Visos planetoje esančios medžiagos yra cirkuliacijos procese. Saulės energija Žemėje sukelia du medžiagų ciklus: didelis (geologinis, biosferinis) Ir mažas (biologinis).
Didelis medžiagų ciklas biosferoje pasižymi dviem svarbiais punktais: jis vyksta per visą geologinį Žemės vystymąsi ir yra modernus planetinis procesas, kuris vaidina pagrindinį vaidmenį tolimesnėje biosferos raidoje.
Geologinis ciklas yra susijęs su uolienų susidarymu ir sunaikinimu bei vėlesniu naikinimo produktų – klastinių medžiagų ir cheminių elementų – judėjimu. Žemės ir vandens paviršiaus šiluminės savybės vaidino ir tebevaidina reikšmingą vaidmenį šiuose procesuose: saulės spindulių sugertis ir atspindėjimas, šilumos laidumas ir šiluminė talpa. 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. Susidarius biosferai, organizmų atliekos buvo įtrauktos į didelį ciklą. Geologinis ciklas aprūpina gyvus organizmus maistinėmis medžiagomis ir iš esmės lemia jų egzistavimo sąlygas.
Pagrindiniai cheminiai elementai litosfera: deguonis, silicis, aliuminis, geležis, magnis, natris, kalis ir kiti – dalyvauja dideliame cikle, pereinant iš gilių viršutinės mantijos dalių į litosferos paviršių. Magminė uoliena, susidariusi kristalizacijos būdu
magma, patekusi į litosferos paviršių iš Žemės gelmių, biosferoje yra suyra ir veikia orą. Atmosferos poveikio produktai patenka į judrią būseną, vandens ir vėjo nunešami į žemas reljefo vietas, patenka į upes, vandenyną ir sudaro storus nuosėdinių uolienų sluoksnius, kurie laikui bėgant, pasinerdami į gylį vietovėse, kuriose yra padidėjusi temperatūra ir slėgis, patiria metamorfozę. , t.y. „perlydyti“. Šio tirpimo metu atsiranda nauja metamorfinė uoliena, kuri patenka į viršutinius žemės plutos horizontus ir vėl patenka į medžiagų ciklą. (32 pav.).
Ryžiai. 32. Geologinis (didysis) medžiagų ciklas
Lengvai judančios medžiagos – dujos ir natūralūs vandenys, sudarantys planetos atmosferą ir hidrosferą – patiria intensyviausią ir sparčiausią cirkuliaciją. Litosferos medžiaga cirkuliuoja daug lėčiau. Apskritai kiekvienas bet kurio cheminio elemento ciklas yra bendro didelio Žemėje esančių medžiagų ciklo dalis ir visi jie yra glaudžiai tarpusavyje susiję. Gyvoji biosferos medžiaga šiame cikle atlieka didžiulį darbą perskirstydama cheminius elementus, kurie nuolat cirkuliuoja biosferoje, pereidami iš išorinės aplinkos į organizmus ir vėl į išorinę aplinką.
Mažas arba biologinis medžiagų ciklas- Tai
medžiagų apykaita tarp augalų, gyvūnų, grybų, mikroorganizmų ir dirvožemio. Biologinio ciklo esmė slypi dviejų priešingų, bet tarpusavyje susijusių procesų – organinių medžiagų susidarymo ir jų naikinimo – atsiradime. Pradinį organinių medžiagų atsiradimo etapą lemia žaliųjų augalų fotosintezė, t.y. gyvosios medžiagos susidarymas iš anglies dioksido, vandens ir paprastų mineralinių junginių naudojant saulės energiją. Augalai (gamintojai) iš dirvožemio tirpale išgauna sieros, fosforo, kalcio, kalio, magnio, mangano, silicio, aliuminio, cinko, vario ir kitų elementų molekules. Žolėdžiai gyvūnai (pirmosios eilės vartotojai) šių elementų junginius pasisavina augalinės kilmės maisto pavidalu. Plėšrūnai (II eilės vartotojai) minta žolėdžiais gyvūnais, vartodami sudėtingesnės sudėties maistą, įskaitant baltymus, riebalus, aminorūgštis ir kitas medžiagas. Mikroorganizmams (skaidytojams) sunaikinant negyvų augalų ir gyvūnų liekanų organines medžiagas, į dirvožemį ir vandens aplinką patenka paprasti mineraliniai junginiai, kuriuos augalai gali pasisavinti, ir prasideda kitas biologinio ciklo etapas. (33 pav.).
