Le cycle biologique des substances est. Cycles biologiques et géologiques

Le cycle des substances dans la biosphère est un processus cyclique et répété de transformation et de mouvement conjoints et interconnectés des substances. La présence d'un cycle de substances est une condition nécessaire à l'existence de la biosphère. Après avoir été utilisées par certains organismes, les substances doivent être converties sous une forme accessible à d’autres organismes. Une telle transition de substances d'un lien à un autre nécessite des dépenses énergétiques, elle n'est donc possible qu'avec la participation de l'énergie solaire. Avec l'utilisation de l'énergie solaire, deux cycles de substances interconnectés se produisent sur la planète : grand - géologique et petit - biologique (biotique).

Cycle géologique des substances- le processus de migration de substances, réalisé sous l'influence de facteurs abiotiques : altération, érosion, mouvement de l'eau, etc. Les organismes vivants n'y participent pas.

Avec l'émergence de la matière vivante sur la planète, cycle biologique (biotique). Tous les organismes vivants y participent, absorbant certaines substances de l'environnement et en libérant d'autres. Par exemple, au cours de leur vie, les plantes consomment du dioxyde de carbone, de l’eau et des minéraux de l’environnement et libèrent de l’oxygène. Les animaux utilisent l'oxygène libéré par les plantes pour respirer. Ils mangent des plantes et, grâce à la digestion, assimilent les substances organiques formées lors de la photosynthèse. Ils libèrent du dioxyde de carbone et des débris alimentaires non digérés. Après la mort des plantes et des animaux, ils forment une masse de matière organique morte (détritus). Les détritus sont disponibles pour la décomposition (minéralisation) par des champignons et des bactéries microscopiques. En raison de leur activité vitale, des quantités supplémentaires de dioxyde de carbone pénètrent dans la biosphère. Et les substances organiques sont converties en composants inorganiques d'origine - les biogènes. Les composés minéraux résultants, pénétrant dans les plans d'eau et le sol, redeviennent disponibles pour les plantes pour être fixés par photosynthèse. Ce processus se répète à l'infini et est de nature fermée (circulation). Par exemple, tout l'oxygène atmosphérique emprunte ce chemin en environ 2 000 ans, et le dioxyde de carbone met environ 300 ans pour le faire.

L’énergie contenue dans la matière organique diminue à mesure qu’elle progresse dans les chaînes alimentaires. La majeure partie est dissipée dans l'environnement sous forme de chaleur ou dépensée pour maintenir les processus vitaux des organismes. Par exemple, sur la respiration des animaux et des plantes, le transport de substances dans les plantes, ainsi que sur les processus de biosynthèse des organismes vivants. De plus, les biogènes formés suite à l'activité des décomposeurs ne contiennent pas d'énergie disponible pour les organismes. Dans ce cas, on ne peut parler que de flux d’énergie dans la biosphère, mais pas de cycle. Par conséquent, la condition de l'existence durable de la biosphère est la circulation constante des substances et le flux d'énergie dans les biogéocénoses.

Les cycles géologiques et biologiques forment ensemble le cycle biogéochimique général des substances, basé sur les cycles de l'azote, de l'eau, du carbone et de l'oxygène.

Cycle de l'azote

L'azote est l'un des éléments les plus courants dans la biosphère. La majeure partie de l’azote de la biosphère se trouve dans l’atmosphère sous forme gazeuse. Comme vous le savez grâce à un cours de chimie, les liaisons chimiques entre les atomes de l'azote moléculaire (N 2) sont très fortes. La plupart des organismes vivants ne sont donc pas capables de l’utiliser directement. Ainsi, une étape importante du cycle de l’azote est sa fixation et sa conversion en une forme accessible aux organismes. Il existe trois modes de fixation de l'azote.

Fixation atmosphérique. Sous l'influence des décharges électriques atmosphériques (foudre), l'azote peut réagir avec l'oxygène pour former de l'oxyde d'azote (NO) et du dioxyde (NO 2). L'oxyde nitrique (NO) est très rapidement oxydé par l'oxygène et transformé en dioxyde d'azote. Le dioxyde d'azote se dissout dans la vapeur d'eau et pénètre dans le sol sous forme d'acides nitreux (HNO 2) et nitrique (HNO 3) avec précipitation. Dans le sol, à la suite de la dissociation de ces acides, des ions nitrite (NO 2 –) et nitrate (NO 3 –) se forment. Les ions nitrite et nitrate peuvent déjà être absorbés par les plantes et être inclus dans le cycle biologique. La fixation de l'azote atmosphérique représente environ 10 millions de tonnes d'azote par an, soit environ 3 % de la fixation annuelle de l'azote dans la biosphère.

Fixation biologique. Elle est réalisée par des bactéries fixatrices d'azote, qui transforment l'azote en formes accessibles aux plantes. Grâce aux micro-organismes, environ la moitié de tout l’azote est lié. Les bactéries les plus connues sont celles qui fixent l'azote dans les nodules des légumineuses. Ils fournissent de l'azote aux plantes sous forme d'ammoniac (NH 3). L'ammoniac est très soluble dans l'eau pour former des ions ammonium (NH 4 +), qui sont absorbés par les plantes. Les légumineuses sont donc les meilleurs prédécesseurs des plantes cultivées dans la rotation des cultures. Après la mort des animaux et des plantes et la décomposition de leurs restes, le sol s'enrichit de composés azotés organiques et minéraux. Ensuite, les bactéries putréfactives (ammonifiantes) décomposent les substances contenant de l'azote (protéines, urée, acides nucléiques) des plantes et des animaux en ammoniac. Ce processus est appelé ammonification. La majeure partie de l'ammoniac est ensuite oxydée par les bactéries nitrifiantes en nitrites et nitrates, qui sont à nouveau utilisés par les plantes. L'azote est renvoyé dans l'atmosphère par dénitrification, qui est réalisée par un groupe de bactéries dénitrifiantes. En conséquence, les composés azotés sont réduits en azote moléculaire. Une partie de l’azote sous forme de nitrate et d’ammonium pénètre dans les écosystèmes aquatiques par ruissellement de surface. Ici, l'azote est absorbé par les organismes aquatiques ou pénètre dans les sédiments organiques du fond.

Fixation industrielle. Une grande quantité d'azote est fixée annuellement industriellement lors de la production d'engrais minéraux azotés. L'azote provenant de ces engrais est absorbé par les plantes sous forme d'ammonium et de nitrate. Le volume d'engrais azotés produits en Biélorussie est actuellement d'environ 900 000 tonnes par an. Le plus grand producteur est OJSC GrodnoAzot. Cette entreprise produit de l'urée, du nitrate d'ammonium, du sulfate d'ammonium et d'autres engrais azotés.

Environ 1/10 de l’azote appliqué artificiellement est utilisé par les plantes. Le reste va dans les écosystèmes aquatiques avec le ruissellement de surface et les eaux souterraines. Cela conduit à l’accumulation de grandes quantités de composés azotés dans l’eau, disponibles pour l’absorption par le phytoplancton. En conséquence, une prolifération rapide des algues (eutrophisation) et, par conséquent, la mort dans les écosystèmes aquatiques sont possibles.

Le cycle de l'eau

L'eau est le composant principal de la biosphère. C'est un milieu de dissolution de presque tous les éléments au cours du cycle. La majeure partie de l'eau de la biosphère est représentée par de l'eau liquide et de l'eau de glace éternelle (plus de 99 % de toutes les réserves d'eau de la biosphère). Une petite partie de l’eau est à l’état gazeux : c’est la vapeur d’eau atmosphérique. Le cycle de l’eau de la biosphère repose sur le fait que son évaporation de la surface de la Terre est compensée par les précipitations. Lorsque l’eau atteint la surface du sol sous forme de précipitations, elle contribue à la destruction des roches. Cela rend les minéraux qui les rendent accessibles aux organismes vivants. C'est l'évaporation de l'eau de la surface de la planète qui détermine son cycle géologique. Il consomme environ la moitié de l’énergie solaire incidente. L'évaporation de l'eau de la surface des mers et des océans se produit à un rythme plus rapide que son retour sous forme de précipitations. Cette différence est compensée par le ruissellement superficiel et profond du fait que les précipitations prédominent sur l'évaporation sur les continents.

L'augmentation de l'intensité de l'évaporation de l'eau sur terre est en grande partie due à l'activité vitale des plantes. Les plantes extraient l’eau du sol et la transpirent activement dans l’atmosphère. Une partie de l’eau des cellules végétales est décomposée lors de la photosynthèse. Dans ce cas, l'hydrogène est fixé sous forme de composés organiques et l'oxygène est libéré dans l'atmosphère.

Les animaux utilisent l'eau pour maintenir l'équilibre osmotique et salin dans le corps et la libèrent dans l'environnement extérieur avec les produits métaboliques.

Cycle du carbone

Le carbone en tant qu'élément chimique est présent dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. Cela détermine la participation obligatoire des organismes vivants au cycle de cet élément sur la planète Terre. La photosynthèse est la principale voie par laquelle le carbone passe des composés inorganiques à la matière organique, où il constitue un élément chimique essentiel. Une partie du carbone est rejetée dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone lors de la respiration des organismes vivants et lors de la décomposition de la matière organique morte par les bactéries. Le carbone absorbé par les plantes est consommé par les animaux. De plus, les polypes coralliens et les mollusques utilisent des composés carbonés pour construire des structures squelettiques et des coquilles. Après leur mort et leur décantation, des dépôts calcaires se forment au fond. Ainsi, le carbone peut être exclu du cycle. L'élimination du carbone du cycle pendant une longue période est obtenue grâce à la formation de minéraux : charbon, pétrole, tourbe.

