Mažas (biologinis) ciklas

Gyvosios medžiagos masė biosferoje yra palyginti maža. Jei jis pasiskirsto po žemės paviršių, gaunamas tik 1,5 cm sluoksnis. 4.1 lentelėje palyginamos kai kurios kiekybinės biosferos ir kitų Žemės geosferų charakteristikos. Biosfera, kurios masė yra mažiau nei 10–6 kartus didesnė už kitų planetos apvalkalų masę, turi nepalyginamai didesnę įvairovę ir milijoną kartų greičiau atnaujina savo sudėtį.

4.1 lentelė

Biosferos palyginimas su kitomis Žemės geosferomis

*Gyvoji medžiaga pagal gyvąjį svorį

4.4.1. Biosferos funkcijos

Biosferos biotos dėka planetoje vyksta vyraujanti cheminių transformacijų dalis. Dėl šios priežasties V. I. Vernadskis apie didžiulį transformuojantį geologinį gyvosios medžiagos vaidmenį. Organinės evoliucijos metu gyvi organizmai tūkstantį kartų perėjo per save, per savo organus, audinius, ląsteles ir kraują, visą atmosferą, visą Pasaulio vandenyno tūrį, didžiąją dalį dirvožemio masės ir didžiulę mineralinių medžiagų masę. skirtingiems ciklams nuo 103 iki 105 kartų). Ir jie ne tik to pasigedo, bet ir modifikavo žemės aplinką pagal savo poreikius.

Dėl savo gebėjimo saulės energiją paversti cheminių ryšių energija, augalai ir kiti organizmai planetiniu mastu atlieka daugybę pagrindinių biogeocheminių funkcijų.

Dujų funkcija. Gyvi daiktai nuolat keičiasi deguonimi ir anglies dioksidu su aplinka fotosintezės ir kvėpavimo procesų metu. Augalai suvaidino lemiamą vaidmenį keičiant aplinką iš redukuojančios į oksiduojančią planetos geocheminėje evoliucijoje ir formuojant šiuolaikinės atmosferos dujų sudėtį. Augalai griežtai kontroliuoja O2 ir CO2 koncentracijas, kurios yra optimalios visų šiuolaikinių gyvų organizmų visumai.

Koncentracijos funkcija. Per savo kūnus praleisdami didelius oro ir natūralių tirpalų kiekius, gyvi organizmai vykdo biogeninę migraciją (cheminių medžiagų judėjimą) ir cheminių elementų bei jų junginių koncentraciją. Tai susiję su organinių medžiagų biosinteze, koralų salų susidarymu, kriauklių ir skeletų statyba, nuosėdinių kalkakmenio sluoksnių atsiradimu, kai kurių metalų rūdų nuosėdomis, geležies-mangano mazgų kaupimu vandenyno dugne ir kt. ankstyvosios biologinės evoliucijos stadijos vyko vandens aplinkoje. Organizmai išmoko išskirti jiems reikalingas medžiagas iš praskiesto vandeninio tirpalo, nuolat didindami jų koncentraciją organizme.

Gyvosios medžiagos redokso funkcija yra glaudžiai susijusi su biogenine elementų migracija ir medžiagų koncentracija. Daugelis gamtoje esančių medžiagų yra stabilios ir normaliomis sąlygomis neoksiduojasi, pavyzdžiui, molekulinis azotas yra vienas svarbiausių biogeninių elementų. Tačiau gyvos ląstelės turi tokius galingus katalizatorius – fermentus – kad daug redokso reakcijų gali atlikti milijonus kartų greičiau nei abiotinėje aplinkoje.

Biosferos gyvosios medžiagos informacinė funkcija. Būtent su pirmųjų primityvių gyvų būtybių atsiradimu planetoje atsirado aktyvi („gyva“) informacija, kuri skyrėsi nuo tos „negyvos“ informacijos, kuri yra paprastas struktūros atspindys. Paaiškėjo, kad organizmai gali gauti informaciją, derindami energijos srautą su aktyvia molekuline struktūra, kuri atlieka programos vaidmenį. Gebėjimas suvokti, saugoti ir apdoroti molekulinę informaciją gamtoje sparčiai evoliucionavo ir tapo svarbiausiu ekologinę sistemą formuojančiu veiksniu. Apskaičiuota, kad bendras biotos genetinės informacijos kiekis yra 1015 bitų. Bendra molekulinės informacijos, susijusios su metabolizmu ir energija, srauto galia visose pasaulinės biotos ląstelėse siekia 1036 bitų per sekundę (Gorshkov ir kt., 1996).

