Biosferoje vyksta pasaulinis (didelis arba geologinis) medžiagų ciklas, egzistavęs iki pirmųjų gyvų organizmų atsiradimo. Jame dalyvauja labai įvairūs cheminiai elementai. Geologinis ciklas vyksta dėl saulės, gravitacinės, tektoninės ir kosminės energijos rūšių.
Atsiradus gyvajai medžiagai geologinio ciklo pagrindu, atsirado organinių medžiagų ciklas – mažas (biotinis arba biologinis) ciklas.
Biotinis medžiagų ciklas yra nenutrūkstamas, cikliškas, netolygus laike ir erdvėje medžiagų judėjimo ir transformacijos procesas, vykstantis tiesiogiai dalyvaujant gyviems organizmams.
Tai nenutrūkstamas organinių medžiagų kūrimo ir naikinimo procesas, kuriame dalyvauja visos trys organizmų grupės: gamintojai, vartotojai ir skaidytojai. Biotiniuose cikluose dalyvauja apie 40 biogeninių elementų. Gyviesiems organizmams didžiausią reikšmę turi anglies, vandenilio, deguonies, azoto, fosforo, sieros, geležies, kalio, kalcio ir magnio ciklai.
Vystantis gyvajai medžiagai, iš geologinio ciklo nuolat išgaunama vis daugiau elementų ir patenka į naują, biologinį ciklą. Bendra pelenų medžiagų masė, kuri kasmet dalyvauja biotiniame medžiagų cikle vien sausumoje, yra apie 8 milijardus tonų. Tai kelis kartus daugiau nei produktų, pagamintų ištisus metus išsiveržus visiems pasaulio ugnikalniams, masė. Medžiagų cirkuliacijos greitis biosferoje yra skirtingas. Gyvoji biosferos medžiaga atnaujinama vidutiniškai kas 8 metus, fitoplanktono masė vandenyne atnaujinama kasdien. Visas biosferoje esantis deguonis per gyvąją medžiagą praeina per 2000 metų, o anglies dioksidas – per 300 metų.
Ekosistemose vyksta lokalūs biotiniai ciklai, o biosferoje – biogeocheminiai atomų migracijos ciklai, kurie ne tik sujungia visus tris išorinius planetos apvalkalus į vientisą visumą, bet ir lemia nenutrūkstamą jos sudėties evoliuciją.
¯ ¯
ATMOSFERA HIDROSFERA
GYVOJI MEDŽIAGA
DIRVOŽEMĖ
Biosfera atsirado maždaug prieš 3,5 milijardo metų, kai atsirado pirmieji gyvi organizmai. Kai gyvenimas vystėsi, jis pasikeitė. Atsižvelgiant į ekosistemų tipo ypatybes, galima išskirti biosferos evoliucijos etapus.
1. Gyvybės atsiradimas ir vystymasis vandenyje. Etapas siejamas su vandens ekosistemų egzistavimu. Atmosferoje nebuvo deguonies.
2. Gyvų organizmų atsiradimas žemėje, žemės-oro aplinkos ir dirvožemio vystymasis bei sausumos ekosistemų atsiradimas. Tai tapo įmanoma dėl deguonies atsiradimo atmosferoje ir ozono ekrano. Tai įvyko prieš 2,5 milijardo metų.
3. Žmogaus atsiradimas, pavertimas biosocialia būtybe ir antropoekosistemų atsiradimas įvyko prieš 1 mln.
4. Protingos žmogaus veiklos įtakoje esančios biosferos perėjimas į naują kokybinę būseną – į noosferą.
Noosfera
Aukščiausia biosferos vystymosi pakopa yra noosfera – žmogaus ir gamtos santykių protingo reguliavimo etapas. Šį terminą 1927 metais įvedė prancūzų filosofas E. Leroy. Jis manė, kad noosfera apima žmonių visuomenę su savo pramone, kalba ir kitais protingos veiklos atributais. 30-40 m. XX amžiuje V.I. Vernadskis plėtojo materialistines idėjas apie noosferą. Jis manė, kad noosfera atsiranda dėl biosferos ir visuomenės sąveikos, ją valdo glaudus gamtos dėsnių, mąstymo ir socialinių bei ekonominių visuomenės dėsnių ryšys, ir pabrėžė, kad
noosfera (proto sfera) – tai biosferos vystymosi etapas, kai protinga žmonių veikla taps pagrindiniu jos darnios plėtros veiksniu.
Noosfera yra nauja, aukščiausia biosferos pakopa, susijusi su žmonijos atsiradimu ir vystymusi joje, kuri, išmokusi gamtos dėsnių ir tobulinant technologijas, tampa pagrindine jėga, savo mastu prilyginama geologinėms, ir pradeda turėti. lemiamą įtaką procesų Žemėje eigai, iš esmės keičiant ją jūsų darbu. Žmonijos formavimasis ir vystymasis pasireiškė naujų medžiagų ir energijos mainų tarp visuomenės ir gamtos formų atsiradimu, vis didėjančiu žmogaus poveikiu biosferai. Noosfera ateis tada, kai žmonija su mokslo pagalba galės prasmingai valdyti gamtos ir socialinius procesus. Todėl noosfera negali būti laikoma ypatingu Žemės apvalkalu.
Žmonių visuomenės ir gamtos santykių valdymo mokslas vadinamas noogenika.
Pagrindinis noogenikos tikslas – planuoti dabartį vardan ateities, o pagrindiniai jos uždaviniai – technologijų pažangos nulemtų žmogaus ir gamtos santykių pažeidimų taisymas bei sąmoningas biosferos evoliucijos valdymas. Turi būti formuojamas planingas, moksliškai pagrįstas gamtos išteklių naudojimas, numatantis medžiagų cikle atkurti tai, kas buvo sutrikdyta žmogaus, o ne spontaniškas, grobuoniškas požiūris į gamtą, vedantis į aplinkos blogėjimą. Tam reikalingas tvarus visuomenės vystymasis, tenkinantis dabarties poreikius, nepažeidžiant ateities kartų galimybės tenkinti savo poreikius.
Šiuo metu planeta susiformavo biotechnosfera – tai biosferos dalis, kurią žmogus radikaliai pavertė inžinerinėmis ir techninėmis struktūromis: miestais, gamyklomis ir gamyklomis, karjerais ir kasyklomis, keliais, užtvankomis ir rezervuarais ir kt.
BIOSFERA IR ŽMOGUS
Žmonėms skirta biosfera yra buveinė ir gamtos išteklių šaltinis.
Gamtos ištekliai – gamtos objektai ir reiškiniai, kuriuos žmonės naudoja darbo procese. Jie suteikia žmogui maistą, drabužius ir pastogę. Pagal išsekimo laipsnį jie skirstomi į neišsenkantis ir neišsenkantis . Išsenka ištekliai skirstomi į atsinaujinantis Ir neatsinaujinantis . Prie neatsinaujinančių išteklių priskiriami tie ištekliai, kurie neatsinaujina (arba atsinaujina šimtus kartų lėčiau nei sunaudojama): nafta, anglis, metalų rūdos ir dauguma naudingųjų iškasenų. Atsinaujinantys gamtos ištekliai – dirvožemis, augalija ir fauna, mineralai (valgomoji druska). Šie ištekliai nuolat atkuriami skirtingais tempais: gyvuliai – keletą metų, miškai – 60–80 metų, derlingumo praradę dirvožemiai – per kelis tūkstantmečius. Vartojimo normos viršijimas per dauginimosi greitį lemia visišką išteklių išnykimą.
Neišsenkamas ištekliai apima vandenį, klimatą (atmosferos oro ir vėjo energiją) ir erdvę: saulės spinduliuotę, jūros potvynių ir potvynių energiją. Tačiau didėjanti aplinkos tarša reikalauja įgyvendinti aplinkosaugos priemones šiems ištekliams išsaugoti.
Žmogaus poreikių tenkinimas neįsivaizduojamas be gamtos išteklių naudojimo.
