Avant l’émergence de la biosphère, il y avait trois cycles de matière sur Terre : cycle minéral - mouvement des produits ignés des profondeurs vers la surface et retour; cycle des gaz - circulation de masses d'air périodiquement chauffées par le Soleil,cycle de l'eau - évaporation de l'eau et son transfert par les masses d'air, précipitations (pluie, neige). Ces trois cycles sont unis par un seul terme - cycle géologique (abiotique). Avec l'avènement de la vie, les cycles du gaz, des minéraux et de l'eau ont été complétés par cycle biotique (biogénique) - le cycle des éléments chimiques réalisé par l'activité vitale des organismes. Avec le géologique, un seul cycle biogéochimique substances sur Terre.
Cycle géologique.
Environ la moitié de l'énergie solaire atteignant la surface de la Terre est dépensée pour l'évaporation de l'eau, l'altération des roches, la dissolution des minéraux, le mouvement des masses d'air et avec elles la vapeur d'eau, la poussière et les particules solides altérées.
Le mouvement de l'eau et du vent entraîne l'érosion des sols, le mouvement, la redistribution et l'accumulation de précipitations mécaniques et chimiques dans l'hydrosphère et la lithosphère. Ce cycle se produit encore aujourd’hui.
D'un grand intérêt cycle de l'eau. Environ 3,8 10 14 tonnes d'eau s'évaporent de l'hydrosphère en un an, et seulement 3,4 10 14 tonnes d'eau reviennent avec précipitations dans la coquille d'eau de la Terre. La partie manquante tombe à terre. Au total, environ 1 10 14 tonnes de précipitations tombent sur terre et environ 0,6 10 14 tonnes d'eau s'évaporent. L'excès d'eau formé dans la lithosphère s'écoule dans les lacs et les rivières, puis dans l'océan mondial (Fig. 2.4). Le ruissellement de surface est d'environ 0,2 10 14 tonnes, les 0,2 10 14 tonnes d'eau restantes pénètrent dans les aquifères souterrains, d'où l'eau s'écoule dans les rivières, les lacs et l'océan, et reconstitue également les réservoirs d'eau souterraine.
cycle biotique. Il est basé sur les processus de synthèse de substances organiques avec leur destruction ultérieure en minéraux originaux. Les processus de synthèse et de destruction des substances organiques constituent le fondement de l'existence de la matière vivante et la principale caractéristique du fonctionnement de la biosphère.
L'activité vitale de tout organisme est impossible sans métabolisme avec l'environnement. Au cours du métabolisme, le corps consomme et assimile les substances nécessaires et libère des déchets ; la taille de notre planète n'est pas infinie et, en fin de compte, toutes les substances utiles seraient transformées en déchets inutiles. Cependant, au cours du processus d'évolution, une excellente solution a été trouvée : en plus des organismes capables de construire de la matière vivante à partir de matière non vivante, d'autres organismes sont apparus qui décomposent cette matière organique complexe en minéraux initiaux, prêts pour une nouvelle utilisation. "La seule façon de donner à une quantité limitée les propriétés de l'infini", écrit V.R. Williams, c'est de le faire tourner le long d'une courbe fermée. »
Le mécanisme d'interaction entre la nature vivante et la nature inanimée consiste en l'implication de la matière inanimée dans le domaine de la vie. Après une série de transformations de la matière inanimée dans les organismes vivants, elle revient à son état d’origine antérieur. Un tel cycle est possible grâce au fait que les organismes vivants contiennent les mêmes éléments chimiques que la nature inanimée.
Comment se produit ce cycle ? V.I. Vernadsky a démontré que le principal convertisseur d'énergie provenant de l'espace (principalement solaire) est la matière verte des plantes. Eux seuls sont capables de synthétiser des composés organiques primaires sous l'influence de l'énergie solaire. Le scientifique a calculé que la surface totale de matière verte des plantes qui absorbe de l'énergie, selon la période de l'année, varie de 0,86 à 4,2 % de la surface du Soleil. Dans le même temps, la superficie de la Terre
Les animaux dont la nourriture est constituée de plantes ou d'autres animaux synthétisent de nouveaux composés organiques dans leur corps.
