Materiens biologiska och geologiska kretslopp. Ämnets kretslopp
geologisk kretsämnen har störst hastighet i horisontell riktning mellan land och hav. Innebörden av en stor cirkulation är att stenar utsätts för förstörelse, vittring och vittringsprodukter, inklusive vattenlösliga näringsämnen, transporteras av vattenflöden ut i världshavet med bildandet av marina skikt och återvänder endast delvis till land, t.ex. , med nederbörd eller med organismer som utvinns ur vatten av människor. Sedan, under en lång tidsperiod, inträffar långsamma geotektoniska förändringar - kontinenternas rörelse, havsbottnens uppgång och fall, vulkanutbrott etc., som ett resultat av vilka de bildade skikten återvänder till land och processen börjar igen.
Stor geologisk cykel av materia. Under påverkan av denudationsprocesser sker förstörelsen av stenar och sedimentation. Sedimentära bergarter bildas. I områden med stabil sättning (vanligtvis havsbotten) kommer substansen i det geografiska höljet in i jordens djupa lager. Vidare, under påverkan av temperatur och tryck, sker metamorfa processer, som ett resultat av vilka stenar bildas, ämnet rör sig närmare jordens centrum. Magmatism uppstår i jordens tarmar vid mycket höga temperaturer: bergarter smälter, stiger i form av magma längs förkastningar till jordytan och rinner ut till ytan under utbrott. Därmed genomförs cirkulationen av materia. Det geologiska kretsloppet är komplicerat om man tar hänsyn till utbytet av materia med yttre rymden. Den stora geologiska cykeln är inte sluten i den meningen att någon partikel av materia som har fallit ner i jordens tarmar inte nödvändigtvis kommer upp till ytan, och vice versa, en partikel som stiger under ett utbrott kunde aldrig ha varit på jordens yta innan.
De viktigaste energikällorna för naturliga processer på jorden
Solstrålning är den viktigaste energikällan på jorden. Dess kraft kännetecknas av solkonstanten - mängden energi som passerar genom området för en enhetsarea, vinkelrätt mot solens strålar. På ett avstånd av en astronomisk enhet (det vill säga i jordens omloppsbana) är denna konstant cirka 1370 W / m².
Levande organismer använder solens energi (fotosyntes) och energin från kemiska bindningar (kemosyntes). Denna energi kan användas i olika naturliga och artificiella processer. En tredjedel av all energi reflekteras av atmosfären, 0,02% används av växter för fotosyntes, och resten används för att stödja många naturliga processer - uppvärmning av jorden, havet, atmosfären, luftrörelser. vikt Direkt solvärme eller energiomvandling med hjälp av fotovoltaiska celler kan användas för att generera el (solkraftverk) eller utföra andra nyttigt arbete. I ett avlägset förflutet erhölls även den energi som lagrades i olja och andra fossila bränslen genom fotosyntes.
Denna enorma energi leder till global uppvärmning, för efter att den har gått igenom naturliga processer, strålas den tillbaka och atmosfären låter den inte gå tillbaka.
2. Jordens inre energi; manifestation - vulkaner, varma källor
18. Energiomvandlingar av biotiskt och abiotiskt ursprung
Det finns inget avfall i ett fungerande naturligt ekosystem. Alla organismer, levande eller döda, är potentiellt föda för andra organismer: en larv äter löv, en trast äter larver, en hök kan äta en trast. När växterna, larven, trasten och höken dör, bearbetas de i sin tur av nedbrytare.
Alla organismer som äter samma typ av mat tillhör samma trofisk nivå.
organismer naturliga ekosystemär involverade i ett komplext nätverk av många sammankopplade livsmedelskedjor. Ett sådant nätverk kallas näringsväv.
Pyramider av energiflöden: Med varje övergång från en trofisk nivå till en annan inom näringskedjan eller nätverk, arbete utförs och termisk energi släpps ut i miljön, och mängden energi Hög kvalitet används av organismer av nästa trofisk nivå minskar.
