Stor geologisk cykel. Stort uppslagsverk om olja och gas

Stora (geologiska) och små (biogeokemiska) kretslopp av materia

Alla ämnen på vår planet är i cirkulationsprocessen. Solenergi orsakar två cykler av materia på jorden:

Stor (geologisk eller abiotisk);

Liten (biotisk, biogen eller biologisk).

Materiens cykler och flöden av kosmisk energi skapar stabiliteten i biosfären. Cykeln av fast materia och vatten, som uppstår som ett resultat av inverkan av abiotiska faktorer (den livlösa naturen), kallas den stora geologiska cykeln. Med en stor geologisk cykel (miljontals år flyter) förstörs stenar, vittras ut, ämnen löses upp och kommer in i världshavet; geotektoniska förändringar äger rum, kontinenternas förlisning, havsbottens höjning. Vattnets cykeltid i glaciärer är 8 000 år, i floder - 11 dagar. Det är den stora cirkulationen som förser levande organismer med näringsämnen och till stor del bestämmer förutsättningarna för deras existens.

En stor, geologisk cykel i biosfären kännetecknas av två viktiga punkter: syre kol geologisk

• a) genomförs genomgående geologisk utveckling Jorden;
• b) är en modern planetarisk process som tar en ledande del i ytterligare utveckling biosfär.

I det nuvarande skedet av mänsklig utveckling, som ett resultat av en stor cirkulation, transporteras även föroreningar över långa avstånd - oxider av svavel och kväve, damm, radioaktiva föroreningar. Territorierna med tempererade breddgrader på norra halvklotet utsattes för den största föroreningen.

En liten, biogen eller biologisk cirkulation av ämnen sker i fasta, flytande och gasformiga faser med deltagande av levande organismer. Det biologiska kretsloppet, i motsats till det geologiska kretsloppet, kräver mindre energi. Ett litet kretslopp är en del av ett stort, förekommer på biogeocenosnivå (inom ekosystem) och ligger i det faktum att marknäring, vatten, kol ackumuleras i växtmaterial och går åt till att bygga kroppen. Nedbrytningsprodukterna av organiskt material sönderfaller till mineralkomponenter. Det lilla kretsloppet är inte slutet, vilket är förknippat med att ämnen och energi kommer in i ekosystemet utifrån och med att en del av dem släpps ut i det biosfäriska kretsloppet.

Många kemiska element och deras föreningar är involverade i stora och små cykler, men de viktigaste av dem är de som bestämmer biosfärens nuvarande utvecklingsstadium, förknippad med mänsklig ekonomisk aktivitet. Dessa inkluderar kretsloppen av kol, svavel och kväve (deras oxider är de främsta föroreningarna i atmosfären), såväl som fosfor (fosfater är den huvudsakliga föroreningen i kontinentala vatten). Nästan alla föroreningar fungerar som skadliga, och de klassas som främlingsfientliga. För närvarande är cyklerna av främlingsfientliga ämnen - giftiga element - kvicksilver (en livsmedelsförorening) och bly (en komponent i bensin) av stor betydelse. Dessutom kommer många ämnen av antropogent ursprung (DDT, bekämpningsmedel, radionuklider etc.) in i den lilla cirkulationen från den stora cirkulationen, vilket skadar biota och människors hälsa.

Kärnan i den biologiska cykeln är flödet av två motsatta, men relaterade processer - skapandet av organiskt material och dess förstörelse av levande materia.

Till skillnad från den stora cykeln har den lilla en annan varaktighet: säsongsbetonade, årliga, fleråriga och sekulära små cykler urskiljs. Cirkulation av kemikalier från den oorganiska miljön genom vegetation och djur tillbaka till den oorganiska miljön med hjälp av solenergi kemiska reaktioner kallas det biogeokemiska kretsloppet.

Vår planets nutid och framtid beror på levande organismers deltagande i biosfärens funktion. I cirkulationen av ämnen, levande materia eller biomassa, utför biogeokemiska funktioner: gas, koncentration, redox och biokemisk.

Den biologiska cykeln sker med deltagande av levande organismer och består i reproduktion av organiskt material från oorganiskt och nedbrytning av detta organiska till oorganiskt genom den trofiska näringskedjan. Intensiteten av produktions- och destruktionsprocesser i det biologiska kretsloppet beror på mängden värme och fukt. Till exempel beror den låga nedbrytningshastigheten av organiskt material i polarområdena på värmebrist.

En viktig indikator på intensiteten av den biologiska cykeln är cirkulationshastigheten för kemiska element. Intensiteten kännetecknas av ett index som är lika med förhållandet mellan massan av skogsskräp och strö. Ju högre index, desto lägre intensitet på cykeln.

Index i barrskogar - 10 - 17; bredbladiga 3 - 4; savann inte mer än 0,2; fuktiga tropiska skogar inte mer än 0,1, d.v.s. här är den biologiska cykeln den mest intensiva.

Flödet av grundämnen (kväve, fosfor, svavel) genom mikroorganismer är en storleksordning högre än genom växter och djur. Den biologiska cykeln är inte helt reversibel, den är nära relaterad till den biogeokemiska cykeln. Kemiska element cirkulerar i biosfären längs olika vägar i den biologiska cykeln:

• - absorberas av levande materia och laddas med energi;
• - lämna levande materia, frigöra energi till den yttre miljön.

Dessa cykler är av två typer: cirkulationen av gasformiga ämnen; sedimentär cykel (reserv i jordskorpan).

Själva cyklerna består av två delar:

• - reservfond (detta är en del av ämnet som inte är förknippat med levande organismer);
• - mobil (utbytes)fond (en mindre del av ämnet i samband med direkt utbyte mellan organismer och deras omedelbara miljö).

Cykler är indelade i:

• - kretslopp av gastyp med en reservfond i jordskorpan (cykler av kol, syre, kväve) - kapabel till snabb självreglering;
• - sedimentära cykler med en reservfond i jordskorpan (cirkulationer av fosfor, kalcium, järn, etc.) - är mer inerta, huvuddelen av ämnet är i en form "otillgänglig" för levande organismer.

Cykler kan också delas in i:

• - stängd (cirkulation av gasformiga ämnen, till exempel syre, kol och kväve - en reserv i atmosfären och hydrosfären i havet, så att bristen snabbt kompenseras);
• - öppen (att skapa en reservfond i jordskorpan, t.ex. fosfor - därför kompenseras förluster dåligt, d.v.s. ett underskott skapas).

Energibasen för existensen av biologiska cykler på jorden och deras första länk är fotosyntesprocessen. Varje ny cirkulationscykel är inte en exakt upprepning av den föregående. Till exempel, under utvecklingen av biosfären, var några av processerna irreversibla, vilket resulterade i bildandet och ackumuleringen av biogen utfällning, en ökning av mängden syre i atmosfären, en förändring i de kvantitativa förhållandena mellan isotoper av ett antal element osv.

Cirkulationen av ämnen kallas vanligtvis för biogeokemiska kretslopp. De huvudsakliga biogeokemiska (biosfäriska) kretsloppen av ämnen: vattnets kretslopp, syrecykeln, kvävets kretslopp (deltagande av kvävefixerande bakterier), kolets kretslopp (deltagande av aeroba bakterier; årligen släpps cirka 130 ton kol ut i det geologiska området kretsloppet), fosforcykeln (medverkan av jordbakterier; årligen sköljs 14 miljoner ton fosfor ut ur haven), svavelcykeln, metallkatjonernas kretslopp.

Vattnets kretslopp

Vattnets kretslopp är ett slutet kretslopp som kan utföras, som nämnts ovan, även i frånvaro av liv, men levande organismer modifierar det.

Cykeln bygger på principen att total avdunstning kompenseras av nederbörd. För planeten som helhet balanserar avdunstning och nederbörd varandra. Samtidigt avdunstar mer vatten från havet än som återkommer med nederbörd. På land, tvärtom, faller mer nederbörd, men överskottet rinner ut i sjöar och floder och därifrån igen i havet. Balansen av fukt mellan kontinenter och hav upprätthålls av flodavrinning.

Den globala hydrologiska cykeln har alltså fyra huvudflöden: nederbörd, avdunstning, fuktöverföring och transpiration.

Vatten - det vanligaste ämnet i biosfären - fungerar inte bara som en livsmiljö för många organismer, utan är också integrerad del kroppar av alla levande varelser. Trots vattnets enorma betydelse i alla livsprocesser som sker i biosfären spelar inte levande materia någon avgörande roll i det stora vattnets kretslopp på jordklotet. Drivkraften för denna cykel är solens energi, som spenderas på avdunstning av vatten från ytan av vattenbassänger eller land. Förångad fukt kondenserar i atmosfären i form av vindblåsta moln; När molnen svalnar faller nederbörden.

Den totala mängden fritt obundet vatten (andelen hav och hav där flytande saltvatten) står för 86 till 98 %. Resten av vattnet (sötvatten) lagras i polarlock och glaciärer och bildar vattenbassänger och dess grundvatten. Nederbörd som faller på ytan av mark täckt med vegetation hålls delvis kvar av bladytan och avdunstar sedan till atmosfären. Fukt som når marken kan gå med ytavrinning eller absorberas av jorden. Helt absorberad av jorden (detta beror på typen av jord, egenskaper hos stenar och vegetationstäcke), kan överskott av sediment sippra djupt ner i grundvattnet. Om mängden nederbörd överstiger vattenkapaciteten övre skikten mark, ytavrinning börjar, vars hastighet beror på markens tillstånd, sluttningens branthet, nederbördens varaktighet och vegetationens karaktär (vegetation kan skydda jorden från vattenerosion). Vatten som fångas i jorden kan avdunsta från dess yta eller, efter absorption av växtrötter, transpireras (avdunsta) till atmosfären genom löven.

Transpirationsflödet av vatten (jord - växtrötter - löv - atmosfär) är vattnets huvudväg genom levande materia i dess stora cirkulation på vår planet.

Kolets kretslopp

Hela variationen av organiska ämnen, biokemiska processer och livsformer på jorden beror på kolets egenskaper och egenskaper. Kolinnehållet i de flesta levande organismer är cirka 45 % av deras torra biomassa. All levande materia på planeten är involverad i kretsloppet av organisk materia och allt kol på jorden, som kontinuerligt uppstår, muterar, dör, sönderdelas, och i denna sekvens överförs kol från en organisk substans till konstruktionen av en annan längs näringskedja. Dessutom andas allt levande och frigör koldioxid.

Kolets kretslopp på land. Kolets kretslopp upprätthålls genom fotosyntes av landväxter och oceaniskt växtplankton. Genom att absorbera koldioxid (fixera oorganiskt kol) använder växter energin från solljus för att omvandla det till organiska föreningar - skapar sin egen biomassa. På natten andas växter, precis som allt levande, och släpper ut koldioxid.

Döda växter, lik och exkrementer från djur tjänar som föda för många heterotrofa organismer (djur, saprofytväxter, svampar, mikroorganismer). Alla dessa organismer lever huvudsakligen i jorden och skapar under livets gång sin egen biomassa, som inkluderar organiskt kol. De släpper också ut koldioxid, vilket skapar "jordandning". Ofta bryts inte dött organiskt material helt ned och humus (humus) ansamlas i jordar, vilket spelar en viktig roll för markens bördighet. Graden av mineralisering och befuktning av organiska ämnen beror på många faktorer: fuktighet, temperatur, markens fysikaliska egenskaper, sammansättningen av organiska rester etc. Under inverkan av bakterier och svampar kan humus sönderdelas till koldioxid och mineralföreningar.

Kolets kretslopp i haven. Kolkretsloppet i havet skiljer sig från det på land. I havet, den svaga länken av organismer med högre trofiska nivåer, och därför alla länkar i kolcykeln. Kolets transittid genom havets trofiska länk är kort, och mängden koldioxid som frigörs är obetydlig.