4.4.2. Biologinio ciklo komponentai.

Biologinis ciklas vyksta tarp visų biosferos komponentų (t.y. tarp dirvožemio, oro, vandens, gyvūnų, mikroorganizmų ir kt.). Tai įvyksta privalomai dalyvaujant gyviems organizmams.

Saulės spinduliuotė, pasiekianti biosferą, per metus perneša apie 2,5 * 1024 J energijos. Tik 0,3% jo fotosintezės proceso metu tiesiogiai paverčiama organinių medžiagų cheminių ryšių energija, t.y. dalyvauja biologiniame cikle. Ir pasirodo, kad 0,1–0,2% saulės energijos, patenkančios į Žemę, yra grynoje pirminėje gamyboje. Tolesnis šios energijos likimas yra susijęs su organinių maisto medžiagų perdavimu per trofinių grandinių kaskadas.

Biologinį ciklą sąlygiškai galima suskirstyti į tarpusavyje susijusius komponentus: medžiagų ciklą ir energijos ciklą.

4.4.3. Energijos ciklas. Energijos transformacija biosferoje

Ekosistemą galima apibūdinti kaip gyvų organizmų, kurie nuolat keičiasi energija, medžiaga ir informacija, rinkinį. Energiją galima apibrėžti kaip gebėjimą dirbti. Energijos savybes, įskaitant energijos judėjimą ekosistemose, apibūdina termodinamikos dėsniai.

Pirmasis termodinamikos arba energijos tvermės dėsnis teigia, kad energija neišnyksta ir neatsiranda iš naujo, ji tik pereina iš vienos formos į kitą.

Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad uždaroje sistemoje entropija gali tik didėti. Kalbant apie energiją ekosistemose, patogi tokia formuluotė: procesai, susiję su energijos transformacija, gali vykti spontaniškai tik tuo atveju, jei energija iš koncentruotos formos pereina į išsklaidytą, tai yra, degraduoja. Energijos kiekio, kuris tampa nepasiekiamas naudojimui, matas arba, kitaip tariant, tvarkos pokyčio, įvykusio energijos degradacijos metu, matas yra entropija. Kuo aukštesnė sistemos tvarka, tuo mažesnė jos entropija.

Kitaip tariant, gyvoji medžiaga priima ir paverčia erdvės ir saulės energiją žemiškų procesų (cheminių, mechaninių, terminių, elektrinių) energija. Įtraukia šią energiją ir neorganines medžiagas į nuolatinį medžiagų ciklą biosferoje. Energijos srautas biosferoje turi vieną kryptį – nuo ​​Saulės per augalus (autotrofus) į gyvūnus (heterotrofus). Stabilios būklės natūralios nepaliestos ekosistemos su pastoviais kritiniais aplinkos rodikliais (homeostazė) yra labiausiai tvarkingos ir pasižymi mažiausia entropija.

4.4.4. Medžiagų ciklas gyvojoje gamtoje

Gyvosios medžiagos susidarymas ir jos skilimas yra dvi vieno proceso, vadinamo biologiniu cheminių elementų ciklu, pusės. Gyvybė yra cheminių elementų ciklas tarp organizmų ir aplinkos.

Ciklo priežastis – ribotas elementų, iš kurių kuriami organizmų kūnai, skaičius. Kiekvienas organizmas iš aplinkos išgauna gyvybei reikalingas medžiagas ir grąžina nepanaudotas. Šiuo atveju:

Kai kurie organizmai mineralus vartoja tiesiogiai iš aplinkos;

kiti pirmiausia naudoja perdirbtus ir izoliuotus produktus;

trečia – antra ir pan., kol medžiagos grįš į aplinką pradinės būsenos.

Biosferoje akivaizdus įvairių organizmų, galinčių panaudoti vienas kito atliekas, sambūvio poreikis. Matome praktiškai be atliekų biologinę gamybą.