Tout au long de l'existence de notre planète, le carbone retiré du cycle a été compensé par le dioxyde de carbone entrant dans l'atmosphère lors des éruptions volcaniques et d'autres processus naturels. Actuellement, un impact anthropique important s’est ajouté aux processus naturels de reconstitution du carbone dans l’atmosphère. Par exemple, lors de la combustion d’hydrocarbures. Cela perturbe le cycle du carbone sur Terre, régulé depuis des siècles.

Une augmentation de la concentration de dioxyde de carbone de seulement 0,01 % sur un siècle a conduit à une manifestation notable de l’effet de serre. La température annuelle moyenne sur la planète a augmenté de 0,5 °C et le niveau de l'océan mondial a augmenté de près de 15 cm. Selon les scientifiques, si la température annuelle moyenne augmente encore de 3 à 4 °C, la glace éternelle commencera à se former. fondre. Dans le même temps, le niveau de l'océan mondial augmentera de 50 à 60 cm, ce qui entraînera l'inondation d'une partie importante des terres. Ceci est considéré comme un désastre environnemental mondial, car environ 40 % de la population mondiale vit dans ces territoires.

Cycle de l'oxygène

Dans le fonctionnement de la biosphère, l'oxygène joue un rôle extrêmement important dans les processus métaboliques et la respiration des organismes vivants. La diminution de la quantité d'oxygène dans l'atmosphère résultant des processus de respiration, de combustion de carburant et de décomposition est compensée par l'oxygène libéré par les plantes lors de la photosynthèse.

L'oxygène s'est formé dans l'atmosphère primaire de la Terre lors de son refroidissement. En raison de sa grande réactivité, il passe de l'état gazeux à la composition de divers composés inorganiques (carbonates, sulfates, oxydes de fer, etc.). L'atmosphère actuelle de la planète, contenant de l'oxygène, s'est formée exclusivement grâce à la photosynthèse réalisée par des organismes vivants. La teneur en oxygène de l’atmosphère atteint depuis longtemps les niveaux actuels. Maintenir sa quantité à un niveau constant n’est actuellement possible que grâce aux organismes photosynthétiques.

Malheureusement, au cours des dernières décennies, l’activité humaine, entraînant la déforestation et l’érosion des sols, a réduit l’intensité de la photosynthèse. Et cela, à son tour, perturbe le cours naturel du cycle de l’oxygène sur de vastes zones de la Terre.

Une petite partie de l’oxygène atmosphérique participe à la formation et à la destruction de l’écran d’ozone sous l’influence du rayonnement ultraviolet du Soleil.

La base du cycle biogénique des substances est l'énergie solaire. La condition principale de l'existence durable de la biosphère est la circulation constante des substances et le flux d'énergie dans les biogéocénoses. Les organismes vivants jouent un rôle majeur dans les cycles de l’azote, du carbone et de l’oxygène. La base du cycle global de l’eau dans la biosphère repose sur des processus physiques.

Thème 3.4. CYCLE BIOLOGIQUE DES ÉLÉMENTS

3.4.1. Concept général du cycle biologique des substances

Depuis le début de l'étude de l'interaction des organismes vivants avec l'environnement, il est devenu clair que les processus de transfert de masse biogénique sont de nature cyclique (voir Fig. 2.3.2).

Des cycles de transfert de masse de longueur variable dans l'espace et de durée inégale dans le temps forment un système dynamique de la biosphère. DANS ET. Vernadsky pensait que l'histoire de la plupart des éléments chimiques, qui constituent plus de 99 % de la masse de la biosphère, ne pouvait être comprise qu'en tenant compte des migrations circulaires (cycles). Dans le même temps, il a souligné que « ces cycles ne sont réversibles que dans la partie principale des atomes, tandis que certains éléments quittent inévitablement et constamment le cycle. Cette sortie est naturelle, c'est-à-dire le processus circulaire n’est pas complètement réversible. La réversibilité incomplète et le déséquilibre des cycles de migration permettent certaines concentrations de l'élément migrateur, auxquelles les organismes peuvent s'adapter, mais assurent en même temps l'élimination des quantités excédentaires de l'élément d'un cycle donné.

Autrement dit, l'intégrité de la biosphère en tant que système est due à l'échange continu de matière entre ses composants, dans lequel les processus associés à la synthèse et à la décomposition de la matière organique jouent un rôle clé. Ils se réalisent à la fois au cours du métabolisme entre les organismes vivants et l'environnement, et dans les processus de minéralisation de la matière organique après la mort de l'organisme dans son ensemble ou la mort de ses organes individuels. De plus, les processus d'échange de matière de nature non biogénique entre diverses composantes de l'enveloppe géographique contribuent également au cycle de la matière dans la biosphère.

3.4.2. Éléments du cycle biogéochimique des substances.
Paramètres du cycle biologique des éléments sur terre et dans l'océan

Cycle biologique des substances est un ensemble de processus d'entrée d'organismes chimiques dans les organismes vivants, de synthèse biochimique de nouveaux composés complexes et de retour d'éléments dans le sol, l'atmosphère et l'hydrosphère (Fig.)

Les cycles abiogéniques et biologiques sont étroitement liés, formant un cycle géochimique planétaire et un système de cycles locaux de matière. Ainsi, au cours de milliards d'années de l'histoire biologique de notre planète, un grand cycle biogéochimique et une différenciation des éléments chimiques dans la nature se sont développés, qui constituent la base du fonctionnement normal de la biosphère. Autrement dit, dans les conditions d'une biosphère développée, le cycle des substances est dirigé par l'action combinée de facteurs biologiques, géologiques et géochimiques. La relation entre eux peut être différente, mais l’action doit être commune ! C'est dans ce sens que sont utilisés les termes circulation biogéochimique des substances et cycles biogéochimiques.

Le cycle biologique n’est pas un cycle fermé entièrement compensé.

L'importance biologique, biochimique et géochimique des processus effectués dans le cycle biologique des substances a été démontrée pour la première fois par V.V. Dokouchaev. Cela a été révélé en outre dans les travaux de V.I. Vernadski, B.B. Polynova, D.N. Pryanishnikova, V.N. Sukacheva, L.E. Rodina, N.I. Bazilevich, V.A. Kovda et d'autres chercheurs.

Avant de commencer à étudier les cycles biologiques naturels des éléments chimiques, il est nécessaire de se familiariser avec les termes les plus couramment utilisés.

Biomasse – la masse de matière vivante accumulée à un instant donné.

Phytomasse (ou biomasse végétale0 - la masse d'organismes vivants et morts de communautés végétales qui ont conservé leur structure anatomique à un moment donné dans une zone spécifique ou sur la planète dans son ensemble.

Structure de la phytomasse - le rapport entre les parties souterraines et aériennes des plantes, ainsi que les parties annuelles et vivaces, photosynthétiques et non photosynthétiques des plantes.

Chiffons – les parties mortes des plantes ayant conservé une liaison mécanique avec la plante.

Pourriture - la quantité de matière organique des plantes mortes dans les parties aériennes et souterraines par unité de surface et par unité de temps.

Litière – une masse de dépôts pérennes de résidus végétaux plus ou moins minéralisés.

Croissance – la masse d’un organisme ou d’une communauté d’organismes accumulée par unité de surface et par unité de temps.

Gain réel – le rapport entre la quantité de croissance et la quantité de déchets par unité de temps et par unité de surface.

Production primaire – la masse de matière vivante créée par les autotrophes (plantes vertes) par unité de surface et par unité de temps.

Produits secondaires – la masse de matière organique créée par les hétérotrophes par unité de surface et par unité de temps.

Il faut également distinguer la capacité et la vitesse du cycle biologique.

Capacité du cycle biologique – le nombre d'éléments chimiques contenus dans la masse d'une biocénose mature (phytocénose).

Intensité du cycle biologique – la quantité d’éléments chimiques contenus dans la croissance de la biomasse par unité de surface et par unité de temps.

Taux de renouvellement biologique - la période de temps pendant laquelle un élément voyage depuis son absorption par la matière vivante jusqu'à sa libération de la matière vivante.

Champ. Rodina et N.I. Bazilevich (1965), le cycle complet du cycle biologique des éléments sur terre se compose des éléments suivants :

Absorption du carbone par les plantes de l'atmosphère, et de l'azote, des éléments de cendres et de l'eau du sol, leur fixation dans les corps des organismes végétaux, l'entrée dans le sol avec des plantes mortes ou leurs parties, la décomposition des litières et la libération des éléments contenus dans eux.
Manger des parties de plantes par les animaux qui s'en nourrissent, les transformer dans le corps des animaux en nouveaux composés organiques et fixer certains d'entre eux dans les organismes animaux, leur entrée ultérieure dans le sol avec les excréments des animaux ou avec leurs cadavres, décomposition des deux et la libération des éléments qu'ils contiennent.
Échange gazeux entre les plantes et l’atmosphère (y compris l’air du sol).
Sécrétions à vie de certains éléments par les organes végétaux aériens et leurs systèmes racinaires directement dans le sol.