Les restes d'animaux et de plantes servent de nourriture aux vers, aux champignons et aux micro-organismes, qui finissent par les transformer en minéraux d'origine, libérant du dioxyde de carbone. Ces minéraux servent à nouveau de matières premières initiales pour la création de composés organiques primaires par les plantes. Ainsi le cercle se referme et un nouveau mouvement des atomes commence.
Cependant, le cycle des substances n’est pas complètement bouclé. Certains atomes sortent du cycle, sont fixés et organisés par de nouvelles formes d'organismes vivants et les produits de leur activité vitale. En pénétrant dans la lithosphère, l'hydrosphère et la troposphère, les organismes vivants ont produit et produisent un énorme travail géochimique sur le mouvement et la redistribution des substances existantes et la création de nouvelles. C'est l'essence du développement progressif de la biosphère, car cela élargit la portée des cycles biogéochimiques et renforce la biosphère. Comme l'a noté V.I. Vernadsky, dans la biosphère, il existe un mouvement biogénique constant d'atomes sous forme de « vortex ».
Contrairement au cycle géologique, le cycle biotique se caractérise par une consommation d'énergie insignifiante. Comme nous l'avons déjà indiqué, environ 1 % de l'énergie solaire atteignant la surface de la Terre est consacrée à la création de matière organique primaire. Cette énergie est suffisante pour le fonctionnement des processus biogéochimiques les plus complexes de la planète.
Grand cycle de substances dans la nature est provoquée par l'interaction de l'énergie solaire avec l'énergie profonde de la Terre et réalise la redistribution de la matière entre la biosphère et les horizons plus profonds de la Terre.
Les roches sédimentaires, formées par l'altération des roches ignées, dans les zones mobiles de la croûte terrestre, sont à nouveau immergées dans une zone de températures et de pressions élevées. Là, ils fondent et forment du magma - source de nouvelles roches ignées. Une fois que ces roches remontent à la surface de la Terre et subissent des processus d'altération, elles se transforment à nouveau en nouvelles roches sédimentaires. Le nouveau cycle ne répète pas exactement l’ancien, mais introduit quelque chose de nouveau qui, au fil du temps, entraîne des changements très importants.
Force motrice grand cycle (géologique) sont exogène et endogène processus géologiques.
Processus endogènes(processus de dynamique interne) se produisent sous l'influence de l'énergie interne de la Terre, libérée à la suite de la désintégration radioactive, de réactions chimiques de formation de minéraux, de cristallisation de roches, etc. (par exemple, mouvements tectoniques, tremblements de terre, magmatisme , métamorphisme).
Processus exogènes(processus de dynamique externe) se produisent sous l'influence de l'énergie externe du Soleil. Exemples : altération des roches et des minéraux, élimination des produits de destruction de certaines zones de la croûte terrestre et leur transfert vers de nouvelles zones, dépôt et accumulation de produits de destruction avec formation de roches sédimentaires. À Ex.pr. rel. activité géologique de l'atmosphère, de l'hydrosphère, ainsi que des organismes vivants et des humains.
Les plus grandes formes de relief (continents et bassins océaniques) et les grandes formes (montagnes et plaines) se sont formées en raison de processus endogènes, et les formes de relief moyennes et petites (vallées fluviales, collines, ravins, dunes, etc.), superposées à de plus grandes formes - en raison de processus exogènes. Ainsi, les processus endogènes et exogènes sont opposés. Les premiers conduisent à la formation de grands reliefs, les seconds à leur lissage.
Exemples du cycle géologique. Les roches ignées se transforment en roches sédimentaires sous l'effet des intempéries. Dans les zones mouvantes de la croûte terrestre, ils plongent profondément dans la Terre. Là, sous l'influence de températures et de pressions élevées, ils fondent et forment du magma qui, remontant à la surface et se solidifiant, forme des roches ignées.
Un exemple de grand cycle est le cycle de l’eau entre la terre et l’océan à travers l’atmosphère (Fig. 2.1).
Riz. 2.1. Le schéma hydrologique (climatique) généralement accepté
cycle de l'eau dans la nature
L'humidité évaporée de la surface de l'océan mondial (qui consomme près de la moitié de l'énergie solaire atteignant la surface de la Terre) est transférée vers la terre, où elle tombe sous forme de précipitations, qui retournent à l'océan sous forme de ruissellement de surface et souterrain. . Le cycle de l'eau se déroule également selon un schéma plus simple : évaporation de l'humidité de la surface de l'océan - condensation de la vapeur d'eau - précipitations sur la même surface de l'eau de l'océan.