10 % regel: när man flyttar från en trofisk nivå till en annan går 90 % av energin förlorad och 10 % överförs till nästa nivå.
Ju längre näringskedjan är, desto mer nyttig energi går till spillo. Därför överstiger längden på näringskedjan vanligtvis inte 4 - 5 länkar.
Energi för jordens landskapssfär:
1) solenergi: termisk, strålande
2) flödet av termisk energi från jordens tarmar
3) tidvattenströmmars energi
4) tektonisk energi
5) energiassimilering under fotosyntes
Vattnets kretslopp i naturen
Vattnets kretslopp i naturen är processen för cyklisk rörelse av vatten i jordens biosfär. Den består av avdunstning, kondensering och nederbörd (atmosfärisk nederbörd avdunstar delvis, bildar delvis tillfälliga och permanenta avlopp och reservoarer, sipprar delvis ner i marken och bildar grundvatten), samt mantelavgasningsprocesser: vatten rinner kontinuerligt från manteln. vatten har hittats även på stora djup.
Haven förlorar på grund av avdunstning mer vattenän som erhållits med nederbörd, på land - är situationen den omvända. Vatten cirkulerar kontinuerligt runt jorden, medan dess total förblir oförändrad.
75 % av jordens yta är täckt med vatten. Jordens vattenskal är hydrosfären. Det mesta är saltvatten i haven och haven, och den mindre delen är det färskvatten sjöar, floder, glaciärer, grundvatten och vattenånga.
På jorden finns vatten i tre aggregationstillstånd: flytande, fast och gasformig. Levande organismer kan inte existera utan vatten. I vilken organism som helst är vatten det medium där kemiska reaktioner utan vilka levande organismer inte kan leva. Vatten är det mest värdefulla och nödvändigaste ämnet för levande organismers liv.
Det finns flera typer av vattenkretslopp i naturen:
En stor, eller värld, cykel - vattenånga som bildas ovanför havens yta förs av vindar till kontinenterna, faller där i form av nederbörd och återvänder till havet i form av avrinning. I denna process förändras vattnets kvalitet: under avdunstning, salt havsvatten förvandlas till färsk, och förorenad - renas.
En liten, eller oceanisk, cykel - vattenånga som bildas ovanför havets yta kondenserar och faller tillbaka i havet som nederbörd.
Intrakontinental cirkulation - vatten som har avdunstat ovanför landytan faller igen på land i form av nederbörd.
I slutändan når nederbörden i rörelseprocessen igen haven.
Överföringshastighet olika sorter vatten varierar över ett brett intervall, så flödesperioderna och perioderna av vattenförnyelse är också olika. De varierar från några timmar till flera tiotals årtusenden. Atmosfärisk fukt, som bildas genom avdunstning av vatten från haven, hav och land och som finns i form av moln, uppdateras i genomsnitt efter åtta dagar.
Vattnet som utgör levande organismer återställs inom några timmar. Detta är det mesta aktiv form vattenbyte. Perioden för förnyelse av vattenreserver i bergsglaciärer är cirka 1 600 år, i polarländernas glaciärer är den mycket längre - cirka 9 700 år.
Den fullständiga förnyelsen av världshavets vatten inträffar om cirka 2 700 år.
Effekter av samverkan mellan solstrålning, rörlig och roterande jord.
I denna fråga säsongsvariationer bör beaktas: vinter/sommar. Beskriv att på grund av jordens rotation och rörelse kommer solstrålningen ojämnt, vilket betyder att klimatförhållanden förändras med latitud.
Jorden lutar till ekliptikans plan med 23,5 grader.
Strålarna rör sig i olika vinklar. strålningsbalans. Det är viktigt inte bara hur mycket man vinner, utan också hur mycket man förlorar, och hur mycket som återstår, med hänsyn till albedot.
Atmosfäriska aktionscentra
Stora områden med ihållande högt eller lågt tryck i samband med atmosfärens allmänna cirkulation - atmosfärens handlingscentra. De bestämmer vindarnas rådande riktning och fungerar som centra för bildning geografiska typer luftmassor. På synoptiska kartor uttrycks de av slutna linjer - isobarer.