Medžiagų cirkuliaciją gyvuose organizmuose galima apytiksliai sumažinti iki keturių procesų:

1. Fotosintezė. Dėl fotosintezės augalai sugeria ir kaupia saulės energiją ir iš neorganinių medžiagų sintetina organines medžiagas – pirminius biologinius produktus – ir deguonį. Pirminiai biologiniai produktai yra labai įvairūs – juose yra angliavandenių (gliukozės), krakmolo, skaidulų, baltymų, riebalų.

Paprasčiausio angliavandenio (gliukozės) fotosintezės schema yra tokia:

Šis procesas vyksta tik dieną ir kartu didėja augalų masė.

Žemėje fotosintezės metu kasmet susidaro apie 100 milijardų tonų organinių medžiagų, absorbuojama apie 200 milijardų tonų anglies dioksido ir išsiskiria apie 145 milijardus tonų deguonies.

Fotosintezė vaidina lemiamą vaidmenį užtikrinant gyvybės egzistavimą Žemėje. Jos pasaulinė reikšmė paaiškinama tuo, kad fotosintezė yra vienintelis procesas, kurio metu energija termodinaminiame procese, laikantis minimalistinio principo, nėra išsisklaido, o kaupiasi.

Sintetindami aminorūgštis, būtinas baltymų statybai, augalai gali egzistuoti gana nepriklausomai nuo kitų gyvų organizmų. Tai pasireiškia augalų autotrofija (nepriklausomybe mityboje). Tuo pačiu metu žalioji augalų masė ir fotosintezės metu susidarantis deguonis yra pagrindas palaikyti kitos gyvų organizmų grupės – gyvūnų, mikroorganizmų – gyvybę. Tai rodo šios organizmų grupės heterotrofiją.

2. Kvėpavimas. Procesas yra atvirkštinis fotosintezei. Atsiranda visose gyvose ląstelėse. Kvėpuojant organines medžiagas oksiduoja deguonis, todėl susidaro anglies dioksidas, vanduo ir išsiskiria energija.

3. Maistiniai (trofiniai) ryšiai tarp autotrofinių ir heterotrofinių organizmų. Šiuo atveju energija ir medžiaga perduodama maisto grandinės grandimis, apie kurias mes išsamiau kalbėjome anksčiau.

4. Transpiracijos procesas. Vienas iš svarbiausių procesų biologiniame cikle.

Jį galima schematiškai apibūdinti taip. Augalai sugeria dirvos drėgmę per savo šaknis. Kartu jie gauna vandenyje ištirpusių mineralų, kurie pasisavinami, o drėgmė daugiau ar mažiau intensyviai garuoja priklausomai nuo aplinkos sąlygų.

4.4.5. Biogeocheminiai ciklai

Geologiniai ir biologiniai ciklai yra susiję – jie egzistuoja kaip vienas procesas, sukeliantis medžiagų cirkuliaciją, vadinamuosius biogeocheminius ciklus (BGCC). Šis elementų ciklas vyksta dėl organinių medžiagų sintezės ir irimo ekosistemoje (4.1 pav.) BGCC dalyvauja ne visi biosferos elementai, o tik biogeniniai. Iš jų susideda gyvi organizmai, šie elementai įveda į daugybę reakcijų ir dalyvauja gyvuose organizmuose vykstančiuose procesuose. Bendrą gyvosios medžiagos masę biosferoje procentais sudaro šie pagrindiniai biogeniniai elementai: deguonis - 70%, anglis - 18%, vandenilis - 10,5%, kalcis - 0,5%, kalis - 0,3%, azotas - 0, 3%, (deguonies, vandenilio, azoto, anglies yra visuose kraštovaizdžiuose ir yra gyvų organizmų pagrindas - 98%).

Cheminių elementų biogeninės migracijos esmė.

Taigi biosferoje vyksta biogeninis medžiagų ciklas (t.y. ciklas, sukeltas gyvybinės organizmų veiklos) ir vienakryptis energijos srautas. Biogeninę cheminių elementų migraciją daugiausia lemia du priešingi procesai:

1. Gyvosios medžiagos susidarymas iš aplinkos elementų veikiant saulės energijai.

2. Organinių medžiagų sunaikinimas, lydimas energijos išsiskyrimo. Tokiu atveju mineralinių medžiagų elementai pakartotinai patenka į gyvus organizmus ir taip tampa sudėtingų organinių junginių, formų dalimi, o vėliau, pastariesiems sunaikinus, vėl įgauna mineralinę formą.