Le cycle de l’eau dans son ensemble joue un rôle majeur dans la formation des conditions naturelles de notre planète. Compte tenu de la transpiration de l'eau par les plantes et de son absorption dans le cycle biogéochimique, la totalité de l'approvisionnement en eau sur Terre se décompose et se rétablit en 2 millions d'années.
Ainsi, le cycle géologique des substances se déroule sans la participation d'organismes vivants et redistribue les substances entre la biosphère et les couches plus profondes de la Terre.
Toutes les substances sur notre planète sont en train de circuler. L'énergie solaire provoque deux cycles de substances sur Terre, grande ou biosphère (englobant la totalité de la biosphère) et petite ou biologique (au sein des écosystèmes).
La circulation des substances dans la biosphère a été précédée d'une circulation géologique, associée à la formation et à la destruction de roches et au mouvement ultérieur des produits de destruction - matières clastiques et éléments chimiques. Les propriétés thermiques de la surface de la terre et de l'eau ont joué et continuent de jouer un rôle important dans ces processus : absorption en réflexion de la lumière solaire, conductivité thermique en capacité thermique. L'eau absorbe davantage d'énergie solaire et la surface des terres situées aux mêmes latitudes se réchauffe davantage. Le régime hydrothermal instable de la surface de la Terre, ainsi que le système de circulation atmosphérique planétaire, ont déterminé la circulation géologique des substances qui, au stade initial du développement de la Terre, ainsi que des processus endogènes, étaient associées à la formation de continents, d'océans et modernes. géosphères. Sa manifestation géologique est également indiquée par le transfert de produits d'altération par les masses d'air et par l'eau - les composés minéraux qui y sont dissous. Avec la formation de la biosphère, les déchets des organismes ont été inclus dans le grand cycle. Le cycle géologique, sans cesser d'exister, a acquis de nouvelles caractéristiques : il est l'étape initiale du mouvement de la matière dans la biosphère. C'est lui qui fournit aux organismes vivants des nutriments et détermine en grande partie les conditions de leur existence.
Le grand cycle des substances dans la biosphère est caractérisé par deux points importants :
Réalisé tout au long du développement géologique de la Terre ;
Il s’agit d’un processus planétaire moderne qui joue un rôle majeur dans le développement futur de la biosphère (Radkevich, 1983).
Au stade actuel du développement humain, du fait du grand cycle, des polluants tels que les oxydes de soufre et d'azote, les poussières et les impuretés radioactives sont également transportés sur de longues distances. Le territoire des latitudes tempérées de l'hémisphère Nord a été le plus contaminé.
Le petit cycle ou cycle biologique des substances se déroule sur fond d'un grand cycle géologique, couvrant la biosphère dans son ensemble. Elle se produit au sein des écosystèmes, mais n'est pas fermée, ce qui est associé à l'entrée de matière et d'énergie dans l'écosystème depuis l'extérieur et à la libération d'une partie d'entre elles dans le cycle de la biosphère. Pour cette raison, on ne parle parfois pas du cycle biologique, mais de l'échange d'énergie dans les écosystèmes et les organismes individuels.
Les plantes, les animaux et la couverture terrestre forment un système mondial complexe qui forme de la biomasse, lie et redistribue l'énergie solaire, le carbone atmosphérique, l'humidité, l'oxygène, l'hydrogène, l'azote, le phosphore, le soufre, le calcium et d'autres éléments impliqués dans la vie des organismes. Les plantes, les animaux et les micro-organismes du milieu aquatique forment un autre système planétaire qui remplit la même fonction de liaison entre l'énergie solaire et le cycle biologique des substances.
