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).
Siklus dan siklus biogeokimia suatu zat
Jelaskan pengertian siklus geologi dengan menggunakan contoh siklus air.
Bagaimana siklus biologis terjadi?
Apa hukum migrasi biogenik atom V.I. Vernadsky?
Apa yang dimaksud dengan dana cadangan dan pertukaran siklus alam? Apa perbedaan di antara keduanya?
Bumi sebagai superorganisme hidup
*Agar biosfer ada dan berkembang, harus ada siklus konstan zat-zat penting secara biologis di Bumi, yaitu, setelah digunakan, zat-zat tersebut harus kembali berubah menjadi bentuk yang diasimilasi oleh organisme lain. Transisi zat-zat penting secara biologis ini hanya dapat dilakukan dengan pengeluaran energi tertentu, yang sumbernya adalah Matahari.
Ilmuwan V.R. Williams percaya bahwa energi matahari menyediakan dua siklus materi di Bumi - geologis , atau besar, pilin dan biologis , kecil, siklus.
Geologi k Sirkulasi paling jelas terlihat dalam siklus air. Bumi menerima 5,24-1024 J energi radiasi setiap tahunnya dari Matahari. Sekitar setengahnya dihabiskan untuk penguapan air. Pada saat yang sama, lebih banyak air yang menguap dari laut dibandingkan kembali melalui curah hujan. Sebaliknya, di darat, curah hujan yang turun lebih banyak daripada air yang menguap. Kelebihannya mengalir ke sungai dan danau, dan dari sana kembali ke laut (sambil mentransfer sejumlah senyawa mineral). Hal ini menyebabkan siklus besar di biosfer, berdasarkan fakta bahwa total penguapan air dari bumi dikompensasi oleh curah hujan.
**Dengan munculnya materi hidup berdasarkan siklus geologi, siklus organik pun muncul sifat, siklus biologis (kecil).
Siklus air sebagai contoh siklus geologi
(menurut H. Penman)
Seiring berkembangnya materi hidup, semakin banyak unsur yang terus-menerus dikeluarkan dari siklus geologi dan memasuki siklus biologis yang baru. Berbeda dengan perpindahan mineral sederhana pada siklus besar, baik dalam bentuk larutan maupun dalam bentuk pengendapan mekanis, pada siklus kecil aspek terpentingnya adalah sintesis dan penghancuran senyawa organik. Berbeda dengan siklus geologi, siklus biologis mempunyai energi yang dapat diabaikan. Seperti diketahui, hanya 0,1-0,2% dari seluruh energi matahari yang tiba di Bumi dihabiskan untuk pembuatan bahan organik (hingga 50% untuk siklus geologi). Meskipun demikian, energi yang terlibat dalam siklus biologis melakukan banyak pekerjaan untuk menciptakan produk primer.
Siklus biologis
Dengan munculnya materi hidup di Bumi, unsur-unsur kimia terus bersirkulasi di biosfer, berpindah dari lingkungan luar
ke dalam organisme dan lagi ke lingkungan eksternal. Peredaran zat yang demikian sepanjang jalur yang kurang lebih tertutup disebut siklus biogeokimia.
Siklus biogeokimia utama adalah siklus oksigen, karbon, air, nitrogen, fosfor, belerang dan nutrisi lainnya.
*** Migrasi materi biogenik - salah satu bentuk migrasi umum unsur-unsur di alam. Migrasi geokimia biogenik harus dipahami sebagai migrasi bahan organik dan inert yang terlibat dalam pertumbuhan dan perkembangan organisme hidup dan dihasilkan oleh organisme hidup sebagai akibat dari proses biokimia dan biogeokimia yang kompleks. V.I. Vernadsky merumuskan hukum migrasi biogenik atom
dalam bentuk berikut:
Migrasi unsur-unsur kimia di biosfer terjadi baik dengan partisipasi langsung makhluk hidup (migrasi biogenik), atau terjadi di lingkungan yang ciri geokimianya (O2, CO2, H2, dll.) ditentukan oleh makhluk hidup (yang saat ini mendiami biosfer, dan apa yang telah terjadi di Bumi sepanjang sejarah geologi).
