Sebelum munculnya biosfer, ada tiga siklus materi di Bumi: siklus mineral - pergerakan produk beku dari kedalaman ke permukaan dan sebaliknya; siklus gas - sirkulasi massa udara yang dipanaskan secara berkala oleh Matahari,siklus air - penguapan air dan perpindahannya melalui massa udara, curah hujan (hujan, salju). Ketiga siklus ini disatukan oleh satu istilah - siklus geologi (abiotik). Dengan munculnya kehidupan, siklus gas, mineral dan air ditambah dengan siklus biotik (biogenik). - siklus unsur kimia yang dilakukan oleh aktivitas vital organisme. Bersama dengan geologi, satu siklus biogeokimia zat di Bumi.
Siklus geologi.
Sekitar setengah dari energi matahari yang mencapai permukaan bumi dihabiskan untuk penguapan air, pelapukan batuan, pelarutan mineral, pergerakan massa udara dan juga uap air, debu, dan partikel padat pelapukan.
Pergerakan air dan angin menyebabkan erosi tanah, pergerakan, redistribusi dan akumulasi presipitasi mekanis dan kimia di hidrosfer dan litosfer. Siklus ini masih terjadi hingga saat ini.
Sangat menarik siklus air. Sekitar 3,8 · 10 14 ton air menguap dari hidrosfer dalam satu tahun, dan hanya 3,4 · 10 14 ton air yang kembali bersama presipitasi ke lapisan air bumi. Bagian yang hilang jatuh ke darat. Secara total, sekitar 1 · 10 14 ton curah hujan turun di darat, dan sekitar 0,6 · 10 14 ton air menguap. Kelebihan air yang terbentuk di litosfer mengalir ke danau dan sungai, dan kemudian ke Samudra Dunia (Gbr. 2.4). Limpasan permukaan kira-kira 0,2 · 10 14 ton, sisa 0,2 · 10 14 ton air masuk ke akuifer bawah tanah, dari mana air mengalir ke sungai, danau dan laut, dan juga mengisi kembali reservoir air tanah.
siklus biotik. Hal ini didasarkan pada proses sintesis zat organik dengan penghancuran selanjutnya menjadi mineral asli. Proses sintesis dan penghancuran zat organik merupakan landasan keberadaan makhluk hidup dan ciri utama berfungsinya biosfer.
Aktivitas kehidupan organisme apa pun tidak mungkin terjadi tanpa adanya metabolisme dengan lingkungan. Dalam proses metabolisme, tubuh mengkonsumsi dan mengasimilasi zat-zat yang diperlukan dan melepaskan produk limbah; ukuran planet kita tidak terbatas, dan pada akhirnya semua zat yang berguna akan diolah menjadi limbah yang tidak berguna. Namun, dalam proses evolusi, solusi yang sangat baik ditemukan: selain organisme yang dapat membangun materi hidup dari materi tak hidup, muncul organisme lain yang menguraikan bahan organik kompleks ini menjadi mineral awal, siap untuk digunakan baru. “Satu-satunya cara untuk memberikan sifat tak terhingga pada kuantitas terbatas,” tulis V.R. Williams, adalah membuatnya berputar sepanjang kurva tertutup."
Mekanisme interaksi antara alam hidup dan alam mati terdiri dari keterlibatan benda mati dalam alam kehidupan. Setelah serangkaian transformasi benda mati pada organisme hidup, ia kembali ke keadaan semula. Siklus seperti itu dimungkinkan karena organisme hidup mengandung unsur kimia yang sama dengan alam mati.
Bagaimana siklus ini terjadi? V.I. Vernadsky membuktikan bahwa pengubah utama energi yang berasal dari luar angkasa (terutama matahari) adalah materi hijau tumbuhan. Hanya mereka yang mampu mensintesis senyawa organik primer di bawah pengaruh energi matahari. Ilmuwan menghitung bahwa total luas permukaan materi hijau tumbuhan yang menyerap energi, bergantung pada waktu dalam setahun, berkisar antara 0,86 hingga 4,2% dari luas permukaan Matahari. Pada saat yang sama, luas permukaan bumi
Hewan yang makanannya berupa tumbuhan atau hewan lain mensintesis senyawa organik baru di dalam tubuhnya.
Sisa-sisa hewan dan tumbuhan berfungsi sebagai makanan bagi cacing, jamur dan mikroorganisme, yang pada akhirnya mengubahnya menjadi mineral asli, melepaskan karbon dioksida. Mineral-mineral ini kembali berfungsi sebagai bahan baku awal pembuatan senyawa organik primer oleh tanaman. Dengan demikian lingkaran ditutup dan pergerakan atom baru dimulai.