Visas žmogaus veiklos rūšis biosferoje galima sujungti į keturias formas.
1. Žemės paviršiaus struktūros pokyčiai(arimas, vandens telkinių sausinimas, miškų kirtimas, kanalų tiesimas). Žmonija tampa galinga geologine jėga. Žmogus naudoja 75 % žemės, 15 % upių vandenų, kas minutę iškertama 20 hektarų miškų.
· Geologiniai ir geomorfologiniai pokyčiai – daubų formavimosi procesų intensyvėjimas, purvo srovių ir nuošliaužų atsiradimas ir dažnis.
· Kompleksiniai (kraštovaizdžio) pokyčiai – kraštovaizdžių vientisumo ir natūralios struktūros pažeidimas, gamtos paminklų savitumas, produktyvių žemių praradimas, dykumėjimas.
Geologinė cirkuliacija medžiagos turi didžiausią greitį horizontalia kryptimi tarp sausumos ir jūros. Didelės cirkuliacijos prasmė yra ta, kad uolienos yra sunaikinamos, veikiamos oro sąlygų, o atmosferos produktai, įskaitant vandenyje tirpias maistines medžiagas, vandens srautais pernešami į Pasaulio vandenyną, formuojantis jūriniams sluoksniams ir į sausumą grįžta tik iš dalies, pvz. , su krituliais arba organizmais, kuriuos žmonės išgauna iš vandens. Tada per ilgą laiką vyksta lėti geotektoniniai pokyčiai – žemynų judėjimas, jūros dugno pakilimas ir kritimas, ugnikalnių išsiveržimai ir pan., dėl kurių susidarę sluoksniai grįžta į sausumą ir procesas prasideda iš naujo. .
Didelis geologinis medžiagos ciklas. Denudacijos procesų įtakoje vyksta uolienų sunaikinimas ir sedimentacija. Susidaro nuosėdinės uolienos. Stabilios nusėdimo zonose (dažniausiai vandenyno dugne) geografinio apvalkalo medžiaga patenka į giliuosius Žemės sluoksnius. Be to, veikiant temperatūrai ir slėgiui, vyksta metamorfiniai procesai, dėl kurių susidaro uolienos, medžiaga artėja prie Žemės centro. Žemės gelmėse, esant labai aukštai temperatūrai, atsiranda magmatizmas: uolienos tirpsta, magmos pavidalu kyla išilgai lūžių į žemės paviršių ir išsiveržimų metu išsilieja į paviršių. Taigi vyksta materijos ciklas. Geologinis ciklas tampa sudėtingesnis, jei atsižvelgsime į medžiagų mainus su kosmosu. Didysis geologinis ciklas nėra uždaras ta prasme, kad kai kurios medžiagos dalelės, patenkančios į Žemės žarnas, nebūtinai iškyla į paviršių, ir atvirkščiai, dalelė, kylanti išsiveržimo metu, galbūt niekada anksčiau nebuvo ant žemės paviršiaus.
Pagrindiniai energijos šaltiniai natūraliems procesams Žemėje
Saulės spinduliuotė yra pagrindinis energijos šaltinis Žemėje. Jo galią apibūdina saulės konstanta – energijos kiekis, praeinantis per vienetinį ploto plotą, statmeną saulės spinduliams. Vieno astronominio vieneto atstumu (ty Žemės orbitoje) ši konstanta yra maždaug 1370 W/m².
Gyvi organizmai naudoja Saulės energiją (fotosintezė) ir cheminių ryšių energiją (chemosintezė). Ši energija gali būti naudojama įvairiuose natūraliuose ir dirbtiniuose procesuose. Trečdalis visos energijos atsispindi atmosferoje, 0,02 % sunaudoja augalai fotosintezei, o likusi dalis sunaudojama daugeliui natūralių procesų palaikyti – žemės, vandenyno, atmosferos šildymui, oro judėjimui. wt. Tiesioginis šildymas saulės spinduliais arba energijos konvertavimas naudojant fotoelementus gali būti naudojamas elektros energijai gaminti (saulės elektrinėse) ar atlikti kitus naudingus darbus. Tolimoje praeityje energija, sukaupta naftoje ir kitose iškastinio kuro rūšyse, taip pat buvo gaunama fotosintezės būdu.
Ši milžiniška energija veda į visuotinį atšilimą, nes po natūralių procesų yra spinduliuojama atgal ir atmosfera neleidžia jai grįžti.
2. Vidinė Žemės energija; pasireiškimas – ugnikalniai, karštosios versmės
18. Biotinės ir abiotinės kilmės energijos virsmai
Veikiančioje natūralioje ekosistemoje atliekų nėra. Visi organizmai, gyvi ar negyvi, potencialiai yra maistas kitiems organizmams: vikšras ėda lapiją, strazdas – vikšrus, vanagas – juodvarnį. Kai žūsta augalai, vikšrai, strazdai ir vanagai, juos savo ruožtu apdoroja skaidytojai.
Visi organizmai, vartojantys tą patį maistą, priklauso tam pačiam trofinis lygis.
Natūralių ekosistemų organizmai yra įtraukti į sudėtingą daugelio tarpusavyje susijusių maisto grandinių tinklą. Toks tinklas vadinamas maisto tinklas.
Energijos srautų piramidės: Su kiekvienu perėjimu iš vieno trofinio lygio į kitą maisto grandinėje ar tinkle, dirbama ir į aplinką išsiskiria šiluminė energija, o kito trofinio lygio organizmų sunaudojamos kokybiškos energijos kiekis mažėja.
10% taisyklė: Pereinant iš vieno trofinio lygio į kitą, prarandama 90% energijos, o 10% perkeliama į kitą lygį.
Kuo ilgesnė maisto grandinė, tuo daugiau prarandama naudingos energijos. Todėl mitybos grandinės ilgis dažniausiai neviršija 4 – 5 grandžių.
Žemės kraštovaizdžio sferos energija:
1) saulės energija: šiluminė, spindulinė
2) šiluminės energijos srautas iš Žemės žarnų
3) potvynio srovės energija
4) tektoninė energija
5) energijos asimiliacija fotosintezės metu
Vandens ciklas gamtoje
Vandens ciklas gamtoje – tai ciklinio vandens judėjimo žemės biosferoje procesas. Jį sudaro garavimas, kondensacija ir krituliai (atmosferos krituliai iš dalies išgaruoja, iš dalies suformuoja laikinus ir nuolatinius drenus ir rezervuarus, iš dalies prasiskverbia į žemę ir formuoja gruntinį vandenį), taip pat mantijos degazavimo procesai: vanduo nuolat teka iš mantijos. . vandens buvo rasta net dideliame gylyje.
Jūros dėl išgaravimo netenka daugiau vandens, nei gauna iš kritulių, situacija yra priešinga. Vanduo Žemės rutulyje nuolat cirkuliuoja, o bendras jo kiekis nesikeičia.
75% Žemės paviršiaus yra padengta vandeniu. Žemės vandens apvalkalas yra hidrosfera. Didžioji jo dalis – sūrus jūrų ir vandenynų vanduo, mažesnė – gėlas ežerų, upių, ledynų, požeminis vanduo ir vandens garai.
Žemėje vanduo yra trijų agregacijos būsenų: skysto, kieto ir dujinio. Be vandens gyvi organizmai negali egzistuoti. Bet kuriame organizme vanduo yra terpė, kurioje vyksta cheminės reakcijos, be kurios gyvi organizmai negali gyventi. Vanduo yra vertingiausia ir būtiniausia gyvų organizmų gyvybei medžiaga.
Gamtoje yra keletas vandens ciklų tipų:
Didysis, arba pasaulinis, ciklas – vandens garai, susidarę virš vandenynų paviršiaus, vėjų nunešami į žemynus, ten patenka kritulių pavidalu ir grįžta į vandenyną nuotėkio pavidalu. Šiame procese keičiasi vandens kokybė: garuojant sūrus jūros vanduo virsta gėlu, o užterštas vanduo išvalomas.