La structure de la biosphère dans sa forme la plus générale représente deux plus grands complexes naturels de premier rang - continental et océanique. À l’ère moderne, la terre dans son ensemble est un système éluvial, l’océan un système cumulatif. L'histoire de la « relation géochimique » entre l'océan et la terre se reflète dans la chimie des sols et des eaux océaniques. Les éléments qui sont à la base de la vie - Si, Al, Fe, Mn, C, P, N, Ca, K - s'accumulent dans le sol, et H, O, Na, Cl, S, Mg - forment la base chimique de l'océan.

Les plantes, les animaux et la couverture des sols des terres du monde forment un système complexe. En liant et en redistribuant l'énergie solaire, le carbone atmosphérique, l'humidité, l'oxygène, l'hydrogène, l'azote, le phosphore, le soufre, le calcium et d'autres éléments biophiliques, ce système forme constamment une nouvelle biomasse et génère de l'oxygène libre.

Dans l’océan, il existe un deuxième système (plantes et animaux aquatiques) qui remplit les mêmes fonctions que sur la planète : lier l’énergie solaire, le carbone, l’azote, le phosphore et d’autres biophiles grâce à la formation de phytobiomasse et à la libération d’oxygène dans l’atmosphère.

Vous savez déjà qu'il existe trois formes d'accumulation et de redistribution de l'énergie cosmique (principalement l'énergie du Soleil) dans la biosphère.

L’essence du premier d’entre eux est la suivante. Les organismes vivants, et à travers les chaînes alimentaires et les animaux et bactéries associés, construisent leurs tissus en utilisant de nombreux éléments chimiques et leurs composés. Parmi les plus importants d'entre eux figurent les macroéléments - H, O, N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Al, Mn, ainsi que les microéléments I, Co, Cu, Zn, Mo, etc. , la sélection sélective des isotopes légers se produit carbone, hydrogène, oxygène, azote et soufre à partir des plus lourds.

Tout au long de leur vie et même après la mort, les organismes vivants de la terre, de l’eau et de l’air sont en échange continu avec l’environnement. Dans ce cas, la masse et le volume totaux des produits du métabolisme intravital des organismes et de l'environnement (métabolites) sont plusieurs fois supérieurs à la biomasse de la matière vivante.

Les éléments du cycle biogéochimique sont les composants suivants :

Processus continus ou répétitifs d'afflux d'énergie, de formation et de synthèse de nouveaux composés.
Processus constants ou périodiques de transfert ou de redistribution d'énergie et processus d'élimination et de mouvement directionnel des composés synthétisés sous l'influence d'agents physiques, chimiques et biologiques.
Processus rythmiques dirigés de transformation séquentielle : décomposition, destruction de composés précédemment synthétisés sous l'influence d'influences environnementales biogéniques et abiogéniques.
Formation continue ou périodique des composants minéraux ou organo-minéraux les plus simples à l'état gazeux, liquide ou solide, qui jouent le rôle de composants initiaux pour de nouveaux cycles réguliers de substances.

Les biologiques sont causés par l'activité vitale des organismes (nutrition, connexions alimentaires, reproduction, croissance, mouvement des produits métaboliques, mort, décomposition, minéralisation)

Les paramètres obligatoires pris en compte lors de l'étude des cycles biogéochimiques sont les principaux indicateurs suivants :

Biomasse totale et sa croissance réelle (masse phyto-, zoo- et microbienne séparément).
Litière organique (quantité, composition)
Matière organique du sol (humus, matière organique non décomposée).
Composition matérielle élémentaire des sols, des eaux, de l'air, des sédiments, des fractions individuelles de biomasse.
Réserves aériennes et souterraines d'énergie biogénique.
Métabolites à vie
Nombre d'espèces d'organismes vivants, leur nombre, leur composition
Espérance de vie des organismes de chaque espèce, dynamique de vie des populations d'organismes vivants et des sols.
Environnement écologique et météorologique : contexte et évaluation de l'intervention humaine.
Caractéristiques de divers paysages et de leurs éléments.
La quantité de polluants, leurs propriétés chimiques, physiques et biologiques.

L'importance individuelle d'un élément chimique particulier est évaluée par le coefficient d'absorption biologique, qui est déterminé par le rapport entre la teneur de l'élément dans les cendres végétales (en poids) et la teneur du même élément dans le sol (ou dans le la croûte terrestre).

En 1966, V.A. Kovda a proposé d'utiliser le rapport entre la phytobiomasse enregistrée et l'augmentation photosynthétique annuelle de la phytomasse pour caractériser la durée moyenne du cycle global du carbone. Ce coefficient caractérise la durée moyenne du cycle global de synthèse-minéralisation de la biomasse dans une zone donnée (ou sur terre en général). Les calculs ont montré que la part des terres dans ce cycle général s'inscrit dans la période de 300 à 400 à 1000 ans. Ainsi, à cette vitesse moyenne, se produisent la libération des composés minéraux liés à la biomasse, la formation et la minéralisation de l'humus dans le sol.

Pour une évaluation générale de l'importance biogéochimique des composants minéraux de la matière vivante dans la biosphère, V.A. Kovda a proposé de comparer la réserve de substances minérales dans la biomasse, ainsi que la quantité de substances minérales impliquées chaque année dans la circulation à travers la croissance et la litière, avec le ruissellement chimique annuel des rivières. Il s'est avéré que ces valeurs sont comparables. Cela signifie que la plupart des substances dissoutes dans les eaux fluviales ont traversé le cycle biologique du système plante-sol, avant de rejoindre la migration géochimique avec l'eau en direction de l'océan ou des dépressions intérieures.

Il s'est avéré que les indices du cycle biogéochimique varient considérablement selon les conditions climatiques, sous le couvert de différentes communautés végétales, dans différentes conditions de drainage naturel, donc N.I. Bazilevich et L.E. Rodin a proposé de calculer un coefficient supplémentaire caractérisant l'intensité de décomposition des litières et la durée de conservation des litières dans les conditions d'une biogéocénose donnée, égal au rapport de la masse de litière à la masse de litière annuelle. Selon ces chercheurs, les indices de décomposition de la phytomasse sont les plus élevés dans la toundra et les marécages du nord, et les plus faibles (environ 1) dans les steppes et semi-déserts.

B.B. Polynov a proposé de calculer l'indice de migration de l'eau, égal au rapport entre la quantité d'un élément présent dans les résidus minéraux des eaux fluviales ou souterraines évaporées et la teneur du même composant chimique dans les roches (ou la croûte terrestre). Le calcul des indices de migration de l'eau a montré que les migrants les plus mobiles dans la biosphère sont le chlore, le soufre, le bore, le brome, l'iode, le calcium, le sodium, le magnésium, le fluor, le strontium, le zinc, l'uranium et le molybdène. Les moins mobiles sont le silicium, l'aluminium, le fer, le potassium, le phosphore, le baryum, le manganèse, le rubidium, le cuivre, le nickel, le cobalt, l'arsenic, le lithium.

Les cycles biogéochimiques non perturbés sont presque circulaires, c'est-à-dire caractère presque réservé. Le degré de reproduction (répétition) des cycles dans la nature est très élevé (selon V.A. Kovda - 90-98 %). Ainsi, une certaine constance de la composition, de la quantité et de la concentration des composants impliqués dans le cycle est maintenue. Mais la fermeture incomplète des cycles biogéochimiques, comme nous le verrons plus loin, a une signification géochimique très importante et contribue à l’évolution de la biosphère. C’est pourquoi il existe une accumulation biogénique d’oxygène dans l’atmosphère, une accumulation biogénique et chimiogénique de composés carbonés dans la croûte terrestre (pétrole, charbon, calcaires)

Examinons de plus près les principaux paramètres du cycle biogéochimique sur terre.

Le cycle biogéochimique général des éléments comprend les cycles biogéochimiques des éléments chimiques individuels. Le rôle le plus important dans le fonctionnement de la biosphère dans son ensemble et des géosystèmes individuels d'un niveau de classification inférieur est joué par les cycles de plusieurs éléments chimiques les plus nécessaires aux organismes vivants en raison de leur rôle dans la composition de la matière vivante et des processus physiologiques. . Ces éléments chimiques les plus essentiels comprennent le carbone, l’oxygène, l’azote, le soufre, le phosphore, etc.

L'éminent scientifique russe, l'académicien V.I. Vernadski.

Biosphère- l'enveloppe externe complexe de la Terre, qui contient la totalité des organismes vivants et la partie de la substance de la planète qui est en processus d'échange continu avec ces organismes. Il s’agit de l’une des géosphères les plus importantes de la Terre, qui constitue la principale composante de l’environnement naturel entourant l’homme.

La Terre est composée de concentriques coquilles(géosphères) à la fois internes et externes. Les internes comprennent le noyau et le manteau, et les externes : lithosphère - la coquille rocheuse de la Terre, y compris la croûte terrestre (Fig. 1) d'une épaisseur de 6 km (sous l'océan) à 80 km (systèmes montagneux) ; hydrosphère - coquille d'eau de la Terre; atmosphère- l'enveloppe gazeuse de la Terre, constituée d'un mélange de divers gaz, de vapeur d'eau et de poussières.

À une altitude de 10 à 50 km se trouve une couche d'ozone, dont la concentration maximale est à une altitude de 20 à 25 km, protégeant la Terre d'un rayonnement ultraviolet excessif, mortel pour l'organisme. La biosphère appartient également ici (aux géosphères externes).