Havet spelar rollen som den främsta regulatorn av koldioxidhalten i atmosfären. Det sker ett intensivt utbyte av koldioxid mellan havet och atmosfären. Havsvatten har en stor upplösningskraft och buffertkapacitet. Systemet som består av kolsyra och dess salter (karbonater) är ett slags depå av koldioxid, kopplat till atmosfären genom diffusion av CO? från vatten till atmosfär och vice versa.

Fytoplanktonfotosyntes pågår intensivt i havet under dagen, medan fri koldioxid konsumeras intensivt, tjänar karbonater som en ytterligare källa till dess bildning. På natten, med en ökning av innehållet av fri syra på grund av andningen av djur och växter, kommer en betydande del av det igen in i karbonatsammansättningen. De pågående processerna går i följande riktningar: levande materia? CO?? H?CO?? Sa(NSO?)?? CaCO?.

I naturen genomgår en viss mängd organiskt material inte mineralisering till följd av syrebrist, hög surhet i miljön, specifika begravningsförhållanden etc. En del av kolet lämnar det biologiska kretsloppet i form av oorganiska (kalksten, krita, koraller) och organiska (skiffer, olja, kol) avlagringar.

Mänsklig aktivitet gör betydande förändringar i kolkretsloppet på vår planet. Landskap, typer av vegetation, biocenoser och deras näringskedjor förändras, stora områden av markytan dräneras eller bevattnas, markens bördighet förbättras (eller försämras), gödningsmedel och bekämpningsmedel appliceras, etc. Det farligaste är utsläppet av koldioxid till atmosfären som ett resultat av bränsleförbränning. Detta ökar hastigheten för kolcykeln och förkortar dess cykel.

Syrecykel

Syre är en förutsättning för att det ska finnas liv på jorden. Det ingår i nästan alla biologiska föreningar, deltar i biokemiska reaktioner av oxidation av organiska ämnen, ger energi för alla vitala processer av organismer i biosfären. Syre säkerställer andningen av djur, växter och mikroorganismer i atmosfären, marken, vattnet, deltar i kemiska oxidationsreaktioner som sker i stenar, jordar, silt, akviferer.

De viktigaste grenarna av syrecykeln:

• - bildandet av fritt syre under fotosyntesen och dess absorption under andningen av levande organismer (växter, djur, mikroorganismer i atmosfären, mark, vatten);
• - bildandet av en ozonskärm;
• - skapande av redoxzonering;
• - oxidation av kolmonoxid under vulkanutbrott, ackumulering av sedimentära sulfatstenar, syreförbrukning i mänskliga aktiviteter, etc.; överallt är molekylärt syre involverat i fotosyntesen.

kvävets kretslopp

Kväve är en del av de biologiskt viktiga organiska ämnena i alla levande organismer: proteiner, nukleinsyror, lipoproteiner, enzymer, klorofyll, etc. Trots innehållet av kväve (79%) i luften är det bristfälligt för levande organismer.

Kväve i biosfären är i gasform (N2) otillgänglig för organismer - det är kemiskt lågaktivt, därför kan det inte direkt användas av högre växter (och de flesta lägre växter) och djurvärlden. Växter tar upp kväve från jorden i form av ammoniumjoner eller nitratjoner, d.v.s. så kallat fixerat kväve.

Det finns atmosfärisk, industriell och biologisk kvävefixering.

Atmosfärisk fixering sker när atmosfären joniseras av kosmisk strålning och vid kraftiga elektriska urladdningar under åskväder, medan kväve och ammoniakoxider bildas från luftens molekylära kväve, som på grund av atmosfärisk nederbörd omvandlas till ammonium, nitrit, nitratkväve och komma in i marken och vattenbassängerna.

Industriell fixering uppstår som ett resultat av mänskliga aktiviteter. Atmosfären är förorenad med kväveföreningar av växter som producerar kväveföreningar. Heta utsläpp från värmekraftverk, fabriker, rymdfarkoster, överljudsflygplan oxiderar kväve i luften. Kväveoxider, som interagerar med luftvattenånga med nederbörd, återgår till marken, kommer in i jorden i jonform.

Biologisk fixering spelar en stor roll i kvävets kretslopp. Det utförs av jordbakterier:

• - kvävefixerande bakterier (och blågröna alger);
• - mikroorganismer som lever i symbios med högre växter (knölbakterier);
• - ammonifiering;
• - nitrifierande;
• - denitrifierande.

Fritt levande i jorden, kvävefixerande aeroba (existerar i närvaro av syre) bakterier (Azotobacter) kan fixera atmosfäriskt molekylärt kväve på grund av energin som erhålls från oxidation av markens organiska material under andning, och slutligen binder det med väte och införa det i form av en aminogrupp (- NH2) i sammansättningen av aminosyror i din kropp. Molekylärt kväve är också kapabelt att fixera vissa anaeroba (lever i frånvaro av syre) bakterier som finns i jorden (Clostridium). Döende, både dessa och andra mikroorganismer berikar jorden med organiskt kväve.

Blågröna alger, som är särskilt viktiga för jordmånen på risfälten, är också kapabla till biologisk fixering av molekylärt kväve.

Den mest effektiva biologiska fixeringen av atmosfäriskt kväve sker i bakterier som lever i symbios i knölar hos baljväxter (knölbakterier).

Dessa bakterier (Rizobium) använder värdväxtens energi för att fixera kväve samtidigt som de förser värdens markbundna organ med tillgängliga kväveföreningar.

Assimilerade kväveföreningar från jorden i nitrat- och ammoniumform, växter bygger de nödvändiga kvävehaltiga föreningarna i sin kropp (nitratkväve i växtceller återställs preliminärt). Producentanläggningar levererar kvävehaltiga ämnen till hela djurvärlden och mänskligheten. Döda växter används, enligt den trofiska kedjan, av bioreducerare.

Ammonifierande mikroorganismer bryter ner organiska ämnen som innehåller kväve (aminosyror, urea) med bildning av ammoniak. En del av det organiska kvävet i marken mineraliseras inte, utan omvandlas till humusämnen, bitumen och komponenter i sedimentära bergarter.

Ammoniak (som ammoniumjon) kan komma in i växternas rotsystem eller användas i nitrifikationsprocesser.

Nitrifierande mikroorganismer är kemosyntetika, de använder energin från ammoniakoxidation till nitrater och nitriter till nitrater för att säkerställa alla livsprocesser. På grund av denna energi återställer nitrifikatorer koldioxid och bygger upp de organiska ämnena i kroppen. Oxidation av ammoniak under nitrifikation fortskrider enligt följande reaktioner:

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

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

Nitrater som bildas i nitrifikationsprocesserna går igen in i den biologiska cykeln, absorberas från jorden av växternas rötter eller efter att ha kommit in med vattenavrinning i vattenbassänger - växtplankton och fytobentos.

Tillsammans med organismer som fixerar atmosfäriskt kväve och nitrifierar det, finns det mikroorganismer i biosfären som kan reducera nitrater eller nitriter till molekylärt kväve. Sådana mikroorganismer, kallade denitrifierare, med brist på fritt syre i vatten eller jord, använder syre från nitrater för att oxidera organiska ämnen:

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

Den energi som frigörs samtidigt fungerar som grunden för all vital aktivitet hos denitrifierande mikroorganismer.

Levande ämnen spelar alltså en exceptionell roll i alla led i kretsloppet.

För närvarande spelar människans industriella fixering av atmosfäriskt kväve en allt viktigare roll för jordars kvävebalans och följaktligen i hela kvävekretsloppet i biosfären.

Fosforcykeln

Fosforcykeln är enklare. Medan reservoaren av kväve är luft, är fosforreservoaren stenar, från vilka den frigörs under erosion.

Kol, syre, väte och kväve migrerar lättare och snabbare i atmosfären, eftersom de är i gasform och bildar gasformiga föreningar i biologiska kretslopp. För alla andra grundämnen, utom svavel, som är nödvändiga för existensen av levande materia, är bildningen av gasformiga föreningar i biologiska cykler okarakteristisk. Dessa grundämnen migrerar huvudsakligen i form av joner och molekyler lösta i vatten.

Fosfor, assimilerad av växter i form av ortofosforsyrajoner, spelar en viktig roll i livet för alla levande organismer. Det är en del av ADP, ATP, DNA, RNA och andra föreningar.

Fosforcykeln i biosfären är öppen. I terrestra biogeocenoser kommer fosfor, efter absorption av växter från marken genom näringskedjan, återigen in i marken i form av fosfater. Huvudmängden fosfor absorberas återigen av växternas rotsystem. Delvis kan fosfor spolas ut med avrinning av regnvatten från marken till vattenbassänger.

I naturliga biogeocenoser råder ofta brist på fosfor och i en alkalisk och oxiderad miljö finns det oftast i form av olösliga föreningar.

En stor mängd fosfater innehåller stenar i litosfären. Vissa av dem passerar gradvis in i jorden, några är utvecklade av människan för produktion av fosfatgödselmedel, de flesta av dem lakas och tvättas in i hydrosfären. Där används de av växtplankton och relaterade organismer på olika trofiska nivåer av komplexa näringskedjor.

I världshavet sker förlusten av fosfater från det biologiska kretsloppet på grund av avlagring av växt- och djurrester på stora djup. Eftersom fosfor huvudsakligen rör sig från litosfären till hydrosfären med vatten, migrerar den till litosfären biologiskt (äter fisk av sjöfåglar, använder bentiska alger och fiskmjöl som gödningsmedel, etc.).

Av alla element i växternas mineralnäring kan fosfor anses vara bristfälligt.

Svavelcykel

För levande organismer är svavel av stor betydelse, eftersom det är en del av de svavelhaltiga aminosyrorna (cystin, cystein, metionin, etc.). Eftersom svavelhaltiga aminosyror ingår i proteinsammansättningen bibehåller de den nödvändiga tredimensionella strukturen hos proteinmolekyler.

Svavel absorberas av växter från jorden endast i oxiderad form, i form av en jon. I växter reduceras svavel och ingår i aminosyror i form av sulfhydryl (-SH) och disulfid (-S-S-) grupper.

Djur tillgodogör sig endast reducerat svavel, som är en del av organiskt material. Efter döden av växt- och djurorganismer återgår svavel till jorden, där det, som ett resultat av aktiviteten hos många former av mikroorganismer, genomgår omvandlingar.

Under aeroba förhållanden oxiderar vissa mikroorganismer organiskt svavel till sulfater. Sulfatjoner, som absorberas av växternas rötter, ingår återigen i den biologiska cykeln. Vissa sulfater kan inkluderas i vattenmigration och avlägsnas från jorden. I jordar rika på humusämnen finns en betydande mängd svavel i organiska föreningar, vilket förhindrar dess urlakning.

Under anaeroba förhållanden ger sönderdelningen av organiska svavelföreningar vätesulfid. Om sulfater och organiska ämnen befinner sig i en syrefri miljö, aktiveras aktiviteten hos sulfatreducerande bakterier. De använder syre från sulfater för att oxidera organiskt material och på så sätt få den energi som krävs för deras existens.

Sulfatreducerande bakterier är vanliga i grundvatten, silt och stillastående havsvatten. Svavelväte är ett gift för de flesta levande organismer, så dess ansamling i vattenfylld jord, sjöar, flodmynningar, etc. minskar eller till och med helt stoppar vitala processer. Ett sådant fenomen observeras i Svarta havet på ett djup under 200 m från dess yta.

Således, för att skapa en gynnsam miljö, är det nödvändigt att oxidera svavelväte till sulfatjoner, vilket kommer att förstöra den skadliga effekten av svavelväte, svavel kommer att förvandlas till en form tillgänglig för växter - i form av sulfatsalter. Denna roll utförs i naturen av en speciell grupp svavelbakterier (färglösa, gröna, lila) och tioniska bakterier.