Manusia terutama mempengaruhi biosfer dan populasi makhluk hidup, oleh karena itu ia mengubah kondisi migrasi biogenik atom, menciptakan prasyarat bagi perubahan kimia yang mendalam.
Dengan demikian, proses tersebut dapat berkembang dengan sendirinya, tidak bergantung pada keinginan manusia, dan dalam skala global praktis tidak dapat dikendalikan.
Dari sudut pandang siklus materi planet, yang paling penting adalah lanskap tanah, hidrosfer, dan siklus dalam (intraterestrial). Yang pertama, unsur-unsur kimia diekstraksi dari batuan, air, udara, penguraian bahan organik, dan berbagai senyawa organik dan organomineral diserap dan disintesis. Dalam siklus hidrosfer, peran utama dimainkan oleh komposisi air dan aktivitas biologis organisme hidup. Bioproduksi zat di sini dilakukan dengan partisipasi dominan fito dan zooplankton. Dalam siklus migrasi biogenik yang dalam, aktivitas mikroorganisme anaerobik memainkan peran paling penting.****Proses yang terjadi di berbagai cangkang bumi berada dalam keadaan keseimbangan dinamis, dan perubahan jalannya salah satu dari proses tersebut memerlukan rantai fenomena yang terkadang tidak dapat diubah tanpa akhir. Dalam setiap siklus alami, disarankan untuk membedakan dua bagian, atau dua “dana”:
dana cadangan- sejumlah besar zat yang bergerak lambat, sebagian besar bersifat anorganik; seluler, atau
Dana pertukaran dibentuk oleh zat-zat yang dikembalikan ke siklus baik karena ekskresi primer (dari bahasa Latin excretum - dikeluarkan) oleh hewan, atau selama penguraian detritus oleh mikroorganisme.
Jika kita mengingat biosfer secara keseluruhan, maka siklus biogeokimia dapat dibagi menjadi dua jenis utama:
peredaran zat gas dengan dana cadangan di atmosfer atau hidrosfer;
siklus sedimen dengan dana cadangan di kerak bumi.
Halaman 1
Siklus biologis berhubungan dengan metabolisme (metabolisme) dan pembentukan, serta penguraian air pada makhluk hidup, selama aktivitas hidupnya.
Setiap siklus biologis ditandai dengan masuknya atom-atom unsur kimia secara berulang-ulang ke dalam tubuh organisme hidup dan pelepasannya ke lingkungan, dari mana atom-atom tersebut ditangkap kembali oleh tumbuhan dan ditarik ke dalam siklus tersebut. Siklus biologis kecil dicirikan oleh kapasitas - jumlah unsur kimia yang secara bersamaan hadir dalam makhluk hidup di ekosistem tertentu, dan kecepatan - jumlah makhluk hidup yang terbentuk dan terurai per satuan waktu.
Siklus biologis daratan dan hidrosfer menggabungkan siklus lanskap individu melalui aliran air dan pergerakan atmosfer. Peran sirkulasi air dan atmosfer sangat penting dalam menyatukan seluruh benua dan lautan menjadi satu sirkulasi biosfer.
Siklus biologis zat mempunyai fungsi kreatif, penciptaan bahan organik dan pengayaan tanah dengan unsur hara. Kehidupan di komunitas tumbuhan mana pun bergantung padanya: kebun, padang rumput, ladang, hutan. Dalam beberapa tahun terakhir, muncul kebutuhan untuk menciptakan jenis sirkulasi intensitas tinggi dalam sistem tertutup yang dapat menjamin aktivitas kehidupan dalam perjalanan antarplanet yang jauh.
Intensitas siklus biologis terutama ditentukan oleh suhu lingkungan dan jumlah air. Misalnya, siklus biologis lebih intens di hutan hujan tropis dibandingkan di tundra.