Medžiagų ciklas ir biogeocheminiai ciklai
Vandens ciklo pavyzdžiu paaiškinkite geologinio ciklo reikšmę.
Kaip vyksta biologinis ciklas?
Koks yra atomų biogeninės migracijos dėsnis V.I. Vernadskis?
Kas yra natūralaus ciklo rezerviniai ir mainai? Kuo jie skiriasi?
Žemė kaip gyvas superorganizmas
*Kad biosfera egzistuotų ir vystytųsi, Žemėje turi vykti nuolatinis biologiškai svarbių medžiagų ciklas, t.y., panaudojus jos vėl turi transformuotis į formą, kurią pasisavina kiti organizmai. Šis biologiškai svarbių medžiagų perėjimas gali būti atliktas tik sunaudojant tam tikrą energiją, kurios šaltinis yra Saulė.
Mokslininkas V. R. Williamsas mano, kad saulės energija Žemėje užtikrina du medžiagų ciklus - geologinis , arba didelis, gyre ir biologinės , mažas, dviratis.
Geologiniai Apyvarta ryškiausiai pasireiškia vandens cikle. Žemė kasmet iš Saulės gauna 5,24–1024 J spinduliuojamos energijos. Maždaug pusė jo išleidžiama vandens garinimui. 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 (pernešdamas tam tikrą kiekį mineralinių junginių). Tai sukelia didelį ciklą biosferoje, pagrįstą tuo, kad visą vandens išgaravimą iš Žemės kompensuoja krituliai.
** Atsiradus gyvajai medžiagai, pagrįstai geologiniu ciklu, atsirado organinis ciklas savybės, biologinis (mažasis) ciklas.
Vandens ciklas kaip geologinio ciklo pavyzdys
(pagal H. Penmaną)
Vystantis gyvajai medžiagai, iš geologinio ciklo nuolat išgaunama vis daugiau elementų ir patenka į naują, biologinį ciklą. Priešingai nei paprastas mineralų perkėlimas dideliame cikle, tiek tirpalų, tiek mechaninių kritulių pavidalu, mažame cikle svarbiausi aspektai yra organinių junginių sintezė ir naikinimas. Priešingai nei geologinis ciklas, biologinis ciklas turi nereikšmingą energiją. Kaip žinoma, tik 0,1-0,2% visos į Žemę patenkančios saulės energijos išleidžiama organinėms medžiagoms kurti (geologiniam ciklui – iki 50%). Nepaisant to, biologiniame cikle dalyvaujanti energija atlieka daug darbo kuriant pirminius produktus.
Biologinis ciklas
Žemėje atsiradus gyvajai medžiagai, cheminiai elementai nuolat cirkuliuoja biosferoje, juda iš išorinės aplinkos
į organizmus ir vėl į išorinę aplinką. Tokia medžiagų cirkuliacija daugiau ar mažiau uždarais keliais vadinama biogeocheminis ciklas.
Pagrindiniai biogeocheminiai ciklai yra deguonies, anglies, vandens, azoto, fosforo, sieros ir kitų maistinių medžiagų ciklai.
*** Biogeninė medžiagos migracija - viena iš bendros elementų migracijos gamtoje formų. Biogeninė geocheminė migracija turėtų būti suprantama kaip organinių ir inertinių medžiagų, dalyvaujančių gyvų organizmų augime ir vystymesi, migracija, kurią pastarieji gamina dėl sudėtingų biocheminių ir biogeocheminių procesų. Į IR. Vernadskis suformulavo Biogeninės atomų migracijos dėsnis tokia forma:
Cheminių elementų migracija biosferoje vyksta arba tiesiogiai dalyvaujant gyvajai medžiagai (biogeninė migracija), arba vyksta aplinkoje, kurios geochemines ypatybes (O2, CO2, H2 ir kt.) lemia gyvoji medžiaga (ta, kuri šiuo metu). gyvena biosferoje ir tai, kas veikė Žemėje per visą geologinę istoriją).