Färglösa svavelbakterier är kemosyntetiska: de använder energin som erhålls från oxidationen av svavelväte med syre till elementärt svavel och dess vidare oxidation till sulfater.

Färgade svavelbakterier är fotosyntetiska organismer som använder svavelväte som vätedonator för att minska koldioxid.

Det resulterande elementära svavlet i gröna svavelbakterier frigörs från cellerna, i lila bakterier ackumuleras det inuti cellerna.

Den övergripande reaktionen av denna process är fotoreduktion:

CO2+ 2H2S ljus? (CH2O) + H2O +2S.

Tionbakterier oxiderar elementärt svavel och dess olika reducerade föreningar till sulfater på bekostnad av fritt syre, och återför det till huvudströmmen av den biologiska cykeln.

I processerna i den biologiska cykeln, där svavel omvandlas, spelar levande organismer, särskilt mikroorganismer, en enorm roll.

Den huvudsakliga svavelreservoaren på vår planet är världshavet, eftersom sulfatjoner kontinuerligt kommer in i den från jorden. En del av svavlet från havet återvänder till land genom atmosfären enligt schemat vätesulfid - oxiderar det till svaveldioxid - löser upp det senare i regnvatten med bildning av svavelsyra och sulfater - återför svavel med nederbörd till jordens jordtäcke.

Cykel av oorganiska katjoner

Förutom de grundläggande elementen som utgör levande organismer (kol, syre, väte, fosfor och svavel) är många andra makro- och mikroelement - oorganiska katjoner - livsnödvändiga. I vattenbassänger får växter de metallkatjoner de behöver direkt från miljön. På land är den huvudsakliga källan till oorganiska katjoner jorden, som tog emot dem i processen för förstörelse av förälderstenar. Hos växter flyttar de katjoner som absorberas av rotsystemen till bladen och andra organ; några av dem (magnesium, järn, koppar och ett antal andra) är en del av biologiskt viktiga molekyler (klorofyll, enzymer); andra, som förblir i en fri form, deltar i att upprätthålla de nödvändiga kolloidala egenskaperna hos cellers protoplasma och utför olika andra funktioner.

När levande organismer dör återvänder oorganiska katjoner till jorden i processen för mineralisering av organiska ämnen. Förlusten av dessa komponenter från marken uppstår som ett resultat av urlakning och avlägsnande av metallkatjoner med regnvatten, avstötning och avlägsnande av organiskt material av människor under odling av jordbruksväxter, avverkning, gräsklippning för djurfoder, etc.

Rationell användning av mineralgödsel, markåtervinning, applicering av organiska gödningsmedel och lämplig jordbruksteknik kommer att bidra till att återställa och upprätthålla balansen mellan oorganiska katjoner i biosfärens biocenoser.

Antropogen cykling: cykling av främlingsfientliga ämnen (kvicksilver, bly, krom)

Mänskligheten är en del av naturen och kan bara existera i ständig interaktion med den.

Det finns likheter och motsättningar mellan den naturliga och antropogena cirkulationen av materia och energi som förekommer i biosfären.

Den naturliga (biogeokemiska) livscykeln har följande egenskaper:

• - användningen av solenergi som en livskälla och alla dess manifestationer baserade på termodynamiska lagar;
• - det utförs utan avfall, d.v.s. alla produkter av dess vitala aktivitet mineraliseras och återinkluderas i nästa cykel av ämnens cirkulation. Samtidigt tas förbrukad, devalverad termisk energi bort utanför biosfären. Under ämnens biogeokemiska kretslopp genereras avfall, d.v.s. reserver i form av kol, olja, gas och annat mineraltillgångar. Till skillnad från det avfallsfria naturliga kretsloppet, åtföljs det antropogena kretsloppet av en ökning av avfallet varje år.

Det finns inget värdelöst eller skadligt i naturen, även vulkanutbrott har fördelar, eftersom de nödvändiga elementen (till exempel kväve) kommer in i luften med vulkaniska gaser.

Det finns en lag om global stängning av den biogeokemiska cirkulationen i biosfären, som är giltig i alla stadier av dess utveckling, såväl som en regel för att öka stängningen av den biogeokemiska cirkulationen under successionen.

Människor spelar en enorm roll i den biogeokemiska cykeln, men i motsatt riktning. Människan bryter mot de existerande cyklerna av ämnen, och detta manifesterar hennes geologiska kraft - destruktiv i förhållande till biosfären. Som ett resultat av antropogen aktivitet minskar graden av isolering av biogeokemiska cykler.

Den antropogena cykeln är inte begränsad till energin av solljus som fångas av planetens gröna växter. Mänskligheten använder energin från bränsle, vattenkraft och kärnkraftverk.

Det kan hävdas att antropogen aktivitet i nuvarande skede är en enorm destruktiv kraft för biosfären.

Biosfären har en speciell egenskap - betydande motståndskraft mot föroreningar. Denna stabilitet är baserad på de olika komponenternas naturliga förmåga naturlig miljö till självrening och självläkning. Men inte gränslöst. Den möjliga globala krisen orsakade behovet av att bygga en matematisk modell av biosfären som helhet ("Gaia"-systemet) för att få information om biosfärens möjliga tillstånd.

Ett främlingsfientligt medel är ett ämne främmande för levande organismer som uppstår som ett resultat av antropogen aktivitet (bekämpningsmedel, hushållskemikalier och andra föroreningar), som kan orsaka störningar av biotiska processer, inkl. sjukdom eller död. Sådana föroreningar genomgår inte biologisk nedbrytning, utan ackumuleras i trofiska kedjor.

Kvicksilver är ett mycket sällsynt grundämne. Den är spridd i jordskorpan och endast i ett fåtal mineraler, såsom cinnober, finns i koncentrerad form. Kvicksilver är involverat i materiens kretslopp i biosfären, migrerar i gasform och i vattenlösningar.

Det kommer in i atmosfären från hydrosfären under avdunstning, under utsläpp från cinnober, med vulkaniska gaser och gaser från termiska källor. En del av det gasformiga kvicksilvret i atmosfären går över i den fasta fasen och avlägsnas från luften. Nedfallet kvicksilver absorberas av jordar, särskilt lera, vatten och stenar. I brännbara mineraler - olja och kol - innehåller kvicksilver upp till 1 mg / kg. Det finns cirka 1,6 miljarder ton i havens vattenmassa, 500 miljarder ton i bottensediment och 2 miljoner ton i plankton. Cirka 40 tusen ton transporteras av flodvatten från land varje år, vilket är 10 gånger mindre än vad som kommer in i atmosfären under avdunstning (400 tusen ton). Omkring 100 tusen ton faller på landytan årligen.

Kvicksilver har förvandlats från en naturlig del av den naturliga miljön till ett av de mest farliga av människan skapade utsläppen till biosfären för människors hälsa. Det används i stor utsträckning inom metallurgi, kemisk, elektrisk, elektronisk, massa- och pappers- och läkemedelsindustri och används för tillverkning av sprängämnen, fernissor och färger, såväl som inom medicin. Industriella avloppsvatten och utsläpp till atmosfären, tillsammans med kvicksilvergruvor, kvicksilverproduktionsanläggningar och värmekraftverk (kraftvärme och pannhus) som använder kol, olja och oljeprodukter, är de viktigaste källorna till biosfärföroreningar med denna giftiga komponent. Dessutom är kvicksilver en ingrediens i organiska kvicksilverbekämpningsmedel som används inom jordbruket för att behandla frön och skydda grödor från skadedjur. Det kommer in i människokroppen med mat (ägg, inlagd spannmål, kött av djur och fåglar, mjölk, fisk).

Kvicksilver i vatten och bottensediment i floder

Det har konstaterats att cirka 80 % av kvicksilvret som kommer in i naturliga vattenförekomster är i löst form, vilket i slutändan bidrar till att det sprids över långa avstånd tillsammans med vattenflöden. Det rena grundämnet är giftfritt.

Kvicksilver finns oftare i bottenslamvatten i relativt ofarliga koncentrationer. Oorganiska kvicksilverföreningar omvandlas till giftiga organiska kvicksilverföreningar, såsom metylkvicksilver CH?Hg och etylkvicksilver C?H?Hg, av bakterier som lever i detritus och sediment, i bottenslammet i sjöar och floder, i slemmet som täcker kropparna av fisk, och även i fisk magslem. Dessa föreningar är lättlösliga, rörliga och mycket giftiga. Den kemiska grunden för kvicksilverets aggressiva verkan är dess affinitet för svavel, särskilt med vätesulfidgruppen i proteiner. Dessa molekyler binder till kromosomer och hjärnceller. Fisk och skaldjur kan samla dem till farliga nivåer för den som äter dem, vilket orsakar Minamatas sjukdom.

Metallkvicksilver och dess oorganiska föreningar verkar huvudsakligen på levern, njurarna och tarmkanalen, men under normala förhållanden utsöndras de relativt snabbt från kroppen och mängden som är farlig för människokroppen hinner inte ackumuleras. Metylkvicksilver och andra alkylkvicksilverföreningar är mycket farligare, eftersom ackumulering sker - toxinet kommer in i kroppen snabbare än det utsöndras från kroppen och verkar på det centrala nervsystemet.

Bottensediment är en viktig egenskap hos akvatiska ekosystem. Genom att ackumulera tungmetaller, radionuklider och mycket giftiga organiska ämnen bidrar bottensediment å ena sidan till självrening av vattenmiljöer, och är å andra sidan en ständig källa till sekundär förorening av vattenförekomster. Bottensediment är ett lovande analysobjekt, vilket speglar ett långsiktigt föroreningsmönster (särskilt i långsamt strömmande vattendrag). Dessutom observeras ansamling av oorganiskt kvicksilver i bottensediment särskilt i flodmynningar. En spänd situation kan uppstå när sedimentens adsorptionskapacitet (slam, nederbörd) är uttömd. När adsorptionskapaciteten är uppnådd, tungmetaller, inkl. kvicksilver kommer ner i vattnet.

Det är känt att under marina anaeroba förhållanden i sedimenten av döda alger, fäster kvicksilver väte och går över i flyktiga föreningar.

Med deltagande av mikroorganismer kan metalliskt kvicksilver metyleras i två steg:

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

Metylkvicksilver förekommer i miljön praktiskt taget endast under metylering av oorganiskt kvicksilver.

Den biologiska halveringstiden för kvicksilver är lång, den är 70-80 dagar för de flesta vävnader i människokroppen.

Stora fiskar, som svärdfisk och tonfisk, är kända för att vara förorenade med kvicksilver tidigt i näringskedjan. Samtidigt är det inte utan intresse att notera att kvicksilver i ännu större utsträckning än i fisk ansamlas (ackumuleras) i ostron.

Kvicksilver kommer in i människokroppen genom andning, med mat och genom huden enligt följande schema:

För det första sker en omvandling av kvicksilver. Detta element förekommer naturligt i flera former.

Metalliskt kvicksilver, som används i termometrar, och dess oorganiska salter (t.ex. klorid) elimineras relativt snabbt från kroppen.

Mycket giftigare är alkylkvicksilverföreningar, särskilt metyl- och etylkvicksilver. Dessa föreningar utsöndras mycket långsamt från kroppen - endast cirka 1% av den totala mängden per dag. Även om det mesta av kvicksilvret som kommer in i naturliga vatten är i form av oorganiska föreningar, hamnar det alltid i fiskar i form av det mycket giftigare metylkvicksilvret. Bakterier i bottenslammet i sjöar och floder, i slemmet som täcker fiskens kroppar, samt i slemmet i fiskmagen, kan omvandla oorganiska kvicksilverföreningar till metylkvicksilver.