Biosphère - la coque externe de la Terre, qui comprend une partie de l'atmosphère jusqu'à une hauteur de 25 à 30 km (jusqu'à la couche d'ozone), la quasi-totalité de l'hydrosphère et la partie supérieure de la lithosphère jusqu'à une profondeur d'environ 3 km

Riz. 1. Schéma de la structure de la croûte terrestre

(Fig.2). La particularité de ces régions est qu'elles sont habitées par des organismes vivants qui constituent la matière vivante de la planète. Interaction partie abiotique de la biosphère- air, eau, roches et matière organique - biotes provoqué la formation de sols et de roches sédimentaires.

Riz. 2. Structure de la biosphère et rapport des surfaces occupées par les unités structurelles de base

Cycle des substances dans la biosphère et les écosystèmes

Tous les composés chimiques disponibles pour les organismes vivants dans la biosphère sont limités. L'épuisement des substances chimiques susceptibles d'être assimilées inhibe souvent le développement de certains groupes d'organismes dans des zones locales de terre ou d'océan. Selon l'académicien V.R. Williams, la seule façon de donner les propriétés finies de l’infini est de le faire tourner le long d’une courbe fermée. Par conséquent, la stabilité de la biosphère est maintenue grâce au cycle des substances et des flux d’énergie. Disponible deux cycles principaux de substances : grand - géologique et petit - biogéochimique.

Grand cycle géologique(Fig. 3). Les roches cristallines (ignées) se transforment en roches sédimentaires sous l'influence de facteurs physiques, chimiques et biologiques. Le sable et l'argile sont des sédiments typiques, produits de transformation de roches profondes. Cependant, la formation de sédiments se produit non seulement en raison de la destruction des roches existantes, mais également grâce à la synthèse de minéraux biogènes - les squelettes de micro-organismes - à partir de ressources naturelles - les eaux des océans, des mers et des lacs. Les sédiments aqueux lâches, isolés au fond des réservoirs avec de nouvelles portions de matière sédimentaire, immergés en profondeur et exposés à de nouvelles conditions thermodynamiques (températures et pressions plus élevées), perdent de l'eau, durcissent et se transforment en roches sédimentaires.

Par la suite, ces roches s'enfoncent dans des horizons encore plus profonds, où se déroulent les processus de leur transformation profonde vers de nouvelles conditions de température et de pression - des processus de métamorphisme se produisent.

Sous l'influence des flux d'énergie endogènes, les roches profondes fondent, formant du magma - une source de nouvelles roches ignées. Une fois que ces roches remontent à la surface de la Terre, sous l'influence des processus d'altération et de transport, elles se transforment à nouveau en de nouvelles roches sédimentaires.

Ainsi, le grand cycle est provoqué par l’interaction de l’énergie solaire (exogène) avec l’énergie profonde (endogène) de la Terre. Elle redistribue les substances entre la biosphère et les horizons plus profonds de notre planète.

Riz. 3. Grand cycle (géologique) des substances (flèches fines) et changements dans la diversité de la croûte terrestre (flèches larges et pleines - croissance, flèches brisées - diminution de la diversité)

Près du Grand Gyre Le cycle de l'eau entre l'hydrosphère, l'atmosphère et la lithosphère, qui est entraîné par l'énergie du Soleil, est également appelé. L'eau s'évapore de la surface des réservoirs et des terres puis retourne sur Terre sous forme de précipitations. Au-dessus de l’océan, l’évaporation dépasse les précipitations ; au-dessus des terres, c’est le contraire. Ces différences sont compensées par les débits des rivières. La végétation terrestre joue un rôle important dans le cycle mondial de l’eau. La transpiration des plantes dans certaines zones de la surface terrestre peut représenter jusqu'à 80 à 90 % des précipitations qui tombent ici, et en moyenne pour toutes les zones climatiques - environ 30 %. Contrairement au grand cycle, le petit cycle des substances se produit uniquement au sein de la biosphère. La relation entre les grands et petits cycles de l’eau est illustrée à la Fig. 4.

Les cycles à l'échelle planétaire sont créés à partir d'innombrables mouvements cycliques locaux d'atomes entraînés par l'activité vitale des organismes dans des écosystèmes individuels, et de mouvements provoqués par des causes paysagères et géologiques (ruissellement superficiel et souterrain, érosion éolienne, mouvement des fonds marins, volcanisme, formation de montagnes). , etc. ).

Riz. 4. Relation entre le grand cycle géologique (GGC) de l'eau et le petit cycle biogéochimique (SBC) de l'eau

Contrairement à l’énergie qui, une fois utilisée par l’organisme, est convertie en chaleur et perdue, les substances circulent dans la biosphère, créant des cycles biogéochimiques. Parmi les plus de quatre-vingt-dix éléments que l’on trouve dans la nature, les organismes vivants en ont besoin d’une quarantaine. Les plus importants sont nécessaires en grande quantité : carbone, hydrogène, oxygène, azote. Les cycles des éléments et des substances sont réalisés grâce à des processus d'autorégulation auxquels participent tous les composants. Ces processus sont sans déchets. Existe loi de fermeture globale du cycle biogéochimique dans la biosphère, opérant à toutes les étapes de son développement. Au cours du processus d'évolution de la biosphère, le rôle de la composante biologique dans la fermeture des processus biogéochimiques augmente.
qui le cycle. Les humains ont une influence encore plus grande sur le cycle biogéochimique. Mais son rôle se manifeste dans le sens inverse (les gyres s'ouvrent). La base du cycle biogéochimique des substances est l'énergie du Soleil et la chlorophylle des plantes vertes. Les autres cycles les plus importants – l’eau, le carbone, l’azote, le phosphore et le soufre – sont associés et contribuent au cycle biogéochimique.

Cycle de l'eau dans la biosphère

Les plantes utilisent l’hydrogène présent dans l’eau pendant la photosynthèse pour construire des composés organiques, libérant ainsi de l’oxygène moléculaire. Dans les processus respiratoires de tous les êtres vivants, lors de l'oxydation des composés organiques, de l'eau se forme à nouveau. Au cours de l'histoire de la vie, toute l'eau libre de l'hydrosphère a traversé à plusieurs reprises des cycles de décomposition et de nouvelle formation dans la matière vivante de la planète. Environ 500 000 km 3 d'eau participent chaque année au cycle de l'eau sur Terre. Le cycle de l'eau et ses réserves sont représentés sur la Fig. 5 (en termes relatifs).

Cycle de l'oxygène dans la biosphère

La Terre doit son atmosphère unique, à haute teneur en oxygène libre, au processus de photosynthèse. La formation d’ozone dans les hautes couches de l’atmosphère est étroitement liée au cycle de l’oxygène. L'oxygène est libéré par les molécules d'eau et est essentiellement un sous-produit de l'activité photosynthétique des plantes. Sur le plan abiotique, l'oxygène apparaît dans les couches supérieures de l'atmosphère en raison de la photodissociation de la vapeur d'eau, mais cette source ne constitue que des millièmes de pour cent de celle fournie par la photosynthèse. Il existe un équilibre fluide entre la teneur en oxygène de l'atmosphère et l'hydrosphère. Dans l'eau, c'est environ 21 fois moins.

Riz. 6. Schéma du cycle de l'oxygène : flèches en gras - les principaux flux d'approvisionnement et de consommation d'oxygène

L'oxygène libéré est intensément consommé dans les processus respiratoires de tous les organismes aérobies et dans l'oxydation de divers composés minéraux. Ces processus se produisent dans l’atmosphère, le sol, l’eau, le limon et les roches. Il a été démontré qu’une partie importante de l’oxygène lié aux roches sédimentaires est d’origine photosynthétique. Le fonds d'échange O dans l'atmosphère ne représente pas plus de 5 % de la production photosynthétique totale. De nombreuses bactéries anaérobies oxydent également la matière organique par le processus de respiration anaérobie, en utilisant des sulfates ou des nitrates.

La décomposition complète de la matière organique créée par les plantes nécessite exactement la même quantité d'oxygène que celle libérée lors de la photosynthèse. L'enfouissement de matière organique dans les roches sédimentaires, les charbons et les tourbes a servi de base au maintien du fonds d'échange d'oxygène dans l'atmosphère. Tout l’oxygène qu’il contient traverse un cycle complet à travers les organismes vivants en environ 2 000 ans.

Actuellement, une partie importante de l’oxygène atmosphérique est liée aux transports, à l’industrie et à d’autres formes d’activité anthropique. On sait que l’humanité dépense déjà plus de 10 milliards de tonnes d’oxygène gratuit sur un total de 430 à 470 milliards de tonnes fournies par les processus de photosynthèse. Si l'on tient compte du fait que seule une petite partie de l'oxygène photosynthétique entre dans le fonds d'échange, l'activité humaine à cet égard commence à prendre des proportions alarmantes.

Le cycle de l'oxygène est étroitement lié au cycle du carbone.

Cycle du carbone dans la biosphère

Le carbone en tant qu'élément chimique est la base de la vie. Il peut se combiner avec de nombreux autres éléments de diverses manières pour former des molécules organiques simples et complexes qui constituent les cellules vivantes. En termes de répartition sur la planète, le carbone arrive au onzième rang (0,35 % du poids de la croûte terrestre), mais dans la matière vivante, il représente en moyenne environ 18 ou 45 % de la biomasse sèche.