Namun, siklus zat tidak sepenuhnya tertutup. Beberapa atom keluar dari siklus, ditetapkan dan diorganisir oleh bentuk-bentuk baru organisme hidup dan produk limbahnya. Menembus ke dalam litosfer, hidrosfer, dan troposfer, organisme hidup telah menghasilkan dan sedang melakukan pekerjaan geokimia yang sangat besar pada pergerakan dan redistribusi zat-zat yang ada dan penciptaan zat-zat baru. Inilah inti dari perkembangan biosfer yang progresif, karena hal ini memperluas cakupan siklus biogeokimia dan memperkuat biosfer. Seperti yang dicatat oleh V.I. Vernadsky, di biosfer terdapat pergerakan biogenik atom yang konstan dalam bentuk “vortisitas”.
Berbeda dengan siklus geologi, siklus biotik ditandai dengan konsumsi energi yang tidak signifikan. Seperti yang telah disebutkan, sekitar 1% energi matahari yang mencapai permukaan bumi dihabiskan untuk pembuatan bahan organik primer. Energi ini cukup untuk berfungsinya proses biogeokimia paling kompleks di planet ini.
Siklus besar zat di alam disebabkan oleh interaksi energi matahari dengan energi dalam bumi dan melakukan redistribusi materi antara biosfer dan cakrawala bumi yang lebih dalam.
Batuan sedimen yang terbentuk akibat pelapukan batuan beku, pada zona gerak kerak bumi kembali terbenam dalam zona suhu dan tekanan tinggi. Di sana mereka meleleh dan membentuk magma - sumber batuan beku baru. Setelah batuan tersebut naik ke permukaan bumi dan mengalami proses pelapukan, batuan tersebut kembali berubah menjadi batuan sedimen baru. Siklus baru tidak persis mengulangi siklus lama, tetapi memperkenalkan sesuatu yang baru, yang seiring berjalannya waktu membawa perubahan yang sangat signifikan.
Penggerak siklus besar (geologi). adalah eksogen dan endogen proses geologi.
Proses endogen(proses dinamika internal) terjadi di bawah pengaruh energi internal bumi, yang dilepaskan sebagai akibat peluruhan radioaktif, reaksi kimia pembentukan mineral, kristalisasi batuan, dll. (misalnya pergerakan tektonik, gempa bumi, magmatisme , metamorfisme).
Proses eksogen(proses dinamika eksternal) terjadi di bawah pengaruh energi eksternal Matahari. Contoh: pelapukan batuan dan mineral, pembuangan hasil perusakan dari suatu daerah kerak bumi dan perpindahannya ke daerah baru, pengendapan dan penimbunan hasil perusakan dengan terbentuknya batuan sedimen. Ke Ex.pr. rel. aktivitas geologi atmosfer, hidrosfer, serta organisme hidup dan manusia.
Bentang alam terbesar (benua dan cekungan samudera) dan bentuk besar (pegunungan dan dataran) terbentuk karena proses endogen, dan bentang alam sedang dan kecil (lembah sungai, bukit, jurang, bukit pasir, dll.) ditumpangkan pada bentuk yang lebih besar - karena perhitungan dari proses eksogen. Dengan demikian, proses endogen dan eksogen adalah kebalikannya. Yang pertama mengarah pada pembentukan bentuk-bentuk relief besar, yang terakhir mengarah pada perataannya.
Contoh siklus geologi. Batuan beku berubah menjadi batuan sedimen akibat pelapukan. Di zona pergerakan kerak bumi, mereka tenggelam jauh ke dalam bumi. Di sana, di bawah pengaruh suhu dan tekanan tinggi, mereka meleleh dan membentuk magma, yang naik ke permukaan dan mengeras, membentuk batuan beku.
Contoh siklus besar adalah siklus air antara daratan dan lautan melalui atmosfer (Gbr. 2.1).
Beras. 2.1. Skema hidrologi (iklim) yang diterima secara umum
siklus air di alam
Uap air yang diuapkan dari permukaan Samudra Dunia (yang menghabiskan hampir setengah energi matahari yang mencapai permukaan bumi) dipindahkan ke daratan, di mana ia jatuh dalam bentuk presipitasi, yang kembali ke lautan dalam bentuk limpasan permukaan dan bawah tanah. . Siklus air juga terjadi menurut skema yang lebih sederhana: penguapan uap air dari permukaan laut - kondensasi uap air - pengendapan di permukaan air laut yang sama.