För det andra höjer selektiv ackumulering, eller biologisk ackumulering (koncentration), kvicksilverhalten i fisk och skaldjur till nivåer som är många gånger högre än i vikvatten. Fisk och skaldjur som lever i floden ackumulerar metylkvicksilver till koncentrationer som är farliga för människor som använder dem som mat.

% av världens fiskfångst innehåller kvicksilver i en mängd som inte överstiger 0,5 mg/kg och 95 % - under 0,3 mg/kg. Nästan allt kvicksilver i fisk är i form av metylkvicksilver.

Med tanke på kvicksilverföreningarnas olika toxicitet för människor i livsmedel är det nödvändigt att fastställa oorganiskt (totalt) och organiskt bundet kvicksilver. Vi bestämmer endast den totala kvicksilverhalten. Enligt medicinska och biologiska krav är kvicksilverhalten i sötvattensrovfisk tillåten 0,6 mg/kg, i havsfisk - 0,4 mg/kg, i sötvattensfisk endast 0,3 mg/kg, och i tonfisk upp till 0,7 mg /kg kg. I produkter barnmat innehållet av kvicksilver bör inte överstiga 0,02 mg/kg i konserverat kött, 0,15 mg/kg i konserverad fisk, i resten - 0,01 mg/kg.

Bly finns i nästan alla komponenter i den naturliga miljön. Den innehåller 0,0016% i jordskorpan. Den naturliga blyhalten i atmosfären är 0,0005 mg/m3. Det mesta avsätts med damm, cirka 40% faller med atmosfärisk nederbörd. Växter får bly från jord, vatten och atmosfäriskt nedfall, medan djur får bly från växter och vatten. Metall kommer in i människokroppen med mat, vatten och damm.

De främsta källorna till blyföroreningar i biosfären är bensinmotorer, vars avgaser innehåller trietylbly, värmekraftverk som bränner kol, gruvdrift, metallurgisk och kemisk industri. En betydande mängd bly införs i jorden tillsammans med avloppsvatten som används som gödningsmedel. För att släcka den brinnande reaktorn i kärnkraftverket i Tjernobyl användes även bly som kom in i luftpoolen och spreds över stora områden. Med en ökning av miljöföroreningar med bly ökar dess avlagring i ben, hår och lever.

Krom. Det farligaste är giftigt krom (6+), som mobiliseras i sura och alkaliska jordar, i söta och marina vatten. I havsvatten krom är 10 - 20% representerat av Cr (3+)-formen, 25 - 40% - av Cr (6+), 45 - 65% - av den organiska formen. I pH-området 5 - 7 dominerar Cr (3+) och vid pH > 7 - Cr (6+). Det är känt att Cr (6+) och organiska kromföreningar inte utfälls tillsammans med järnhydroxid i havsvatten.

Naturliga kretslopp av ämnen är praktiskt taget slutna. I naturliga ekosystem spenderas materia och energi sparsamt, och avfallet från vissa organismer är en viktig förutsättning för andras existens. Det antropogena kretsloppet av ämnen åtföljs av en enorm förbrukning av naturresurser och en stor mängd avfall som orsakar miljöföroreningar. Skapandet av även de mest avancerade behandlingsanläggningarna löser inte problemet, så det är nödvändigt att utveckla lågavfalls- och avfallsfria tekniker som gör det möjligt att göra det antropogena kretsloppet så slutet som möjligt. Teoretiskt är det möjligt att skapa en avfallsfri teknik, men lågavfallsteknologier är verkliga.

Anpassning till naturfenomen

Anpassningar är olika anpassningar till miljön som utvecklas av organismer (från de enklaste till de högsta) i evolutionsprocessen. Förmågan att anpassa sig är en av de levandes huvudsakliga egenskaper, vilket ger möjlighet till deras existens.

De viktigaste faktorerna som utvecklar anpassningsprocessen inkluderar: ärftlighet, variation, naturligt (och artificiellt) urval.

Toleransen kan förändras om kroppen går in i andra yttre förhållanden. Att komma in i sådana förhållanden, efter ett tag, vänjer han sig vid det, så att säga, anpassar sig till dem (från lat. anpassning - att anpassa sig). Konsekvensen av detta är en förändring av bestämmelserna för det fysiologiska optimumet.

Organismens egenskap att anpassa sig till existens inom ett visst område miljöfaktor kallas ekologisk plasticitet.

Ju bredare intervallet av den ekologiska faktorn inom vilken en given organism kan leva, desto större är dess ekologiska plasticitet. Beroende på graden av plasticitet särskiljs två typer av organismer: stenobiont (stenoeks) och eurybiont (euryeks). Sålunda är stenobionter ekologiskt icke-plastiska (exempelvis lever flundra endast i saltvatten, och crucian karp endast i sötvatten), d.v.s. korthärdig, och eurybionts är ekologiskt plastiska, d.v.s. är mer härdiga (t.ex. kan den trekantiga klibbeten leva i både söt- och saltvatten).

Anpassningar är flerdimensionella, eftersom en organism måste anpassa sig till många olika miljöfaktorer samtidigt.

Det finns tre huvudsakliga sätt att anpassa organismer till miljöförhållanden: aktiva; passiv; undvikande av negativa effekter.

Den aktiva vägen för anpassning är förstärkning av motstånd, utveckling av regulatoriska processer som gör det möjligt att utföra alla kroppens vitala funktioner, trots faktorns avvikelse från det optimala. Till exempel upprätthåller varmblodiga djur en konstant kroppstemperatur - optimalt för de biokemiska processer som förekommer i den.

Den passiva vägen för anpassning är underordnandet av organismers vitala funktioner till förändringar i miljöfaktorer. Till exempel, under ogynnsamma miljöförhållanden, går många organismer in i ett tillstånd av anabios ( dolt liv), där ämnesomsättningen i kroppen praktiskt taget stannar (tillståndet för vintervila, insekters stupor, viloläge, bevarande av sporer i jorden i form av sporer och frön).

Undvikande av negativa effekter - utvecklingen av anpassningar, beteendet hos organismer (anpassning), som hjälper till att undvika ogynnsamma förhållanden. I det här fallet kan anpassningar vara: morfologiska (kroppens struktur förändras: modifiering av bladen på en kaktus), fysiologiska (kamelen förser sig med fukt på grund av oxidation av fettreserver), etologisk (förändringar i beteende: säsongsbetonad) fågelvandringar, vinterdvala).

Levande organismer är väl anpassade till periodiska faktorer. Icke-periodiska faktorer kan orsaka sjukdom och till och med död hos organismen (till exempel droger, bekämpningsmedel). Men vid långvarig exponering kan anpassning till dem också förekomma.

Organismer anpassade till dagliga, säsongsbetonade, tidvattenrytmer, solaktivitetsrytmer, månfaser och andra strikt periodiska fenomen. Så säsongsanpassning särskiljs som säsongsvariation i naturen och tillståndet av vintervila.

Säsongsvariationer i naturen. Det ledande värdet för växter och djur i anpassningen av organismer är den årliga temperaturvariationen. Den period som är gynnsam för livet, i genomsnitt för vårt land, varar cirka sex månader (vår, sommar). Redan före ankomsten av stabil frost börjar en period av vintervila i naturen.

Vintervila. Vintervila är inte bara ett utvecklingsstopp till följd av låga temperaturer, men en komplicerad fysiologisk anpassning, som dessutom inträffar endast i ett visst utvecklingsstadium. Till exempel övervintrar malariamyggan och nässelfjärilen i vuxeninsektsstadiet, kålfjärilen i puppstadiet och zigenarmalen i äggstadiet.

Biorytmer. Varje art i evolutionsprocessen har utvecklat en karakteristisk årlig cykel av intensiv tillväxt och utveckling, reproduktion, förberedelse för vintern och övervintring. Detta fenomen kallas biologisk rytm. Sammanträffandet av varje period av livscykeln med motsvarande årstid är avgörande för artens existens.

Huvudfaktorn i regleringen av säsongscykler hos de flesta växter och djur är förändringen av dygnets längd.

Biorytmer är:

exogena (externa) rytmer (uppstår som en reaktion på periodiska förändringar i miljön (byte av dag och natt, årstider, solaktivitet) endogena (inre rytmer) genereras av kroppen själv

I sin tur är endogena indelade i:

Fysiologiska rytmer (hjärtslag, andning, endokrina körtlar, DNA, RNA, proteinsyntes, enzymer, celldelning, etc.)

Ekologiska rytmer (dagliga, årliga, tidvatten, mån, etc.)

Processerna med DNA, RNA, proteinsyntes, celldelning, hjärtslag, andning, etc. har rytm. Externa influenser kan förskjuta faserna i dessa rytmer och ändra deras amplitud.

Fysiologiska rytmer varierar beroende på kroppens tillstånd, medan miljörytmer är mer stabila och motsvarar externa rytmer. Med endogena rytmer kan kroppen navigera i tid och förbereda sig i förväg för de kommande förändringarna i miljön - det här är kroppens biologiska klocka. Många levande organismer kännetecknas av dygnsrytm och dygnsrytm.

Dygnsrytmer (dygnsrytm) - återkommande intensiteter och natur av biologiska processer och fenomen med en period på 20 till 28 timmar. Dygnsrytmer är förknippade med aktiviteten hos djur och växter under dagen och beror som regel på temperatur och ljusintensitet. Till exempel flyger fladdermöss i skymningen och vilar under dagen, många planktoniska organismer stannar vid vattenytan på natten och går ner i djupet under dagen.

Säsongsbetonade biologiska rytmer är förknippade med ljusets inverkan - fotoperioden. Organismens reaktion på dygnets längd kallas fotoperiodism. Fotoperiodism är en vanlig viktig anpassning som reglerar säsongsfenomen i en mängd olika organismer. Studiet av fotoperiodism hos växter och djur visade att organismers reaktion på ljus är baserad på växlingen av perioder av ljus och mörker av en viss varaktighet under dagen. Organismers (från encelliga till människor) reaktion på dygnets och nattens längd visar att de kan mäta tid, d.v.s. har någon slags biologisk klocka. Den biologiska klockan, förutom säsongscykler, styr många andra biologiska fenomen, bestämmer den korrekta dagliga rytmen för både aktiviteten hos hela organismer och processer som sker även på cellnivå, i synnerhet celldelningar.

En universell egenskap hos allt levande, från virus och mikroorganismer till högre växter och djur, är förmågan att ge mutationer - plötsliga, naturliga och artificiellt orsakade, ärvda förändringar i det genetiska materialet, vilket leder till en förändring av vissa tecken på organismen. Mutationsvariabilitet motsvarar inte miljöförhållandena och stör i regel befintliga anpassningar.

Många insekter hamnar i diapaus (ett långt stopp i utvecklingen) i ett visst utvecklingsstadium, vilket inte bör förväxlas med ett vilotillstånd under ogynnsamma förhållanden. Reproduktionen av många marina djur påverkas av månens rytmer.

Cirkaniska (nästan årliga) rytmer är återkommande förändringar i intensiteten och naturen hos biologiska processer och fenomen med en period på 10 till 13 månader.

Det fysiska och psykologiska tillståndet hos en person har också en rytmisk karaktär.

Den störda rytmen av arbete och vila minskar effektiviteten och har en negativ effekt på människors hälsa. Det mänskliga tillståndet i extrema förhållanden kommer att bero på graden av hans beredskap för dessa förhållanden, eftersom det praktiskt taget inte finns tid för anpassning och återhämtning.

Alla ämnen på planeten är i cirkulationsprocessen. Solenergi orsakar två cykler av materia på jorden: stor (geologisk, biosfärisk) Och liten (biologisk).