Dans l'atmosphère, le carbone fait partie du dioxyde de carbone CO 2 et, dans une moindre mesure, du méthane CH 4 . Dans l'hydrosphère, le CO 2 est dissous dans l'eau et sa teneur totale est bien supérieure à celle de l'atmosphère. L'océan sert de puissant tampon pour la régulation du CO 2 dans l'atmosphère : à mesure que sa concentration dans l'air augmente, l'absorption du dioxyde de carbone par l'eau augmente. Certaines molécules de CO 2 réagissent avec l'eau, formant de l'acide carbonique, qui se dissocie ensuite en ions HCO 3 - et CO 2- 3. Ces ions réagissent avec les cations calcium ou magnésium pour précipiter des carbonates. pH constant de l'eau.

Le dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère et l'hydrosphère constitue un fonds d'échange dans le cycle du carbone, d'où il est prélevé par les plantes terrestres et les algues. La photosynthèse est à la base de tous les cycles biologiques sur Terre. La libération de carbone fixe se produit au cours de l'activité respiratoire des organismes photosynthétiques eux-mêmes et de tous les hétérotrophes - bactéries, champignons, animaux qui entrent dans la chaîne alimentaire en raison de la matière organique vivante ou morte.

Riz. 7. Cycle du carbone

Le retour du CO2 dans l'atmosphère depuis le sol est particulièrement actif, où se concentre l'activité de nombreux groupes d'organismes, décomposant les restes de plantes et d'animaux morts et où a lieu la respiration des systèmes racinaires des plantes. Ce processus intégral est appelé « respiration du sol » et contribue de manière significative à la reconstitution du fonds d'échange de CO2 dans l'air. Parallèlement aux processus de minéralisation de la matière organique, de l'humus se forme dans les sols - un complexe moléculaire complexe et stable riche en carbone. L’humus du sol est l’un des importants réservoirs de carbone terrestres.

Dans des conditions où l'activité des destructeurs est inhibée par des facteurs environnementaux (par exemple, lorsqu'un régime anaérobie se produit dans les sols et au fond des réservoirs), la matière organique accumulée par la végétation ne se décompose pas, se transformant avec le temps en roches telles que le charbon ou le brun. charbon, tourbe, sapropels, schistes bitumineux et autres riches en énergie solaire accumulée. Ils reconstituent le fonds de réserve de carbone, étant longtemps déconnectés du cycle biologique. Le carbone se dépose également temporairement dans la biomasse vivante, dans les déchets morts, dans la matière organique dissoute de l'océan, etc. Cependant le principal fonds de réserve de carbone par écrit ne sont pas des organismes vivants ou des combustibles fossiles, mais roches sédimentaires - calcaires et dolomites. Leur formation est également associée à l'activité de la matière vivante. Le carbone de ces carbonates est enfoui longtemps dans les entrailles de la Terre et n'entre dans le cycle que lors de l'érosion lorsque les roches sont exposées lors des cycles tectoniques.

Seules des fractions d’un pour cent du carbone total sur Terre participent au cycle biogéochimique. Le carbone de l’atmosphère et de l’hydrosphère traverse plusieurs fois les organismes vivants. Les plantes terrestres sont capables d'épuiser leurs réserves dans l'air en 4 à 5 ans, leurs réserves dans l'humus du sol en 300 à 400 ans. Le principal retour de carbone au fonds d'échange est dû à l'activité des organismes vivants, et seule une petite partie (des millièmes de pour cent) est compensée par le rejet des entrailles de la Terre dans le cadre des gaz volcaniques.

Actuellement, l'extraction et la combustion d'énormes réserves de combustibles fossiles deviennent un facteur puissant de transfert de carbone de la réserve vers le fonds d'échange de la biosphère.

Cycle de l'azote dans la biosphère

L’atmosphère et la matière vivante contiennent moins de 2 % de tout l’azote sur Terre, mais c’est ce qui soutient la vie sur la planète. L'azote fait partie des molécules organiques les plus importantes - ADN, protéines, lipoprotéines, ATP, chlorophylle, etc. Dans les tissus végétaux, son rapport au carbone est en moyenne de 1 : 30, et dans les algues I : 6. Le cycle biologique de l'azote est donc également étroitement lié au carbone.

L'azote moléculaire de l'atmosphère est inaccessible aux plantes, qui ne peuvent absorber cet élément que sous forme d'ions ammonium, de nitrates, ou provenant du sol ou de solutions aqueuses. Par conséquent, la carence en azote est souvent un facteur limitant la production primaire - le travail des organismes associé à la création de substances organiques à partir de substances inorganiques. Néanmoins, l'azote atmosphérique est largement impliqué dans le cycle biologique en raison de l'activité de bactéries particulières (fixateurs d'azote).

Les micro-organismes ammonifiants jouent également un rôle important dans le cycle de l’azote. Ils décomposent les protéines et autres substances organiques contenant de l'azote en ammoniac. Sous forme d'ammonium, l'azote est en partie réabsorbé par les racines des plantes et en partie intercepté par les micro-organismes nitrifiants, ce qui est à l'opposé des fonctions du groupe de micro-organismes - les dénitrifiants.

Riz. 8. Cycle de l'azote

Dans des conditions anaérobies dans les sols ou les eaux, ils utilisent l'oxygène des nitrates pour oxyder les substances organiques, obtenant ainsi l'énergie nécessaire à leur vie. L'azote est réduit en azote moléculaire. La fixation et la dénitrification de l’azote sont de nature à peu près équilibrées. Le cycle de l'azote dépend donc essentiellement de l'activité des bactéries, tandis que les plantes s'y intègrent, utilisant les produits intermédiaires de ce cycle et augmentant fortement l'ampleur de la circulation de l'azote dans la biosphère grâce à la production de biomasse.

Le rôle des bactéries dans le cycle de l’azote est si important que si seulement 20 de leurs espèces sont détruites, la vie sur notre planète cessera.

La fixation non biologique de l'azote et l'entrée de ses oxydes et de son ammoniac dans les sols se produisent également avec les précipitations lors de l'ionisation atmosphérique et des décharges de foudre. L’industrie moderne des engrais fixe l’azote atmosphérique à des niveaux supérieurs à la fixation naturelle de l’azote afin d’augmenter la production agricole.

Actuellement, l'activité humaine influence de plus en plus le cycle de l'azote, principalement dans le sens d'un excès de transfert sous formes liées par rapport aux processus de retour à l'état moléculaire.

Cycle du phosphore dans la biosphère

Cet élément, nécessaire à la synthèse de nombreuses substances organiques, dont l'ATP, l'ADN, l'ARN, est absorbé par les plantes uniquement sous forme d'ions acide orthophosphorique (P0 3 4 +). Il fait partie des éléments qui limitent la production primaire tant sur terre que surtout dans l'océan, car le fonds d'échange du phosphore dans les sols et les eaux est faible. Le cycle de cet élément à l’échelle de la biosphère n’est pas fermé.

Sur terre, les plantes extraient les phosphates du sol, libérés par les décomposeurs à partir des résidus organiques en décomposition. Cependant, dans les sols alcalins ou acides, la solubilité des composés phosphorés diminue fortement. Le principal fonds de réserve de phosphates est contenu dans les roches créées au fond des océans au cours du passé géologique. Lors du lessivage des roches, une partie de ces réserves passe dans le sol et est évacuée dans les plans d'eau sous forme de suspensions et de solutions. Dans l'hydrosphère, les phosphates sont utilisés par le phytoplancton, passant par les chaînes alimentaires vers d'autres hydrobiontes. Cependant, dans l'océan, la plupart des composés du phosphore sont enfouis avec les restes d'animaux et de plantes au fond, avec une transition ultérieure avec les roches sédimentaires dans le grand cycle géologique. En profondeur, les phosphates dissous se lient au calcium, formant des phosphorites et des apatites. Dans la biosphère, en effet, il existe un flux unidirectionnel de phosphore depuis les roches terrestres vers les profondeurs de l'océan ; son fonds d'échange dans l'hydrosphère est donc très limité.

Riz. 9. Cycle du phosphore

Les gisements terrestres de phosphorites et d'apatites sont utilisés dans la production d'engrais. L'entrée de phosphore dans les plans d'eau douce est l'une des principales raisons de leur « épanouissement ».

Cycle du soufre dans la biosphère

Le cycle du soufre, nécessaire à la construction d'un certain nombre d'acides aminés, est responsable de la structure tridimensionnelle des protéines et est entretenu dans la biosphère par un large éventail de bactéries. Les maillons individuels de ce cycle impliquent des micro-organismes aérobies qui oxydent le soufre des résidus organiques en sulfates, ainsi que des réducteurs de sulfate anaérobies qui réduisent les sulfates en sulfure d'hydrogène. En plus des groupes répertoriés de bactéries soufrées, elles oxydent le sulfure d'hydrogène en soufre élémentaire puis en sulfates. Les plantes absorbent uniquement les ions SO2-4 du sol et de l’eau.

L'anneau au centre illustre le processus d'oxydation (O) et de réduction (R) qui échange le soufre entre le pool de sulfate disponible et le pool de sulfure de fer en profondeur dans le sol et les sédiments.

Riz. 10. Cycle du soufre. L'anneau au centre illustre le processus d'oxydation (0) et de réduction (R), par lequel le soufre est échangé entre le pool de sulfate disponible et le pool de sulfures de fer situés en profondeur dans le sol et les sédiments.