Kecepatan siklus biologis di darat adalah bertahun-tahun dan puluhan tahun, di ekosistem perairan - beberapa hari atau minggu.
Siklus biologis di hutan ditandai dengan penghilangan unsur nitrogen dan abu dalam jangka panjang yang terkandung dalam biomassa pohon dan semak dalam jangka panjang, transformasi serasah di permukaan tanah dengan terbentuknya serasah hutan dan berbagai bahan organik yang larut dalam air. dan produk mineral dari dekomposisinya.
Kecepatan siklus biologis dan jumlah total materi yang terlibat dalam siklus ini ditentukan oleh skala dan kondisi lingkungan dalam ekosistem. Ekosistem dicirikan oleh berbagai kondisi lingkungan, yang mengacu pada faktor lingkungan lingkungan yang secara langsung atau tidak langsung mempengaruhi organisme hidup. Faktor-faktor tersebut dapat bersifat abiotik dan biotik.
Bagian dari siklus biologis yang terdiri dari siklus karbon, air, nitrogen, fosfor, sulfur dan nutrisi lainnya disebut siklus biogeokimia.
Nitrogen mempunyai tempat khusus dalam siklus biologis suatu zat. Ketika bahan organik terurai, nitrogen lepas ke atmosfer baik dalam bentuk senyawa gas atau dalam keadaan bebas. Kembalinya nitrogen ke dalam tanah, tempat tanaman mengambilnya, dilakukan dengan cara yang kompleks, sebagai hasil dari proses yang melibatkan bakteri khusus dan beberapa organisme lain yang mengikat gas nitrogen di atmosfer menjadi senyawa yang tersedia untuk dikonsumsi oleh tanaman.
Konsep siklus biologis V. A. Kovda mencakup jumlah proses siklus metabolisme dan energi antara lingkungan dan totalitas organisme tumbuhan dan hewan. Jika Anda mengikuti rantai transformasi berturut-turut dan migrasi unsur-unsur individu yang berpartisipasi dalam pertukaran antara habitat, khususnya tanah, dan biota, Anda dapat menemukan, misalnya, dengan menggunakan label isotop, bahwa siklus transformasi-migrasi lengkap suatu unsur di semua tanah dan pada semua tahap fungsinya mencakup proses transformasi dan pergerakan materi secara biologis dan abiotik. Misalnya, selama periode antara kembalinya suatu unsur ke permukaan tanah dengan serasah hutan dan penyerapan selanjutnya oleh akar tanaman, unsur tersebut dapat bermigrasi sepanjang profil tanah. Pada saat yang sama, intensitas dan arah proses ini tidak hanya ditentukan oleh biota, tetapi juga oleh faktor iklim, fisik air, serapan dan sifat-sifat tanah lainnya.
Karena termasuk dalam siklus biologis, mereka memasuki tubuh manusia melalui makanan nabati dan hewani dan, terakumulasi di dalamnya, menyebabkan radiasi radioaktif.
Sebaliknya, siklus biologis materi terjadi dalam batas-batas biosfer yang dihuni dan mewujudkan sifat-sifat unik materi hidup di planet ini. Menjadi bagian dari siklus besar dan kecil yang dilakukan pada tingkat biogeocenosis, terdiri dari fakta bahwa nutrisi tanah, air, karbon terakumulasi dalam substansi tanaman, dihabiskan untuk membangun tubuh dan proses kehidupan baik itu sendiri maupun organisme. - konsumen. Produk penguraian bahan organik oleh mikroflora tanah dan mesofauna (bakteri, jamur, moluska, cacing, serangga, protozoa, dll.) kembali terurai menjadi komponen mineral, kembali dapat diakses oleh tanaman dan oleh karena itu kembali terlibat dalam aliran materi. .