Mažas, arba okeaninis, ciklas – vandens garai, susidarę virš vandenyno paviršiaus, kondensuojasi ir krituliais nukrenta atgal į vandenyną.
Intrakontinentinis ciklas – ant žemės paviršiaus išgaravęs vanduo vėl patenka į žemę kritulių pavidalu.
Galų gale judėjimo procese esančios nuosėdos vėl pasiekia Pasaulio vandenyną.
Įvairių rūšių vandens persinešimo greitis labai skiriasi, skiriasi ir tekėjimo bei vandens atsinaujinimo laikotarpiai. Jie skiriasi nuo kelių valandų iki kelių dešimčių tūkstančių metų. Atmosferos drėgmė, susidaranti garuojant vandeniui iš vandenynų, jūrų ir sausumos ir esanti debesų pavidalu, atsinaujina vidutiniškai kas aštuonias dienas.
Vandenys, sudarantys gyvus organizmus, atkuriami per kelias valandas. Tai pati aktyviausia vandens mainų forma. Vandens atsargų atsinaujinimo laikotarpis kalnų ledynuose yra apie 1600 metų, poliarinių šalių ledynuose gerokai ilgesnis – apie 9700 metų.
Visiškas Pasaulio vandenyno vandenų atsinaujinimas įvyksta maždaug per 2700 metų.
Saulės spinduliuotės, judančios ir besisukančios žemės sąveikos poveikis.
Šiuo atveju reikėtų atsižvelgti į sezoninį kintamumą: žiema/vasara. Apibūdinkite, kad dėl Žemės sukimosi ir judėjimo saulės spinduliuotė patenka netolygiai, o tai reiškia, kad klimato sąlygos keičiasi atsižvelgiant į platumą.
Žemė į ekliptikos plokštumą pasvirusi 23,5 laipsnio.
Spinduliai sklinda skirtingais kampais. Radiacijos balansas. Svarbu ne tik tai, kiek jis įgyja, bet ir kiek praranda, o kiek lieka, atsižvelgiant į albedo.
Atmosferos veikimo centrai
Didelės nuolatinio aukšto ar žemo slėgio sritys, susijusios su bendra atmosferos cirkuliacija - atmosferos veikimo centrai. Jie nustato dominuojančią vėjų kryptį ir yra geografinių oro masių tipų formavimosi centrai. Sinoptiniuose žemėlapiuose jie išreiškiami kaip uždaros linijos – izobarai.
Priežastys: 1) Žemės nevienalytiškumas;
2) fizinio skirtumo žemės ir vandens savybės (šilumos talpa)
3) paviršiaus albedo skirtumas (R/Q): vanduo – 6%, ekv. miškai – 10-12%, platūs miškai – 18%, pievos – 22-23%, sniegas – 92%;
4) Koriolis F
Tai sukelia OCA.
Atmosferos veikimo centrai:
● nuolatinis– juose ištisus metus yra aukštas arba žemas slėgis:
1. pusiaujo žema juosta slėgis, kurio ašis šiek tiek migruoja nuo pusiaujo sekančio Saulę link vasaros pusrutulio - Pusiaujo depresija (priežastys: didelis Q kiekis ir vandenynai);
2. išilgai vienos subtropinės aukščio juostos. spaudimas šiaurėje ir Južas. pusrutuliai; kai kurie vasarą migruoja į aukštesnes subtropines vietoves. platumos, žiemą - į žemesnes; suskaidyti į vandenynų seriją anticiklonai: šiaurėje. pusrutuliai – Azorų anticiklonas (ypač vasarą) ir Havajų; pietuose - Pietų Indijos, Ramiojo vandenyno pietuose ir Pietų Atlanto vandenyne;
3. nuosmukio sritys. slėgis virš vandenynų didelėse vidutinio klimato zonų platumose: šiaurėje. pusrutuliai – Islandijos (ypač žiemą) ir Aleuto minimumai, pietuose – ištisinis žemo slėgio žiedas, supantis Antarktidą (50 0 S);
4. padidintos sritys slėgis virš Arkties (ypač žiemą) ir Antarktidoje – anticiklonai;
● sezoninis– gali būti atsekamos kaip aukšto arba žemo slėgio zonos per vieną sezoną, kitu metų laiku pasikeičiančios į priešingo ženklo atmosferos veikimo centrą. Jų egzistavimas yra susijęs su staigiu sausumos paviršiaus temperatūros pasikeitimu per metus, palyginti su vandenynų paviršiaus temperatūra; vasaros perkaitimas žemėje sukuria palankias sąlygas čia formuotis žemiems plotams. spaudimas, žiemos hipotermija – aukštesnėms vietovėms spaudimas. Šiaurėje pusrutuliai į aukštesnes žiemos zonas. spaudimas apima Azijos (Sibiro), kurių centras yra Mongolija, ir Kanados aukštumas bei Pietų Australijos, Pietų Amerikos ir Pietų Afrikos rekordus. Vasaros žemos zonos slėgis: šiaurėje. pusrutuliai – Pietų Azijos (arba Vakarų Azijos) ir Šiaurės Amerikos minimumai, pietuose. – Australijos, Pietų Amerikos ir Pietų Afrikos žemiausios kainos).
Atmosferos veikimo centrams būdingas tam tikras orų tipas. Todėl oras čia gana greitai įgauna pagrindinio paviršiaus savybes – karšta ir drėgna pusiaujo depresijoje, šalta ir sausa Mongolijos anticiklone, vėsu ir drėgna Islandijos žemumoje ir kt.
Planetų šilumos mainai ir jų priežastys
Pagrindinės planetinės šilumos mainų savybės. Saulės energija, kurią sugeria Žemės rutulio paviršius, išleidžiama garavimui ir šilumos perdavimui turbulentiniais srautais. Vidutiniškai apie 80% visos planetos išgaruoja, o likusieji 20% visos šilumos patenka į turbulentinius šilumos mainus.
Šilumos mainų procesai ir jos komponentų geografinės platumos pokyčiai vandenyne ir sausumoje yra labai unikalūs. Rudenį ir žiemą visa šiluma, kurią sugeria žemė pavasarį ir vasarą, visiškai prarandama; su subalansuotu metiniu šilumos biudžetu, todėl visur pasirodo lygus nuliui.
Pasaulio vandenyne dėl didelės vandens šiluminės talpos ir judrumo šiluma kaupiasi žemose platumose, iš kur srovėmis perduodama į aukštąsias platumas, kur jos suvartojimas viršija pasiūlą. Tokiu būdu padengiamas vandens ir oro šilumos mainuose susidaręs deficitas.
Pasaulio vandenyno pusiaujo zonoje, kai sugeriama daug saulės spinduliuotės ir sunaudojama mažiau energijos, metinis šilumos biudžetas turi maksimalias teigiamas reikšmes. Nutolus nuo pusiaujo, teigiamas metinis šilumos biudžetas mažėja, nes padidėja šilumos mainų, daugiausia garavimo, suvartojimo komponentai. Iš tropikų pereinant prie vidutinio klimato platumų, šilumos biudžetas tampa neigiamas.
Žemėje visa pavasario-vasaros laikotarpiu gauta šiluma išleidžiama rudens-žiemos laikotarpiu. Per ilgą Žemės istoriją Pasaulio vandenyno vandenys sukaupė didžiulį šilumos kiekį, lygų 7,6 * 10^21 kcal. Tokios didelės masės susikaupimas paaiškinamas dideliu vandens šiluminiu pajėgumu ir intensyviu jo maišymu, kurio metu okeanosferos storyje vyksta gana sudėtingas šilumos persiskirstymas. Visos atmosferos šiluminė talpa yra 4 kartus mažesnė nei dešimties metrų vandens sluoksnio Pasaulio vandenyne.