L'essence du cycle biologique réside dans l'apparition de deux processus opposés mais interconnectés : la création de matière organique et sa destruction. La première étape de la formation de la matière organique est due à la photosynthèse des plantes vertes, c'est-à-dire la formation de cette substance à partir de dioxyde de carbone, d'eau et de composés minéraux en utilisant l'énergie radiante du Soleil. Les plantes extraient du sol le soufre, le phosphore, le calcium, le potassium, le magnésium, le manganèse, le silicium, l'aluminium, le cuivre, le zinc et d'autres éléments sous forme dissoute. Les animaux herbivores absorbent déjà des composés de ces éléments sous forme d’aliments d’origine végétale. Les prédateurs se nourrissent d'animaux herbivores, consomment des aliments de composition plus complexe, comprenant des protéines, des graisses, des acides aminés, etc. Dans le processus de destruction par des micro-organismes de la matière organique des plantes mortes et des restes d'animaux, des composés minéraux simples pénètrent dans le sol et les milieux aquatiques. environnement, disponible pour l'assimilation par les plantes, et le cycle suivant commence le cycle biologique.
Contrairement au grand gyre, le petit gyre a une durée différente : on distingue les petits gyres saisonniers, annuels, pérennes et séculaires. Lors de l'étude du cycle biologique des substances, l'attention principale est portée au rythme annuel, déterminé par la dynamique annuelle du développement de la végétation.
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Le cycle géologique (grand cycle de substances dans la nature) est un cycle de substances dont le moteur est constitué de processus géologiques exogènes et endogènes.
Le cycle géologique est la circulation de substances dont le moteur est constitué de processus géologiques exogènes et endogènes.
Les limites du cycle géologique sont beaucoup plus larges que les limites de la biosphère ; son amplitude couvre des couches de la croûte terrestre bien au-delà des limites de la biosphère. Et surtout, les organismes vivants jouent un rôle secondaire dans les processus de ce cycle.
Ainsi, le cycle géologique des substances se déroule sans la participation d'organismes vivants et redistribue les substances entre la biosphère et les couches plus profondes de la Terre.
Le rôle le plus important dans le grand cycle du cycle géologique est joué par les petits cycles de matière, à la fois biosphériques et technosphériques, une fois dans lesquels la substance est éteinte pendant une longue période du grand flux géochimique, se transformant en cycles sans fin de synthèse et décomposition.
Le rôle le plus important dans le grand cycle du cycle géologique est joué par les petits cycles de matière, à la fois biosphériques et technosphériques, une fois dans lesquels la matière est coupée pendant longtemps du grand flux géochimique, se transformant en cycles sans fin de synthèse et décomposition.
Ce carbone participe au cycle géologique lent.
C'est ce carbone qui participe au cycle géologique lent. La vie sur Terre et le bilan gazeux de l'atmosphère reposent sur des quantités relativement faibles de carbone contenues dans les tissus végétaux (5,10 t) et animaux (5 109 t) participant au petit cycle (biogénique). Cependant, à l’heure actuelle, les humains bouclent intensément le cycle des substances, dont le carbone. Par exemple, on estime que la biomasse totale de tous les animaux domestiques dépasse déjà la biomasse de tous les animaux terrestres sauvages. Les superficies de plantes cultivées se rapprochent des superficies de biogéocénoses naturelles, et de nombreux écosystèmes culturels sont nettement supérieurs aux écosystèmes naturels dans leur productivité, continuellement augmentée par l'homme.
Le plus étendu dans le temps et dans l'espace est ce qu'on appelle le cycle géologique des substances.
Il existe 2 types de cycles de substances dans la nature : le grand cycle géologique des substances entre la terre et l'océan ; petit ou biologique - entre le sol et les plantes.
L'eau extraite par une plante du sol à l'état de vapeur pénètre dans l'atmosphère, puis, en se refroidissant, se condense et retourne au sol ou à l'océan sous forme de précipitations. Le cycle géologique de l'eau assure la redistribution mécanique, le dépôt, l'accumulation de sédiments solides sur terre et au fond des réservoirs, ainsi que dans le processus de destruction mécanique des sols et des roches. Cependant, la fonction chimique de l'eau s'effectue avec la participation d'organismes vivants ou de leurs produits métaboliques. Les eaux naturelles, comme les sols, sont des substances bioinertes complexes.
L’activité géochimique humaine devient comparable en échelle aux processus biologiques et géologiques. Dans le cycle géologique, le lien de dénudation augmente fortement.
Le facteur qui laisse l'empreinte principale sur le caractère général et biologique. Dans le même temps, le cycle géologique de l’eau s’efforce continuellement de laver tous ces éléments des couches de terres en ruine vers le bassin océanique. Par conséquent, la préservation des éléments nutritifs des plantes dans le sol nécessite leur conversion sous une forme absolument insoluble dans l’eau. Cette exigence est satisfaite par la matière organique vivante.