12.1. Konsep sirkulasi biologis
Daur biologis adalah peredaran unsur dan zat kimia yang timbul bersamaan dengan munculnya kehidupan di bumi, yang dilakukan oleh aktivitas vital organisme. Ia memainkan peran khusus dalam biosfer. Pada kesempatan ini, N.V. Timofeev-Resovsky menulis: “Ada siklus biologis yang besar, abadi, dan terus bekerja di biosfer, sejumlah zat, sejumlah bentuk energi terus bersirkulasi dalam siklus besar biosfer ini” (M. M. Kamshilov , 1974; V.A.Vronsky, 1997). Hukum siklus biologis memecahkan masalah keberadaan dan perkembangan kehidupan dalam jangka panjang. Pada benda yang volumenya terbatas, seperti Bumi, cadangan unsur mineral yang diperlukan untuk menjalankan fungsi kehidupan tidak bisa tidak terbatas. Jika hanya dikonsumsi, hidup cepat atau lambat harus berakhir. “Satu-satunya cara untuk memberikan sifat tak terhingga pada kuantitas terbatas,” tulis W. R. Williams, “adalah dengan membuatnya berputar sepanjang kurva tertutup.” Kehidupan menggunakan metode ini dengan tepat. “Tanaman hijau menghasilkan bahan organik, sedangkan tanaman non-hijau merusaknya. Dari senyawa mineral yang diperoleh dari penguraian bahan organik, tumbuhan hijau baru membangun bahan organik baru, dan seterusnya tanpa henti.” Dengan mempertimbangkan hal ini, setiap jenis organisme mewakili suatu mata rantai dalam siklus biologis. Dengan menggunakan tubuh atau produk pembusukan organisme tertentu sebagai sarana penghidupan, ia harus memberikan sesuatu kepada lingkungan yang dapat digunakan oleh organisme lain. Peran mikroorganisme sangat penting. Dengan memineralisasi sisa-sisa organik hewan dan tumbuhan, mikroorganisme mengubahnya menjadi “mata uang tunggal” - garam mineral dan senyawa organik sederhana seperti stimulan biogenik, yang kembali digunakan oleh tumbuhan hijau dalam sintesis bahan organik baru. Salah satu paradoks utama kehidupan adalah bahwa kelangsungannya terjamin melalui proses pembusukan dan kehancuran. Senyawa organik kompleks dihancurkan, energi dilepaskan, dan pasokan informasi yang merupakan karakteristik makhluk hidup yang terorganisir secara kompleks hilang. Akibat aktivitas perusak, terutama mikroorganisme, segala bentuk kehidupan mau tidak mau akan dimasukkan ke dalam siklus biologis. Oleh karena itu, dengan bantuan mereka, pengaturan biosfer secara alami dilakukan. Dua sifat yang memungkinkan mikroorganisme memainkan peran penting: kemampuan untuk beradaptasi dengan relatif cepat terhadap kondisi yang berbeda dan kemampuan untuk menggunakan berbagai macam substrat sebagai sumber karbon dan energi. Organisme tingkat tinggi tidak memiliki kemampuan seperti itu. Oleh karena itu, mereka hanya dapat eksis sebagai semacam suprastruktur di atas dasar mikroorganisme yang kokoh. Siklus biologis, yang didasarkan pada interaksi sintesis dan penghancuran bahan organik, adalah salah satu bentuk pengorganisasian kehidupan yang paling signifikan dalam skala planet. Hanya dia yang menjamin keberlangsungan kehidupan dan perkembangannya yang progresif.
Individu dan spesies organisme dari kelompok sistematis yang berbeda bertindak sebagai penghubung dalam siklus biologis, berinteraksi satu sama lain secara langsung dan tidak langsung melalui banyak hubungan langsung dan umpan balik multilateral. Siklus biologis planet ini juga merupakan sistem siklus khusus yang kompleks - sistem ekologi yang saling berhubungan melalui berbagai bentuk interaksi.
Siklus biologis terjadi terutama melalui rantai trofik (makanan) (Gambar 12.1).