Nepaisant to, kad saulės energijos dalis, einanti į turbulentinį šilumos mainą tarp Žemės paviršiaus ir oro, yra palyginti nedidelė, ji yra pagrindinis paviršinės atmosferos dalies šildymo šaltinis. Šių šilumos mainų intensyvumas priklauso nuo oro ir požeminio paviršiaus (vandens ar žemės) temperatūrų skirtumo. Žemosiose planetos platumose (nuo pusiaujo iki maždaug keturiasdešimtosios abiejų pusrutulių platumos) orą daugiausia šildo sausuma, kuri nesugeba kaupti saulės energijos ir visą gaunamą šilumą atiduoda atmosferai. Dėl turbulentinės šilumos mainų oro apvalkalas per metus gauna nuo 20 iki 40 kcal/cm^2, o žemos drėgmės zonose (Sachara, Arabija ir kt.) – net daugiau nei 60 kcal/cm^2. Vandenys šiose platumose kaupia šilumą, turbulentinės šilumos mainų metu į orą išskirdamos tik 5-10 kcal/cm^2 per metus ar mažiau. Tik tam tikrose vietovėse (ribotame plote) vanduo vidutiniškai per metus yra šaltesnis, todėl šilumą gauna iš oro (pusiaujo zonoje, Indijos vandenyno šiaurės vakaruose, taip pat prie vakarinės Afrikos ir Pietų Amerikos pakrantės).
Išskirtinis rusų mokslininkas akademikas V.I. Vernadskis.
Biosfera- sudėtingas išorinis Žemės apvalkalas, kuriame yra visa gyvų organizmų visuma ir ta planetos medžiagos dalis, kuri nuolat keičiasi su šiais organizmais. Tai viena svarbiausių Žemės geosferų, kuri yra pagrindinė žmogų supančios gamtinės aplinkos sudedamoji dalis.
Žemė sudaryta iš koncentrinių kriauklės(geosferos) tiek vidinės, tiek išorinės. Vidiniai apima šerdį ir mantiją, o išorines: litosfera - uolinis Žemės apvalkalas, įskaitant žemės plutą (1 pav.), kurio storis nuo 6 km (po vandenynu) iki 80 km (kalnų sistemos); hidrosfera -Žemės vandens apvalkalas; atmosfera- dujinis Žemės apvalkalas, susidedantis iš įvairių dujų, vandens garų ir dulkių mišinio.
10–50 km aukštyje yra ozono sluoksnis, kurio didžiausia koncentracija yra 20–25 km aukštyje, saugantis Žemę nuo per didelės ultravioletinės spinduliuotės, kuri yra mirtina organizmui. Čia (išorinėms geosferoms) priklauso ir biosfera.
Biosfera - išorinis Žemės apvalkalas, apimantis dalį atmosferos iki 25-30 km aukščio (iki ozono sluoksnio), beveik visą hidrosferą ir viršutinę litosferos dalį iki maždaug 3 km gylio
Ryžiai. 1. Žemės plutos sandaros schema
(2 pav.). Šių dalių ypatumas yra tas, kad jose gyvena gyvi organizmai, sudarantys gyvąją planetos medžiagą. Sąveika abiotinė biosferos dalis- oras, vanduo, uolienos ir organinės medžiagos - biotas sukėlė dirvožemių ir nuosėdinių uolienų susidarymą.
Ryžiai. 2. Biosferos sandara ir paviršių, kuriuos užima pagrindiniai struktūriniai vienetai, santykis
Medžiagų ciklas biosferoje ir ekosistemose
Visi cheminiai junginiai, prieinami gyviems organizmams biosferoje, yra riboti. Asimiliacijai tinkamų cheminių medžiagų išeikvojimas dažnai stabdo tam tikrų organizmų grupių vystymąsi vietinėse sausumos ar vandenyno vietose. Pasak akademiko V.R. Williamso, vienintelis būdas suteikti baigtines begalybės savybes yra priversti jį suktis išilgai uždaros kreivės. Vadinasi, dėl medžiagų ir energijos srautų ciklo išlaikomas biosferos stabilumas. Galima du pagrindiniai medžiagų ciklai: didelis – geologinis ir mažas – biogeocheminis.
Didysis geologinis ciklas(3 pav.). Kristalinės uolienos (magminės) veikiamos fizinių, cheminių ir biologinių veiksnių virsta nuosėdinėmis uolienomis. Smėlis ir molis yra tipiškos nuosėdos, gilių uolienų virsmo produktai. Tačiau nuosėdų susidarymas vyksta ne tik dėl esamų uolienų naikinimo, bet ir dėl biogeninių mineralų – mikroorganizmų griaučių – sintezės iš gamtos išteklių – vandenyno, jūrų ir ežerų vandenų. Laisvos vandeningos nuosėdos, izoliuotos rezervuarų dugne su naujomis nuosėdinės medžiagos dalimis, panardintos į gylį ir veikiamos naujų termodinaminių sąlygų (aukštesnės temperatūros ir slėgio), praranda vandenį, sukietėja ir virsta nuosėdinėmis uolienomis.
Vėliau šios uolienos grimzta į dar gilesnius horizontus, kur vyksta giluminio jų virsmo naujomis temperatūros ir slėgio sąlygomis procesai – vyksta metamorfizmo procesai.
Endogeninių energijos srautų įtakoje giluminės uolienos ištirpsta, susidaro magma – naujų magminių uolienų šaltinis. Po to, kai šios uolienos iškyla į Žemės paviršių, veikiamos oro sąlygų ir transportavimo procesų, jos vėl virsta naujomis nuosėdinėmis uolienomis.
Taigi, didelį ciklą sukelia saulės (egzogeninės) energijos sąveika su gilia (endogenine) Žemės energija. Jis perskirsto medžiagas tarp biosferos ir gilesnių mūsų planetos horizontų.
Ryžiai. 3. Didelis (geologinis) medžiagų ciklas (plonos rodyklės) ir įvairovės pokyčiai žemės plutoje (ištisos plačios rodyklės – augimas, lūžusios rodyklės – įvairovės mažėjimas)
Prie Didžiojo Žiro Taip pat vadinamas vandens ciklas tarp hidrosferos, atmosferos ir litosferos, kurį varo Saulės energija. Vanduo išgaruoja nuo rezervuarų ir žemės paviršiaus, o po to grįžta į Žemę kritulių pavidalu. Virš vandenyno garavimas viršija kritulių kiekį virš sausumos, yra priešingai. Šiuos skirtumus kompensuoja upių srautai. Žemės augmenija vaidina svarbų vaidmenį pasauliniame vandens cikle. Augalų transpiracija tam tikrose žemės paviršiaus vietose gali sudaryti iki 80-90% čia iškrintančių kritulių, o vidutiniškai visose klimato zonose - apie 30%. Skirtingai nuo didelio ciklo, mažas medžiagų ciklas vyksta tik biosferoje. Ryšys tarp didelių ir mažų vandens ciklų parodytas Fig. 4.
Planetinio masto ciklai susidaro iš daugybės lokalių cikliškų atomų judėjimų, kuriuos lemia gyvybinė organizmų veikla atskirose ekosistemose, ir tų judėjimų, kuriuos sukelia kraštovaizdžio ir geologinės priežastys (paviršinis ir požeminis nuotėkis, vėjo erozija, jūros dugno judėjimas, vulkanizmas, kalnų pastatas ir kt.).