La principale accumulation de soufre se produit dans l’océan, où les ions sulfate s’écoulent continuellement des terres avec le ruissellement des rivières. Lorsque le sulfure d'hydrogène est libéré de l'eau, le soufre est partiellement renvoyé dans l'atmosphère, où il est oxydé en dioxyde, se transformant en acide sulfurique dans l'eau de pluie. L'utilisation industrielle de grandes quantités de sulfates et de soufre élémentaire ainsi que la combustion de combustibles fossiles libèrent de grandes quantités de dioxyde de soufre dans l'atmosphère. Cela nuit à la végétation, aux animaux, aux personnes et constitue une source de pluies acides, qui exacerbent les effets négatifs de l'intervention humaine sur le cycle du soufre.

Le taux de circulation des substances

Tous les cycles de substances se produisent à des vitesses différentes (Fig. 11)

Ainsi, les cycles de tous les éléments biogéniques de la planète sont soutenus par l’interaction complexe de différentes parties. Ils sont formés par l'activité de groupes d'organismes de fonctions différentes, le système de ruissellement et d'évaporation reliant l'océan et la terre, les processus de circulation des masses d'eau et d'air, l'action des forces gravitationnelles, la tectonique des plaques lithosphériques et autres grands processus géologiques et géophysiques à grande échelle.

La biosphère agit comme un système complexe unique dans lequel se produisent divers cycles de substances. Le principal moteur de ces les cycles sont la matière vivante de la planète, tous les organismes vivants, fournir des processus de synthèse, de transformation et de décomposition de la matière organique.

Riz. 11. Taux de circulation des substances (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

La vision écologique du monde repose sur l'idée selon laquelle chaque être vivant est entouré de nombreux facteurs différents qui l'influencent et qui, ensemble, forment son habitat - un biotope. Ainsi, biotope - partie de territoire homogène en termes de conditions de vie pour certaines espèces de plantes ou d'animaux(pente d'un ravin, parc forestier urbain, petit lac ou partie d'un grand, mais avec des conditions homogènes - partie côtière, partie en eau profonde).

Les organismes caractéristiques d'un biotope particulier constituent communauté de vie, ou biocénose(animaux, plantes et micro-organismes des lacs, prairies, rivages).

La communauté vivante (biocénose) forme un tout avec son biotope, appelé système écologique (écosystème). Un exemple d'écosystèmes naturels est une fourmilière, un lac, un étang, une prairie, une forêt, une ville, une ferme. Un exemple classique d’écosystème artificiel est un vaisseau spatial. Comme vous pouvez le constater, il n’y a pas ici de structure spatiale stricte. Le concept d'écosystème est proche du concept biogéocénose.

Les principales composantes des écosystèmes sont :

environnement inanimé (abiotique). Il s’agit de l’eau, des minéraux, des gaz, ainsi que de la matière organique et de l’humus ;
composants biotiques. Il s'agit notamment des producteurs ou productrices (plantes vertes), des consommateurs ou consommateurs (êtres vivants qui se nourrissent de producteurs) et des décomposeurs ou décomposeurs (micro-organismes).

La nature fonctionne de manière extrêmement économique. Ainsi, la biomasse créée par les organismes (la substance des corps des organismes) et l'énergie qu'ils contiennent sont transférées aux autres membres de l'écosystème : les animaux mangent des plantes, ces animaux sont mangés par d'autres animaux. Ce processus est appelé chaîne alimentaire ou trophique. Dans la nature, les chaînes alimentaires se croisent souvent, formant un réseau alimentaire.

Exemples de chaînes alimentaires : plante – herbivore – prédateur ; céréales - mulots - renard, etc. et le réseau trophique sont représentés sur la Fig. 12.

Ainsi, l’état d’équilibre de la biosphère repose sur l’interaction de facteurs environnementaux biotiques et abiotiques, qui est maintenue grâce à l’échange continu de matière et d’énergie entre toutes les composantes des écosystèmes.

Dans les circulations fermées des écosystèmes naturels, entre autres, la participation de deux facteurs est nécessaire : la présence de décomposeurs et l'approvisionnement constant en énergie solaire. Dans les écosystèmes urbains et artificiels, il y a peu ou pas de décomposeurs, donc les déchets liquides, solides et gazeux s'accumulent, polluant l'environnement.

Riz. 12. Réseau trophique et direction du flux de matière

De nos jours, les plantes et les animaux transforment l’environnement naturel. Citons par exemple les récifs coralliens dans l’océan, les dépôts de tourbe dans les marécages, la propagation des lichens, la propagation des algues qui détruisent les montagnes et les micro-organismes. Presque tous les éléments chimiques du système périodique de D.I. Mendeleïev participent au cycle biologique, mais parmi eux se distinguent les principaux et les plus vitaux.

Carbone. Les sources de carbone dans la nature sont aussi nombreuses que diverses. Pendant ce temps, seul le dioxyde de carbone, qui est soit à l'état gazeux dans l'atmosphère, soit à l'état dissous dans l'eau, est la source de carbone qui sert de base à sa transformation en matière organique des êtres vivants. Le dioxyde de carbone capté par les plantes est transformé en sucre lors de la photosynthèse, et est transformé en protéines, lipides, etc. par d'autres processus de biosynthèse. Ces diverses substances servent de nutrition glucidique aux animaux et aux plantes non vertes. D’un autre côté, tous les organismes respirent et rejettent du carbone dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. Lorsque la mort survient, les saprophages décomposent et minéralisent les cadavres, formant des chaînes alimentaires, au bout desquelles le carbone réintègre souvent le cycle sous forme de dioxyde de carbone (ce qu'on appelle la « respiration du sol »). L'accumulation de résidus végétaux et animaux morts ralentit le cycle du carbone : les animaux saprophages et les micro-organismes saprophytes vivant dans le sol transforment les résidus accumulés à sa surface en humus. Le taux d'influence des organismes sur l'humus est loin d'être le même, et les chaînes de champignons et de bactéries conduisant à la minéralisation finale du carbone sont de longueurs différentes. En règle générale, l'humus se décompose rapidement.
Parfois, la chaîne peut être courte et incomplète. Dans ce cas, la chaîne de consommateurs est incapable d'agir en raison du manque d'air ou d'une acidité trop élevée, ce qui entraîne l'accumulation de résidus organiques sous forme de tourbe et forme des tourbières. Dans certaines tourbières recouvertes d'une couverture luxuriante de sphaignes, la couche de tourbe atteint 20 m ou plus. C'est là que le cycle s'arrête. Les accumulations de composés organiques fossiles sous forme de pétrole indiquent que le cycle s’est ralenti à l’échelle des temps géologiques.

Le cycle du carbone ralentit également dans l’eau à mesure que le dioxyde de carbone s’accumule sous forme de craie, de calcaire, de dolomite ou de corail. Souvent, ces masses de carbone restent en dehors du cycle pendant des périodes géologiques entières jusqu'à ce qu'elles s'élèvent au-dessus du niveau de la mer. A partir de ce moment, suite à la dissolution du calcaire et/ou sous l'influence des lichens, ainsi que des racines des plantes à fleurs, commence l'inclusion du carbone et du calcium dans le cycle.

AZOTE. Le cycle de l'azote est assez complexe. contient 78 % d'azote, cependant, pour qu'il soit utilisé par la grande majorité des organismes vivants, il doit être fixé sous la forme de certains composés chimiques. La fixation de l'azote se produit lors de l'activité volcanique, lors de décharges de foudre dans l'atmosphère et lors de la combustion de météorites. Cependant, les micro-organismes, qu'ils soient libres ou vivant sur les racines et parfois sur les feuilles de certaines plantes, jouent un rôle incomparablement plus important dans le processus de fixation de l'azote. Parmi les bactéries libres, l’azote est fixé par les organismes aérobies (c’est-à-dire ceux qui vivent avec accès à l’oxygène), ainsi que par les organismes anaérobies (c’est-à-dire ceux qui vivent sans accès à l’oxygène). La quantité d'azote fixée par ces bactéries libres varie de 2 à 3 kg à 5 à 6 kg pour 1 ha et par an. Les algues bleu-vert vivant dans le sol joueraient apparemment un certain rôle dans la fixation de l'azote.

En pénétrant dans le sol avec des produits métaboliques et des restes de plantes et d'animaux, les substances organiques se décomposent en substances minérales, tandis que les bactéries convertissent l'azote des substances organiques en sels d'ammonium.

La capacité de l'azote à modifier sa valence dans une large gamme détermine son rôle spécifique dans la création de divers composés organiques.

Les grands à la surface du globe sont bien connus. L'évaporation des plans d'eau provoquée par l'énergie solaire crée de l'humidité atmosphérique. Cette humidité se condense en nuages emportés par le vent. Lorsque les nuages se refroidissent, les précipitations tombent sous forme de pluie et de neige. Les précipitations sont absorbées par le sol ou s'écoulent à sa surface. L'eau retourne dans les mers et les océans. La quantité d’eau évaporée par les plantes est généralement importante. S'il y a beaucoup d'humidité et d'eau pour les plantes, l'évaporation augmente. Un bouleau évapore 75 litres d'eau par jour, un hêtre - 100 litres, un tilleul - 200 litres et 1 hectare de forêt - de 20 à 50 000 litres. Une forêt de bouleaux, la masse de feuillage par 1 ha n'est que de 4940 kg, évapore 47 000 litres d'eau par jour, tandis qu'une forêt d'épicéas, la masse d'aiguilles par 1 ha est de 31 000 kg. - seulement 43 mille litres de bœufs paresseusement. Le blé consomme 3 750 tonnes d'eau par hectare pendant sa période de développement, ce qui correspond à 375 mm de précipitations.