Žmogus pirmiausia veikia biosferą ir jos gyvas populiacijas, todėl keičia biogeninės atomų migracijos sąlygas, sudarydamas prielaidas giliems cheminiams pokyčiams.
Taigi procesas gali tapti savaime besivystančiu, nepriklausomu nuo žmogaus troškimo, o pasauliniu mastu – praktiškai nekontroliuojamu.
Planetinio materijos ciklo požiūriu svarbiausi yra dirvožemio-kraštovaizdžio, hidrosferos ir giluminiai (intražeminiai) ciklai. Pirmajame iš uolienų išgaunami cheminiai elementai, suyra vanduo, oras, organinės medžiagos, įsisavinami ir sintetinami įvairūs organiniai ir organiniai mineraliniai junginiai. Hidrosferos cikle pagrindinį vaidmenį atlieka vandens sudėtis ir gyvų organizmų biologinis aktyvumas. Medžiagos biologinė gamyba čia vykdoma dominuojant fito ir zooplanktonui. Giliame biogeninės migracijos cikle svarbiausią vaidmenį atlieka anaerobinių mikroorganizmų veikla.
****Įvairiuose Žemės apvalkaluose vykstantys procesai yra dinaminės pusiausvyros būsenoje, o bet kurio iš jų eigos pasikeitimas sukelia nesibaigiančias kartais negrįžtamų reiškinių grandines. Kiekviename gamtos cikle patartina išskirti dvi dalis arba du „fondus“: rezervinis fondas
- didelė masė lėtai judančių medžiagų, daugiausia neorganinių; mobilusis , arba mainų fondas
Mainų fondą sudaro medžiagos, kurios grąžinamos į ciklą dėl pirminio išskyrimo (iš lotyniško excretum - išsiskiria) gyvūnų, arba mikroorganizmams skaidant detritą.
Jei turėtume omenyje visą biosferą, biogeocheminius ciklus galima suskirstyti į du pagrindinius tipus:
dujinių medžiagų cirkuliacija su rezerviniu fondu atmosferoje arba hidrosferoje;
nuosėdų ciklas su rezerviniu fondu žemės plutoje.
Puslapis 1
Biologinis ciklas yra susijęs su medžiagų apykaita (medžiagų apykaita) ir vandens susidarymu, taip pat irimu gyvojoje medžiagoje, jo gyvenimo metu.
Bet kuriam biologiniam ciklui būdingas pasikartojantis cheminių elementų atomų įtraukimas į gyvų organizmų kūnus ir jų patekimas į aplinką, iš kur juos vėl pagauna augalai ir įtraukiami į ciklą. Mažajam biologiniam ciklui būdingas pajėgumas – cheminių elementų, vienu metu esančių tam tikros ekosistemos gyvojoje medžiagoje, skaičius ir greitis – per laiko vienetą susidariusios ir suirusios gyvos medžiagos kiekis.
Biologinis žemės ir hidrosferos ciklas sujungia atskirų kraštovaizdžių ciklus per vandens srautą ir atmosferos judėjimą. Vandens ir atmosferos cirkuliacijos vaidmuo ypač svarbus sujungiant visus žemynus ir vandenynus į vieną biosferos cirkuliaciją.
Biologinis medžiagų ciklas atlieka kūrybinę funkciją – organinių medžiagų kūrimą ir dirvožemio praturtinimą maistinėmis medžiagomis. Nuo to priklauso gyvenimas bet kuriose augalų bendrijose: soduose, pievose, laukuose, miškuose. Pastaraisiais metais iškilo poreikis sukurti didelio intensyvumo cirkuliaciją uždarose sistemose, kurios galėtų užtikrinti gyvybingumą ilgose tarpplanetinėse kelionėse.