Ryžiai. 4. Didelio vandens geologinio ciklo (GGC) ir mažojo vandens biogeocheminio ciklo (SBC) ryšys
Skirtingai nuo energijos, kurią organizmas vieną kartą panaudojo, virsta šiluma ir prarandama, biosferoje cirkuliuoja medžiagos, sukurdamos biogeocheminius ciklus. Iš daugiau nei devyniasdešimties gamtoje aptinkamų elementų gyviems organizmams reikia maždaug keturiasdešimties. Dideliais kiekiais reikia pačių svarbiausių – anglies, vandenilio, deguonies, azoto. Elementų ir medžiagų ciklai vyksta dėl savireguliacinių procesų, kuriuose dalyvauja visi komponentai. Šie procesai atliekami be atliekų. Egzistuoja visuotinio biogeocheminio ciklo biosferoje uždarymo dėsnis, veikiantis visuose savo vystymosi etapuose. Biosferos evoliucijos procese didėja biologinio komponento vaidmuo uždarant biogeocheminius procesus.
kam ciklas. Žmogus turi dar didesnę įtaką biogeocheminiam ciklui. Tačiau jo vaidmuo pasireiškia priešinga kryptimi (žirai tampa atviri). Biogeocheminio medžiagų ciklo pagrindas – Saulės energija ir žaliųjų augalų chlorofilas. Kiti svarbiausi ciklai – vanduo, anglis, azotas, fosforas ir siera – yra susiję su biogeocheminiu ciklu ir prisideda prie jo.
Vandens ciklas biosferoje
Augalai fotosintezės metu naudoja vandenilį vandenyje, kad sukurtų organinius junginius, išskirdami molekulinį deguonį. Visų gyvų būtybių kvėpavimo procesuose, oksiduojantis organiniams junginiams, vėl susidaro vanduo. Gyvybės istorijoje visas laisvas vanduo hidrosferoje ne kartą išgyveno skilimo ciklus ir naujų formacijų gyvojoje planetos medžiagoje. Kasmet Žemėje vandens cikle dalyvauja apie 500 000 km 3 vandens. Vandens ciklas ir jo atsargos parodytos fig. 5 (santykinėmis reikšmėmis).
Deguonies ciklas biosferoje
Žemė už savo unikalią atmosferą, kurioje yra daug laisvo deguonies, yra fotosintezės procese. Ozono susidarymas aukštuose atmosferos sluoksniuose yra glaudžiai susijęs su deguonies ciklu. Deguonis išsiskiria iš vandens molekulių ir iš esmės yra augalų fotosintezės veiklos šalutinis produktas. Abiotiškai deguonis atsiranda viršutiniuose atmosferos sluoksniuose dėl vandens garų fotodisociacijos, tačiau šis šaltinis sudaro tik tūkstantąsias procentų tiekiamas fotosintezės būdu. Tarp deguonies kiekio atmosferoje ir hidrosferoje yra skysčio pusiausvyra. Vandenyje jis yra maždaug 21 kartą mažesnis.
Ryžiai. 6. Deguonies ciklo diagrama: paryškintos rodyklės – pagrindiniai deguonies tiekimo ir suvartojimo srautai
Išsiskyręs deguonis intensyviai suvartojamas visų aerobinių organizmų kvėpavimo procesuose bei įvairių mineralinių junginių oksidacijoje. Šie procesai vyksta atmosferoje, dirvožemyje, vandenyje, dumble ir uolienose. Įrodyta, kad nemaža dalis nuosėdinėse uolienose surišto deguonies yra fotosintezės kilmės. Mainų fondas O atmosferoje sudaro ne daugiau kaip 5% visos fotosintezės produkcijos. Daugelis anaerobinių bakterijų taip pat oksiduoja organines medžiagas per anaerobinį kvėpavimą, naudodamos sulfatus arba nitratus.
Visiškam augalų sukurtam organinių medžiagų skaidymui reikalingas lygiai toks pat deguonies kiekis, kuris išsiskyrė fotosintezės metu. Organinių medžiagų laidojimas nuosėdinėse uolienose, anglies ir durpėse buvo pagrindas palaikyti deguonies mainų fondą atmosferoje. Visas jame esantis deguonis per visą gyvų organizmų ciklą praeina maždaug per 2000 metų.
Šiuo metu didelė dalis atmosferos deguonies yra surišta dėl transporto, pramonės ir kitų antropogeninės veiklos formų. Yra žinoma, kad žmonija jau išleidžia daugiau nei 10 milijardų tonų laisvo deguonies iš viso 430–470 milijardų tonų, tiekiamo fotosintezės procesais. Jei atsižvelgsime į tai, kad tik nedidelė dalis fotosintetinio deguonies patenka į mainų fondą, žmogaus veikla šiuo atžvilgiu pradeda įgauti nerimą keliančius dydžius.
Deguonies ciklas yra glaudžiai susijęs su anglies ciklu.
Anglies ciklas biosferoje
Anglis kaip cheminis elementas yra gyvybės pagrindas. Jis gali įvairiais būdais derintis su daugeliu kitų elementų, sudarydamas paprastas ir sudėtingas organines molekules, kurios sudaro gyvas ląsteles. Pagal pasiskirstymą planetoje anglis užima vienuoliktą vietą (0,35 % žemės plutos masės), tačiau gyvojoje medžiagoje ji vidutiniškai sudaro apie 18 arba 45 % sausos biomasės.
Atmosferoje anglis yra anglies dioksido CO 2 ir mažesniu mastu metano CH 4 dalis. Hidrosferoje CO 2 yra ištirpęs vandenyje, o bendras jo kiekis yra daug didesnis nei atmosferos. Vandenynas tarnauja kaip galingas buferis CO 2 reguliavimui atmosferoje: didėjant jo koncentracijai ore, didėja anglies dioksido absorbcija vandenyje. Kai kurios CO 2 molekulės reaguoja su vandeniu, sudarydamos anglies rūgštį, kuri vėliau disocijuoja į HCO 3 ir CO 2- 3 jonus. Šie jonai reaguoja su kalcio arba magnio katijonais, kad nusodintų karbonatus, palaikydami a pastovus vandens pH.
Anglies dioksidas atmosferoje ir hidrosferoje yra anglies ciklo mainų fondas, iš kurio jį paima sausumos augalai ir dumbliai. Fotosintezė yra visų biologinių ciklų Žemėje pagrindas. Fiksuotos anglies išskyrimas vyksta pačių fotosintetinių organizmų ir visų heterotrofų – bakterijų, grybų, gyvūnų, kurie patenka į mitybos grandinę dėl gyvų ar negyvų organinių medžiagų, kvėpavimo veiklos metu.
Ryžiai. 7. Anglies ciklas
Ypač aktyvus yra CO2 grąžinimas į atmosferą iš dirvožemio, kur koncentruojasi daugybės organizmų grupių veikla, skaidomos negyvų augalų ir gyvūnų liekanos, vyksta augalų šaknų sistemų kvėpavimas. Šis vientisas procesas vadinamas „dirvožemio kvėpavimu“ ir labai prisideda prie CO2 mainų fondo papildymo ore. Lygiagrečiai su organinių medžiagų mineralizacijos procesais dirvožemiuose susidaro humusas – sudėtingas ir stabilus molekulinis kompleksas, kuriame gausu anglies. Dirvožemio humusas yra vienas iš svarbiausių anglies rezervuarų sausumoje.
Sąlygomis, kai destruktorių veiklą slopina aplinkos veiksniai (pavyzdžiui, kai dirvožemyje ir rezervuarų dugne susidaro anaerobinis režimas), augalijos sukauptos organinės medžiagos nesuyra, laikui bėgant virsta uolienomis, tokiomis kaip anglis ar rudos spalvos. anglis, durpės, sapropelis, naftingieji skalūnai ir kiti, kuriuose gausu sukauptos saulės energijos. Jie papildo anglies atsargų fondą, ilgą laiką atsijungę nuo biologinio ciklo. Anglis taip pat laikinai nusėda į gyvą biomasę, negyvas šiukšles, ištirpusias vandenyno organines medžiagas ir kt. Tačiau pagrindinio anglies rezervo fondo raštu nėra gyvi organizmai ar iškastinis kuras, bet nuosėdinės uolienos – kalkakmeniai ir dolomitai. Jų susidarymas taip pat susijęs su gyvosios medžiagos veikla. Šių karbonatų anglis ilgam palaidota Žemės gelmėse ir į ciklą patenka tik erozijos metu, kai tektoniniais ciklais atsiskleidžia uolienos.
