Dans la biosphère, il existe un cycle global (grand ou géologique) de substances qui existait avant l'apparition des premiers organismes vivants. Une grande variété d’éléments chimiques y sont impliqués. Le cycle géologique s'effectue grâce aux énergies solaires, gravitationnelles, tectoniques et cosmiques.
Avec l'avènement de la matière vivante sur la base du cycle géologique, un cycle de matière organique est apparu - un petit cycle (biotique ou biologique).
Le cycle biotique des substances est un processus continu, cyclique, inégal dans le temps et dans l'espace de mouvement et de transformation de substances, se produisant avec la participation directe d'organismes vivants.
Il s'agit d'un processus continu de création et de destruction de matière organique et se réalise avec la participation des trois groupes d'organismes : producteurs, consommateurs et décomposeurs. Environ 40 éléments biogéniques sont impliqués dans les cycles biotiques. Les cycles du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène, de l’azote, du phosphore, du soufre, du fer, du potassium, du calcium et du magnésium sont de la plus haute importance pour les organismes vivants.
À mesure que la matière vivante se développe, de plus en plus d’éléments sont constamment extraits du cycle géologique et entrent dans un nouveau cycle biologique. La masse totale de cendres impliquées chaque année dans le cycle biotique des substances sur terre est d'environ 8 milliards de tonnes. C'est plusieurs fois plus que la masse de produits produits par les éruptions de tous les volcans du monde tout au long de l'année. Le taux de circulation de la matière dans la biosphère est différent. La matière vivante de la biosphère se renouvelle en moyenne tous les 8 ans, la masse de phytoplancton de l'océan est mise à jour quotidiennement. Tout l’oxygène de la biosphère traverse la matière vivante en 2000 ans et le dioxyde de carbone en 300 ans.
Dans les écosystèmes, des cycles biotiques locaux ont lieu et dans la biosphère, des cycles biogéochimiques de migration atomique ont lieu, qui non seulement relient les trois coques externes de la planète en un seul tout, mais déterminent également l'évolution continue de sa composition.
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ATMOSPHÈRE HYDROSPHÈRE
SUBSTANCE VIVANTE
SOL
La biosphère est apparue avec l’émergence des premiers organismes vivants il y a environ 3,5 milliards d’années. Au fur et à mesure que la vie évoluait, elle changeait. Les étapes de l'évolution de la biosphère peuvent être distinguées en tenant compte des caractéristiques du type d'écosystèmes.
1. L'émergence et le développement de la vie dans l'eau. L'étape est associée à l'existence d'écosystèmes aquatiques. Il n'y avait pas d'oxygène dans l'atmosphère.
2. L'émergence d'organismes vivants sur terre, l'évolution de l'environnement sol-air et des sols et l'émergence d'écosystèmes terrestres. Cela est devenu possible grâce à l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère et à l’écran d’ozone. Cela s'est produit il y a 2,5 milliards d'années.
3. L'apparition de l'homme, sa transformation en être biosocial et l'émergence des anthropoécosystèmes se sont produits il y a 1 million d'années.
4. La transition de la biosphère sous l'influence d'une activité humaine intelligente vers un nouvel état qualitatif - vers la noosphère.
Noosphère
Le stade le plus élevé de développement de la biosphère est la noosphère - le stade de régulation raisonnable des relations entre l'homme et la nature. Ce terme a été introduit en 1927 par le philosophe français E. Leroy. Il croyait que la noosphère comprenait la société humaine avec son industrie, son langage et d'autres attributs d'activité intelligente. Dans les années 30-40. XXe siècle V.I. Vernadsky a développé des idées matérialistes sur la noosphère. Il croyait que la noosphère naît de l'interaction de la biosphère et de la société, est régie par la relation étroite entre les lois de la nature, la pensée et les lois socio-économiques de la société, et a souligné que
la noosphère (sphère de la raison) est le stade de développement de la biosphère où l'activité intelligente des personnes deviendra le principal facteur déterminant de son développement durable.