Siklus air secara keseluruhan memainkan peran utama dalam membentuk kondisi alam di planet kita. Dengan mempertimbangkan transpirasi air oleh tumbuhan dan penyerapannya dalam siklus biogeokimia, seluruh persediaan air di Bumi akan rusak dan pulih kembali dalam 2 juta tahun.
Dengan demikian, siklus geologis zat terjadi tanpa partisipasi organisme hidup dan mendistribusikan kembali zat antara biosfer dan lapisan bumi yang lebih dalam.
Semua zat di planet kita sedang dalam proses sirkulasi. Energi matahari menyebabkan dua siklus zat di Bumi, besar atau biosfer (mencakup seluruh biosfer), dan kecil atau biologis (dalam ekosistem).
Sirkulasi zat biosfer didahului oleh sirkulasi geologis, terkait dengan pembentukan dan penghancuran batuan dan pergerakan produk penghancuran selanjutnya - bahan klastik dan unsur kimia. Sifat termal permukaan tanah dan air memainkan dan terus memainkan peran penting dalam proses ini: penyerapan menjadi pantulan sinar matahari, konduktivitas termal menjadi kapasitas panas. Air menyerap lebih banyak energi matahari, dan permukaan tanah di garis lintang yang sama menjadi lebih panas. Rezim hidrotermal yang tidak stabil di permukaan bumi, bersama dengan sistem sirkulasi atmosfer planet, menentukan sirkulasi geologis zat-zat, yang pada tahap awal perkembangan bumi, bersama dengan proses endogen, dikaitkan dengan pembentukan benua, lautan, dan modern. geosfer. Manifestasi geologisnya juga ditunjukkan oleh perpindahan produk pelapukan oleh massa udara, dan oleh air - senyawa mineral yang terlarut di dalamnya. Dengan terbentuknya biosfer, produk limbah organisme dimasukkan ke dalam siklus besar. Siklus geologi, tanpa menghentikan keberadaannya, memperoleh ciri-ciri baru: ini adalah tahap awal pergerakan materi biosfer. Dialah yang memasok nutrisi bagi organisme hidup dan sangat menentukan kondisi keberadaan mereka.
Siklus besar zat di biosfer ditandai oleh dua hal penting:
Dilakukan sepanjang perkembangan geologi bumi;
Ini adalah proses planet modern yang mengambil bagian utama dalam perkembangan biosfer lebih lanjut (Radkevich, 1983).
Pada tahap perkembangan manusia saat ini, sebagai akibat dari siklus besar, polutan seperti sulfur dan nitrogen oksida, debu, dan pengotor radioaktif juga berpindah dalam jarak jauh. Wilayah garis lintang sedang di Belahan Bumi Utara mengalami kontaminasi terbesar.
Siklus kecil atau biologis suatu zat terungkap dengan latar belakang siklus geologis yang besar, yang meliputi biosfer secara keseluruhan. Terjadi di dalam ekosistem, tetapi tidak tertutup, yang berhubungan dengan masuknya materi dan energi ke dalam ekosistem dari luar dan keluarnya sebagian ke dalam siklus biosfer. Oleh karena itu, terkadang orang tidak berbicara tentang siklus biologis, tetapi tentang pertukaran energi dalam ekosistem dan organisme individu.
Tumbuhan, hewan, dan tutupan tanah di darat membentuk sistem dunia yang kompleks yang membentuk biomassa, mengikat dan mendistribusikan kembali energi matahari, karbon atmosfer, kelembapan, oksigen, hidrogen, nitrogen, fosfor, belerang, kalsium, dan elemen lain yang terlibat dalam kehidupan organisme. Tumbuhan, hewan, dan mikroorganisme di lingkungan perairan membentuk sistem planet lain yang menjalankan fungsi yang sama dalam menghubungkan energi matahari dan siklus biologis zat.