Mengingat pentingnya peran tumbuhan dan hewan di dalamnya, aliran nutrisi seperti nitrogen, fosfor, belerang melalui populasi mikroorganisme dalam suatu siklus kira-kira merupakan urutan besarnya lebih tinggi dibandingkan melalui populasi tumbuhan dan hewan. Indikator penting intensitas siklus biologis adalah laju peredaran unsur kimia. Sebagai indikator intensitas ini, seseorang dapat menggunakan laju akumulasi dan dekomposisi bahan organik mati akibat gugurnya daun setiap tahun dan matinya organisme.
Perbandingan, misalnya, massa serasah dengan bagian serasah yang membentuk serasah tersebut berfungsi sebagai indikator laju dekomposisi serasah dan pelepasan unsur-unsur kimia. Semakin tinggi indeks ini, semakin rendah intensitas siklus biologis suatu ekosistem tertentu. Nilai indeks tertinggi (lebih dari 50) ditandai dengan hutan rawa dan tundra. Di hutan jenis konifera gelap, indeksnya adalah 10–17, di hutan berdaun lebar – 3–4, di stepa – 1,0–1,5, di sabana – tidak lebih dari 0,2. Di hutan hujan tropis, sisa tanaman praktis tidak terakumulasi (indeks tidak lebih dari 0,1). Oleh karena itu, siklus biologis paling intens di sini.
Saya berkesempatan membaca literatur yang menggambarkan “tren mode” dalam sains abad 16-17 - penciptaan mesin gerak abadi. Mimpi ini tetap tidak dapat diwujudkan, tetapi gagasan itu, menurut saya, disalin dari alam. Perputaran makhluk hidup dan benda tak hidup terjadi terus-menerus. Seseorang akan mengatakan bahwa dalam miliaran tahun Bumi akan menghilang, tetapi saya keberatan, karena bumi baru akan terbentuk dari sisa-sisa galaksi kita. Alam semesta kita adalah mesin gerak abadi.
Apa inti dari siklus biologis zat
Ada dua jenis siklus yang terus terjadi di Bumi: biotik dan abiotik.
Zat itu sendiri tidak hidup dan mengambil bagian yang sama dalam kedua siklus, tetapi begitu mereka berada di dalam organisme hidup, zat tersebut dapat dianggap sebagai peserta dalam siklus biologis.
Elemen yang terlibat dalam siklus biologis:
- mineral;
- gas;
- air.
Kisaran zat sangat luas. Secara konvensional, mereka dapat dibagi menjadi yang penting bagi organisme (air, oksigen, nitrogen, karbon dioksida) dan yang membahayakan makhluk hidup.
Proses peredaran zat
Terlepas dari apakah itu berbahaya atau bermanfaat, zat apa pun masuk ke dalam tubuh pada suatu saat dan keluar suatu hari nanti.
Dalam kasus air, sirkulasi terjadi terus-menerus. Misalnya, tubuh manusia mengeluarkan sekitar 6 liter per hari, tetapi berat badan kita tidak turun karena pengisian cadangan air secara terus-menerus. Setelah menguap dari tubuh, molekul air bergegas ke awan, jatuh dalam bentuk hujan, masuk ke sumber air dan berakhir kembali di dalam tubuh.
Dengan prinsip serupa, mineral dan gas melewati organisme hidup mana pun.
Sirkulasi udara terjadi paling intens: per hari seseorang menghirup 13 ribu liter udara yang mengandung 20% oksigen, yang diubah menjadi karbon dioksida saat dihembuskan. Namun berkat tumbuhan, tidak ada kelebihan karbon dioksida di alam; mereka menggunakannya selama fotosintesis.
Beberapa zat menumpuk di dalam tubuh dan tidak dihilangkan sampai mati; biasanya menyebabkan kerusakan pada organisme hidup. Contoh zat tersebut termasuk karsinogen yang dihirup oleh perokok.