La noosphère est une nouvelle étape la plus élevée de la biosphère, associée à l'émergence et au développement de l'humanité, qui, apprenant les lois de la nature et améliorant la technologie, devient la plus grande force comparable en échelle aux forces géologiques et commence à avoir un influence décisive sur le cours des processus sur Terre, en le modifiant profondément grâce à votre travail. La formation et le développement de l'humanité se sont exprimés dans l'émergence de nouvelles formes d'échange de matière et d'énergie entre la société et la nature, dans l'impact toujours croissant de l'homme sur la biosphère. La noosphère viendra lorsque l’humanité, avec l’aide de la science, sera capable de contrôler de manière significative les processus naturels et sociaux. Par conséquent, la noosphère ne peut pas être considérée comme une coquille spéciale de la Terre.
La science de la gestion des relations entre la société humaine et la nature s'appelle la noogénie.
L'objectif principal de la noogénie est de planifier le présent pour le futur, et ses tâches principales sont la correction des violations dans la relation entre l'homme et la nature causées par les progrès de la technologie et la gestion consciente de l'évolution de la biosphère. Il faut mettre en place une utilisation planifiée et scientifiquement fondée des ressources naturelles, prévoyant la restauration dans le cycle des substances de ce qui a été perturbé par l'homme, par opposition à une attitude spontanée et prédatrice envers la nature, conduisant à une détérioration de l'environnement. Cela nécessite le développement durable d’une société qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs.
Actuellement, la planète s'est formée la biotechnosphère est une partie de la biosphère qui a été radicalement transformée par l'homme en structures d'ingénierie et techniques : villes, usines, carrières et mines, routes, barrages et réservoirs, etc.
LA BIOSPHÈRE ET L'HOMME
La biosphère pour les humains est habitat et source de ressources naturelles.
Ressources naturelles – objets et phénomènes naturels que les gens utilisent dans le processus de travail. Ils fournissent à une personne de la nourriture, des vêtements et un abri. Selon le degré d'épuisement, ils sont répartis en épuisable et inépuisable . Non renouvelable les ressources sont divisées en renouvelable Et non renouvelable . Les ressources non renouvelables comprennent les ressources qui ne sont pas régénérées (ou qui se renouvellent des centaines de fois plus lentement qu'elles ne sont consommées) : le pétrole, le charbon, les minerais métalliques et la plupart des minéraux. Ressources naturelles renouvelables – sol, flore et faune, minéraux (sel de table). Ces ressources sont constamment restaurées à des rythmes différents : animaux - plusieurs années, forêts - 60-80 ans, sols qui ont perdu leur fertilité - sur plusieurs millénaires. Le dépassement du taux de consommation par rapport au taux de reproduction entraîne la disparition complète de la ressource.
Inépuisable les ressources comprennent l’eau, le climat (air atmosphérique et énergie éolienne) et l’espace : rayonnement solaire, énergie des marées. Cependant, la pollution croissante de l’environnement nécessite la mise en œuvre de mesures environnementales pour préserver ces ressources.
La satisfaction des besoins humains est impensable sans l’exploitation des ressources naturelles.
Tous les types d’activités humaines dans la biosphère peuvent être regroupés en quatre formes.
1. Modifications de la structure de la surface terrestre(labourage des terres, drainage des plans d'eau, abattage des forêts, construction de canaux). L’humanité est en train de devenir une puissante force géologique. L'homme utilise 75 % des terres, 15 % des eaux des rivières, 20 hectares de forêts sont abattus chaque minute.
· Changements géologiques et géomorphologiques – intensification des processus de formation de ravins, apparition et fréquence des coulées de boue et des glissements de terrain.
· Modifications (paysagères) complexes – violation de l'intégrité et de la structure naturelle des paysages, caractère unique des monuments naturels, perte de terres productives, désertification.
Cycle géologique les substances ont la vitesse la plus élevée dans le sens horizontal entre la terre et la mer. La signification de la grande circulation est que les roches sont sujettes à la destruction, à l'altération et aux produits d'altération, y compris les nutriments solubles dans l'eau, sont transportés par les flux d'eau dans l'océan mondial avec formation de strates marines et ne retournent à terre que partiellement, par exemple. , avec des précipitations ou des organismes extraits de l'eau par l'homme. Ensuite, sur une longue période, de lents changements géotectoniques se produisent - le mouvement des continents, la montée et la descente des fonds marins, les éruptions volcaniques, etc., à la suite desquels les strates formées retournent sur terre et le processus recommence. .