Toutes les substances de la planète sont en train de circuler. L'énergie solaire provoque deux cycles de substances sur Terre : grand (géologique, biosphère) Et petit (biologique).
Le grand cycle des substances dans la biosphère est caractérisé par deux points importants : il se produit tout au long du développement géologique de la Terre et constitue un processus planétaire moderne qui joue un rôle majeur dans le développement ultérieur de la biosphère.
Le cycle géologique est associé à la formation et à la destruction des roches et au mouvement ultérieur des produits de destruction - matières clastiques et éléments chimiques. Les propriétés thermiques de la surface de la terre et de l'eau ont joué et continuent de jouer un rôle important dans ces processus : absorption et réflexion de la lumière solaire, conductivité thermique et capacité thermique. Le régime hydrothermal instable de la surface de la Terre, ainsi que le système de circulation atmosphérique planétaire, ont déterminé le cycle géologique des substances qui, au stade initial du développement de la Terre, ainsi que les processus endogènes, étaient associés à la formation de continents, d'océans et modernes. géosphères. Avec la formation de la biosphère, les déchets des organismes ont été inclus dans le grand cycle. Le cycle géologique fournit aux organismes vivants des nutriments et détermine en grande partie les conditions de leur existence.
Principaux éléments chimiques lithosphère : oxygène, silicium, aluminium, fer, magnésium, sodium, potassium et autres - participent à un grand cycle, passant des parties profondes du manteau supérieur à la surface de la lithosphère. Roche ignée formée par cristallisation
le magma, arrivant à la surface de la lithosphère depuis les profondeurs de la Terre, subit une décomposition et une altération dans la biosphère. Les produits d'altération entrent dans un état mobile, sont transportés par l'eau et le vent vers les zones basses du relief, pénètrent dans les rivières, l'océan et forment d'épaisses couches de roches sédimentaires qui, au fil du temps, plongeant en profondeur dans des zones à température et pression accrues, subissent une métamorphose. , c'est-à-dire "refondu". Lors de cette fonte, une nouvelle roche métamorphique apparaît, pénétrant dans les horizons supérieurs de la croûte terrestre et entrant à nouveau dans le cycle des substances (Fig. 32).
Riz. 32. Cycle géologique (grand) des substances
La circulation la plus intense et la plus rapide est celle des substances facilement mobiles - les gaz et les eaux naturelles qui composent l'atmosphère et l'hydrosphère de la planète. Le cycle du matériau lithosphérique est beaucoup plus lent. En général, chaque cycle de tout élément chimique fait partie du grand cycle général des substances sur Terre, et elles sont toutes étroitement interconnectées. La matière vivante de la biosphère dans ce cycle effectue un travail colossal de redistribution des éléments chimiques qui circulent continuellement dans la biosphère, passant du milieu extérieur aux organismes et à nouveau au milieu extérieur.
Petit cycle ou cycle biologique de substances- Ce
circulation de substances entre les plantes, les animaux, les champignons, les micro-organismes et le sol. L'essence du cycle biologique réside dans l'apparition de deux processus opposés mais interconnectés : la création de substances organiques et leur destruction. La première étape de l'émergence de substances organiques est due à la photosynthèse des plantes vertes, c'est-à-dire la formation de matière vivante à partir de dioxyde de carbone, d'eau et de composés minéraux simples utilisant l'énergie solaire. Les plantes (producteurs) extraient des molécules de soufre, de phosphore, de calcium, de potassium, de magnésium, de manganèse, de silicium, d'aluminium, de zinc, de cuivre et d'autres éléments du sol en solution. Les animaux herbivores (consommateurs de premier ordre) absorbent les composés de ces éléments sous forme d'aliments d'origine végétale. Les prédateurs (consommateurs d'ordre II) se nourrissent d'herbivores et consomment des aliments d'une composition plus complexe, comprenant des protéines, des graisses, des acides aminés et d'autres substances. Dans le processus de destruction des substances organiques des plantes mortes et des restes d'animaux par des micro-organismes (décomposeurs), des composés minéraux simples pénètrent dans le sol et le milieu aquatique, disponibles pour l'assimilation par les plantes, et le prochain cycle du cycle biologique commence (Fig. 33).