Den stora cirkulationen av ämnen i biosfären kännetecknas av två viktiga punkter: den genomförs genom hela jordens geologiska utveckling och är en modern planetarisk process som tar en ledande del i biosfärens vidareutveckling.

Den geologiska cykeln är förknippad med bildandet och förstörelsen av stenar och den efterföljande rörelsen av förstörelseprodukter - detritalt material och kemiska element. En betydande roll i dessa processer spelades och fortsätter att spelas av de termiska egenskaperna hos ytan av mark och vatten: absorption och reflektion av solljus, värmeledningsförmåga och värmekapacitet. Den instabila hydrotermiska regimen på jordens yta, tillsammans med det planetariska atmosfäriska cirkulationssystemet, bestämde den geologiska cirkulationen av ämnen, som i det inledande skedet av jordens utveckling, tillsammans med endogena processer, var förknippade med bildandet av kontinenter, hav och moderna geosfärer. Med bildandet av biosfären inkluderades produkterna av vital aktivitet hos organismer i den stora cykeln. Det geologiska kretsloppet förser levande organismer med näringsämnen och bestämmer till stor del förutsättningarna för deras existens.

De viktigaste kemiska elementen litosfärer: syre, kisel, aluminium, järn, magnesium, natrium, kalium och andra - deltar i en stor cirkulation, som passerar från de djupa delarna av den övre manteln till ytan av litosfären. Magmatisk bergart bildades under kristallisation

Magma, som har kommit in i litosfärens yta från jordens djup, genomgår nedbrytning och vittring i biosfären. Väderprodukter övergår i ett rörligt tillstånd, transporteras av vatten, vind till lågavlastande platser, faller i floder, havet och bildar tjocka skikt av sedimentära bergarter, som med tiden, störtar till ett djup i områden med förhöjd temperatur och tryck, genomgår metamorfos, d.v.s. "omsmält". Under denna omsmältning uppstår en ny metamorf sten, som kommer in i de övre horisonterna av jordskorpan och återgår till cirkulationen av ämnen. (Fig. 32).

Ris. 32. Geologisk (stor) cirkulation av ämnen

Lätt rörliga ämnen - gaser och naturliga vatten som utgör atmosfären och hydrosfären på planeten - genomgår den mest intensiva och snabba cirkulationen. Materialet i litosfären cirkulerar mycket långsammare. I allmänhet är varje cirkulation av något kemiskt element en del av den allmänna stora cirkulationen av ämnen på jorden, och alla är nära sammankopplade. Biosfärens levande materia i denna cirkulation utför ett enormt jobb med att omfördela de kemiska elementen som kontinuerligt cirkulerar i biosfären, passerar från den yttre miljön till organismer och igen till den yttre miljön.

Liten eller biologisk cirkulation av ämnen- Det här

cirkulation av ämnen mellan växter, djur, svampar, mikroorganismer och jord. Kärnan i den biologiska cykeln är flödet av två motsatta, men relaterade processer - skapandet av organiska ämnen och deras förstörelse. Det första steget i uppkomsten av organiska ämnen beror på fotosyntesen av gröna växter, det vill säga bildandet av levande materia från koldioxid, vatten och enkla mineralföreningar som använder solenergi. Växter (producenter) extraherar molekyler av svavel, fosfor, kalcium, kalium, magnesium, mangan, kisel, aluminium, zink, koppar och andra grundämnen från jorden i en lösning. Växtätande djur (konsumenter av första ordningen) absorberar föreningar av dessa element redan i form av mat av vegetabiliskt ursprung. Predatorer (konsumenter av andra ordningen) livnär sig på växtätande djur och konsumerar mat av en mer komplex sammansättning, inklusive proteiner, fetter, aminosyror och andra ämnen. I processen med förstörelse av mikroorganismer (nedbrytare) av organiskt material från döda växter och djurrester kommer enkla mineralföreningar in i marken och vattenmiljön, tillgängliga för assimilering av växter, och nästa omgång av den biologiska cykeln börjar. (Fig. 33).

Liten (biologisk) cirkulation

Massan av levande materia i biosfären är relativt liten. Om det är fördelat över jordens yta kommer ett lager på endast 1,5 cm att erhållas.Tabell 4.1 jämför vissa kvantitativa egenskaper hos biosfären och andra geosfärer på jorden. Biosfären, som står för mindre än 10-6 massor av andra skal på planeten, har en ojämförligt större mångfald och förnyar sin sammansättning en miljon gånger snabbare.

Tabell 4.1

Jämförelse av biosfären med andra geosfärer på jorden

*Levande substans baserat på levande vikt

4.4.1. Biosfärens funktioner

Tack vare biosfärens biota genomförs den övervägande delen av de kemiska omvandlingarna på planeten. Därav domen av V.I. Vernadsky om den enorma transformativa geologiska rollen av levande materia. Under den organiska evolutionen har levande organismer passerat genom sig själva, genom sina organ, vävnader, celler, blod, hela atmosfären, hela världshavets volym, det mesta av jordmassan, en enorm massa mineralämnen genom sig själva, genom deras organ, vävnader, celler, blod, tusen gånger (för olika cykler från 103 till 105 gånger). Och de missade det inte bara, utan modifierade också den jordiska miljön i enlighet med deras behov.

Tack vare förmågan att omvandla solenergi till energin av kemiska bindningar, utför växter och andra organismer ett antal grundläggande biogeokemiska funktioner på planetarisk skala.

gasfunktion. Levande varelser utbyter ständigt syre och koldioxid med miljön i processerna för fotosyntes och andning. Växter spelade en avgörande roll i förändringen från en reducerande miljö till en oxiderande miljö i den geokemiska utvecklingen av planeten och i bildandet av gassammansättningen i den moderna atmosfären. Växter kontrollerar strikt koncentrationerna av O2 och CO2, vilket är optimalt för alla moderna levande organismer.

koncentrationsfunktion. Genom att passera stora volymer luft och naturliga lösningar genom sina kroppar, utför levande organismer biogen migration (förflyttning av kemikalier) och koncentrationen av kemiska element och deras föreningar. Detta hänvisar till biosyntesen av organiskt material, bildandet av korallöar, konstruktionen av skal och skelett, uppkomsten av sedimentära kalkstenslager, avlagringar av vissa metallmalmer, ackumulering av järn-manganknölar, på havsbotten, etc. De tidiga stadierna av biologisk evolution ägde rum i vattenmiljö. Organismer har lärt sig att extrahera de ämnen de behöver från en utspädd vattenlösning och multiplicera sin koncentration i kroppen många gånger om.

Redoxfunktionen hos levande materia är nära relaterad till den biogena migrationen av grundämnen och koncentrationen av ämnen. Många ämnen i naturen är stabila och genomgår inte oxidation under normala förhållanden, till exempel är molekylärt kväve ett av de viktigaste biogena elementen. Men levande celler har så kraftfulla katalysatorer - enzymer att de kan utföra många redoxreaktioner miljontals gånger snabbare än det kan ske i en abiotisk miljö.

Informationsfunktion för biosfärens levande materia. Det var med tillkomsten av de första primitiva levande varelserna som aktiv ("levande") information dök upp på planeten, vilket skiljer sig från den "döda" informationen, som är en enkel återspegling av strukturen. Organismer visade sig kunna ta emot information genom att koppla samman energiflödet med en aktiv molekylstruktur som spelar rollen som ett program. Förmågan att uppfatta, lagra och bearbeta molekylär information har genomgått en avancerad utveckling i naturen och har blivit den viktigaste ekologiska systembildande faktorn. Det totala lagret av biotagetisk information uppskattas till 1015 bitar. Den totala kraften i flödet av molekylär information associerad med metabolism och energi i alla celler i den globala biotan når 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Komponenter i det biologiska kretsloppet.

Det biologiska kretsloppet genomförs mellan alla komponenter i biosfären (dvs mellan jord, luft, vatten, djur, mikroorganismer, etc.). Det sker med obligatoriskt deltagande av levande organismer.

Solstrålning som når biosfären bär en energi på cirka 2,5 * 1024 J per år. Endast 0,3 % av det omvandlas direkt i fotosyntesen till energin av kemiska bindningar av organiska ämnen, dvs. involverad i det biologiska kretsloppet. Och 0,1 - 0,2 % av solenergin som faller på jorden visar sig finnas i netto primärproduktion. Ytterligare öde Denna energi är förknippad med överföringen av organiskt material från mat genom kaskader av trofiska kedjor.

Det biologiska kretsloppet kan villkorligt delas in i inbördes relaterade komponenter: ämnens kretslopp och energicykeln.

4.4.3. Energicykel. Energiomvandling i biosfären

Ett ekosystem kan beskrivas som en samling levande organismer som kontinuerligt utbyter energi, materia och information. Energi kan definieras som förmågan att utföra arbete. Energins egenskaper, inklusive energins rörelse i ekosystem, beskrivs av termodynamikens lagar.

Termodynamikens första lag eller lagen om energins bevarande säger att energin inte försvinner och inte skapas på nytt, den förändras bara från en form till en annan.

Termodynamikens andra lag säger att entropin bara kan öka i ett slutet system. När det gäller energi i ekosystem är följande formulering bekväm: de processer som är förknippade med omvandlingen av energi kan bara ske spontant om energin går från en koncentrerad form till en diffus form, det vill säga den bryts ned. Ett mått på mängden energi som blir otillgänglig för användning, eller på annat sätt ett mått på den förändring i ordning som sker när energin bryts ned, är entropi. Ju högre ordning systemet är, desto lägre är dess entropi.

Med andra ord, levande materia tar emot och omvandlar energin från kosmos, solen till energin från jordiska processer (kemiska, mekaniska, termiska, elektriska). Det involverar denna energi och oorganiska ämnen i den kontinuerliga cirkulationen av ämnen i biosfären. Energiflödet i biosfären har en riktning - från solen genom växter (autotrofer) till djur (heterotrofer). Naturliga orörda ekosystem i stabilt tillstånd med konstant viktiga miljöindikatorer (homeostas) är de mest ordnade systemen och kännetecknas av den lägsta entropin.

4.4.4. Ämneskretsloppet i naturen

Bildandet av levande materia och dess nedbrytning är två sidor av en enda process, som kallas den biologiska cykeln av kemiska element. Livet är cirkulationen av kemiska element mellan organismer och miljön.

Anledningen till kretsloppet är begränsningen hos de element från vilka organismernas kroppar är uppbyggda. Varje organism utvinner ur miljön de ämnen som är nödvändiga för liv och returnerar oanvända. Vart i:

vissa organismer konsumerar mineraler direkt från miljön;

andra använder först bearbetade och isolerade produkter;

den tredje - den andra, etc., tills ämnena återgår till miljön i sitt ursprungliga tillstånd.

I biosfären är behovet av samexistens av olika organismer som kan använda varandras restprodukter uppenbart. Vi ser praktiskt taget avfallsfri biologisk produktion.

Cykeln av ämnen i levande organismer kan villkorligt reduceras till fyra processer:

1. Fotosyntes. Som ett resultat av fotosyntesen absorberar och ackumulerar växter solenergi och syntetiserar organiska ämnen - primära biologiska produkter - och syre från oorganiska ämnen. Primära biologiska produkter är mycket olika - de innehåller kolhydrater (glukos), stärkelse, fibrer, proteiner, fetter.

Schemat för fotosyntes av det enklaste kolhydratet (glukos) har följande schema:

Denna process sker endast under dagen och åtföljs av en ökning av massan av växter.

På jorden bildas cirka 100 miljarder ton organiskt material årligen som ett resultat av fotosyntesen, cirka 200 miljarder ton koldioxid assimileras och cirka 145 miljarder ton syre frigörs.

Fotosyntes spelar en avgörande roll för att säkerställa att det finns liv på jorden. Dess globala betydelse förklaras av det faktum att fotosyntes är den enda process under vilken energi i den termodynamiska processen, enligt den minimalistiska principen, inte försvinner utan snarare ackumuleras.