Grand cycle géologique de la matière. Sous l'influence des processus de dénudation, la destruction des roches et la sédimentation se produisent. Des roches sédimentaires se forment. Dans les zones de subsidence stable (généralement le fond des océans), le matériau de la coque géographique pénètre dans les couches profondes de la Terre. De plus, sous l'influence de la température et de la pression, des processus métamorphiques se produisent, à la suite desquels des roches se forment, la substance se rapproche du centre de la Terre. Dans les profondeurs de la Terre, dans des conditions de températures très élevées, le magmatisme se produit : les roches fondent, montent sous forme de magma le long des failles jusqu'à la surface terrestre et se déversent à la surface lors des éruptions. Ainsi se produit le cycle de la matière. Le cycle géologique devient plus compliqué si l'on prend en compte l'échange de matière avec l'espace. Le grand cycle géologique n'est pas fermé dans le sens où une particule de matière qui tombe dans les entrailles de la Terre ne remonte pas nécessairement à la surface, et vice versa, une particule s'élevant lors d'une éruption n'a peut-être jamais été à la surface de la Terre auparavant.
Les principales sources d'énergie pour les processus naturels sur Terre
Le rayonnement solaire est la principale source d’énergie sur Terre. Sa puissance est caractérisée par la constante solaire - la quantité d'énergie traversant une unité de surface perpendiculaire aux rayons du soleil. À une distance d'une unité astronomique (c'est-à-dire sur l'orbite terrestre), cette constante est d'environ 1 370 W/m².
Les organismes vivants utilisent l'énergie du Soleil (photosynthèse) et l'énergie des liaisons chimiques (chimiosynthèse). Cette énergie peut être utilisée dans divers processus naturels et artificiels. Un tiers de toute l'énergie est réfléchie par l'atmosphère, 0,02 % est utilisée par les plantes pour la photosynthèse et le reste est utilisé pour maintenir de nombreux processus naturels - chauffage de la terre, des océans, de l'atmosphère et du mouvement de l'air. poids. Le chauffage direct par les rayons du soleil ou la conversion d'énergie à l'aide de photocellules peuvent être utilisés pour produire de l'électricité (centrales solaires) ou effectuer d'autres travaux utiles. Dans un passé lointain, l’énergie stockée dans le pétrole et d’autres types de combustibles fossiles était également obtenue par la photosynthèse.
Cette énorme énergie conduit au réchauffement climatique, car après avoir traversé des processus naturels, elle est renvoyée et l'atmosphère ne lui permet pas de s'échapper.
2. Énergie interne de la Terre ; manifestation – volcans, sources chaudes
18. Transformations énergétiques d'origine biotique et abiotique
Dans un écosystème naturel fonctionnel, les déchets n’existent pas. Tous les organismes, vivants ou morts, sont potentiellement la nourriture d'autres organismes : une chenille mange du feuillage, une grive mange des chenilles, un faucon peut manger un merle. Lorsque les plantes, chenilles, grives et faucons meurent, elles sont à leur tour traitées par des décomposeurs.
Tous les organismes qui consomment le même type de nourriture appartiennent au même niveau trophique.
Les organismes des écosystèmes naturels sont impliqués dans un réseau complexe de nombreuses chaînes alimentaires interconnectées. Un tel réseau s'appelle réseau alimentaire.
Pyramides de flux d'énergie :À chaque transition d'un niveau trophique à un autre au sein d'une chaîne ou d'un réseau alimentaire, un travail est effectué et de l'énergie thermique est libérée dans l'environnement, et la quantité d'énergie de haute qualité utilisée par les organismes au niveau trophique suivant diminue.
Règle des 10 % : Lors du passage d'un niveau trophique à un autre, 90 % de l'énergie est perdue et 10 % sont transférés au niveau suivant.
Plus la chaîne alimentaire est longue, plus l’énergie utile est perdue. Par conséquent, la longueur de la chaîne alimentaire ne dépasse généralement pas 4 à 5 maillons.