Biogeocheminiame cikle dalyvauja tik procentinės anglies dalys iš viso Žemėje esančio anglies kiekio. Anglis iš atmosferos ir hidrosferos daug kartų pereina per gyvus organizmus. Sausumos augalai savo atsargas ore sugeba išnaudoti per 4–5 metus, dirvos humuso atsargas – per 300–400 metų. Pagrindinis anglies grąžinimas į mainų fondą atsiranda dėl gyvų organizmų veiklos, ir tik nedidelė jos dalis (tūkstančiosios dalys) kompensuojama išleidžiant iš Žemės žarnų kaip vulkaninių dujų dalis.
Šiuo metu didžiulių iškastinio kuro atsargų gavyba ir deginimas tampa galingu veiksniu anglies perkėlimui iš rezervo į biosferos mainų fondą.
Azoto ciklas biosferoje
Atmosferoje ir gyvojoje medžiagoje yra mažiau nei 2% viso Žemėje esančio azoto, tačiau būtent jis palaiko gyvybę planetoje. Azotas yra svarbiausių organinių molekulių – DNR, baltymų, lipoproteinų, ATP, chlorofilo ir kt. todėl taip pat glaudžiai susiję su anglimi.
Molekulinis atmosferos azotas yra nepasiekiamas augalams, kurie šį elementą gali absorbuoti tik amonio jonų, nitratų pavidalu arba iš dirvožemio ar vandeninių tirpalų. Todėl azoto trūkumas dažnai yra veiksnys, ribojantis pirminę gamybą – organizmų darbą, susijusį su organinių medžiagų kūrimu iš neorganinių. Nepaisant to, atmosferos azotas plačiai dalyvauja biologiniame cikle dėl specialių bakterijų (azoto fiksatorių) veiklos.
Amonifikuojantys mikroorganizmai taip pat vaidina svarbų vaidmenį azoto cikle. Jie skaido baltymus ir kitas azoto turinčias organines medžiagas į amoniaką. Amonio formoje azotą iš dalies reabsorbuoja augalų šaknys, o dalį sulaiko nitrifikuojantys mikroorganizmai, o tai yra priešinga mikroorganizmų grupės – denitrifikatorių – funkcijoms.
Ryžiai. 8. Azoto ciklas
Dirvožemyje ar vandenyse anaerobinėmis sąlygomis jie naudoja deguonį iš nitratų, kad oksiduotų organines medžiagas, gaudamos energijos savo gyvenimui. Azotas redukuojamas į molekulinį azotą. Azoto fiksavimas ir denitrifikacija yra maždaug subalansuoti. Taigi azoto ciklas pirmiausia priklauso nuo bakterijų veiklos, o augalai į jį integruojasi, naudodami tarpinius šio ciklo produktus ir labai padidindami azoto cirkuliacijos mastą biosferoje gamindami biomasę.
Bakterijų vaidmuo azoto cikle yra toks didelis, kad sunaikinus tik 20 jų rūšių, gyvybė mūsų planetoje nutrūks.
Nebiologinis azoto fiksavimas ir jo oksidų bei amoniako patekimas į dirvą taip pat vyksta su krituliais atmosferos jonizacijos ir žaibo išlydžių metu. Šiuolaikinė trąšų pramonė atmosferos azotą fiksuoja didesniu kiekiu nei natūralaus azoto fiksavimas, kad padidintų pasėlių derlių.
Šiuo metu žmogaus veikla vis labiau įtakoja azoto ciklą, daugiausia jo pertekliaus į surištas formas kryptimi, o ne grįžimo į molekulinę būseną procesus.
Fosforo ciklas biosferoje
Šis elementas, būtinas daugelio organinių medžiagų, įskaitant ATP, DNR, RNR, sintezei, augalų absorbuojamas tik ortofosforo rūgšties jonų (P0 3 4 +) pavidalu. Jis priklauso elementams, ribojantiems pirminę gamybą tiek sausumoje, tiek ypač vandenyne, nes fosforo mainų fondas dirvožemyje ir vandenyse yra mažas. Šio elemento ciklas biosferos mastu nėra uždaras.
Sausumoje augalai ima iš dirvožemio fosfatus, kuriuos skaidytojai išskiria iš irstančių organinių liekanų. Tačiau šarminėje arba rūgštinėje dirvoje fosforo junginių tirpumas smarkiai sumažėja. Pagrindinis fosfatų rezervo fondas yra uolienose, susidariusiose vandenyno dugne geologinėje praeityje. Uolienų išplovimo metu dalis šių atsargų patenka į dirvožemį ir suspensijų bei tirpalų pavidalu išplaunama į vandens telkinius. Hidrosferoje fosfatus naudoja fitoplanktonas, maisto grandinėmis pereina į kitus hidrobiontus. Tačiau vandenyne dauguma fosforo junginių yra palaidoti kartu su gyvūnų ir augalų liekanomis dugne, o vėliau su nuosėdinėmis uolienomis pereina į didelį geologinį ciklą. Gilumoje ištirpę fosfatai jungiasi su kalciu, sudarydami fosforitus ir apatitus. Tiesą sakant, biosferoje yra vienakryptis fosforo srautas iš sausumos uolienų į vandenyno gelmes, todėl jo mainų fondas hidrosferoje yra labai ribotas.
Ryžiai. 9. Fosforo ciklas
Trąšų gamyboje naudojami antžeminiai fosforitų ir apatitų telkiniai. Fosforo patekimas į gėlo vandens telkinius yra viena iš pagrindinių jų „žydėjimo“ priežasčių.
Sieros ciklas biosferoje
Sieros ciklas, būtinas daugelio aminorūgščių susidarymui, yra atsakingas už trimatę baltymų struktūrą ir yra palaikomas biosferoje daugybės bakterijų. Atskirose šio ciklo grandyse dalyvauja aerobiniai mikroorganizmai, oksiduojantys organinių liekanų sierą į sulfatus, taip pat anaerobiniai sulfato reduktoriai, redukuojantys sulfatus iki vandenilio sulfido. Be išvardintų sieros bakterijų grupių, jos oksiduoja sieros vandenilį iki elementinės sieros, o vėliau iki sulfatų. Iš dirvožemio ir vandens augalai sugeria tik SO2-4 jonus.
Centre esantis žiedas iliustruoja oksidacijos (O) ir redukcijos (R) procesą, kurio metu siera keičiasi tarp turimo sulfato telkinio ir geležies sulfido telkinio, esančio giliai dirvožemyje ir nuosėdose.
Ryžiai. 10. Sieros ciklas. Centre esantis žiedas iliustruoja oksidacijos (0) ir redukcijos (R) procesą, per kurį siera keičiasi tarp turimo sulfato telkinio ir geležies sulfidų telkinio, esančio giliai dirvožemyje ir nuosėdose.
Pagrindinis sieros kaupimasis vyksta vandenyne, kur sulfato jonai nuolat teka iš sausumos su upių nuotėkiu. Kai iš vandens išsiskiria sieros vandenilis, siera dalinai grąžinama į atmosferą, kur oksiduojasi į dioksidą, lietaus vandenyje virsdama sieros rūgštimi. Pramoniškai naudojant didelius kiekius sulfatų ir elementinės sieros bei deginant iškastinį kurą į atmosferą išskiriami dideli kiekiai sieros dioksido. Tai kenkia augmenijai, gyvūnams, žmonėms ir yra rūgščių lietaus šaltinis, o tai sustiprina neigiamą žmogaus įsikišimo į sieros ciklą poveikį.
Medžiagų cirkuliacijos greitis
Visi medžiagų ciklai vyksta skirtingu greičiu (11 pav.)
Taigi visų planetos biogeninių elementų ciklus palaiko sudėtinga skirtingų dalių sąveika. Jie susidaro veikiant skirtingų funkcijų organizmų grupėms, nuotėkio ir garavimo sistemai, jungiančiai vandenyną ir sausumą, vandens ir oro masių cirkuliacijos procesams, gravitacijos jėgoms veikiant, litosferos plokščių tektonikai ir kt. -masto geologiniai ir geofiziniai procesai.