Genom att syntetisera de aminosyror som är nödvändiga för att bygga proteiner kan växter existera relativt oberoende av andra levande organismer. Detta manifesterar växternas autotrofi (självförsörjning med näring). Samtidigt är den gröna massan av växter och syret som bildas i fotosyntesprocessen grunden för att upprätthålla livet för nästa grupp av levande organismer - djur, mikroorganismer. Detta visar heterotrofin hos denna grupp av organismer.

2. Andning. Processen är motsatsen till fotosyntesen. Förekommer i alla levande celler. Under andningen oxideras organiskt material av syre, vilket resulterar i att koldioxid, vatten och energi bildas.

3. Näringsmässiga (trofiska) samband mellan autotrofa och heterotrofa organismer. I det här fallet sker en överföring av energi och materia längs länkarna i näringskedjan, vilket vi diskuterade mer i detalj tidigare.

4. Transpirationsprocessen. En av de viktigaste processerna i det biologiska kretsloppet.

Schematiskt kan det beskrivas enligt följande. Växter absorberar markfukt genom sina rötter. Samtidigt kommer mineralämnen lösta i vatten in i dem, som absorberas, och fukt avdunstar mer eller mindre intensivt, beroende på miljöförhållandena.

4.4.5. Biogeokemiska kretslopp

Geologiska och biologiska cykler är sammankopplade - de existerar som en enda process, vilket ger upphov till cirkulation av ämnen, de så kallade biogeokemiska cyklerna (BGCC). Denna cirkulation av grundämnen beror på syntesen och sönderfallet av organiska ämnen i ekosystemet (Fig. 4.1) Alla element i biosfären är inte inblandade i BHCC, utan endast biogena. Levande organismer består av dem, dessa element deltar i många reaktioner och deltar i de processer som sker i levande organismer. Procentuellt sett består den totala massan av biosfärens levande materia av följande biogena huvudelement: syre - 70%, kol - 18%, väte - 10,5%, kalcium - 0,5%, kalium - 0,3%, kväve - 0 , 3%, (syre, väte, kväve, kol finns i alla landskap och är grunden för levande organismer - 98%).

Kärnan i biogen migration av kemiska element.

I biosfären finns det alltså en biogen cykel av ämnen (dvs en cykel som orsakas av organismers vitala aktivitet) och ett enkelriktat energiflöde. Biogen migration av kemiska element bestäms huvudsakligen av två motsatta processer:

1. Bildandet av levande materia från elementen i miljön på grund av solenergi.

2. Förstörelsen av organiska ämnen, åtföljd av frigörande av energi. Samtidigt kommer element av mineralämnen upprepade gånger in i levande organismer, och går därigenom in i sammansättningen av komplexa organiska föreningar, former, och sedan, när de senare förstörs, får de igen en mineralform.

Det finns element som är en del av levande organismer, men som inte är relaterade till biogena. Sådana element klassificeras enligt deras viktandel i organismer:

Makronäringsämnen - komponenter på minst 10-2% av massan;

Spårelement - komponenter från 9 * 10-3 till 1 * 10-3% av massan;

Ultramikroelement - mindre än 9 * 10-6% av massan;

För att bestämma platsen för biogena element bland andra kemiska element i biosfären, låt oss överväga klassificeringen som antas inom ekologi. Enligt den aktivitet som visas i de processer som sker i biosfären är alla kemiska grundämnen indelade i 6 grupper:

Ädelgaserna är helium, neon, argon, krypton, xenon. Inerta gaser är inte en del av levande organismer.

Ädelmetaller - rutenium, radium, palladium, osmium, iridium, platina, guld. Dessa metaller skapar nästan inte föreningar i jordskorpan.

Cykliska eller biogena element (de kallas också migrerande). Denna grupp av biogena element i jordskorpan står för 99,7% av den totala massan, och de återstående 5 grupperna - 0,3%. Således är huvuddelen av elementen migranter som genomför cirkulation i geografiska hölje, och delen av inerta element är mycket liten.

Spridda element, kännetecknade av dominansen av fria atomer. De går in i kemiska reaktioner, men deras föreningar finns sällan i jordskorpan. De är indelade i två undergrupper. Den första - rubidium, cesium, niob, tantal - skapar föreningar i djupet av jordskorpan, och på ytan av deras mineraler förstörs. Den andra - jod, brom - reagerar bara på ytan.

Radioaktiva grundämnen - polonium, radon, radium, uran, neptunium, plutonium.

Sällsynta jordartsmetaller - yttrium, samarium, europium, thulium, etc.

Biokemiska kretslopp året runt sätter igång cirka 480 miljarder ton materia.

IN OCH. Vernadsky formulerade tre biogeokemiska principer som förklarar essensen av biogen migration av kemiska element:

Biogen migration av kemiska element i biosfären tenderar alltid till sin maximala manifestation.

Arternas utveckling under geologisk tid, vilket leder till skapandet av hållbara livsformer, fortsätter i en riktning som förbättrar den biogena migrationen av atomer.

Levande materia är i kontinuerligt kemiskt utbyte med sin miljö, vilket är en faktor som återskapar och underhåller biosfären.

Låt oss överväga hur några av dessa element rör sig i biosfären.

Kolets kretslopp. Huvuddeltagaren i det biotiska kretsloppet är kol som bas för organiska ämnen. Mestadels sker kolcykeln mellan levande materia och koldioxid i atmosfären under fotosyntesprocessen. Växtätare får det med mat, rovdjur får det från växtätare. Vid andning, ruttnande återförs koldioxid delvis till atmosfären, återgången sker när organiska mineraler förbränns.

I avsaknad av kolåterföring till atmosfären skulle det förbrukas av gröna växter om 7-8 år. Hastigheten för biologisk omsättning av kol genom fotosyntes är 300 år. Haven spelar en viktig roll för att reglera halten av CO2 i atmosfären. Om CO2-halten stiger i atmosfären löses en del av den i vatten och reagerar med kalciumkarbonat.

Syrecykeln.

Syre har en hög kemisk aktivitet, går in i föreningar med nästan alla element i jordskorpan. Det förekommer huvudsakligen i form av föreningar. Var fjärde atom av levande materia är en syreatom. Nästan allt molekylärt syre i atmosfären har sitt ursprung och hålls på en konstant nivå på grund av aktiviteten hos gröna växter. Atmosfäriskt syre, bundet under andning och frigjort under fotosyntes, passerar genom alla levande organismer på 200 år.

Kvävets kretslopp. Kväve är en integrerad del av alla proteiner. Det totala förhållandet mellan bundet kväve, som grundämne som utgör organiskt material, till kväve i naturen är 1:100 000. Den kemiska bindningsenergin i kvävemolekylen är mycket hög. Därför kräver kombinationen av kväve med andra element - syre, väte (processen för kvävefixering) - mycket energi. Industriell kvävefixering sker i närvaro av katalysatorer vid en temperatur av -500°C och ett tryck av -300 atm.

Som ni vet innehåller atmosfären mer än 78% molekylärt kväve, men i detta tillstånd är det inte tillgängligt för gröna växter. För sin näring kan växter endast använda salter av salpetersyra och salpetersyror. Vilka är sätten att bilda dessa salter? Här är några av dem:

I biosfären utförs kvävefixering av flera grupper av anaeroba bakterier och cyanobakterier vid normal temperatur och tryck på grund av biokatalysens höga effektivitet. Man tror att bakterier omvandlar cirka 1 miljard ton kväve per år till en bunden form (världsvolymen för industriell fixering är cirka 90 miljoner ton).

Jordkvävefixerande bakterier kan assimilera molekylärt kväve från luften. De berikar jorden med kvävehaltiga föreningar, så deras värde är extremt högt.

Som ett resultat av nedbrytningen av kvävehaltiga föreningar av organiska ämnen av vegetabiliskt och animaliskt ursprung.

Under inverkan av bakterier omvandlas kväve till nitrater, nitriter, ammoniumföreningar. I växter deltar kväveföreningar i syntesen av proteinföreningar, som överförs från organism till organism i näringskedjorna.

Fosforcykeln. Ett annat viktigt element, utan vilken proteinsyntes är omöjlig, är fosfor. De huvudsakliga källorna är magmatiska bergarter (apatiter) och sedimentära bergarter (fosforiter).

Oorganisk fosfor ingår i kretsloppet som ett resultat av naturliga lakningsprocesser. Fosfor assimileras av levande organismer, som med sitt deltagande syntetiserar ett antal organiska föreningar och överför dem till olika trofiska nivåer.

Efter att ha avslutat sin resa längs de trofiska kedjorna bryts organiska fosfater ned av mikrober och förvandlas till mineralfosfater som är tillgängliga för gröna växter.

I processen med biologisk cirkulation, som säkerställer rörelsen av materia och energi, finns det ingen plats för ackumulering av avfall. Avfallsprodukterna (d.v.s. avfallsprodukter) från varje livsform är grogrunden för andra organismer.

Teoretiskt sett bör biosfären alltid upprätthålla en balans mellan produktionen av biomassa och dess nedbrytning. Men under vissa geologiska perioder stördes balansen i det biologiska kretsloppet när, på grund av vissa naturliga förhållanden, katastrofer, inte alla biologiska produkter assimilerades och omvandlades. I dessa fall bildades överskott av biologiska produkter som konserverades och deponerades i jordskorpan, under vattenpelaren, sediment och hamnade i permafrostzonen. Så fyndigheter av kol, olja, gas, kalksten bildades. Det bör noteras att de inte skräpar ner biosfären. Solens energi, som ackumuleras i fotosyntesprocessen, är koncentrerad i organiska mineraler. Nu, genom att bränna organiska fossila bränslen, frigör en person denna energi.

Är en enastående rysk vetenskapsman akademiker V.I. Vernadsky.

Biosfär- Jordens komplexa yttre skal, som innehåller helheten av levande organismer och den del av planetens substans som är i färd med kontinuerligt utbyte med dessa organismer. Detta är en av de viktigaste geosfärerna på jorden, som är huvudkomponenten i den naturliga miljön som omger människan.

Jorden består av koncentriska skal(geosfärer) både interna och externa. De inre är kärnan och manteln, och de yttre är: litosfären - jordens stenskal, inklusive jordskorpan (fig. 1) med en tjocklek av 6 km (under havet) till 80 km (bergsystem); hydrosfär - jordens vattenskal; atmosfär- Jordens gashölje, bestående av en blandning av olika gaser, vattenånga och damm.

På en höjd av 10 till 50 km finns ett ozonskikt, med sin maximala koncentration på en höjd av 20-25 km, skyddar jorden från överdriven ultraviolett strålning, som är dödlig för kroppen. Biosfären hör också hit (till de yttre geosfärerna).

Biosfär - jordens yttre skal, som omfattar en del av atmosfären upp till en höjd av 25-30 km (till ozonskiktet), nästan hela hydrosfären och den övre delen av litosfären till ett djup av ca 3 km

Ris. 1. Schema över jordskorpans struktur

(Fig. 2). Det speciella med dessa delar är att de är bebodda av levande organismer som utgör planetens levande substans. Samspel abiotisk del av biosfären- luft, vatten, stenar och organiskt material - biota ledde till bildandet av jordar och sedimentära bergarter.

Ris. 2. Biosfärens struktur och förhållandet mellan ytor som upptas av de viktigaste strukturella enheterna

Ämneskretsloppet i biosfären och ekosystemen

Allt tillgängligt för levande organismer kemiska föreningar begränsad i biosfären. Uttömligheten av kemiska ämnen som är lämpliga för assimilering hindrar ofta utvecklingen av vissa grupper av organismer i lokala områden av landet eller havet. Enligt akademikern V.R. Williams, det enda sättet att ge det oändligas ändliga egenskaper är att få det att rotera längs en stängd kurva. Följaktligen bibehålls biosfärens stabilitet tack vare cirkulationen av ämnen och energiflöden. Tillgängliga två huvudcykler av ämnen: stor - geologisk och liten - biogeokemisk.