Yra elementų, kurie yra gyvų organizmų dalis, tačiau nėra priskiriami biogeniniams. Tokie elementai klasifikuojami pagal jų svorio dalį organizmuose:

makroelementai – sudaro ne mažiau kaip 10-2% masės;

Mikroelementai – komponentai nuo 9*10-3 iki 1*10-3% masės;

Ultramikroelementai – mažiau nei 9*10-6% masės;

Norėdami nustatyti biogeninių elementų vietą tarp kitų cheminių biosferos elementų, panagrinėkime ekologijoje priimtą klasifikaciją. Pagal savo aktyvumą biosferoje vykstančiuose procesuose visi cheminiai elementai skirstomi į 6 grupes:

Tauriosios dujos – helis, neonas, argonas, kriptonas, ksenonas. Inertinės dujos nėra gyvų organizmų dalis.

Taurieji metalai – rutenis, radis, paladis, osmis, iridis, platina, auksas. Šie metalai žemės plutoje beveik nesudaro junginių.

Cikliniai arba biogeniniai elementai (jie dar vadinami migraciniais). Ši biogeninių elementų grupė žemės plutoje sudaro 99,7% visos masės, o likusios 5 grupės – 0,3%. Taigi didžioji dalis elementų yra migrantai, kurie cirkuliuoja geografiniame apvalkale, o dalis inertiškų elementų yra labai maža.

Išsklaidyti elementai, kuriems būdingas laisvųjų atomų vyravimas. Jie dalyvauja cheminėse reakcijose, tačiau jų junginiai retai randami žemės plutoje. Jie skirstomi į du pogrupius. Pirmieji – rubidis, cezis, niobis, tantalas – sukuria junginius žemės plutos gelmėse, o paviršiuje jų mineralai sunaikinami. Antrasis – jodas, bromas – reaguoja tik paviršiuje.

Radioaktyvieji elementai – polonis, radonas, radis, uranas, neptūnas, plutonis.

Retųjų žemių elementai – itris, samaris, europis, tulis ir kt.

Ištisus metus biocheminiai ciklai sukelia apie 480 milijardų tonų medžiagos.

V.I. Vernadskis suformulavo tris biogeocheminius principus, paaiškinančius biogeninės cheminių elementų migracijos esmę:

Biogeninė cheminių elementų migracija biosferoje visada siekia maksimalaus jos pasireiškimo.

Rūšių evoliucija per geologinį laiką, vedanti į stabilių gyvybės formų kūrimą, eina linkme, kuri sustiprina biogeninę atomų migraciją.

Gyvoji medžiaga nuolat keičiasi cheminėmis medžiagomis su aplinka, kuri yra biosferą atkuriantis ir palaikantis veiksnys.

Panagrinėkime, kaip kai kurie iš šių elementų juda biosferoje.

Anglies ciklas. Pagrindinis biotinio ciklo dalyvis yra anglis kaip organinių medžiagų pagrindas. Anglies ciklas pirmiausia vyksta tarp gyvosios medžiagos ir atmosferos anglies dioksido fotosintezės proceso metu. Jį iš maisto gauna žolėdžiai gyvūnai, o iš žolėdžių – mėsėdžiai. Kvėpavimo ir skilimo metu anglies dioksidas iš dalies grąžinamas į atmosferą, kai deginami organiniai mineralai.

Nesant anglies grąžinimo į atmosferą, ją žali augalai sunaudotų po 7–8 metų. Biologinės anglies apykaitos greitis fotosintezės metu yra 300 metų. Vandenynai vaidina svarbų vaidmenį reguliuojant CO2 kiekį atmosferoje. Jei atmosferoje padidėja CO2 kiekis, dalis jo ištirpsta vandenyje, reaguodama su kalcio karbonatu.

Deguonies ciklas.