Biosfera veikia kaip viena sudėtinga sistema, kurioje vyksta įvairūs medžiagų ciklai. Pagrindinis jų variklis ciklai yra gyvoji planetos medžiaga, visi gyvi organizmai, organinių medžiagų sintezės, transformacijos ir skilimo procesai.
Ryžiai. 11. Medžiagų cirkuliacijos tempai (P. Cloud, A. Jibor, 1972)
Ekologinio pasaulio požiūrio pagrindas yra mintis, kad kiekvieną gyvą būtybę supa daugybė skirtingų jį įtakojančių veiksnių, kurie kartu sudaro jos buveinę – biotopą. Vadinasi, biotopas – teritorijos atkarpa, kuri pagal gyvenimo sąlygas yra vienalytė tam tikroms augalų ar gyvūnų rūšims(daubos šlaitas, miesto miško parkas, mažas ežeras arba didelio ežero dalis, bet su vienalytėmis sąlygomis - pakrantės dalis, giliavandenė dalis).
Susidaro tam tikram biotopui būdingi organizmai gyvybės bendruomenė, arba biocenozė(ežerų, pievų, krantų gyvūnai, augalai ir mikroorganizmai).
Gyvoji bendruomenė (biocenozė) su savo biotopu sudaro vientisą visumą, kuri vadinama ekologinė sistema (ekosistema). Natūralių ekosistemų pavyzdys – skruzdėlynas, ežeras, tvenkinys, pieva, miškas, miestas, vienkiemis. Klasikinis dirbtinės ekosistemos pavyzdys yra erdvėlaivis. Kaip matote, čia nėra griežtos erdvinės struktūros. Ekosistemos sąvokai artima yra sąvoka biogeocenozė.
Pagrindiniai ekosistemų komponentai yra šie:
- negyvoji (abiotinė) aplinka. Tai vanduo, mineralai, dujos, taip pat organinės medžiagos ir humusas;
- biotiniai komponentai. Tai: gamintojai arba gamintojai (žali augalai), vartotojai arba vartotojai (gyvos būtybės, kurios maitinasi gamintojais) ir skaidytojai arba skaidytojai (mikroorganizmai).
Gamta veikia itin ekonomiškai. Taigi organizmų sukurta biomasė (organizmų kūnų medžiaga) ir juose esanti energija perduodama kitiems ekosistemos nariams: gyvūnai valgo augalus, šiuos gyvūnus – kiti gyvūnai. Šis procesas vadinamas maisto, arba trofinės, grandinės. Gamtoje maisto grandinės dažnai susikerta, formuojantis maisto tinklą.
Maisto grandinių pavyzdžiai: augalas – žolėdis – plėšrūnas; javai – lauko pelė – lapė ir kt., o maisto tinklas parodytas pav. 12.
Taigi pusiausvyros būsena biosferoje pagrįsta biotinių ir abiotinių aplinkos veiksnių sąveika, kuri palaikoma nuolat vykstant medžiagų ir energijos mainams tarp visų ekosistemų komponentų.
Uždaroje natūralių ekosistemų cirkuliacijoje, kartu su kitais, būtinas dviejų veiksnių dalyvavimas: skaidytojų buvimas ir nuolatinis saulės energijos tiekimas. Miesto ir dirbtinėse ekosistemose skaidytojų yra mažai arba jų visai nėra, todėl kaupiasi skystos, kietos ir dujinės atliekos, kurios teršia aplinką.
Ryžiai. 12. Maisto tinklas ir medžiagos srauto kryptis
Kad biosfera ir toliau egzistuotų, kad jos judėjimas (vystymasis) nesustotų, Žemėje turi nuolat vykti biologiškai svarbių medžiagų cirkuliacija. Šis biologiškai svarbių medžiagų perėjimas nuo jungties prie jungties gali būti atliktas tik su tam tikromis energijos sąnaudomis, kurių šaltinis yra Saulė.
Saulės energija Žemėje užtikrina du medžiagų ciklus:
- geologinis (abiotinis) arba didelis ciklas;
- biologinis (biotinis) arba mažas ciklas.
Geologinis ciklas ryškiausiai pasireiškia vandens cikle ir atmosferos cirkuliacija.
Žemė kasmet iš Saulės gauna maždaug 21 10 20 kJ spinduliuotės energijos. Maždaug pusė jo išleidžiama vandens garinimui. Tai ir sukelia didelį ciklą.
Vandens ciklas biosferoje pagrįstas tuo, kad visišką jo išgaravimą nuo Žemės paviršiaus kompensuoja krituliai. Tuo pačiu metu iš vandenyno išgaruoja daugiau vandens, nei grįžta su krituliais. Sausumoje, atvirkščiai, iškrenta daugiau kritulių nei išgaruoja vanduo. Jo perteklius nuteka į upes ir ežerus, o iš ten vėl į vandenyną.
Geologinio vandens ciklo metu mineraliniai junginiai planetiniu mastu perkeliami iš vienos vietos į kitą, keičiasi ir suminė vandens būsena (skystas, kietas – sniegas, ledas; dujinis – garai). Vanduo intensyviausiai cirkuliuoja garų būsenoje.
Atsiradus gyvajai medžiagai, pagrįstai atmosferos cirkuliacija, vandeniui, joje ištirpusiems mineraliniams junginiams, t.y. remiantis abiotiniu, geologiniu ciklu, susidarė organinių medžiagų ciklas arba mažas, biologinis ciklas.
Vystantis gyvajai medžiagai, iš geologinio ciklo nuolat išgaunama vis daugiau elementų ir patenka į naują, biologinį ciklą.
Priešingai nei paprastas mineralinių elementų perkėlimas ir judėjimas dideliame (geologiniame) cikle, mažajame (biologiniame) cikle svarbiausi momentai yra organinių junginių sintezė ir naikinimas. Šie du procesai yra tam tikru santykiu, kuris yra gyvenimo pagrindas ir yra vienas pagrindinių jo bruožų.
Priešingai nei geologinis ciklas, biologinis ciklas turi mažesnę energiją. Kaip žinoma, tik 0,1-0,2% saulės energijos, patenkančios į Žemę, išleidžiama organinėms medžiagoms sukurti (geologiniam ciklui iki 50%). Nepaisant to, biologiniame cikle dalyvaujanti energija išleidžiama milžiniškam darbui kuriant pirminę gamybą Žemėje.
Žemėje atsiradus gyvajai medžiagai, cheminiai elementai nuolat cirkuliuoja biosferoje, pereidami iš išorinės aplinkos į organizmus ir atgal į išorinę aplinką.
Tokia cheminių elementų cirkuliacija daugiau ar mažiau uždarais takais, vykstanti naudojant saulės energiją per gyvus organizmus, vadinama biogeocheminis ciklas (ciklas).
Pagrindiniai biogeocheminiai ciklai yra deguonies, anglies, azoto, fosforo, sieros, vandens ir maistinių medžiagų ciklai.
Anglies ciklas.
Sausumoje anglies ciklas prasideda augalams fotosintezės metu fiksuojant anglies dioksidą. Toliau iš anglies dioksido ir vandens susidaro angliavandeniai ir išsiskiria deguonis. Šiuo atveju augalui kvėpuojant anglis iš dalies išsiskiria kaip anglies dioksidas. Augaluose fiksuotą anglį tam tikru mastu sunaudoja gyvūnai. Kvėpuodami gyvūnai taip pat išskiria anglies dvideginį. Negyvus gyvūnus ir augalus skaido mikroorganizmai, todėl negyvoje organinėje medžiagoje esanti anglis oksiduojasi iki anglies dioksido ir išleidžiama atgal į atmosferą.
Panašus anglies ciklas vyksta vandenyne.
Azoto ciklas.