Stor geologisk cykel(Fig. 3). Kristallina bergarter (magmatiska) under påverkan av fysikaliska, kemiska och biologiska faktorer omvandlas till sedimentära bergarter. Sand och lera är typiska sediment, produkter av omvandlingen av djupa stenar. Bildandet av sediment sker dock inte bara på grund av förstörelsen av befintliga bergarter, utan också genom syntesen av biogena mineraler - skelett av mikroorganismer - från naturresurser - havsvatten, hav och sjöar. Lösa vattenhaltiga sediment, eftersom de isoleras på botten av reservoarer av nya delar av sedimentärt material, nedsänkta till ett djup, faller in i nya termodynamiska förhållanden (högre temperaturer och tryck), förlorar vatten, hårdnar och omvandlas till sedimentära bergarter.

I framtiden sjunker dessa stenar ner i ännu djupare horisonter, där processerna för deras djupa omvandling till nya temperatur- och tryckförhållanden äger rum - metamorfos processer äger rum.

Under påverkan av endogena energiflöden omsmälts djupa bergarter och bildar magma - källan till nya magmatiska bergarter. Efter uppgången av dessa bergarter till jordens yta, under påverkan av processerna för vittring och transport, omvandlas de igen till nya sedimentära bergarter.

En stor cirkulation beror alltså på samspelet mellan solenergin (exogen) och jordens djupa (endogena) energi. Den omfördelar ämnen mellan biosfären och vår planets djupare horisonter.

Ris. 3. Stor (geologisk) cirkulation av ämnen (tunna pilar) och förändring i mångfald i jordskorpan (fyllda breda pilar - tillväxt, streckad - minskad mångfald)

Stor cirkel kallas även vattnets kretslopp mellan hydrosfären, atmosfären och litosfären, som drivs av solens energi. Vatten avdunstar från ytan av vattendrag och land och återvänder sedan till jorden i form av nederbörd. Avdunstning överstiger nederbörd över havet och vice versa över land. Dessa skillnader kompenseras av flodflöden. Landvegetation spelar en viktig roll i det globala vattnets kretslopp. Transpiration av växter i vissa områden av jordens yta kan vara upp till 80-90% av nederbörden som faller här, och i genomsnitt för alla klimatzoner - cirka 30%. Till skillnad från det stora kretsloppet sker det lilla kretsloppet av ämnen endast inom biosfären. Sambandet mellan de stora och små vattenkretsloppen visas i fig. 4.

Cykler på planetarisk skala skapas från otaliga lokala cykliska rörelser av atomer som drivs av den vitala aktiviteten hos organismer i individuella ekosystem, och de rörelser som orsakas av inverkan av landskap och geologiska faktorer (avrinning från ytan och under jorden, vinderosion, rörelse av havsbotten, vulkanism, bergsbyggnad, etc.).

Ris. 4. Förhållandet mellan vattnets stora geologiska cykel (GBC) och vattnets lilla biogeokemiska cykel (MBC)

Till skillnad från energi, som en gång används av kroppen, omvandlas till värme och går förlorad, cirkulerar ämnen i biosfären och skapar biogeokemiska kretslopp. Av de mer än nittio grundämnen som finns i naturen behöver levande organismer ett fyrtiotal. De viktigaste för dem krävs i stora mängder - kol, väte, syre, kväve. Grundämnens och ämnens kretslopp genomförs genom självreglerande processer där alla komponenter deltar. Dessa processer är icke-avfall. Existerar lagen om global stängning av den biogeokemiska cirkulationen i biosfären fungerar i alla stadier av dess utveckling. I processen för utvecklingen av biosfären, rollen av den biologiska komponenten i stängningen av biogeokemikalien
vem cykeln. Människan har ett ännu större inflytande på det biogeokemiska kretsloppet. Men dess roll manifesteras i motsatt riktning (cirkulationerna blir öppna). Grunden för den biogeokemiska cirkulationen av ämnen är solens energi och gröna växters klorofyll. Andra viktigaste kretslopp - vatten, kol, kväve, fosfor och svavel - är förknippade med biogeokemiska och bidrar till det.

Vattnets kretslopp i biosfären

Växter använder vatten väte under fotosyntesen för att bygga organiska föreningar, vilket frigör molekylärt syre. I andningsprocesserna för alla levande varelser, under oxidationen av organiska föreningar, bildas vatten igen. I livets historia har allt det fria vattnet i hydrosfären upprepade gånger gått igenom cykler av nedbrytning och nybildning i planetens levande materia. Cirka 500 000 km 3 vatten är inblandade i vattnets kretslopp på jorden varje år. Vattnets kretslopp och dess reserver visas i fig. 5 (i relativa termer).

Syrets kretslopp i biosfären

Jorden har sin unika atmosfär med ett högt innehåll av fritt syre tack vare fotosyntesprocessen. Bildandet av ozon i de höga skikten av atmosfären är nära relaterat till syrecykeln. Syre frigörs från vattenmolekyler och är i huvudsak en biprodukt av fotosyntetisk aktivitet i växter. Abiotiskt uppstår syre i den övre atmosfären på grund av fotodissociation av vattenånga, men denna källa är bara tusendelar av en procent av de som tillförs genom fotosyntes. Mellan syrehalten i atmosfären och hydrosfären finns en rörlig jämvikt. I vatten är det cirka 21 gånger mindre.

Ris. Fig. 6. Schema för syrgascykeln: feta pilar - huvudflödena för syrgasförsörjning och förbrukning

Det frigjorda syret spenderas intensivt på andningsprocesser för alla aeroba organismer och på oxidation av olika mineralföreningar. Dessa processer sker i atmosfären, marken, vattnet, silt och stenar. Det har visat sig att en betydande del av syret som är bundet i sedimentära bergarter är av fotosyntetiskt ursprung. Utbytesfonden för O i atmosfären är inte mer än 5% av den totala produktionen av fotosyntes. Många anaeroba bakterier oxiderar också organiskt material under anaerob andning med hjälp av sulfater eller nitrater för detta.

Den fullständiga nedbrytningen av organiskt material som skapas av växter kräver exakt samma mängd syre som frigjordes under fotosyntesen. Begravningen av organiska ämnen i sedimentära bergarter, kol och torv fungerade som grunden för att upprätthålla syreutbytesfonden i atmosfären. Allt syre den innehåller passerar full cykel genom levande organismer i cirka 2000 år.

För närvarande är en betydande del av atmosfärens syre bundet till följd av transporter, industri och andra former av antropogen aktivitet. Det är känt att mänskligheten redan spenderar mer än 10 miljarder ton fritt syre från dess totala mängd på 430-470 miljarder ton som tillförs genom fotosyntesprocesser. Om vi ​​tar hänsyn till att endast en liten del av fotosyntetiskt syre kommer in i utbytesfonden, börjar människors aktivitet i detta avseende få alarmerande proportioner.

Syrecykeln är nära relaterad till kolcykeln.

Kolets kretslopp i biosfären

Kol som kemiskt element är grunden för livet. Han kan olika sätt kombineras med många andra element och bildar enkla och komplexa organiska molekyler som utgör levande celler. När det gäller distributionen på planeten upptar kol den elfte platsen (0,35% av vikten av jordskorpan), men i levande materia är det i genomsnitt cirka 18 eller 45% av torr biomassa.

I atmosfären ingår kol i sammansättningen av koldioxid CO 2 , i mindre utsträckning - i sammansättningen av metan CH 4 . I hydrosfären är CO 2 löst i vatten, och dess totala halt är mycket högre än atmosfären. Havet fungerar som en kraftfull buffert för reglering av CO 2 i atmosfären: med en ökning av dess koncentration i luften ökar absorptionen av koldioxid i vattnet. Vissa av CO 2 -molekylerna reagerar med vatten och bildar kolsyra, som sedan dissocierar till HCO 3 - och CO 2- 3-joner. Dessa joner reagerar med kalcium- eller magnesiumkatjoner för att fälla ut karbonater. Liknande reaktioner ligger till grund för havets buffertsystem, hålla vattnets pH konstant.

Atmosfärens och hydrosfärens koldioxid är en utbytesfond i kolets kretslopp, varifrån den hämtas av landväxter och alger. Fotosyntes ligger till grund för alla biologiska cykler på jorden. Frisättningen av fixerat kol sker under andningsaktiviteten hos de fotosyntetiska organismerna själva och alla heterotrofer - bakterier, svampar, djur som ingår i näringskedjan på bekostnad av levande eller dött organiskt material.

Ris. 7. Kolkretslopp

Särskilt aktivt är återföringen av CO 2 till atmosfären från marken, där aktiviteten hos många grupper av organismer är koncentrerad, nedbrytning av rester av döda växter och djur och andning av växternas rotsystem utförs. Denna integrerade process kallas "jordandning" och ger ett betydande bidrag till påfyllningen av CO 2 -utbytesfonden i luften. Parallellt med processerna för mineralisering av organiskt material bildas humus i jordar - ett komplext och stabilt molekylärt komplex rikt på kol. Jordhumus är en av de viktiga reservoarerna av kol på land.

Under förhållanden där destruktörernas aktivitet hämmas av miljöfaktorer (till exempel när en anaerob regim förekommer i jordar och på botten av vattendrag), sönderfaller inte organiskt material som ackumuleras av vegetation, utan förvandlas med tiden till stenar som kol, torv, sapropeller, oljeskiffer och andra rika på ackumulerad solenergi. De fyller på reservfonden av kol och är avstängda från det biologiska kretsloppet under lång tid. Kol deponeras också tillfälligt i levande biomassa, i döda skräp, i löst organiskt material i havet, etc. dock den viktigaste reservfonden för kol på skrivaär inte levande organismer och inte brännbara fossiler, men sedimentära bergarter är kalkstenar och dolomiter. Deras bildning är också förknippad med aktiviteten av levande materia. Kolet från dessa karbonater är begravt under lång tid i jordens tarmar och kommer in i cirkulationen endast under erosion när stenar exponeras i tektoniska cykler.

Endast bråkdelar av en procent av kolet från dess totala mängd på jorden deltar i den biogeokemiska cykeln. Atmosfäriskt och hydrosfäriskt kol passerar upprepade gånger genom levande organismer. Landväxter kan tömma sina reserver i luften på 4-5 år, reserver i jordhumus - om 300-400 år. Den huvudsakliga avkastningen av kol till utbytesfonden sker på grund av aktiviteten hos levande organismer, och endast en liten del av det (tusendelar av en procent) kompenseras av utsläppet från jordens inre som en del av vulkaniska gaser.

För närvarande håller utvinning och förbränning av enorma reserver av fossila bränslen på att bli en kraftfull faktor i överföringen av kol från reserven till biosfärens utbytesfond.

Kvävets kretslopp i biosfären

Atmosfären och levande materia innehåller mindre än 2% av allt kväve på jorden, men det är han som stödjer livet på planeten. Kväve är en av de viktigaste organiska molekyler- DNA, proteiner, lipoproteiner, ATP, klorofyll etc. I växtvävnader är dess förhållande med kol i genomsnitt 1: 30, och i tång I: 6. Därför är den biologiska cykeln av kväve också nära relaterad till kol.

Atmosfärens molekylära kväve är inte tillgängligt för växter, som kan absorbera detta element endast i form av ammoniumjoner, nitrater eller från jord- eller vattenlösningar. Därför är kvävebrist ofta en faktor som begränsar primärproduktion- organismers arbete i samband med skapandet av organiska ämnen från oorganiska. Ändå är atmosfäriskt kväve i stor utsträckning involverat i det biologiska kretsloppet på grund av aktiviteten hos speciella bakterier (kvävefixerare).