Inti dari siklus biologis terletak pada terjadinya dua proses yang berlawanan namun saling berhubungan - penciptaan bahan organik dan penghancurannya. Tahap awal pembentukan bahan organik disebabkan oleh fotosintesis tumbuhan hijau, yaitu. pembentukan zat ini dari senyawa karbon dioksida, air dan mineral dengan menggunakan pancaran energi matahari. Tumbuhan mengekstrak belerang, fosfor, kalsium, kalium, magnesium, mangan, silikon, aluminium, tembaga, seng, dan elemen lainnya dari tanah dalam bentuk terlarut. Hewan herbivora sudah menyerap senyawa unsur-unsur tersebut dalam bentuk makanan yang berasal dari tumbuhan. Predator memakan hewan herbivora, mengonsumsi makanan dengan komposisi yang lebih kompleks, termasuk protein, lemak, asam amino, dll. Dalam proses penghancuran bahan organik sisa tumbuhan dan hewan yang mati oleh mikroorganisme, senyawa mineral sederhana masuk ke dalam tanah dan perairan. lingkungan, tersedia untuk diasimilasi oleh tanaman, dan putaran berikutnya dimulai siklus biologis.
Berbeda dengan pilin besar, pilin kecil memiliki durasi yang berbeda: pilin kecil musiman, tahunan, abadi, dan sekuler. Saat mempelajari siklus biologis zat, perhatian utama diberikan pada ritme tahunan, yang ditentukan oleh dinamika tahunan perkembangan vegetasi.
Halaman 1
Siklus geologi (siklus besar zat di alam) adalah siklus zat yang penggeraknya adalah proses geologi eksogen dan endogen.
Siklus geologi adalah peredaran zat yang penggeraknya adalah proses geologi eksogen dan endogen.
Batas-batas siklus geologi jauh lebih luas daripada batas-batas biosfer; amplitudonya mencakup lapisan kerak bumi jauh melampaui batas-batas biosfer. Dan yang terpenting, organisme hidup memainkan peran sekunder dalam proses siklus ini.
Dengan demikian, siklus geologis zat terjadi tanpa partisipasi organisme hidup dan mendistribusikan kembali zat antara biosfer dan lapisan bumi yang lebih dalam.
Peran paling penting dalam siklus besar siklus geologi dimainkan oleh siklus kecil materi, baik biosfer maupun teknosfer, ketika materi terputus dari aliran geokimia besar untuk waktu yang lama, berubah menjadi siklus sintesis dan sintesis yang tak ada habisnya. penguraian.
Peran paling penting dalam siklus besar siklus geologi dimainkan oleh siklus kecil materi, baik biosfer maupun teknosfer, ketika materi terputus dari aliran geokimia besar untuk waktu yang lama, berubah menjadi siklus sintesis dan sintesis yang tak ada habisnya. penguraian.
Karbon ini mengambil bagian dalam siklus geologi yang lambat.
Karbon inilah yang berperan dalam siklus geologi yang lambat. Kehidupan di Bumi dan keseimbangan gas di atmosfer didukung oleh sejumlah kecil karbon yang terkandung dalam jaringan tumbuhan (5 10 t) dan hewan (5 109 t) yang berpartisipasi dalam siklus kecil (biogenik). Namun saat ini manusia sedang gencar-gencarnya menutup siklus zat, termasuk karbon. Misalnya, diperkirakan total biomassa seluruh hewan peliharaan sudah melebihi biomassa seluruh hewan darat liar. Kawasan tanaman budidaya mendekati kawasan biogeocenosis alami, dan banyak ekosistem budaya yang secara signifikan lebih unggul daripada ekosistem alami dalam produktivitasnya, yang terus ditingkatkan oleh manusia.
Yang paling luas dalam ruang dan waktu adalah apa yang disebut siklus geologis zat.
Ada 2 jenis peredaran zat di alam: peredaran zat besar atau geologis antara daratan dan lautan; kecil atau biologis - antara tanah dan tanaman.
Air yang diekstraksi oleh tumbuhan dari tanah dalam bentuk uap memasuki atmosfer, kemudian mendingin, mengembun dan kembali ke tanah atau laut dalam bentuk presipitasi. Siklus geologi air menyediakan redistribusi mekanis, pengendapan, akumulasi sedimen padat di darat dan di dasar waduk, serta dalam proses penghancuran mekanis tanah dan batuan. Namun, fungsi kimiawi air dilakukan dengan partisipasi organisme hidup atau produk metabolismenya. Perairan alami, seperti tanah, merupakan zat bioinert yang kompleks.
Aktivitas geokimia manusia menjadi sebanding skalanya dengan proses biologis dan geologis. Dalam siklus geologi, hubungan penggundulan meningkat tajam.
Faktor yang meninggalkan jejak utama pada sifat umum dan biologis. Pada saat yang sama, siklus geologis air terus berupaya untuk mencuci semua elemen ini dari lapisan daratan yang hancur ke dalam cekungan lautan. Oleh karena itu, pelestarian unsur-unsur pangan nabati di dalam tanah memerlukan pengubahannya menjadi bentuk yang benar-benar tidak larut dalam air. Persyaratan ini dipenuhi oleh bahan organik hidup.