Énergie de la sphère paysagère terrestre :
1) énergie solaire : thermique, radiante
2) le flux d'énergie thermique provenant des entrailles de la Terre
3) énergie des courants de marée
4) énergie tectonique
5) assimilation d'énergie lors de la photosynthèse
Cycle de l'eau dans la nature
Le cycle de l'eau dans la nature est le processus de mouvement cyclique de l'eau dans la biosphère terrestre. Il se compose de l'évaporation, de la condensation et des précipitations (les précipitations atmosphériques s'évaporent partiellement, forment en partie des drains et des réservoirs temporaires et permanents, s'infiltrent partiellement dans le sol et forment des eaux souterraines), ainsi que des processus de dégazage du manteau : l'eau s'écoule continuellement du manteau . de l'eau a été trouvée même à de grandes profondeurs.
Les mers perdent plus d’eau par évaporation qu’elles n’en reçoivent par précipitations ; sur terre, la situation est inverse. L'eau circule continuellement sur le globe, tandis que sa quantité totale reste inchangée.
75 % de la surface de la Terre est recouverte d'eau. La coquille d'eau de la Terre est l'hydrosphère. La majeure partie est constituée d'eau salée provenant des mers et des océans, et une plus petite partie est constituée d'eau douce provenant de lacs, de rivières, de glaciers, d'eaux souterraines et de vapeur d'eau.
Sur terre, l'eau existe sous trois états d'agrégation : liquide, solide et gazeux. Sans eau, les organismes vivants ne peuvent exister. Dans tout organisme, l’eau est le milieu dans lequel se produisent les réactions chimiques, sans lequel les organismes vivants ne peuvent pas vivre. L'eau est la substance la plus précieuse et la plus essentielle à la vie des organismes vivants.
Il existe plusieurs types de cycles de l’eau dans la nature :
Le Grand Cycle, ou Cycle Mondial, - la vapeur d'eau formée au-dessus de la surface des océans est transportée par les vents vers les continents, y tombe sous forme de précipitations et retourne à l'océan sous forme de ruissellement. Dans ce processus, la qualité de l'eau change : avec l'évaporation, l'eau de mer salée se transforme en eau douce et l'eau polluée est purifiée.
Petit cycle, ou cycle océanique : la vapeur d'eau formée au-dessus de la surface de l'océan se condense et retombe sous forme de précipitations dans l'océan.
Le cycle intracontinental - l'eau qui s'est évaporée à la surface des terres retombe sur les terres sous forme de précipitations.
En fin de compte, les sédiments en cours de mouvement atteignent à nouveau l'océan mondial.
Le taux de transfert des différents types d'eau varie considérablement, et les périodes d'écoulement et de renouvellement de l'eau sont également différentes. Elles varient de quelques heures à plusieurs dizaines de milliers d'années. L'humidité atmosphérique, formée par l'évaporation de l'eau des océans, des mers et des terres et existant sous forme de nuages, se renouvelle en moyenne tous les huit jours.
Les eaux qui composent les organismes vivants se restituent en quelques heures. C'est la forme d'échange d'eau la plus active. La période de renouvellement des réserves d'eau dans les glaciers de montagne est d'environ 1 600 ans, dans les glaciers des pays polaires, elle est beaucoup plus longue - environ 9 700 ans.
Le renouvellement complet des eaux de l'océan mondial se produit dans environ 2 700 ans.
Effets de l'interaction entre le rayonnement solaire et la terre en mouvement et en rotation.
Dans ce domaine, il convient de considérer la variabilité saisonnière : hiver/été. Décrivez qu'en raison de la rotation et du mouvement de la Terre, le rayonnement solaire arrive de manière inégale, ce qui signifie que les conditions climatiques changent avec la latitude.
La Terre est inclinée de 23,5 degrés par rapport au plan de l'écliptique.
Les rayons passent sous différents angles. Bilan radiatif. Il est important non seulement combien il gagne, mais aussi combien il perd et combien il reste, en tenant compte de l'albédo.
Centres d'action de l'atmosphère
De vastes zones de hautes ou basses pressions persistantes associées à la circulation générale de l'atmosphère - centres d'action atmosphérique. Ils déterminent la direction dominante des vents et servent de centres pour la formation de types géographiques de masses d'air. Sur les cartes synoptiques, ils sont exprimés sous forme de lignes fermées - isobares.