Biologinio ciklo intensyvumą pirmiausia lemia aplinkos temperatūra ir vandens kiekis. Pavyzdžiui, atogrąžų miškuose biologinis ciklas yra intensyvesnis nei tundroje.
Biologinių ciklų greitis sausumoje yra metai ir dešimtys metų, vandens ekosistemose – kelios dienos ar savaitės.
Biologiniam ciklui miške būdingas ilgalaikis azoto ir pelenų elementų, esančių medžių ir krūmų ilgalaikėje biomasėje, pašalinimas, paklotės transformacija dirvos paviršiuje, formuojantis miško paklotėms ir įvairioms vandenyje tirpioms organinėms medžiagoms. ir mineraliniai jo skilimo produktai.
Biologinių ciklų greitis ir bendras šiuose ciklus dalyvaujančių medžiagų kiekis priklauso nuo masto ir aplinkos sąlygų ekosistemose. Ekosistemoms būdingos įvairios aplinkos sąlygos, kurios reiškia aplinkos aplinkos veiksnius, kurie tiesiogiai ar netiesiogiai veikia gyvus organizmus. Šie veiksniai gali būti abiotiniai ir biotiniai.
Biologinio ciklo dalis, susidedanti iš anglies, vandens, azoto, fosforo, sieros ir kitų maistinių medžiagų ciklų, vadinama biogeocheminiu ciklu.
Biologiniame medžiagų cikle azotas užima ypatingą vietą. Skildamas organinėms medžiagoms, azotas patenka į atmosferą dujinių junginių pavidalu arba laisvos būsenos. Azoto grąžinimas į dirvą, iš kur jį pasiima augalai, vyksta kompleksiškai, vykstant procesui, kuriame dalyvauja specialios bakterijos ir kai kurie kiti organizmai, surišantys atmosferos azoto dujas į junginius, kuriuos gali vartoti augalai.
V. A. Kovdos biologinio ciklo samprata apima ciklinių medžiagų apykaitos ir energijos procesų sumą tarp aplinkos ir augalų bei gyvūnų organizmų visumos. Jei sekate nuoseklių transformacijų ir atskirų elementų, susijusių su mainais tarp buveinių, ypač dirvožemio, ir biotos grandinę, galite sužinoti, pavyzdžiui, naudodami izotopų etiketę, kad visas elemento transformacijos-migracijos ciklas. visuose dirvožemiuose ir visuose jo funkcionavimo etapuose apima tiek biologinius, tiek abiotinius medžiagų virsmo ir judėjimo procesus. Pavyzdžiui, laikotarpiu nuo elemento grįžimo į dirvožemio paviršių su miško paklote ir vėlesnio jo įsisavinimo augalų šaknimis, jis gali migruoti palei dirvožemio profilį. Kartu šio proceso intensyvumą ir kryptį lems ne tik biota, bet ir klimatiniai veiksniai, vandens-fizinės, sorbcinės ir kitos dirvožemio savybės.
Įtrauktos į biologinį ciklą, į žmogaus organizmą patenka per augalinį ir gyvūninį maistą ir jame kaupiantis sukelia radioaktyviąją spinduliuotę.
Priešingai, biologinis materijos ciklas vyksta apgyvendintos biosferos ribose ir įkūnija unikalias planetos gyvosios medžiagos savybes. Būdama didelio, mažo ciklo dalis, vykdoma biogeocenozės lygmeniu, tai susideda iš to, kad augalų medžiagoje kaupiasi dirvožemio maistinės medžiagos, vanduo, anglis, išleidžiama tiek jų pačių, tiek organizmų kūno ir gyvybės procesų kūrimui. - vartotojai. Dirvožemio mikrofloros ir mezofaunos (bakterijų, grybų, moliuskų, kirmėlių, vabzdžių, pirmuonių ir kt.) organinių medžiagų skilimo produktai vėl suskaidomi į mineralinius komponentus, vėl prieinamus augalams ir dėl to vėl įtraukiami į medžiagų srautą. .