Semua zat di planet ini sedang dalam proses sirkulasi. Energi matahari menyebabkan dua siklus zat di Bumi: besar (geologi, biosfer) Dan kecil (biologis).
Siklus besar zat di biosfer dicirikan oleh dua poin penting: siklus ini terjadi di seluruh perkembangan geologi bumi dan merupakan proses planet modern yang mengambil bagian utama dalam perkembangan biosfer lebih lanjut.
Siklus geologi dikaitkan dengan pembentukan dan penghancuran batuan dan pergerakan produk penghancuran selanjutnya - bahan klastik dan unsur kimia. Sifat termal permukaan tanah dan air memainkan peran penting dalam proses ini: penyerapan dan refleksi sinar matahari, konduktivitas termal, dan kapasitas panas. Rezim hidrotermal yang tidak stabil di permukaan bumi, bersama dengan sistem sirkulasi atmosfer planet, menentukan siklus geologis zat, yang pada tahap awal perkembangan bumi, bersama dengan proses endogen, dikaitkan dengan pembentukan benua, lautan, dan modern. geosfer. Dengan terbentuknya biosfer, produk limbah organisme dimasukkan ke dalam siklus besar. Siklus geologi memasok nutrisi kepada organisme hidup dan sangat menentukan kondisi keberadaan mereka.
Unsur kimia utama litosfer: oksigen, silikon, aluminium, besi, magnesium, natrium, kalium, dan lainnya - berpartisipasi dalam siklus besar, berpindah dari bagian dalam mantel atas ke permukaan litosfer. Batuan beku terbentuk melalui kristalisasi
magma, yang tiba di permukaan litosfer dari kedalaman bumi, mengalami dekomposisi dan pelapukan di biosfer. Produk pelapukan memasuki keadaan bergerak, dibawa oleh air dan angin ke daerah dataran rendah, memasuki sungai, lautan dan membentuk lapisan batuan sedimen yang tebal, yang seiring waktu, tenggelam ke kedalaman di daerah dengan suhu dan tekanan yang meningkat, mengalami metamorfosis. , yaitu "dilebur kembali". Selama pencairan ini, muncul batuan metamorf baru, memasuki cakrawala atas kerak bumi dan kembali memasuki siklus zat. (Gbr. 32).
Beras. 32. Siklus materi geologi (besar).
Zat yang mudah bergerak - gas dan air alami yang membentuk atmosfer dan hidrosfer planet ini - mengalami sirkulasi paling intens dan cepat. Siklus material litosfer jauh lebih lambat. Secara umum, setiap siklus unsur kimia adalah bagian dari keseluruhan siklus besar zat di Bumi, dan semuanya saling berhubungan erat. Materi hidup di biosfer dalam siklus ini melakukan pekerjaan luar biasa dalam mendistribusikan kembali unsur-unsur kimia yang terus bersirkulasi di biosfer, berpindah dari lingkungan luar ke organisme dan kembali ke lingkungan luar.
Siklus zat yang kecil atau biologis- Ini
sirkulasi zat antara tumbuhan, hewan, jamur, mikroorganisme dan tanah. Inti dari siklus biologis terletak pada terjadinya dua proses yang berlawanan namun saling berhubungan - penciptaan zat organik dan penghancurannya. Tahap awal munculnya zat organik disebabkan oleh fotosintesis tumbuhan hijau, yaitu pembentukan makhluk hidup dari karbon dioksida, air dan senyawa mineral sederhana dengan menggunakan energi matahari. Tumbuhan (produsen) mengekstrak molekul belerang, fosfor, kalsium, kalium, magnesium, mangan, silikon, aluminium, seng, tembaga dan unsur-unsur lain dari tanah dalam larutan. Hewan herbivora (konsumen orde pertama) menyerap senyawa unsur-unsur tersebut dalam bentuk makanan yang berasal dari tumbuhan. Predator (konsumen tingkat II) memakan herbivora, mengonsumsi makanan dengan komposisi yang lebih kompleks, termasuk protein, lemak, asam amino, dan zat lainnya. Dalam proses penghancuran zat organik sisa tumbuhan dan hewan yang mati oleh mikroorganisme (pengurai), senyawa mineral sederhana masuk ke dalam tanah dan lingkungan perairan, tersedia untuk diasimilasi oleh tumbuhan, dan putaran siklus biologis selanjutnya dimulai. (Gbr. 33).