L'oxygène en termes quantitatifs est le principal composant de la matière vivante. Si l'on prend en compte l'eau présente dans les tissus, alors, par exemple, le corps humain contient 62,8 % d'oxygène et 19,4 % de carbone. Considéré dans son ensemble, l’oxygène, comparé au carbone et à l’hydrogène, est son élément principal.

Le cycle de l'oxygène est compliqué par le fait que cet élément peut former de nombreux composés chimiques. De ce fait, de nombreux cycles intermédiaires apparaissent entre et l’atmosphère ou entre et ces deux environnements.

L'oxygène, à partir d'une certaine concentration, est très toxique pour les cellules et les tissus, même chez les organismes aérobies. Le scientifique français Louis Pasteur (1822 - 1895) a prouvé qu'aucun organisme anaérobie vivant ne peut résister à des concentrations d'oxygène supérieures de 1 % à l'oxygène atmosphérique (effet Pasteur).

Le cycle de l'oxygène se déroule principalement entre l'atmosphère et les organismes vivants. Le processus de production et de libération d’oxygène sous forme de gaz pendant la photosynthèse est à l’opposé du processus de consommation pendant la respiration. Dans ce cas, les substances organiques sont détruites et l'oxygène interagit avec l'hydrogène. À certains égards, le cycle de l’oxygène ressemble au cycle inverse du dioxyde de carbone : le mouvement de l’un se produit dans la direction opposée au mouvement de l’autre.

Soufre. La partie prédominante du cycle de cet élément est de nature sédimentaire et se produit dans le sol et l'eau. La principale source de soufre disponible pour les êtres vivants est constituée de toutes sortes de sulfates. La bonne solubilité de nombreux sulfates dans l’eau facilite l’accès du soufre inorganique aux écosystèmes. En absorbant les sulfates, les plantes les restituent et produisent des acides aminés soufrés.

Divers déchets organiques de la biocénose sont décomposés par des bactéries, qui produisent finalement du sulfure d'hydrogène à partir des sulfoprotéines contenues dans le sol. Certaines bactéries peuvent également produire du sulfure d'hydrogène à partir de sulfates, qu'elles réduisent dans des conditions anaérobies. Ces bactéries, en utilisant les sulfates, obtiennent l'énergie nécessaire à leur métabolisme.

D’un autre côté, certaines bactéries peuvent à nouveau oxyder le sulfure d’hydrogène en sulfates, ce qui augmente encore une fois l’offre de soufre disponible pour les producteurs. Ces bactéries sont appelées chimiosynthétiques, car elles peuvent produire de l'énergie cellulaire sans la participation de la lumière, uniquement par l'oxydation de produits chimiques simples. Ainsi, dans la biosphère, les roches sédimentaires contiennent les principales réserves de soufre, que l'on retrouve principalement sous forme de pyrite, ainsi que de sulfates, comme le gypse.

Phosphore. Le cycle du phosphore est relativement simple et très incomplet. Le phosphore est l'un des principaux éléments constitutifs de la matière vivante, dans laquelle il est contenu en quantité assez importante. Les réserves de phosphore dont disposent les êtres vivants sont entièrement concentrées dans la lithosphère. Les principales sources de phosphore inorganique sont les roches ignées (par exemple les apatites) ou les roches sédimentaires (par exemple les phosphorites). Le phosphore minéral est un élément rare dans la biosphère ; dans la croûte terrestre, il n’en existe pas plus de 1 %, ce qui constitue le principal facteur limitant la productivité de nombreux écosystèmes. Le phosphore inorganique des roches de la croûte terrestre participe à la circulation par lessivage et dissolution dans les eaux continentales. Il pénètre dans les écosystèmes terrestres, est absorbé par les plantes qui, avec sa participation, synthétisent divers composés organiques et sont ainsi incluses dans les relations trophiques. Ensuite, les phosphates organiques, ainsi que les cadavres, les déchets et les sécrétions d'êtres vivants, sont renvoyés au sol, où ils sont à nouveau exposés aux micro-organismes et transformés en orthophosphates minéraux, prêts à être consommés par les plantes vertes et autres autotrophes (du grec autos - lui-même et trophée - nourriture, nutrition).

Le phosphore est introduit dans les écosystèmes aquatiques par les eaux courantes. Les rivières enrichissent continuellement les océans en phosphates, ce qui favorise le développement du phytoplancton et des organismes vivants situés à différents niveaux des chaînes alimentaires des eaux douces ou marines. L’histoire de tout élément chimique du paysage se compose d’innombrables cycles, variant en échelle et en durée. Des processus opposés - accumulation biogénique et minéralisation - forment un seul cycle biologique d'atomes.

Les paysages de toundra se forment dans des conditions froides avec une courte période estivale et sont donc improductifs. Les sols bas sont à l'origine de nombreuses caractéristiques de la toundra. Les « vagues de vie » sont également associées au manque de chaleur : les années où les étés sont plus chauds, la production de matière vivante augmente. Certaines plantes ne fleurissent dans la toundra que les années favorables (par exemple, l'épilobe dans la toundra arctique). Les plantes de la toundra poussent lentement. Les lichens croissent de 1 à 10 mm par an ; le genévrier avec un diamètre de tronc de 83 mm peut avoir jusqu'à 544 cernes annuels. Non seulement l’influence des basses températures est affectée, mais aussi le manque de nutriments suffisants.

Dans de nombreuses toundras, les mousses et les lichens jouent un rôle important. Il y a des paysages dans lesquels ils prédominent.

Dans la toundra, la biomasse végétale est de 170,3 u/ha, dont 72 % dans la partie souterraine. L'augmentation annuelle de la biomasse est de 23,5 c/ha et la litière annuelle de 21,9 c/ha. Ainsi, la véritable augmentation, égale à la différence entre la croissance et la litière, est très faible - 1,6 c/ha (dans la taïga du nord - 10 c/ha, dans la taïga du sud - 30 c/ha, dans les tropiques humides - 75 c/ha) .

En raison de la basse température, la décomposition des restes d'organismes dans la toundra est lente ; de nombreux groupes de micro-organismes ne fonctionnent pas ou très faiblement (bactéries qui décomposent les fibres, etc.). Cela conduit à une accumulation de matière organique en surface et dans le sol.

Les forêts de feuillus en Russie sont réparties dans la partie européenne. Ce sont toutes des régions au climat tempéré-chaud humide. La biomasse ici n'est pas beaucoup inférieure à celle des tropiques humides (3 000 à 5 000 c/ha), mais la production annuelle et la masse verte assimilatrice sont plusieurs fois inférieures. Les produits varient de 80 à 150 c/ha (dans les tropiques humides - 300 - 500 c/ha), la masse verte assimilatrice dans les forêts de chênes représente 1% de la biomasse et atteint 40 c/ha (8% et 400 c/ha sous les tropiques humides).

Les feuillus sont relativement riches en frênes, notamment en feuilles (jusqu'à 5 %). Il y a beaucoup de Ca dans les cendres des feuilles - jusqu'à 20 % ou 0,6 à 3,8 % par matière sèche, moins de K (0,15 à 2,0 %) et de Si (0,4 à 2,8 %), encore moins de Mg, A1, P, ainsi que Fe, Mn, Na, C1.

Dans la taïga, la biomasse n'est pas très inférieure à celle des tropiques humides et des forêts de feuillus. Dans la taïga méridionale, la biomasse dépasse 3 000 c/ha et seulement dans la taïga nord, elle chute à 500 - 1 500 c/ha. Le zoom dans la taïga est négligeable (dans la taïga sud - 0,01% de la biomasse).

Plus de 60 % de la biomasse est représentée par le bois, constitué de fibres (environ 50 %), de lignine (20 à 30 %) et d'hémicellulose (plus de 10 %).

La production annuelle dans la taïga du sud est presque la même que dans les forêts de feuillus (85 c/ha contre 90 c/ha dans les forêts de chênes), dans la taïga du nord elle est bien moindre (40 - 60 c/ha). La litière végétale dans la taïga méridionale est inférieure à celle des forêts de chênes et est égale à 55 c/ha (dans les forêts de chênes 65 c/ha) ; dans la taïga du nord, c'est encore moins - 35 c/ha.

Les tropiques humides occupent de vastes zones dans les régions équatoriales, méridionales et centre-sud. Ils étaient encore plus répandus dans les époques géologiques passées (à partir de la fin du Dévonien). L'abondance de chaleur se combine ici avec une abondance de précipitations ; la chaleur et l'humidité ne limitent pas le cycle biologique unique des atomes. les atomes se produisent avec la même intensité tout au long de l'année, la périodicité de migration est faiblement exprimée.
L’abondance de chaleur et d’humidité détermine l’importante production annuelle de matière vivante dans les tropiques humides. La quantité de production y est 2 à 3 fois supérieure à celle des forêts de feuillus et de la taïga et atteint 300 à 500 c/ha. En termes de rapport biomasse/production, biomasse aérienne et souterraine, verte et non verte, et de nombreux autres indicateurs, les tropiques humides ne diffèrent pas non plus de manière significative des autres paysages forestiers humides. Cependant, en termes de quantité de potassium dans la biomasse, les tropiques humides diffèrent des forêts de feuillus. La biomasse animale des tropiques humides représente environ 1% de la biomasse (45 c/ha). Il s'agit principalement de termites, de fourmis et d'autres animaux inférieurs. Selon cet indicateur, les tropiques humides diffèrent fortement de la taïga, dans laquelle s'accumulent seulement 3,6 c/ha de zoomasse (0,01 % de la biomasse). La décomposition d'une grande masse de matière organique sature l'eau en dioxyde de carbone et en acides organiques. Les principaux éléments qui pénètrent dans l'eau au cours du cycle biologique sont Si et Ca, K. Mg, Al, Fe, Mn, S. Les feuilles des arbres tropicaux ont une forte teneur en Si. Au cours du cycle biologique, l'eau de pluie élimine une grande quantité de N, P, K, Ca, Mg, Na, CI, S et d'autres éléments des feuilles.