12.1. Biologinės cirkuliacijos samprata
Biologinis ciklas yra cheminių elementų ir medžiagų ciklas, atsiradęs kartu su gyvybės atsiradimu Žemėje, kurį vykdo gyvybinė organizmų veikla. Jis atlieka ypatingą vaidmenį biosferoje. Ta proga N. V. Timofejevas-Resovskis rašė: „Biosferoje vyksta didžiulis, amžinas, nuolat veikiantis biologinis ciklas, šiame dideliame biosferos cikle nuolat cirkuliuoja daugybė medžiagų, nemažai energijos formų“ (M. M. Kamšilovas). , 1974; V. A. Vronskis, 1997). Biologinio ciklo dėsniai išsprendžia ilgalaikio gyvybės egzistavimo ir vystymosi problemą. Ribinio tūrio kūne, pavyzdžiui, Žemėje, turimų mineralinių elementų atsargos, būtinos gyvybės funkcijai atlikti, negali būti begalinės. Jei jie būtų tik vartojami, gyvenimas anksčiau ar vėliau turėtų baigtis. „Vienintelis būdas ribotam kiekiui suteikti begalybės savybę, – rašo W. R. Williamsas, – priversti jį suktis išilgai uždaros kreivės. Gyvenimas naudojo būtent šį metodą. „Žalieji augalai sukuria organinę medžiagą, o ne žalieji – sunaikina. Iš mineralinių junginių, gautų skaidant organines medžiagas, nauji žali augalai sukuria naują organinę medžiagą ir taip be galo. Atsižvelgiant į tai, kiekvienas organizmo tipas yra biologinio ciklo grandis. Naudodamas kai kurių organizmų kūnus ar skilimo produktus kaip pragyvenimo priemonę, jis turi duoti į aplinką tai, ką galėtų panaudoti kiti. Ypač svarbus mikroorganizmų vaidmuo. Mineralizuodami organines gyvūnų ir augalų liekanas, mikroorganizmai jas paverčia „viena valiuta“ – mineralinėmis druskomis ir paprastais organiniais junginiais, tokiais kaip biogeniniai stimuliatoriai, kuriuos žalieji augalai vėl naudoja naujų organinių medžiagų sintezei. Vienas pagrindinių gyvenimo paradoksų yra tai, kad jos tęstinumą užtikrina irimo ir naikinimo procesai. Sunaikinami kompleksiniai organiniai junginiai, išsiskiria energija, prarandamas kompleksiškai organizuotiems gyviems kūnams būdingos informacijos pasiūla. Dėl naikintojų, daugiausia mikroorganizmų, veiklos bet kokia gyvybės forma neišvengiamai bus įtraukta į biologinį ciklą. Todėl su jų pagalba vykdoma natūrali biosferos savireguliacija. Dvi savybės leidžia mikroorganizmams atlikti tokį svarbų vaidmenį: gebėjimas palyginti greitai prisitaikyti prie skirtingų sąlygų ir galimybė naudoti įvairius substratus kaip anglies ir energijos šaltinį. Aukštesni organizmai tokių gebėjimų neturi. Todėl jie gali egzistuoti tik kaip savotiškas antstatas ant tvirto mikroorganizmų pagrindo. Biologinis ciklas, pagrįstas organinių medžiagų sintezės ir naikinimo sąveika, yra viena reikšmingiausių gyvybės organizavimo formų planetos mastu. Tik jis užtikrina gyvenimo tęstinumą ir laipsnišką jo vystymąsi.
Įvairių sisteminių grupių individai ir organizmų rūšys veikia kaip jungtys biologiniame cikle, tiesiogiai ir netiesiogiai sąveikauja tarpusavyje per daugybę ir daugiašalių tiesioginių ir grįžtamojo ryšio ryšių. Biologinis planetos ciklas taip pat atrodo kaip sudėtinga privačių ciklų sistema – ekologinės sistemos, sujungtos įvairiomis sąveikos formomis.
Biologinis ciklas daugiausia vyksta per trofines (maisto) grandines (12.1 pav.).