Orsaker: 1) jordens heterogenitet;
2) skillnaden i fysisk. egenskaper hos mark och vatten (värmekapacitet)
3) skillnad i ytalbedo (R/Q): vatten – 6%, ekv. skogar - 10-12%, breda skogar - 18%, ängar - 22-23%, snö - 92%;
4) F Coriolis
Detta orsakar OCA.
Atmosfäriska aktionscentra:
● permanent- i dem finns hög- eller lågtryck året runt:
1. ekvatorial remsa ner. tryck, vars axel migrerar något från ekvatorn efter solen mot sommarhalvklotet - Ekvatorial depression (orsaker: en stor mängd Q och hav);
2. på ett subtropiskt band förhöjt. trycket i norr. och Yuzh. hemisfärer; flera migrerar på sommaren till högre subtroper. breddgrader, på vintern - till lägre; bryta upp i ett antal oceaniska. anticykloner: i norr. halvklot - Azorerna anticyklon (särskilt på sommaren) och Hawaiian; i södra - södra Indiska, södra Stilla havet och södra Atlanten;
3. områden sänkt. tryck över haven på de höga breddgraderna i tempererade zoner: i norr. halvklot - isländska (särskilt på vintern) och aleutiska lågnivåer, i söder - en kontinuerlig ring av lågtryck som omger Antarktis (50 0 S);
4. ökningsområden. tryck över Arktis (särskilt på vintern) och Antarktis - anticykloner;
● säsong-- spåras som områden med högt eller lågt tryck under en säsong, som förändras under en annan säsong till handlingscentrum för atmosfären av det motsatta tecknet. Deras existens är förknippad med en kraftig förändring under året i temperaturen på landytan i förhållande till temperaturen på havens yta; sommarens överhettning av marken skapar gynnsamma förutsättningar för bildandet av lägre områden här. tryck, vinter hypotermi - för områden med ökad. tryck. Allt i. halvklotet till vinterområdena ökat. påtryckningar inkluderar den asiatiska (sibiriska) med ett centrum i Mongoliet och de kanadensiska maxima, i södra - australiensiska, sydamerikanska och sydafrikanska maxima. Sommarområden lägre tryck: i Sev. halvklot - sydasiatiska (eller västasiatiska) och nordamerikanska låga nivåer, i söder. - Australiensiska, sydamerikanska och sydafrikanska låga nivåer).
Atmosfärens handlingscentra är inneboende i en viss typ av väder. Därför får luften här relativt snabbt egenskaperna hos den underliggande ytan - varmt och fuktigt i ekvatorialdepressionen, kallt och torrt i den mongoliska anticyklonen, kallt och fuktigt i det isländska låget osv.
Planetär värmeöverföring och dess orsaker
Huvuddragen i planetarisk värmeöverföring. Solenergin som absorberas av jordklotets yta spenderas sedan på avdunstning och värmeöverföring genom turbulenta flöden. Avdunstning tar i genomsnitt cirka 80% runt planeten, och turbulent värmeöverföring - de återstående 20% av den totala värmen.
Processerna för värmeöverföring och förändringar med den geografiska latituden för dess komponenter i havet och på land är mycket unika. All värme som absorberas av landet på våren och sommaren går helt förlorad på hösten och vintern; med en balanserad årlig värmebudget visar det sig därför vara lika med noll överallt.
I världshavet, på grund av vattnets höga värmekapacitet och dess rörlighet på låga breddgrader, ackumuleras värme, varifrån den transporteras med strömmar till höga breddgrader, där dess utgifter överstiger dess intag. Således täcks bristen som skapas i värmeväxlingen av vatten med luft.
I världshavets ekvatorialzon, med en stor mängd absorberad solstrålning och minskad energiförbrukning, har den årliga värmebudgeten maximala positiva värden. Med avstånd från ekvatorn minskar den positiva årliga värmebudgeten på grund av en ökning av värmeöverföringsförbrukningsmaterial, främst avdunstning. Med övergången från tropikerna till tempererade breddgrader blir värmebudgeten negativ.
