes e fornece todo o ciclo biológico de substâncias na biosfera. Ao mesmo tempo, mais da metade da energia associada à fotossíntese é consumida pelas próprias plantas, enquanto o restante é acumulado no corpo da planta e posteriormente serve como fonte de energia para toda a variedade de organismos dos níveis tróficos subsequentes.

As funções da matéria viva na biosfera são diversas, mas todas servem ao mesmo propósito - o movimento dos elementos químicos. Por que esse movimento é necessário e como ocorreu há 3,5 bilhões de anos, ou seja, antes do surgimento da vida na Terra? Desde a sua criação, o papel da matéria viva na biosfera tornou-se fundamental. Apesar de sua massa insignificante, aproximadamente 10 -6 massas de outras conchas da Terra, é o portador de energia devido ao qual ocorre esse movimento.

O conceito de "matéria viva da biosfera" inclui todos os organismos vivos do planeta. Independentemente de qual classe, espécie, gênero e assim por diante eles pertençam. Estas não são apenas substâncias orgânicas, mas também inorgânicas, bem como minerais. Ele "vive" em todas as camadas da biosfera - na litosfera, hidrosfera e atmosfera. Se as condições de existência forem inadequadas, ele cai em um estado de animação suspensa, ou seja, retarda tanto todos os seus processos que as manifestações visíveis da vida estão praticamente ausentes, ou morre.

Características distintivas e função

Como distinguir a matéria viva da biosfera da não viva?

Quinto, existe em todos os estados de fase. Sexto, é um organismo individual e, com uma mudança de gerações, é caracterizado pela continuidade ou hereditariedade.

A matéria viva da biosfera garante a migração de elementos químicos tanto de um organismo para outro quanto entre o organismo e o meio ambiente. O movimento ocorre quando os organismos vivos digerem os alimentos, se desenvolvem e crescem e também se movem no processo da vida. O primeiro desses movimentos de elementos é chamado químico ou bioquímico, e o segundo - mecânico. Além disso, a atividade dos organismos vivos se esforça para garantir que essa migração ocorra o mais rápido possível e que a energia recebida do Sol seja usada da maneira mais eficiente. Para fazer isso, eles constantemente e continuamente se adaptam, se adaptam e se desenvolvem.

Funções

O papel dos organismos vivos na biosfera é desempenhar várias funções. Os principais são: energético, destrutivo, concentrador e formador de ambiente.

Função de energia. Está associado à capacidade dos organismos de clorofila verde para a fotossíntese. Com a ajuda da energia solar que recebem, transformam os compostos mais simples como água, dióxido de carbono e minerais em substâncias orgânicas complexas, que, por sua vez, são necessárias para a existência de outros seres vivos. As plantas têm essa capacidade. Para o processo de fotossíntese, eles usam apenas 1% da energia solar que cai na Terra. Eles produzem anualmente cerca de 145 bilhões de toneladas de oxigênio, para as quais consomem cerca de 200 bilhões de toneladas de dióxido de carbono. Nesse caso, são produzidos mais de 100 bilhões de toneladas de matéria orgânica. É assim que as plantas reabastecem a atmosfera com oxigênio livre. Se as plantas não fizessem isso permanentemente, o oxigênio, como elemento químico ativo, entraria em reações e formaria vários compostos e, como resultado, desapareceria completamente da atmosfera terrestre. E com ela, a vida deixaria de existir. Além das plantas, a matéria orgânica em quantidade muito pequena - não mais que 0,5% do total, é produzida por algumas bactérias. Este processo é chamado de quimiossíntese. Não envolve energia solar, mas a energia liberada durante as reações de oxidação de compostos de enxofre e nitrogênio.

Os compostos orgânicos assim sintetizados - proteína, açúcar e assim por diante - juntamente com a energia neles contida, são alimentos e são distribuídos ao longo da cadeia trófica. Além disso, a energia sintetizada pelas plantas é dissipada na forma de calor ou acumulada em matéria orgânica morta, transformando-se em estado fóssil. E nisso a próxima função é destrutiva.

Esse papel dos organismos vivos na biosfera também é chamado de mineralização de substâncias orgânicas. Como resultado da decomposição, a matéria orgânica morta é convertida em compostos inorgânicos simples. Este processo envolve organismos vivos que desempenham uma função destrutiva ou destrutiva. Na cadeia trófica, eles são chamados de "redutores". Estes são fungos, bactérias, vermes e microorganismos. O resultado da decomposição são: dióxido de carbono, água, sulfeto de hidrogênio, metano, amônia e assim por diante. Que, por sua vez, são "alimentos" para as plantas. E o processo recomeça.