Ammonifierande mikroorganismer tar också en viktig del i kvävets kretslopp. De bryter ner proteiner och andra kvävehaltiga organiska ämnen till ammoniak. I ammoniumformen återabsorberas kväve dels av växternas rötter, dels fångas upp av nitrifierande mikroorganismer, vilket är motsatt till funktionerna hos en grupp mikroorganismer - denitrifierare.

Ris. 8. Kvävets kretslopp

Under anaeroba förhållanden i jordar eller vatten använder de syre från nitrater för att oxidera organiskt material och få energi för sin livsaktivitet. Kväve reduceras till molekylärt kväve. Kvävefixering och denitrifikation i naturen är ungefär balanserade. Kvävets kretslopp beror alltså till övervägande del på bakteriell aktivitet, medan växter kommer in i den genom att använda mellanprodukterna i denna cykel och kraftigt öka kvävecirkulationen i biosfären genom produktion av biomassa.

Bakteriernas roll i kvävets kretslopp är så stor att om bara 20 av deras arter förstörs kommer livet på vår planet att upphöra.

Icke-biologisk fixering av kväve och inträngning av dess oxider och ammoniak i marken sker också med nederbörd under atmosfärisk jonisering och blixtnedslag. Den moderna gödselindustrin fixerar atmosfäriskt kväve utöver naturlig kvävefixering för att öka växtproduktionen.

För närvarande påverkar mänsklig aktivitet i allt högre grad kvävecykeln, främst i riktning mot att överskrida dess omvandling till bundna former över processerna för att återgå till molekylärt tillstånd.

Fosforcykeln i biosfären

Detta element, som är nödvändigt för syntesen av många organiska ämnen, inklusive ATP, DNA, RNA, absorberas av växter endast i form av ortofosforsyrajoner (PO 3 4 +). Det tillhör de element som begränsar primärproduktionen både på land och särskilt i havet, eftersom utbytesfonden för fosfor i jordar och vatten är liten. Cirkulationen av detta element på biosfärens skala är inte stängd.

På land drar växter fosfater från jorden, som frigörs av nedbrytare från ruttnande organiska rester. Men i alkalisk eller sur jord sjunker lösligheten av fosforföreningar kraftigt. Den huvudsakliga reservfonden för fosfater finns i bergarter som skapats på havsbotten i det geologiska förflutna. I samband med bergläckage passerar en del av dessa reserver i marken och spolas ut i vattendrag i form av suspensioner och lösningar. I hydrosfären används fosfater av växtplankton och passerar genom näringskedjor till andra hydrobionter. Men i havet är de flesta fosforföreningarna begravda med rester av djur och växter på botten, följt av en övergång med sedimentära bergarter till en stor geologisk cykel. På djupet binder lösta fosfater till kalcium och bildar fosforiter och apatiter. I biosfären finns det faktiskt ett enkelriktat flöde av fosfor från landets klippor till havets djup, därför är dess utbytesfond i hydrosfären mycket begränsad.

Ris. 9. Fosforcykel

Markavlagringar av fosforiter och apatiter används vid tillverkning av gödningsmedel. Inträngningen av fosfor i sötvatten är en av huvudorsakerna till deras "blomning".

Svavelcykeln i biosfären

Svavelcykeln, nödvändig för konstruktionen av ett antal aminosyror, är ansvarig för den tredimensionella strukturen hos proteiner och stöds i biosfären av ett brett spektrum av bakterier. Aeroba mikroorganismer, som oxiderar svavel från organiska rester till sulfater, såväl som anaeroba sulfatreducerare, som reducerar sulfater till vätesulfid, deltar i separata länkar i denna cykel. Förutom de listade grupperna av svavelbakterier oxiderar de svavelväte till elementärt svavel och vidare till sulfater. Växter absorberar endast SO 2-4 joner från jord och vatten.

Ringen i mitten illustrerar oxidations- (O) och reduktions- (R) processer som utbyter svavel mellan den tillgängliga sulfatpoolen och järnsulfidpoolen djupt i marken och sedimentet.

Ris. 10. Svavelcykel. Ringen i mitten illustrerar oxidations (0) och reduktions (R) processer som utbyter svavel mellan den tillgängliga sulfatpoolen och järnsulfidpoolen djupt i jord och sediment.

Den huvudsakliga ansamlingen av svavel sker i havet, där sulfatjoner kontinuerligt tillförs från land med flodavrinning. När svavelväte frigörs från vattnet återförs svavel delvis till atmosfären, där det oxideras till dioxid och förvandlas till svavelsyra i regnvatten. Industriell användning av stora mängder sulfater och elementärt svavel och förbränning av fossila bränslen släpper ut stora mängder svaveldioxid i atmosfären. Detta skadar växtlighet, djur, människor och fungerar som en källa till surt regn, vilket förvärrar de negativa effekterna av mänsklig inblandning i svavelcykeln.

Hastigheten för cirkulation av ämnen

Alla kretslopp av ämnen sker med olika hastigheter (bild 11)

Således stöds cyklerna för alla biogena element på planeten av en komplex interaktion av olika delar. De bildas av aktiviteten hos grupper av organismer med olika funktioner, av systemet för avrinning och avdunstning som förbinder havet och land, av cirkulationsprocesserna för vatten och luftmassor, genom inverkan av gravitationskrafter, av litosfärisk plattektonik, och genom andra storskaliga geologiska och geofysiska processer.

Biosfären fungerar som ett enda komplext system där olika kretslopp av ämnen äger rum. Huvudmotorn för dessa cykler är planetens levande substans, alla levande organismer, tillhandahålla processer för syntes, omvandling och nedbrytning av organiskt material.

Ris. 11. Ämnescirkulationshastigheten (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Grunden för den ekologiska synen på världen är tanken att varje levande varelse är omgiven av många olika faktorer som påverkar den, som tillsammans bildar dess livsmiljö - en biotop. Därav, biotop - ett stycke territorium som är homogent vad gäller levnadsvillkor för vissa typer av växter eller djur(lutningen av en ravin, en urban skogspark, en liten sjö eller del av en stor, men med homogena förhållanden - kustdelen, djupvattensdelen).

Organismer som är karakteristiska för en viss biotop är livsgemenskap, eller biocenos(sjöns djur, växter och mikroorganismer, äng, kustremsa).

Livsgemenskapen (biocenos) bildar en enda helhet med sin biotop, som kallas ekologiskt system (ekosystem). En myrstack, en sjö, en damm, en äng, en skog, en stad, en gård kan tjäna som exempel på naturliga ekosystem. Ett klassiskt exempel på ett artificiellt ekosystem är ett rymdskepp. Som du kan se finns det ingen strikt rumslig struktur här. Nära konceptet med ett ekosystem ligger konceptet biogeocenos.

Huvudkomponenterna i ekosystemen är:

• livlös (abiotisk) miljö. Dessa är vatten, mineraler, gaser, samt organiska ämnen och humus;
• biotiska komponenter. Dessa inkluderar: producenter eller producenter (gröna växter), konsumenter eller konsumenter (levande varelser som livnär sig på producenter) och nedbrytare eller nedbrytare (mikroorganismer).

Naturen är extremt ekonomisk. Således överförs biomassan som skapas av organismer (substansen i organismernas kroppar) och energin som finns i dem till andra medlemmar av ekosystemet: djur äter växter, dessa djur äts av andra djur. Denna process kallas mat eller trofisk kedja. I naturen korsar näringskedjorna ofta, bildar ett näringsnät.

Exempel på näringskedjor: växt - växtätare - rovdjur; spannmål - åkermus - räv etc. och näringsväven visas i fig. 12.

Sålunda är jämviktstillståndet i biosfären baserat på interaktionen mellan biotiska och abiotiska miljöfaktorer, som upprätthålls på grund av det kontinuerliga utbytet av materia och energi mellan alla komponenter i ekosystemen.

I slutna cykler av naturliga ekosystem, tillsammans med andra, är deltagandet av två faktorer obligatoriskt: närvaron av nedbrytare och den konstanta tillförseln av solenergi. Det finns få eller inga nedbrytare i urbana och artificiella ekosystem, så flytande, fast och gasformigt avfall ansamlas och förorenar miljön.

Ris. 12. Näringsväv och materiaflödets riktning

Stort kretslopp av ämnen i naturen på grund av solenergins växelverkan med jordens djupa energi och omfördelar materia mellan biosfären och jordens djupare horisonter.

Sedimentära bergarter som bildas på grund av vittring av magmatiska bergarter i de mobila zonerna av jordskorpan störtar igen in i zonen med höga temperaturer och tryck. Där smälts de ner och bildar magma – källan till nya magmatiska bergarter. Efter uppgången av dessa bergarter till jordens yta och verkan av vittringsprocesser, omvandlas de igen till nya sedimentära bergarter. Den nya cirkulationscykeln upprepar inte exakt den gamla, utan introducerar något nytt, vilket med tiden leder till mycket betydande förändringar.

drivkraft stor (geologisk) cirkulationär exogena och endogena geologiska processer.

Endogena processer(processer av inre dynamik) sker under påverkan av jordens inre energi, frigörs som ett resultat av radioaktivt sönderfall, kemiska reaktioner av bildning av mineraler, kristallisering av stenar, etc. (till exempel tektoniska rörelser, jordbävningar, magmatism , metamorfism).

Exogena processer(processer av yttre dynamik) fortskrider under påverkan av solens yttre energi. Exempel: vittring av bergarter och mineraler, avlägsnande av förstörelseprodukter från vissa områden av jordskorpan och deras överföring till nya områden, avsättning och ansamling av förstörelseprodukter med bildning av sedimentära bergarter. Till Ex.pr. relation geologisk aktivitet hos atmosfären, hydrosfären, såväl som levande organismer och människor.

De största landformerna (kontinenter och oceaniska fördjupningar) och stora landformer (berg och slätter) bildades på grund av endogena processer, medan medelstora och små landformer (floddalar, kullar, raviner, sanddyner, etc.), överlagrade på större landformer, bildades på grund av exogena processer. Således är endogena och exogena processer motsatta. De förra leder till bildandet av stora landformer, de senare till deras utjämning.

Exempel på det geologiska kretsloppet. Magmatiska bergarter omvandlas till sedimentära bergarter till följd av vittring. I jordskorpans rörliga zoner sjunker de ner i jordens djup. Där, under inverkan av höga temperaturer och tryck, smälter de och bildar magma, som stiger upp till ytan och stelnar och bildar magmatiska bergarter.

Ett exempel på ett stort kretslopp är cirkulationen av vatten mellan land och hav genom atmosfären (Fig. 2.1).

Ris. 2.1. Det allmänt accepterade schemat för hydrologiskt (klimatiskt)

vattnets kretslopp i naturen

Fukt som avdunstat från världshavets yta (som förbrukar nästan hälften av solenergin som kommer till jordens yta) överförs till land, där den faller i form av nederbörd, som återigen återvänder till havet i form av yta och underjordisk avrinning. Vattnets kretslopp sker också enligt ett enklare schema: avdunstning av fukt från havets yta - kondensering av vattenånga - nederbörd på samma vattenyta i havet.

Vattnets kretslopp som helhet spelar en stor roll för att forma de naturliga förhållandena på vår planet. Med hänsyn till växternas transpiration av vatten och dess absorption i det biogeokemiska kretsloppet förfaller hela vattenförsörjningen på jorden och återställs på 2 miljoner år.

Således fortskrider den geologiska cirkulationen av ämnen utan deltagande av levande organismer och omfördelar materia mellan biosfären och jordens djupare lager.