Atsižvelgiant į svarbų augalų ir gyvūnų vaidmenį jame, maistinių medžiagų, tokių kaip azotas, fosforas, siera, srautas per mikroorganizmų populiacijas cikle yra maždaug eilės tvarka didesnis nei per augalų ir gyvūnų populiacijas. Svarbus biologinio ciklo intensyvumo rodiklis yra cheminių elementų cirkuliacijos greitis. Kaip šio intensyvumo rodiklį galima naudoti negyvų organinių medžiagų kaupimosi ir skilimo greitį, susidarantį kasmet nukritus lapams ir žūstant organizmams.
Pavyzdžiui, kraiko masės santykis su ta kraiko dalimi, kuri sudaro kraiką, yra kraiko irimo greičio ir cheminių elementų išsiskyrimo rodiklis. Kuo didesnis šis indeksas, tuo mažesnis biologinio ciklo intensyvumas tam tikroje ekosistemoje. Didžiausia indekso reikšmė (daugiau nei 50) pasižymi pelkėti miškai ir tundra. Tamsiuose spygliuočių miškuose indeksas siekia 10–17, plačialapiuose – 3–4, stepėse – 1,0–1,5, savanose – ne daugiau kaip 0,2. Atogrąžų miškuose augalų liekanos praktiškai nesikaupia (indeksas ne didesnis kaip 0,1). Todėl čia biologinis ciklas yra intensyviausias.
Teko skaityti literatūros, kurioje aprašyta „madinga tendencija“ XVI–XVII amžių moksle – amžinojo variklio kūrimas. Ši svajonė liko neįgyvendinama, tačiau idėja, mano nuomone, buvo nukopijuota iš gamtos. Gyvų ir negyvų dalykų ciklas vyksta nuolat. Kažkas sakys, kad po milijardų metų Žemė išnyks, bet aš prieštaraučiau, nes iš mūsų galaktikos liekanų susidarys nauja. Mūsų Visata yra amžinas variklis.
Kokia yra medžiagų biologinio ciklo esmė
Žemėje nuolat vyksta dviejų tipų ciklai: biotinis ir abiotinis.
Pačios medžiagos nėra gyvos ir vienodai dalyvauja abiejuose ciklus, tačiau kai tik atsiduria gyvo organizmo viduje, jis gali būti laikomas biologinio ciklo dalyviu.
Elementai, dalyvaujantys biologiniame cikle:
- mineralai;
- dujos;
- vandens.
Medžiagų asortimentas labai platus. Tradiciškai jas galima suskirstyti į gyvybiškai svarbius organizmams (vanduo, deguonis, azotas, anglies dioksidas) ir tuos, kurie kenkia gyviems daiktams.
Medžiagų cirkuliacijos procesas
Nepriklausomai nuo to, ar ji kenksminga, ar naudinga, bet kuri medžiaga tam tikru momentu patenka į organizmą ir vieną dieną iš jo išeina.
Vandens atveju cirkuliacija vyksta nuolat. Pavyzdžiui, per parą žmogaus organizmas išskiria apie 6 litrus, tačiau dėl nuolatinio vandens atsargų papildymo svorio nenukrentame. Išgaravusios iš organizmo vandens molekulės veržiasi į debesis, iškrenta kaip lietus, patenka į vandens tiekimą ir vėl patenka į kūną.
Panašiu principu mineralai ir dujos praeina per bet kurį gyvą organizmą.
Oro cirkuliacija vyksta intensyviausiai: per dieną žmogus įkvepia 13 tūkstančių litrų oro, kuriame yra 20% deguonies, kuris iškvepiant virsta anglies dioksidu. Tačiau augalų dėka gamtoje nėra anglies dioksido pertekliaus, jie jį naudoja fotosintezės metu.
Kai kurios medžiagos kaupiasi organizme ir nepasišalina iki mirties, dažniausiai sukelia žalą gyvam organizmui. Tokių medžiagų pavyzdžiai yra kancerogenai, kuriuos įkvepia rūkaliai.