Um papel importante é desempenhado pelo processo de decomposição que ocorre na litosfera. Graças a ele, elementos como silício, alumínio, magnésio e ferro são liberados das rochas.

Os redutores, com a ajuda dos ácidos à sua disposição, “extraem” e “enviam” elementos químicos importantes como cálcio, potássio, sódio, fósforo, silício e vários oligoelementos para a circulação biótica. Graças aos destruidores, o solo adquire sua fertilidade.

Outra função dos organismos vivos é a concentração. Refere-se ao processo pelo qual algumas de suas espécies extraem e depois acumulam certos elementos químicos em si mesmas. Nesse caso, a concentração de elementos como carbono, hidrogênio, nitrogênio, sódio, magnésio, silício, enxofre, cloro, potássio, cálcio e oxigênio pode ser centenas e milhares de vezes maior do que no meio ambiente. Por exemplo, manganês em 1.200.000 vezes, prata em 240.000 e ferro em 65.000. Conchas, conchas e esqueletos podem ser exemplos marcantes de tal acúmulo. Com elementos "adequados" para acumulação, algumas espécies acumulam em si substâncias venenosas, venenosas e radioativas. E colocá-los na cadeia alimentar claramente não é positivo.

O oposto da função de concentração é a função de dispersão. Ele se manifesta com várias secreções, movimentos e coisas do gênero. Por exemplo, há uma dispersão de ferro do sangue, com as picadas de vários insetos ou sugadores de sangue.

A biosfera não é apenas a interação entre organismos vivos e a troca de energia entre eles. O papel essencial dos organismos vivos na biosfera é a sua transformação. Os organismos vivos alteram os parâmetros físico-químicos de seu ambiente, e essa função é chamada de "formadora de ambiente". É, como resultado de todas as funções anteriormente consideradas no agregado. A extração de elementos químicos, seu acúmulo e, a seguir, com a ajuda da energia recebida, "despacho" no caminho do ciclo biológico, levaram a mudanças significativas no ambiente natural. Ao longo de bilhões de anos, a composição do gás da atmosfera mudou, a composição química da água mudou, rochas sedimentares e sedimentos do fundo apareceram e surgiu uma cobertura de solo fértil. E atualmente estamos enfrentando essa influência.

Ao transformar o ambiente externo, os organismos criam um equilíbrio ideal de energia e "nutriente" para sua existência e toda a biosfera como um todo. Este equilíbrio, resultado de inúmeras influências internas e externas, está sempre sob ameaça de destruição. E a substância, devido às suas qualidades listadas, resiste a tal influência, restaura o quebrado e traz o sistema a um estado estável.

As funções consideradas dos organismos vivos na biosfera dizem respeito a duas etapas da transformação da matéria orgânica em inorgânica e vice-versa. Nessas fases, as plantas desempenham o papel de produtoras, e as bactérias, fungos e microorganismos, de decompositores. Qual é o papel dos consumidores ou consumidores, cujos principais tipos são os animais?

animais

O mais saturado, em termos de número de transições de um organismo para outro, é o estágio entre como as plantas produziram oxigênio e termina quando o organismo morto atinge a "mesa" dos destruidores.

O próximo nível não usa mais do que 1% da energia do anterior. Com a morte de fitófagos e zoófagos, seus corpos caem nas mãos de saprófagos e bactérias. Os saprófagos são os mesmos destruidores, decompositores ou coveiros. Em sua "mesa" a matéria orgânica completa sua jornada. O círculo está fechado. Durante este ciclo, a quantidade de matéria ou elementos químicos permaneceu a mesma. Como era milhões de anos atrás. Só a energia é desperdiçada. Acredita-se que o papel dos animais na biosfera é contribuir para o movimento de produtos químicos, participar de sua distribuição e troca de energia. Mas seu papel parece ser um pouco mais amplo. Como um sistema vivo e auto-organizado, a biosfera busca equilibrar e manter seu equilíbrio interno. A massa de sua matéria viva deve ser mantida em um determinado volume, e essa função é desempenhada pelos animais. Um exemplo seriam aqueles biossistemas onde o mundo animal desapareceu ou está à beira disso. Como resultado, o volume da matéria cai, o que inevitavelmente leva à destruição do equilíbrio e à morte do sistema.