Inom landet spenderas all värme som tas emot under vår-sommartiden under höst-vinterperioden. I världshavets vatten har under jordens långa historia samlats en enorm mängd värme lika med 7,6 * 10^21 kcal. Ansamlingen av en så stor massa förklaras av vattnets höga värmekapacitet och dess intensiva blandning, under vilken en ganska komplex omfördelning av värme sker i oceanosfärens tjocklek. Värmekapaciteten i hela atmosfären är 4 gånger mindre än den för ett tio meter långt lager av världshavets vatten.
Trots att andelen solenergi som används för turbulent värmeväxling mellan jordens yta och luft är relativt liten är den den huvudsakliga uppvärmningskällan för den ytnära delen av atmosfären. Intensiteten av denna värmeöverföring beror på temperaturskillnaden mellan luften och den underliggande ytan (vatten eller land). På planetens låga breddgrader (från ekvatorn till ungefär de fyrtionde breddgraderna på båda halvkloten) värms luften upp huvudsakligen från marken, som inte kan ackumulera solenergi och avger all värme den tar emot till atmosfären. På grund av turbulent värmeöverföring får luftskalet från 20 till 40 kcal/cm^2 per år, och i områden med låg fuktighet (Sahara, Arabien, etc.) till och med mer än 60 kcal/cm^2. Vatten på dessa breddgrader ackumulerar värme, vilket ger luften i processen med turbulent värmeväxling endast 5-10 kcal/cm^2 per år eller mindre. Endast i vissa områden (ett begränsat område) visar sig vattnet vara kallare i genomsnitt per år och får därför värme från luften (i ekvatorialzonen, i nordvästra Indiska oceanen, samt utanför Afrikas västra kust och Sydamerika).
Sida 1
En stor geologisk cykel involverar sedimentära bergarter djupt in i jordskorpan, för att under lång tid stänga av de element som finns i dem från systemet. biologiska cykeln. Under geologisk historia de omvandlade sedimentära bergarterna, återigen på jordens yta, förstörs gradvis av aktiviteten hos levande organismer, vatten och luft, och ingår återigen i biosfärens kretslopp.
En stor geologisk cykel sker över hundratusentals eller miljoner år. Den består av följande: stenar förstörs, vittras och sköljs så småningom bort av vattenflöden i haven. Här avsätts de på botten och bildar sedimentära bergarter och återvänder endast delvis till land med organismer som avlägsnats från vattnet av människor eller andra djur.
I hjärtat av en stor geologisk cykel är processen att överföra mineralföreningar från en plats till en annan på planetarisk skala utan deltagande av levande materia.
Utöver den lilla cirkulationen finns en stor, geologisk cirkulation. Vissa ämnen kommer in i jordens djupa lager (genom havens bottensediment eller på annat sätt), där långsamma omvandlingar sker med bildandet av olika föreningar, mineraliska och organiska. Processerna i den geologiska cykeln stöds huvudsakligen av jordens inre energi, dess aktiva kärna. Samma energi bidrar till frigörandet av ämnen till jordens yta. Därmed stängs en stor cirkulation av ämnen. Det tar miljontals år.
När det gäller hastigheten och intensiteten av den stora geologiska cirkulationen av ämnen är det för närvarande omöjligt att ge några exakta uppgifter, det finns bara ungefärliga uppskattningar och då endast för den exogena komponenten allmän cykel, dvs. utan att ta hänsyn till inflödet av materia från manteln till jordskorpan.
Detta kol deltar i en stor geologisk cykel. Detta kol, i en liten biotisk cykel, upprätthåller gasbalansen i biosfären och livet i allmänhet.
| Fast avrinning från några floder i världen. |
Bidraget från biosfäriska och teknosfäriska komponenter till den stora geologiska cykeln av jordens ämnen är mycket betydande: det sker en ständigt progressiv tillväxt av teknosfäriska komponenter på grund av expansionen av sfären för mänsklig produktionsaktivitet.