Deguonis pasižymi dideliu cheminiu aktyvumu ir jungiasi su beveik visais žemės plutos elementais. Jis randamas daugiausia junginių pavidalu. Kas ketvirtas gyvosios medžiagos atomas yra deguonies atomas. Beveik visas atmosferoje esantis molekulinis deguonis atsirado ir yra pastoviame lygyje dėl žaliųjų augalų aktyvumo. Atmosferos deguonis, susijungęs kvėpuojant ir išsiskiriantis fotosintezės metu, per 200 metų praeina per visus gyvus organizmus.

Azoto ciklas. Azotas yra neatskiriama visų baltymų dalis. Bendras fiksuoto azoto, kaip organines medžiagas sudarančio elemento, ir azoto santykis gamtoje yra 1:100 000. Cheminio ryšio energija azoto molekulėje yra labai didelė. Todėl azoto derinimas su kitais elementais – deguonimi, vandeniliu (azoto fiksavimo procesas) – reikalauja daug energijos. Pramoninis azoto fiksavimas vyksta esant katalizatoriams –500°C temperatūroje ir –300 atm slėgyje.

Kaip žinote, atmosferoje yra daugiau nei 78% molekulinio azoto, tačiau tokioje būsenoje jis nepasiekiamas žaliesiems augalams. Savo mitybai augalai gali naudoti tik azoto ir azoto rūgščių druskas. Kokiais būdais susidaro šios druskos? Štai keletas iš jų:

Dėl didelio biokatalizės efektyvumo biosferoje azoto fiksavimą vykdo kelios anaerobinių bakterijų ir cianobakterijų grupės esant normaliai temperatūrai ir slėgiui. Manoma, kad bakterijos per metus paverčia maždaug 1 milijardą tonų azoto į surištą formą (pasaulinis pramoninės fiksacijos kiekis yra apie 90 mln. tonų).

Dirvožemyje azotą fiksuojančios bakterijos sugeba absorbuoti molekulinį azotą iš oro. Jie praturtina dirvą azoto junginiais, todėl jų svarba itin didelė.

Dėl azoto turinčių augalinės ir gyvūninės kilmės organinių medžiagų junginių skilimo.

Veikiamas bakterijų, azotas virsta nitratais, nitritais ir amonio junginiais. Augaluose azoto junginiai dalyvauja baltymų junginių, kurie maisto grandinėmis perduodami iš organizmo į organizmą, sintezėje.

Fosforo ciklas. Kitas svarbus elementas, be kurio neįmanoma baltymų sintezė, yra fosforas. Pagrindiniai šaltiniai yra magminės uolienos (apatitai) ir nuosėdinės uolienos (fosforitai).

Neorganinis fosforas dalyvauja cikle dėl natūralių išplovimo procesų. Fosforą absorbuoja gyvi organizmai, kurie, dalyvaudami, sintetina daugybę organinių junginių ir perkelia juos į įvairius trofinius lygius.

Baigę kelionę per trofines grandines, organinius fosfatus skaido mikrobai ir paverčia mineraliniais fosfatais, prieinamais žaliesiems augalams.

Vykstant biologinei cirkuliacijai, kuri užtikrina medžiagų ir energijos judėjimą, atliekoms kauptis nėra vietos. Kiekvienos gyvybės formos atliekos (t. y. atliekos) yra terpė veistis kitiems organizmams.

Teoriškai biosferoje visada turėtų būti palaikoma pusiausvyra tarp biomasės susidarymo ir jos skilimo. Tačiau tam tikrais geologiniais laikotarpiais buvo sutrikdyta biologinio ciklo pusiausvyra, kai dėl tam tikrų gamtos sąlygų ir nelaimių ne visi biologiniai produktai buvo asimiliuojami ir transformuojami. Tokiais atvejais susidarė biologinių produktų perteklius, kurie išsilaikė ir nusėdo žemės plutoje, po vandens, nuosėdų tirštumu ir atsidūrė amžinojo įšalo zonoje. Taip susidarė anglies, naftos, dujų ir kalkakmenio telkiniai. Reikia pažymėti, kad jie neteršia biosferos. Organiniai mineralai koncentruoja Saulės energiją, susikaupusią fotosintezės proceso metu. Dabar, degindamas organinius degius mineralus, žmogus išskiria šią energiją.