Raisons: 1) hétérogénéité de la Terre ;
2) différence physique propriétés de la terre et de l'eau (capacité thermique)
3) différence d'albédo de surface (R/Q) : eau – 6%, éq. forêts – 10-12 %, larges forêts – 18 %, prairies – 22-23 %, neige – 92 % ;
4) Coriolis F.
Cela provoque l’OCA.
Centres d'action de l'atmosphère:
● permanent– ils ont des hautes ou basses pressions toute l’année :
1. bande basse équatoriale pression dont l'axe migre quelque peu de l'équateur en suivant le Soleil vers l'hémisphère d'été - Dépression équatoriale (raisons : une grande quantité de Q et les océans) ;
2. le long d’une bande d’élévation subtropicale. pression au Nord et Yuzh. hémisphères; quelques-uns migrent en été vers les zones subtropicales supérieures. latitudes, en hiver - aux plus basses ; se diviser en une série d'océaniques anticyclones : au Nord. hémisphères - Anticyclone des Açores (surtout en été) et hawaïen ; dans le Sud - Sud de l'Inde, Pacifique Sud et Atlantique Sud ;
3. zones de déclin. pression sur les océans dans les hautes latitudes des zones tempérées : au Nord. hémisphères - minimums islandais (surtout en hiver) et aléoutiens, au sud - un anneau continu de basse pression entourant l'Antarctique (50 0 S) ;
4. zones d'augmentation pression sur l'Arctique (surtout en hiver) et l'Antarctique - anticyclones ;
● saisonnier– peuvent être tracés comme des zones de haute ou de basse pression au cours d’une saison, se transformant au cours d’une autre saison en centre d’action de l’atmosphère de signe opposé. Leur existence est associée à un changement brutal au cours de l'année de la température de la surface terrestre par rapport à la température de la surface des océans ; La surchauffe estivale des terres crée ici des conditions favorables à la formation de zones basses. pression, hypothermie hivernale - pour les zones de plus haute pression. Au Nord hémisphères vers les zones hivernales plus élevées. les pressions comprennent les pressions asiatiques (sibériennes) centrées sur la Mongolie et les sommets canadiens, ainsi que les sommets sud-australiens, sud-américains et sud-africains. Zones basses d'été pression : au Nord. hémisphères - minimums d'Asie du Sud (ou d'Asie occidentale) et d'Amérique du Nord, au Sud. - dépressions australiennes, sud-américaines et sud-africaines).
Les centres d'action de l'atmosphère sont caractérisés par un certain type de temps. Par conséquent, l'air ici acquiert relativement rapidement les propriétés de la surface sous-jacente - chaud et humide dans la dépression équatoriale, froid et sec dans l'anticyclone mongol, frais et humide dans la dépression islandaise, etc.
L'échange thermique planétaire et ses causes
Principales caractéristiques de l'échange thermique planétaire. L'énergie solaire absorbée par la surface du globe est ensuite dépensée en évaporation et en transfert de chaleur par des écoulements turbulents. En moyenne, environ 80 % de la planète entière est destinée à l'évaporation et les 20 % restants de la chaleur totale sont destinés à un échange thermique turbulent.
Les processus d'échange de chaleur et les changements de latitude géographique de ses composants dans l'océan et sur terre sont tout à fait uniques. Toute la chaleur absorbée par la terre au printemps et en été est complètement perdue en automne et en hiver ; avec un budget thermique annuel équilibré, il s'avère donc partout égal à zéro.
Dans l'océan mondial, en raison de la capacité thermique élevée de l'eau et de sa mobilité, la chaleur s'accumule aux basses latitudes, d'où elle est transférée par les courants vers les hautes latitudes, où sa consommation dépasse son offre. De cette manière, le déficit créé dans l’échange thermique de l’eau avec l’air est comblé.
Dans la zone équatoriale de l'océan mondial, avec une grande quantité de rayonnement solaire absorbé et une consommation d'énergie réduite, le bilan thermique annuel a des valeurs positives maximales. Avec l'éloignement de l'équateur, le bilan thermique annuel positif diminue en raison d'une augmentation des composantes de consommation de l'échange thermique, principalement l'évaporation. Avec le passage des tropiques aux latitudes tempérées, le bilan thermique devient négatif.