Eftersom det huvudsakliga teknobio-geokemiska flödet på jordens yta riktas inom ramen för en stor geologisk cirkulation av ämnen för 70% av landet i havet och för 30% - in i slutna avloppsfria fördjupningar, men alltid från högre till lägre höjder, som ett resultat av verkan av gravitationskrafter, respektive differentiering av jordskorpans materia från höga till låga höjder, från land till hav. Omvända flöden (atmosfärisk transport, mänsklig aktivitet, tektoniska rörelser, vulkanism, migration av organismer) komplicerar i viss mån denna allmänna nedåtgående rörelse av materia, skapar lokala migrationscykler, men förändrar den inte i allmänhet.
Cirkulationen av vatten mellan land och hav genom atmosfären hänvisar till en stor geologisk cykel. Vatten avdunstar från havens yta och överförs antingen till land, där det faller i form av nederbörd, som återigen går tillbaka till havet i form av yt- och underjordisk avrinning, eller faller i form av nederbörd till ytan av havet. Mer än 500 tusen km3 vatten deltar i vattnets kretslopp på jorden varje år. 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.
Enligt hans formulering utvecklas ämnens biologiska kretslopp på en del av banan för ett stort geologiskt kretslopp av ämnen i naturen.
Transport av materia med yta och grundvatten- detta är huvudfaktorn när det gäller geokemisk differentiering av jordens land, men inte den enda, och om vi talar om den stora geologiska cirkulationen av ämnen på jordens yta som helhet, så är det mycket väsentlig roll flöden spelar också, i synnerhet, oceanisk och atmosfärisk transport.
Beträffande hastigheten och intensiteten av den stora geologiska cirkulationen av ämnen är det för närvarande omöjligt att ge några exakta uppgifter, det finns bara ungefärliga uppskattningar, och då endast för den exogena komponenten av den allmänna cykeln, d.v.s. utan att ta hänsyn till inflödet av materia från manteln till jordskorpan. Den exogena komponenten i den stora geologiska cirkulationen av ämnen är den ständigt pågående processen med denudering av jordens yta.
Sida 1
Geologisk cykel (stor cykel av ämnen i naturen) - kretsloppet av ämnen, drivkraft som är exogena och endogena geologiska processer.
Geologisk cirkulation - cirkulationen av ämnen, vars drivkraft är exogena och endogena geologiska processer.
Gränserna för den geologiska cykeln är mycket bredare än biosfärens gränser, dess amplitud fångar jordskorpans lager långt bortom biosfären. Och, viktigast av allt, levande organismer spelar en sekundär roll i processerna i denna cykel.
Således fortsätter den geologiska cirkulationen av ämnen utan deltagande av levande organismer och omfördelar materia mellan biosfären och jordens djupare lager.
Den viktigaste rollen i det geologiska kretsloppets stora kretslopp spelas av små kretslopp av materia, både biosfäriska och teknosfäriska, en gång i vilka ämnet är avstängt under lång tid från det stora geokemiska flödet, omvandlas i oändliga syntescykler och sönderfall.
Den viktigaste rollen i den geologiska cirkulationens stora kretslopp spelas av små cykler av materia, både biosfäriska och teknosfäriska, en gång i vilka ämnet är avstängt under lång tid från det stora geokemiska flödet och omvandlas i oändliga syntescykler och nedbrytning.
Detta kol deltar i den långsamma geologiska cykeln.
Det är detta kol som deltar i den långsamma geologiska cykeln. Livet på jorden och gasbalansen i atmosfären stöds av relativt små mängder kol som finns i växtvävnader (5 10 ton) och djurvävnader (5 109 ton) som deltar i den lilla (biogena) cykeln. Men för närvarande sluter en person intensivt kretsloppet av ämnen, inklusive kol. Till exempel uppskattas att den totala biomassan för alla husdjur redan överstiger biomassan för alla vilda landdjur. Områdena med odlade växter närmar sig områdena med naturliga biogeocenoser, och många kulturella ekosystem, vad gäller deras produktivitet, kontinuerligt ökad av människan, är betydligt överlägsna naturliga.