Azoto ciklas, kaip ir kiti biogeocheminiai ciklai, apima visas biosferos sritis. Azoto ciklas yra susijęs su jo pavertimu nitratais dėl azotą fiksuojančių ir nitrifikuojančių bakterijų veiklos. Nitratus augalai pasisavina iš dirvožemio ar vandens. Augalus valgo gyvūnai. Galiausiai skaidytojai azotą paverčia atgal į dujinę formą ir išleidžia atgal į atmosferą.
Šiuolaikinėmis sąlygomis žmonės įsikišo į azoto ciklą, dideliuose plotuose augindami azotą fiksuojančius ankštinius augalus ir dirbtinai fiksuodami natūralų azotą. Manoma, kad žemės ūkis ir pramonė tiekia beveik 60 % daugiau fiksuoto azoto nei natūralios sausumos ekosistemos.
Panašus azoto ciklas stebimas vandens aplinkoje.
Fosforo ciklas.
Skirtingai nuo anglies ir azoto, fosforo junginiai randami uolienose, kurios ardo ir išskiria fosfatus. Dauguma jų patenka į jūras ir vandenynus ir gali būti iš dalies grąžinti į sausumą per jūrines maisto grandines, kurios baigiasi žuvimis mintančiais paukščiais. Kai kurie fosfatai patenka į dirvą ir yra absorbuojami augalų šaknų. Augalų fosforo pasisavinimas priklauso nuo dirvožemio tirpalo rūgštingumo: didėjant rūgštingumui, vandenyje praktiškai netirpūs fosfatai virsta labai tirpia fosforo rūgštimi. Tada augalus valgo gyvūnai.
Pagrindinės biogeocheminių ciklų grandys yra įvairūs organizmai, kurių formų įvairovė lemia ciklų intensyvumą ir beveik visų žemės plutos elementų įsitraukimą į juos.
Apskritai kiekvienas bet kurio cheminio elemento ciklas yra bendrojo didžiojo medžiagų ciklo Žemėje dalis, t.y. jie glaudžiai susiję.
Prieš atsirandant biosferai, Žemėje buvo trys materijos ciklai: mineralų ciklas - magminių produktų judėjimas iš gelmių į paviršių ir atgal; dujų ciklas - oro masių, kurias periodiškai šildo Saulė, cirkuliacija,vandens ciklas - vandens garavimas ir jo pernešimas oro masėmis, krituliai (lietus, sniegas).Šiuos tris ciklus vienija vienas terminas - geologinis (abiotinis) ciklas. Atsiradus gyvybei, dujų, mineralų ir vandens ciklai pasipildė biotinis (biogeninis) ciklas - cheminių elementų ciklas, kurį atlieka gyvybinė organizmų veikla. Kartu su geologiniu, vienas biogeocheminis ciklas medžiagų Žemėje.
Geologinis ciklas.
Maždaug pusė Žemės paviršių pasiekiančios saulės energijos sunaudojama vandens garavimui, uolienų dūlėjimui, mineralų tirpimui, oro masių judėjimui, o kartu su jomis vandens garams, dulkėms ir kietoms oro dalelėms.
Vandens ir vėjo judėjimas sukelia dirvožemio eroziją, mechaninių ir cheminių kritulių judėjimą, persiskirstymą ir kaupimąsi hidrosferoje ir litosferoje. Šis ciklas vyksta ir šiandien.
Didelio susidomėjimo vandens ciklas. Per vienerius metus iš hidrosferos išgaruoja apie 3,8 10 14 tonų vandens, o į Žemės vandens apvalkalą su krituliais grįžta tik 3,4 10 14 tonų vandens. Trūksta dalis patenka į žemę. Iš viso sausumoje iškrenta apie 1 10 14 tonų kritulių, išgaruoja apie 0,6 10 14 tonų vandens. Litosferoje susidaręs vandens perteklius nuteka į ežerus ir upes, o vėliau į Pasaulinį vandenyną (2.4 pav.). Paviršinis nuotėkis yra apie 0,2 10 14 tonų, likusieji 0,2 10 14 tonų vandens patenka į podirvio vandeninguosius sluoksnius, iš kurių vanduo teka į upes, ežerus ir vandenyną, taip pat papildo požeminio vandens rezervuarus.
biotinis ciklas. Jis pagrįstas organinių medžiagų sintezės procesais, vėliau jų sunaikinimu į pirminius mineralus. Organinių medžiagų sintezės ir naikinimo procesai yra gyvosios medžiagos egzistavimo pagrindas ir pagrindinis biosferos funkcionavimo bruožas.
Bet kurio organizmo gyvybinė veikla neįmanoma be medžiagų apykaitos su aplinka. Medžiagų apykaitos procese organizmas suvartoja ir pasisavina reikalingas medžiagas bei išskiria atliekas, mūsų planetos dydis nėra begalinis, o galiausiai visos naudingos medžiagos virstų nenaudingomis atliekomis. Tačiau evoliucijos procese buvo rastas puikus sprendimas: be organizmų, galinčių sukurti gyvą medžiagą iš negyvosios medžiagos, atsirado ir kitų organizmų, kurie šią sudėtingą organinę medžiagą suskaidė į pradinius mineralus, paruoštus naujam naudojimui. „Vienintelis būdas ribotam kiekiui suteikti begalybės savybes“, – rašė V.R. Williamsas turi priversti jį suktis išilgai uždaros kreivės.
Gyvosios ir negyvosios gamtos sąveikos mechanizmas susideda iš negyvosios materijos įtraukimo į gyvybės sritį. Po keleto gyvų organizmų negyvos medžiagos transformacijų ji grįžta į ankstesnę būseną. Toks ciklas įmanomas dėl to, kad gyvuose organizmuose yra tokie patys cheminiai elementai kaip ir negyvojoje gamtoje.
Kaip vyksta šis ciklas? V.I. Vernadskis pagrindė, kad pagrindinis iš kosmoso gaunamos energijos (daugiausia saulės) keitiklis yra žalioji augalų medžiaga. Tik jie gali sintetinti pirminius organinius junginius veikiami saulės energijos. Mokslininkas apskaičiavo, kad visas energiją sugeriančios augalų žaliosios medžiagos paviršiaus plotas, priklausomai nuo metų laiko, svyruoja nuo 0,86 iki 4,2% Saulės paviršiaus ploto. Tuo pačiu metu Žemės paviršiaus plotas
Gyvūnai, kurių maistas yra augalai ar kiti gyvūnai, savo organizme sintetina naujus organinius junginius.
Gyvūnų ir augalų liekanos yra maistas kirminams, grybams ir mikroorganizmams, kurie galiausiai paverčia juos pirminiais mineralais, išskirdami anglies dioksidą. Šie mineralai vėl naudojami kaip pradinė žaliava augalams gaminti pirminius organinius junginius. Taip ratas užsidaro ir prasideda naujas atomų judėjimas.
Tačiau medžiagų ciklas nėra visiškai uždaras. Dalis atomų palieka ciklą, juos fiksuoja ir organizuoja naujos gyvų organizmų formos ir jų gyvybinės veiklos produktai. Į litosferą, hidrosferą ir troposferą prasiskverbę gyvi organizmai pagamino ir atlieka milžinišką geocheminį darbą, susijusį su esamų medžiagų judėjimu ir perskirstymu bei naujų medžiagų kūrimu. Tai yra laipsniško biosferos vystymosi esmė, nes tai išplečia biogeocheminių ciklų apimtį ir sustiprina biosferą. Kaip pažymėjo V. I. Vernadskis, biosferoje vyksta nuolatinis biogeninis atomų judėjimas „sūkurių“ pavidalu.
Skirtingai nuo geologinio, biotinis ciklas pasižymi nereikšmingu energijos suvartojimu. Kaip jau minėta, apie 1% saulės energijos, pasiekiančios Žemės paviršių, išleidžiama pirminės organinės medžiagos kūrimui. Šios energijos pakanka sudėtingiausiems planetos biogeocheminiams procesams vykdyti.