À l'intérieur du territoire, toute la chaleur reçue pendant la période printemps-été est dépensée pendant la période automne-hiver. Au cours de la longue histoire de la Terre, les eaux de l'océan mondial ont accumulé une énorme quantité de chaleur égale à 7,6 * 10^21 kcal. L'accumulation d'une masse aussi importante s'explique par la capacité calorifique élevée de l'eau et son mélange intense, au cours duquel se produit une redistribution assez complexe de la chaleur dans l'épaisseur de l'océanosphère. La capacité thermique de l'atmosphère entière est 4 fois inférieure à celle d'une couche d'eau de dix mètres dans l'océan mondial.
Bien que la part de l'énergie solaire consacrée aux échanges thermiques turbulents entre la surface de la Terre et l'air soit relativement faible, elle constitue la principale source de chauffage de la partie proche de la surface de l'atmosphère. L'intensité de cet échange thermique dépend de la différence de température entre l'air et la surface sous-jacente (eau ou terre). Aux basses latitudes de la planète (de l'équateur jusqu'à environ la quarantième latitude des deux hémisphères), l'air est chauffé principalement par la terre, qui est incapable d'accumuler l'énergie solaire et cède toute la chaleur qu'elle reçoit à l'atmosphère. En raison des échanges thermiques turbulents, la coque d'air reçoit de 20 à 40 kcal/cm^2 par an, et dans les zones à faible humidité (Sahara, Arabie, etc.) - même plus de 60 kcal/cm^2. Les eaux de ces latitudes accumulent de la chaleur, ne libérant que 5 à 10 kcal/cm^2 par an ou moins dans l'air au cours du processus d'échange thermique turbulent. Ce n'est que dans certaines zones (zone limitée) que l'eau est en moyenne annuelle plus froide et reçoit donc la chaleur de l'air (dans la zone équatoriale, dans le nord-ouest de l'océan Indien, ainsi qu'au large des côtes ouest de l'Afrique et de l'Amérique du Sud).
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 transformation profonde vers de nouvelles conditions de température et de pression – les processus de métamorphisme.
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, construction de montagne, 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 de calcium ou de magnésium pour précipiter des carbonates. De telles réactions sont à la base du système tampon de l'océan, maintenant ainsi un équilibre. 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 de la quantité totale 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 nitrate 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, suivi d'une transition avec les roches sédimentaires vers 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 - portion 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 lac, 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 producteurs (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
Pour que la biosphère continue d'exister et que son mouvement (développement) ne s'arrête pas, la circulation de substances biologiquement importantes doit avoir lieu en permanence sur Terre. Cette transition de substances biologiquement importantes de lien en lien ne peut s'effectuer qu'avec une certaine dépense d'énergie, dont la source est le Soleil.
L'énergie solaire fournit deux cycles de substances sur Terre :
- cycle géologique (abiotique) ou grand cycle ;
- cycle biologique (biotique), ou petit cycle.
Cycle géologique se manifeste le plus clairement dans le cycle de l’eau et la circulation atmosphérique.
La Terre reçoit annuellement environ 21,10,20 kJ d'énergie rayonnante du Soleil. Environ la moitié est consacrée à l’évaporation de l’eau. C’est ce qui provoque le grand cycle.
Le cycle de l'eau dans la biosphère repose sur le fait que son évaporation totale de la surface de la Terre est compensée par les précipitations. Dans le même temps, plus d’eau s’évapore de l’océan qu’elle n’en revient avec les précipitations. Sur terre, au contraire, il tombe plus de précipitations que d’eau ne s’évapore. Son excédent se déverse dans les rivières et les lacs, puis de là dans l'océan.
Au cours du cycle géologique de l'eau, les composés minéraux sont transférés d'un endroit à un autre à l'échelle planétaire et l'état global de l'eau change également (liquide, solide - neige, glace ; gazeux - vapeur). L'eau circule le plus intensément à l'état de vapeur.
Avec l'avènement de la matière vivante basée sur la circulation de l'atmosphère, de l'eau, des composés minéraux qui y sont dissous, c'est-à-dire sur la base du cycle abiotique et géologique, un cycle de matière organique, ou petit, est né, cycle biologique.