Den mest omfattande i tid och rum är den så kallade geologiska cykeln av materia.
Det finns 2 typer av cirkulation av ämnen i naturen: en stor eller geologisk cykel av ämnen mellan land och hav; liten eller biologisk - mellan jord och växter.
Vattnet som extraheras av växten från jorden i ångtillstånd kommer in i atmosfären, kyls sedan ned, kondenserar och återgår till jorden eller havet som nederbörd. Det geologiska vattnets kretslopp ger mekanisk omfördelning, sedimentering, ackumulering av fasta sediment på land och på botten av vattendrag, såväl som i processen för mekanisk förstörelse av jordar och stenar. Vattens kemiska funktion utförs dock med deltagande av levande organismer eller deras metaboliska produkter. Naturliga vatten, liksom jordar, är ett komplext bio-inert ämne.
Människans geokemiska aktivitet blir i skala jämförbar med biologiska och geologiska processer. I den geologiska cykeln ökar kopplingen till denudation kraftigt.
Faktorn som lämnar det huvudsakliga avtrycket på den allmänna karaktären och biologiska. Samtidigt strävar det geologiska vattnets kretslopp ständigt efter att tvätta ut alla dessa element ur skikten av torra land till havsbassängen. Därför kräver bevarandet av växtnäringselement i landet att de omvandlas till en absolut vattenolöslig form. Detta krav uppfylls av en levande ekologisk.
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 materia när det gäller 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 det enorma transformativa geologisk roll levande substans. För organisk evolution levande organismer tusen gånger (för olika cykler från 103 till 105 gånger) passerade genom sig själva, genom sina organ, vävnader, celler, blod, hela atmosfären, hela världshavets volym, det mesta av jordmassan, en enorm massa av mineraler. 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. När levande organismer passerar genom sin kropp genomför stora volymer luft och naturliga lösningar biogen migration (rörelse kemiska substanser) och koncentration av kemiska grundämnen 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 vara innesluten i ren 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 extraherar från miljöämnen som är nödvändiga för livet 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 det sker en överföring av energi och materia längs länkarna i näringskedjan, vilket vi diskuterat 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 kommer därmed in i komplexets sammansättning organiska föreningar, bildas, och sedan, när de senare förstörs, få de återigen 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 integrerad del 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.
För att biosfären ska fortsätta att existera, så att dess rörelse (utveckling) inte stannar, måste kretsloppet av biologiskt viktiga ämnen ständigt inträffa på jorden. Denna övergång av biologiskt viktiga ämnen från länk till länk kan endast utföras med en viss energiförbrukning, vars källa är solen.
Solenergi ger två cykler av materia på jorden:
- geologisk (abiotisk), eller stor, cirkulation;
- biologisk (biotisk), eller liten, cirkulation.
geologiska cykeln tydligast manifesterad i vattnets kretslopp och atmosfärisk cirkulation.
Cirka 21 10 20 kJ strålningsenergi kommer till jorden från solen varje år. Ungefär hälften av det går åt till avdunstning av vatten. Det är detta som skapar det stora kretsloppet.
Vattnets kretslopp i biosfären bygger på att dess totala avdunstning från jordens yta kompenseras av nederbörd. Samtidigt avdunstar mer vatten från havet än som återkommer med nederbörd. På land faller det tvärtom mer nederbörd än vad vatten avdunstar. Dess överskott rinner ut i floder och sjöar, och därifrån - igen i havet.
I processen med den geologiska vattencykeln överförs mineralföreningar från en plats till en annan på planetarisk skala, och tillståndet för aggregation av vatten förändras också (flytande, fast - snö, is; gasformig - ånga). Vatten cirkulerar mest intensivt i ångtillstånd.