Žymus 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. Anot 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. Yra 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 gilios 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 didelio ir mažo vandens ciklo 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 naujo formavimosi gyvojoje planetos medžiagoje. Kasmet Žemėje vandens cikle dalyvauja apie 500 000 km 3 vandens. Vandens ciklas ir jo atsargos parodytos fig. 5 (santykine prasme).

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 atmosferos deguonies dalis yra susieta 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 atsargų 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 praeina 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 esant anaerobinėms sąlygoms, jie naudoja nitratinį deguonį organinėms medžiagoms oksiduoti ir taip gauti 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 maistinių medžiagų ciklai palaikomi sudėtingos skirtingų dalių sąveikos. 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, pajūrio juostų 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 mitybos 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

1 puslapis

Geologinis ciklas (didelis medžiagų ciklas gamtoje) – medžiagų ciklas, kurio varomoji jėga yra egzogeniniai ir endogeniniai geologiniai procesai.  

Geologinis ciklas – tai medžiagų cirkuliacija, kurios varomoji jėga yra egzogeniniai ir endogeniniai geologiniai procesai.  

Geologinio ciklo ribos yra daug platesnės nei biosferos ribos, jos amplitudė apima žemės plutos sluoksnius, esančius toli už biosferos. Ir, svarbiausia, gyvi organizmai atlieka antraeilį vaidmenį šio ciklo procesuose.  

Taigi geologinis medžiagų ciklas vyksta nedalyvaujant gyviems organizmams ir perskirsto medžiagas tarp biosferos ir gilesnių Žemės sluoksnių.  

Svarbiausią vaidmenį dideliame geologinio ciklo cikle atlieka maži materijos ciklai – tiek biosferos, tiek technosferos, kai medžiaga ilgam išjungiama nuo didelio geocheminio srauto, virsta nesibaigiančiais sintezės ciklais ir skilimas.  

Svarbiausią vaidmenį dideliame geologinio ciklo cikle atlieka maži materijos ciklai – tiek biosferos, tiek technosferos, kai medžiaga ilgam išjungiama nuo didelio geocheminio srauto, virsta nesibaigiančiais sintezės ciklais ir skilimas.  

Ši anglis dalyvauja lėtame geologiniame cikle.  

Būtent ši anglis dalyvauja lėtame geologiniame cikle. Gyvybę Žemėje ir atmosferos dujų balansą palaiko santykinai nedideli anglies kiekiai, esantys augalų (5 10 t) ir gyvūnų (5 109 t) audiniuose, dalyvaujančiuose mažajame (biogeniniame) cikle. Tačiau šiuo metu žmonės intensyviai uždaro medžiagų, įskaitant anglies, ciklą. Pavyzdžiui, apskaičiuota, kad bendra visų naminių gyvūnų biomasė jau viršija visų laukinių sausumos gyvūnų biomasę. Kultūrinių augalų plotai artėja prie natūralių biogeocenozių plotų, o daugelis kultūrinių ekosistemų savo produktyvumu, nuolat žmogaus didinamu, gerokai pranoksta natūralias.  

Plačiausias laike ir erdvėje yra vadinamasis geologinis medžiagų ciklas.  

Gamtoje yra 2 medžiagų cirkuliacijos tipai: didelė arba geologinė medžiagų cirkuliacija tarp sausumos ir vandenyno; mažas arba biologinis – tarp dirvožemio ir augalų.  

Vanduo, augalo išgautas iš dirvožemio, garų pavidalu patenka į atmosferą, vėliau, vėsdamas, kondensuojasi ir kritulių pavidalu grįžta į dirvą ar vandenyną. Geologinis vandens ciklas užtikrina mechaninį perskirstymą, nusodinimą, kietų nuosėdų kaupimąsi sausumoje ir rezervuarų dugne, taip pat mechaninio dirvožemio ir uolienų naikinimo procese. Tačiau cheminė vandens funkcija atliekama dalyvaujant gyviems organizmams arba jų medžiagų apykaitos produktams. Natūralūs vandenys, kaip ir dirvožemis, yra sudėtingos bioinertinės medžiagos.  

Žmogaus geocheminė veikla tampa panaši į biologinius ir geologinius procesus. Geologiniame cikle denudacijos ryšys smarkiai padidėja.  