À mesure que la matière vivante se développe, de plus en plus d’éléments sont constamment extraits du cycle géologique et entrent dans un nouveau cycle biologique.
Contrairement au simple transfert et au mouvement des éléments minéraux dans le grand cycle (géologique), dans le petit cycle (biologique), les points les plus importants sont la synthèse et la destruction des composés organiques. Ces deux processus entretiennent une certaine relation qui sous-tend la vie et constitue l'une de ses principales caractéristiques.
Contrairement au cycle géologique, le cycle biologique a une énergie plus faible. Comme on le sait, seulement 0,1 à 0,2 % de l'énergie solaire tombant sur Terre est consacrée à la création de matière organique (jusqu'à 50 % pour le cycle géologique). Malgré cela, l'énergie impliquée dans le cycle biologique est dépensée pour l'énorme travail de création de production primaire sur Terre.
Avec l’apparition de la matière vivante sur Terre, les éléments chimiques circulent continuellement dans la biosphère, passant du milieu extérieur aux organismes et retournant dans le milieu extérieur.
Une telle circulation d'éléments chimiques le long de chemins plus ou moins fermés, se produisant grâce à l'énergie solaire à travers des organismes vivants, est appelée cycle biogéochimique (cycle).
Les principaux cycles biogéochimiques sont les cycles de l'oxygène, du carbone, de l'azote, du phosphore, du soufre, de l'eau et des nutriments.
Cycle du carbone.
Sur terre, le cycle du carbone commence par la fixation du dioxyde de carbone par les plantes lors de la photosynthèse. Ensuite, des glucides sont formés à partir du dioxyde de carbone et de l'eau et de l'oxygène sont libérés. Dans ce cas, le carbone est partiellement libéré lors de la respiration des plantes sous forme de dioxyde de carbone. Le carbone fixé dans les plantes est dans une certaine mesure consommé par les animaux. Les animaux rejettent également du dioxyde de carbone lorsqu’ils respirent. Les animaux et les plantes morts sont décomposés par des micro-organismes, ce qui provoque l'oxydation du carbone contenu dans la matière organique morte en dioxyde de carbone et son rejet dans l'atmosphère.
Un cycle du carbone similaire se produit dans l’océan.
Cycle de l'azote.
Le cycle de l'azote, comme les autres cycles biogéochimiques, couvre toutes les zones de la biosphère. Le cycle de l'azote est associé à sa conversion en nitrates grâce à l'activité des bactéries fixatrices et nitrifiantes de l'azote. Les nitrates sont absorbés par les plantes à partir du sol ou de l'eau. Les plantes sont mangées par les animaux. Finalement, les décomposeurs reconvertissent l’azote sous forme gazeuse et le rejettent dans l’atmosphère.
Dans les conditions modernes, les humains sont intervenus dans le cycle de l’azote en cultivant des légumineuses fixatrices d’azote sur de vastes superficies et en fixant artificiellement l’azote naturel. On estime que l’agriculture et l’industrie fournissent près de 60 % plus d’azote fixe que les écosystèmes terrestres naturels.
Un cycle similaire de l’azote est observé dans le milieu aquatique.
Cycle du phosphore.
Contrairement au carbone et à l’azote, les composés du phosphore se trouvent dans les roches qui s’érodent et libèrent des phosphates. La plupart d’entre eux finissent dans les mers et les océans et peuvent être partiellement rejetés sur terre par le biais des chaînes alimentaires marines se terminant par les oiseaux piscivores. Certains phosphates pénètrent dans le sol et sont absorbés par les racines des plantes. L'absorption du phosphore par les plantes dépend de l'acidité de la solution du sol : à mesure que l'acidité augmente, les phosphates pratiquement insolubles dans l'eau se transforment en acide phosphorique hautement soluble. Les plantes sont ensuite mangées par les animaux.
Les principaux maillons des cycles biogéochimiques sont divers organismes dont la variété des formes détermine l'intensité des cycles et l'implication de presque tous les éléments de la croûte terrestre.
En général, chaque cycle de tout élément chimique fait partie du grand cycle général des substances sur Terre, c'est-à-dire ils sont étroitement liés.
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.