Les steppes et les déserts sont similaires dans de nombreuses propriétés. La biomasse dans les steppes est d'un ordre de grandeur inférieure à celle des paysages forestiers - de 100 à 350 c/ha. La majeure partie, contrairement aux forêts, est concentrée dans les racines (70 à 90 %). La biomasse animale des steppes est d'environ 6 %. La production annuelle est de 13 à 50 c/ha, soit 30 à 50 % de la biomasse.

Chaque année, des centaines de kilogrammes de substances solubles dans l'eau (pour 1 ha) sont impliqués dans le cycle biologique des atomes dans les steppes, c'est-à-dire nettement plus que dans la taïga (steppes des prairies - 700 kg/ha ; taïga du sud - 155 kg/ Ha). Dans les steppes de prairies, 700 kg/ha de substances hydrosolubles sont restituées chaque année avec la litière, et dans les steppes sèches - 150 kg/ha (dans les forêts d'épicéas de la taïga méridionale - 120 kg/ha). Dans la litière, les bases jouent un rôle important en neutralisant complètement les acides organiques.

Contrairement aux paysages forestiers, les sols steppiques accumulent 20 à 30 fois plus de matière organique que de biomasse (dans les steppes de prairies - jusqu'à 8 000 c/ha d'humus ; dans les steppes sèches - 1 000 à 1 500 c/ha). Pour les steppes et les déserts, les éléments les plus caractéristiques sont le Ca, le Na et le Mg, qui s'accumulent lors de la salinisation dans les eaux, les sols et les produits d'altération.

Sur la base de leur composition minérale, toutes les graminées des steppes sont divisées en trois groupes : les graminées à haute teneur en Si et à faible teneur en N ; les légumineuses avec une accumulation significative de K, Ca et N ; forbs occupant une position intermédiaire.

Le cycle biologique des substances est une circulation cohérente et continue d’éléments chimiques, qui se produit en raison du rayonnement solaire et est soutenue par un ensemble d’organismes unis par des chaînes alimentaires.

(d'après l'auteur biologique édité par I.G.Pidoplichko K.M., Sitnik, 1974).

Le cycle biologique des substances comprend les processus de formation de substances organiques à partir d'éléments contenus dans l'air, le sol, l'eau et la décomposition ultérieure de ces substances, à la suite de quoi les éléments passent sous forme minérale.

Le cycle biologique des substances fournit les éléments nécessaires à l'environnement externe et interne des organismes vivants et maintient sa stabilité. Il s'agit tout d'abord du cycle du carbone, de l'oxygène, de l'azote, du phosphore, etc.

Le cycle des substances est la participation répétée de substances à des processus se produisant dans l'atmosphère, l'hydrosphère et la lithosphère, incl. dans les couches qui font partie de la biosphère de la planète. Le cycle des éléments biophiliques - azote, phosphore, soufre est particulièrement important. (d'après Reimers N.F.D., 1990).

Le cycle biologique est un phénomène continu, cyclique, mais inégal dans le temps et dans l'espace et accompagné de pertes plus ou moins importantes de redistribution naturelle de matière, d'énergie et d'information au sein d'écosystèmes de différents niveaux hiérarchiques d'organisation depuis la biogéocénose jusqu'à la biosphère (N.F. Reimers , 1990). Une circulation complète des substances au sein de la biogéocénose ne se produit pas car Certaines substances dépassent toujours ses limites.

Le cercle d'échange biotique est vaste (biosphérique) - un processus planétaire ininterrompu de redistribution cyclique naturelle de la matière, de l'énergie et de l'information, inégale dans le temps et dans l'espace, entrant de manière répétée (à l'exception du flux d'énergie unidirectionnel) dans le systèmes écologiques continuellement renouvelés de la biosphère (Reimers N.F., 1990).

Et ici, le paramètre principal est le coefficient d'efficacité environnementale. Le rapport entre la biomasse des organismes et la quantité de matière organique qu'ils consomment est parfois appelé coefficient d'efficacité environnementale. En règle générale, ce coefficient ne dépasse pas 10-20.

L'intensité des processus métaboliques (métabolisme) par unité de poids d'un organisme vivant est généralement d'autant plus grande que l'organisme est petit. La raison de cette tendance est la dépendance significative du processus métabolique à l'égard du taux de diffusion des gaz à travers la surface des organismes, qui augmente par unité de leur biomasse à mesure que leur taille diminue.

La valeur totale de la biomasse sur Terre, selon les estimations de V.A. Kovda (1969) = 3,10 (12), et plus de 95 % de cette valeur concerne les plantes et 5 % les animaux. L’essentiel de tout cela tombe sur les forêts des continents.

En supposant que la productivité totale des plantes sur les continents est de 140,10 (9) tonnes, nous concluons que la durée d'un cycle de circulation de la matière organique sur les continents est d'environ 20 ans (cela s'applique probablement aux forêts) pour les autres de ce cycle. est plus court, encore moins pour les océans - pour le phytoplancton pendant plusieurs jours). La durée d'un cycle de circulation de matière organique animale est de plusieurs années (la biomasse totale des animaux est d'environ 10 (11) tonnes et ils absorbent 10 % de la productivité totale des plantes - d'où ce calcul). Selon les données de Huxley (1962), dans les savanes africaines, la biomasse des grands animaux sauvages peut atteindre 15-25 t/km2, dans les forêts tempérées - 1 t/km2, dans la toundra - 0,8 t/km2 .m2, en semi-désert - 0,35t/km.sq.m.

L'évaluation de la masse biologique des personnes et le calcul de l'énergie consommée au cours de leur régime sont calculés avec plus de précision.

Aujourd'hui (avec plus de 4 milliards de personnes, la biomasse humaine est d'environ 0,2,10^19 tonnes. (Et maintenant elle est déjà de plus de 5 milliards). Une personne consomme 2,5,10^3 kcal d'énergie par jour, alors le total la consommation énergétique des personnes est de 1,8,10 ^15kcal/an. Cette valeur correspond approximativement à la productivité moderne de la production agricole, c'est-à-dire qu'à l'ère moderne, les gens consommaient environ 0,2% de la production primaire du monde organique, il y a plusieurs milliers d'années. le chiffre était nettement inférieur à 0,01%.

En consommant des produits, une personne consomme de l'énergie technique, cette nouvelle source de chaleur pour notre planète.

Puisque le processus de création de matière organique repose sur l’absorption du dioxyde de carbone, souvent appelé dioxyde de carbone, de l’atmosphère et de l’hydrosphère par les plantes autotrophes, il faut d’abord l’analyser dans le cycle biologique global. Il y en a environ 2,3,10 ^ 12 dans l'atmosphère, c'est-à-dire 0,032 % de tout l'air atmosphérique (% en volume). Dans l'hydrosphère, il y en a plus de 130,10^12 tonnes. Elle varie peu selon les zones géographiques et selon l'altitude. La raison en est que la teneur en dioxyde de carbone est indépendante de la température. Les principales composantes du cycle du dioxyde de carbone sont déterminées par des processus biologiques et un peu géologiques. La consommation annuelle pour la photosynthèse est de 3,10 ^ 17 (il s'agit de carbonate). Le temps moyen de renouvellement du dioxyde de carbone dans l'atmosphère était d'environ 10 ans.

Passons maintenant à l'examen des cycles individuels de la biosphère. Le principal moteur des cycles de la matière sur la planète est la matière vivante. C'est la matière vivante, ou plutôt son activité à travers un système de cycles, qui assure le développement progressif de la biosphère terrestre. Le cycle de la matière et de l'énergie repose sur deux processus opposés : la création et la destruction. Le premier assure la formation de matière vivante et l'accumulation d'énergie, le second assure la destruction de composés organiques complexes et leur transformation en composés minéraux simples : dioxyde de carbone, eau, sels divers, etc. La biosphère existe grâce à (grâce) à un cycle continu. Nous avons déjà noté plus tôt que la base énergétique de l'existence des cycles biologiques est le processus de photosynthèse. Au cours de ce processus (c'est en termes énergétiques qu'il représente la branche ascendante du cycle biologique), une énorme quantité d'énergie (solaire) est stockée, convertie en énergie chimique potentielle (chimique) de substances organiques. La branche descendante (en termes d'énergie) correspond à tous les autres processus vitaux dans lesquels se produisent des transformations de composés biologiques créés lors de la photosynthèse et l'utilisation de l'énergie stockée. Ces processus aboutissent à l'oxydation et à la minéralisation des substances organiques, à la dégradation et à la conversion en chaleur de l'énergie stockée dans les liaisons chimiques de ces substances.