Veiksnys, paliekantis pagrindinį pėdsaką bendram charakteriui ir biologiniam. Tuo pačiu metu geologinis vandens ciklas nuolat stengiasi visus šiuos elementus nuplauti iš griūvančios žemės sluoksnių į vandenyno baseiną. Todėl norint išsaugoti augalinius maisto elementus žemėje, juos reikia paversti tokia forma, kuri visiškai netirpi vandenyje. Šį reikalavimą tenkina gyva organinė medžiaga.  

Norint atsekti ryšį tarp gyvosios ir negyvosios gamtos, būtina suprasti, kaip biosferoje vyksta medžiagų ciklas.

Reikšmė

Medžiagų ciklas – tai pakartotinis tų pačių medžiagų dalyvavimas procesuose, vykstančiuose litosferoje, hidrosferoje ir atmosferoje.

Yra dviejų tipų medžiagų ciklai:

• geologinis(puikus ciklas);
• biologinės(mažas žiedas).

Medžiagų geologinės cirkuliacijos varomoji jėga yra išoriniai (saulės spinduliuotė, gravitacija) ir vidiniai (Žemės vidaus energija, temperatūra, slėgis) geologiniai procesai, biologiniai procesai – gyvų būtybių veikla.

Didysis ciklas vyksta nedalyvaujant gyviems organizmams. Išorinių ir vidinių veiksnių įtakoje reljefas formuojasi ir išlyginamas. Dėl žemės drebėjimų, oro sąlygų, ugnikalnių išsiveržimų, žemės plutos judėjimo susidaro slėniai, kalnai, upės, kalvos, formuojasi geologiniai sluoksniai.

Ryžiai. 1. Geologinis ciklas.

Biologinė medžiagų cirkuliacija biosferoje vyksta dalyvaujant gyviems organizmams, kurie paverčia ir perduoda energiją išilgai maisto grandinės. Stabili gyvų (biotinių) ir negyvų (abiotinių) medžiagų sąveikos sistema vadinama biogeocenoze.

TOP 3 straipsniaikurie skaito kartu su tuo

Kad vyktų medžiagų cirkuliacija, Turi būti įvykdytos kelios sąlygos:

• apie 40 cheminių elementų;
• saulės energijos buvimas;
• gyvų organizmų sąveika.

Ryžiai. 2. Biologinis ciklas.

Medžiagų ciklas neturi konkretaus pradžios taško. Procesas yra nenutrūkstamas ir vienas etapas nuolat pereina į kitą. Galite pradėti svarstyti ciklą nuo bet kurio taško, esmė išliks ta pati.

Bendras medžiagų ciklas apima šiuos procesus:

• fotosintezė;
• metabolizmas;
• skilimas.

Augalai, kurie yra maisto grandinės gamintojai, saulės energiją paverčia organinėmis medžiagomis, kurios su maistu patenka į skaidančių gyvūnų organizmą. Po mirties augalų ir gyvūnų skilimas vyksta padedant vartotojams – bakterijoms, grybams, kirmėlėms.

Ryžiai. 3. Maisto grandinė.

Medžiagų ciklas

Pagal medžiagų išsidėstymą gamtoje jos išskiriamos dviejų tipų cirkuliacija:

• dujų- atsiranda hidrosferoje ir atmosferoje (deguonis, azotas, anglis);
• nuosėdinės- atsiranda žemės plutoje (kalcis, geležis, fosforas).

Medžiagos ir energijos ciklas biosferoje aprašytas lentelėje, naudojant kelių elementų pavyzdį.

Visos mūsų planetoje esančios medžiagos yra cirkuliacijos procese. Saulės energija Žemėje sukelia du medžiagų ciklus – didžiąją arba biosferą (apimanti visą biosferą) ir mažąją arba biologinę (ekosistemose).