Med tillkomsten av levande materia baserad på atmosfärens cirkulation, vatten, mineralföreningar lösta i den, d.v.s. på grundval av det abiotiska, geologiska kretsloppet, kretsloppet av organiskt material, eller litet, uppstod, biologiska cykeln.
I takt med att levande materia utvecklas utvinns ständigt fler och fler grundämnen från det geologiska kretsloppet och går in i ett nytt, biologiskt kretslopp.
I motsats till den enkla överföringsrörelsen av mineralelement i en stor (geologisk) cykel, i en liten (biologisk) cykel, är de viktigaste momenten syntesen och förstörelsen av organiska föreningar. Dessa två processer är i ett visst förhållande, vilket ligger till grund för livet och är ett av dess huvuddrag.
Till skillnad från det geologiska kretsloppet har det biologiska kretsloppet lägre energi. Som bekant spenderas endast 0,1-0,2% av solenergin som inträffar på jorden på att skapa organiskt material (upp till 50% på den geologiska cykeln). Trots detta går energin som är involverad i det biologiska kretsloppet ut på en enorm mängd arbete för att skapa primärproduktion på jorden.
Med tillkomsten av levande materia på jorden cirkulerar kemiska element kontinuerligt i biosfären och passerar från yttre miljön in i organismer och tillbaka till miljön.
En sådan cirkulation av kemiska element längs mer eller mindre slutna vägar, som fortsätter med användningen av solenergi genom levande organismer, kallas biogeokemisk cirkulation (cykel).
De huvudsakliga biogeokemiska kretsloppen är kretsloppen av syre, kol, kväve, fosfor, svavel, vatten och biogena element.
Kolets kretslopp.
På land börjar kolets kretslopp med att växter binder koldioxid genom fotosyntes. Vidare bildas kolhydrater från koldioxid och vatten och syre frigörs. Samtidigt frigörs kol delvis under växternas andning som en del av koldioxiden. Kolet som är fixerat i växter konsumeras till viss del av djur. Djur släpper också ut koldioxid när de andas. De föråldrade djuren och växterna bryts ned av mikroorganismer, vilket resulterar i att kolet från det döda organiska materialet oxideras till koldioxid och kommer ut i atmosfären igen.
En liknande cykel av kol förekommer i havet.
Kvävets kretslopp.
Kvävets kretslopp, liksom andra biogeokemiska kretslopp, täcker alla områden i biosfären. Kvävets kretslopp är förknippat med dess omvandling till nitrater på grund av aktiviteten hos kvävefixerande och nitrifierande bakterier. Nitrater absorberas av växter från jord eller vatten. Växter äts av djur. Till slut omvandlar reducerarna igen kväve till en gasform och återför det till atmosfären.
Under moderna förhållanden ingrep en man i kvävets kretslopp, som genom att odla kvävefixerande baljväxter på stora ytor på konstgjord väg binder naturligt kväve. Man tror att jordbruk och industri ger nästan 60 % mer fixerat kväve än naturliga terrestra ekosystem.
Ett liknande kvävekretslopp observeras även i vattenmiljön.
Fosforcykeln.
Till skillnad från kol och kväve finns fosforföreningar i bergarter som eroderas och frigör fosfater. De flesta av dem hamnar i hav och oceaner och kan delvis återföras till land igen genom marina näringskedjor som slutar i fiskätande fåglar. En del av fosfaterna hamnar i jorden och tas upp av växtrötter. Växternas absorption av fosfor beror på surheten i jordlösningen: när surheten ökar omvandlas praktiskt taget olösliga fosfater i vatten till mycket löslig fosforsyra. Växterna äts sedan upp av djur.
De huvudsakliga länkarna för biogeokemiska cykler är olika organismer, vars mångfald av former bestämmer intensiteten av cyklerna och involveringen av nästan alla element i jordskorpan i dem.
I allmänhet är varje cirkulation av vilket kemiskt element som helst en del av den allmänna grandiosa cirkulationen av ämnen på jorden, dvs. de är nära besläktade.