Prieš biosferos medžiagų cirkuliaciją buvo geologinė, susijusi su uolienų susidarymu ir sunaikinimu bei vėlesniu naikinimo produktų – klastinių medžiagų ir cheminių elementų – judėjimu. Šiluminės žemės ir vandens paviršiaus savybės šiuose procesuose vaidino ir vaidina svarbų vaidmenį: absorbcija į saulės šviesos atspindį, šilumos laidumas į šilumos talpą. Vanduo sugeria daugiau saulės energijos, o žemės paviršius tose pačiose platumose labiau įkaista. Nestabilus Žemės paviršiaus hidroterminis režimas kartu su planetinės atmosferos cirkuliacijos sistema lėmė geologinę medžiagų cirkuliaciją, kuri pradiniame Žemės vystymosi etape kartu su endogeniniais procesais buvo susijusi su žemynų, vandenynų ir šiuolaikinių geosferos. Jo geologinį pasireiškimą rodo ir oro masės pernešami atmosferos produktai, o vanduo – jame ištirpę mineraliniai junginiai. Susidarius biosferai, organizmų atliekos buvo įtrauktos į didelį ciklą. Geologinis ciklas, nenutraukdamas savo egzistavimo, įgavo naujų bruožų: tai pradinė materijos judėjimo biosferoje stadija. Būtent jis aprūpina gyvus organizmus maistinėmis medžiagomis ir daugiausia lemia jų egzistavimo sąlygas.

Didelis medžiagų ciklas biosferoje pasižymi dviem svarbiais punktais:

Vykdoma per visą Žemės geologinį vystymąsi;

Tai modernus planetinis procesas, kuris vaidina pagrindinį vaidmenį tolimesnėje biosferos raidoje (Radkevich, 1983).

Dabartiniame žmogaus vystymosi etape dėl didelio ciklo teršalai, tokie kaip sieros ir azoto oksidai, dulkės ir radioaktyviosios priemaišos, taip pat pernešami dideliais atstumais. Šiaurės pusrutulio vidutinio klimato platumų teritorija buvo labiausiai užteršta.

Mažasis arba biologinis medžiagų ciklas atsiskleidžia didelio, geologinio, apimančio visą biosferą, fone. Jis atsiranda ekosistemose, bet nėra uždaras, o tai susiję su medžiagos ir energijos patekimu į ekosistemą iš išorės ir kai kurių iš jų išleidimu į biosferos ciklą. Dėl šios priežasties žmonės kartais kalba ne apie biologinį ciklą, o apie energijos mainus ekosistemose ir atskiruose organizmuose.

Augalai, gyvūnai ir dirvožemio danga sausumoje sudaro sudėtingą pasaulinę sistemą, kuri formuoja biomasę, suriša ir perskirsto saulės energiją, atmosferos anglį, drėgmę, deguonį, vandenilį, azotą, fosforą, sierą, kalcį ir kitus elementus, dalyvaujančius organizmų gyvenime. Vandens aplinkos augalai, gyvūnai ir mikroorganizmai sudaro kitą planetų sistemą, kuri atlieka tą pačią funkciją – susieti saulės energiją ir biologinį medžiagų ciklą.

Biologinio ciklo esmė slypi dviejų priešingų, bet tarpusavyje susijusių procesų – organinės medžiagos susidarymo ir jos naikinimo – atsiradime. Pradinė organinių medžiagų formavimosi stadija vyksta dėl žaliųjų augalų fotosintezės, t.y. šios medžiagos susidarymas iš anglies dioksido, vandens ir mineralinių junginių naudojant Saulės spinduliavimo energiją. Augalai ištirpintu pavidalu iš dirvožemio išgauna sierą, fosforą, kalcį, kalį, magnį, manganą, silicį, aliuminį, varį, cinką ir kitus elementus. Žolėdžiai gyvūnai jau pasisavina šių elementų junginius augalinės kilmės maisto pavidalu. Plėšrūnai minta žolėdžiais gyvūnais, vartoja sudėtingesnės sudėties maistą, įskaitant baltymus, riebalus, aminorūgštis ir kt. Mikroorganizmams sunaikinant negyvų augalų ir gyvūnų liekanų organines medžiagas, paprasti mineraliniai junginiai patenka į dirvą ir vandens aplinką. , kurį augalai gali pasisavinti, ir prasideda kitas biologinis ciklas.

Skirtingai nuo didžiojo, mažojo žiedo trukmė skiriasi: išskiriami sezoniniai, metiniai, daugiamečiai ir pasaulietiniai mažieji. Tiriant medžiagų biologinį ciklą, pagrindinis dėmesys skiriamas metiniam ritmui, nulemtam metinės augmenijos vystymosi dinamikos.