Poreikis tirti didelį geologinį medžiagų ciklą.

Pradžia

rusų literatūra

Didelis (geologinis) ir mažasis (biogeocheminis) medžiagų ciklas

Visos mūsų planetoje esančios medžiagos yra cirkuliacijos procese. Saulės energija Žemėje sukelia du medžiagų ciklus:

Didelis (geologinis arba abiotinis);

Mažas (biotinis, biogeninis arba biologinis).

Medžiagų ciklai ir kosminės energijos srautai sukuria biosferos stabilumą. Kietosios medžiagos ir vandens ciklas, atsirandantis veikiant abiotiniams veiksniams (negyva gamta), vadinamas didžiuoju geologiniu ciklu. Per didelį geologinį ciklą (trunkančią milijonus metų) uolienos sunaikinamos, dyla, medžiagos ištirpsta ir patenka į Pasaulio vandenyną; Vyksta geotektoniniai pokyčiai, žemyno nusėdimas ir jūros dugno pakilimas. Vandens ciklo laikas ledynuose – 8000 metų, upėse – 11 dienų. Tai didysis ciklas, aprūpinantis gyvus organizmus maistinėmis medžiagomis ir daugiausia lemiantis jų egzistavimo sąlygas.
Dideliam geologiniam ciklui biosferoje būdingi du svarbūs taškai: deguonis, anglis, geologinis

a) vykdomas per visą Žemės geologinį vystymąsi;

Mažas, biogeninis arba biologinis medžiagų ciklas vyksta kietoje, skystoje ir dujinėje fazėse, dalyvaujant gyviems organizmams. Biologinis ciklas, priešingai nei geologinis ciklas, reikalauja mažiau energijos. Mažasis ciklas yra didelio ciklo dalis, vyksta biogeocenozių lygmeniu (ekosistemose) ir susideda iš to, kad dirvožemio maistinės medžiagos, vanduo ir anglis kaupiasi augalinėse medžiagose ir išleidžiami kūnui kurti. Organinių medžiagų skilimo produktai skyla į mineralinius komponentus. Mažasis ciklas nėra uždaras, kuris yra susijęs su medžiagų ir energijos srautu į ekosistemą iš išorės ir su kai kurių jų išleidimu į biosferos ciklą.

Dideliame ir mažame cikle dalyvauja daug cheminių elementų ir jų junginių, tačiau svarbiausi iš jų yra tie, kurie lemia esamą biosferos raidos etapą, siejamą su žmogaus ūkine veikla. Tai apima anglies, sieros ir azoto ciklus (jų oksidai yra pagrindiniai atmosferos teršalai), taip pat fosforo (fosfatai yra pagrindinis kontinentinių vandenų teršalas). Beveik visi teršalai veikia kaip kenksmingos medžiagos ir yra priskiriami ksenobiotikų kategorijai. Šiuo metu didelę reikšmę turi ksenobiotikų – toksinių elementų – gyvsidabrio (maisto teršalo) ir švino (benzino komponento) ciklai. Be to, daugelis antropogeninės kilmės medžiagų (DDT, pesticidai, radionuklidai ir kt.), kurios daro žalą biotai ir žmonių sveikatai, patenka iš didelio ciklo į mažąją.

Biologinio ciklo esmė slypi dviejų priešingų, bet tarpusavyje susijusių procesų – organinės medžiagos susidarymo ir jos naikinimo gyvosios medžiagos – atsiradime.

Skirtingai nuo didžiojo, mažojo žiedo trukmė skiriasi: išskiriami sezoniniai, metiniai, daugiamečiai ir pasaulietiniai mažieji. Cheminių medžiagų ciklas iš neorganinės aplinkos per augmeniją ir gyvūnus atgal į neorganinę aplinką naudojant saulės energiją iš cheminių reakcijų vadinamas biogeocheminiu ciklu.

Mūsų planetos dabartis ir ateitis priklauso nuo gyvų organizmų dalyvavimo biosferos funkcionavime. Medžiagų cikle gyvoji medžiaga arba biomasė atlieka biogeochemines funkcijas: dujų, koncentracijos, redokso ir biochemines.

Biologinis ciklas vyksta dalyvaujant gyviems organizmams ir susideda iš organinių medžiagų dauginimosi iš neorganinių ir šios organinės medžiagos skaidymo iki neorganinės per maisto trofinę grandinę. Gamybos ir naikinimo procesų intensyvumas biologiniame cikle priklauso nuo šilumos ir drėgmės kiekio. Pavyzdžiui, mažas organinių medžiagų skilimo greitis poliariniuose regionuose priklauso nuo šilumos trūkumo.

Svarbus biologinio ciklo intensyvumo rodiklis yra cheminių elementų cirkuliacijos greitis. Intensyvumas apibūdinamas indeksu, lygiu miško paklotės masės ir paklotės santykiui. Kuo didesnis indeksas, tuo mažesnis cirkuliacijos intensyvumas.

Indeksas spygliuočių miškuose - 10 - 17; plačialapis 3 - 4; savana ne daugiau kaip 0,2; atogrąžų miškuose ne daugiau kaip 0,1, t.y. Čia biologinis ciklas yra intensyviausias.

Elementų (azoto, fosforo, sieros) srautas per mikroorganizmus yra eilės tvarka didesnis nei per augalus ir gyvūnus. Biologinis ciklas nėra visiškai grįžtamas, jis glaudžiai susijęs su biogeocheminiu ciklu. Cheminiai elementai biosferoje cirkuliuoja įvairiais biologinio ciklo keliais:

- yra sugeriamos gyvosios medžiagos ir pasikrauna energija;
- palikti gyvą medžiagą, išskirdama energiją į išorinę aplinką.

Šie ciklai yra dviejų tipų: dujinių medžiagų ciklas; nuosėdų ciklas (rezervas žemės plutoje).

Patys žiedai susideda iš dviejų dalių:

- rezervinis fondas (tai su gyvais organizmais nesusijusi medžiagos dalis);
- mobilusis (mainų) fondas (mažesnė medžiagos dalis, susijusi su tiesioginiais mainais tarp organizmų ir jų artimiausios aplinkos).

Žiedai skirstomi į:

- dujų tipo ciklai su rezerviniu fondu žemės plutoje (anglies, deguonies, azoto ciklai) - galintys greitai reguliuotis;
- nuosėdų ciklai su rezerviniu fondu žemės plutoje (fosforo, kalcio, geležies ir kt. ciklai) yra inertiškesni, didžioji medžiagos dalis yra „nepasiekiama“ gyviems organizmams.

Žiedai taip pat gali būti skirstomi į:

- uždaras (dujinių medžiagų ciklas, pavyzdžiui, deguonis, anglis ir azotas - rezervas atmosferoje ir vandenyno hidrosferoje, todėl trūkumas greitai kompensuojamas);
- neterminuotas (žemės plutoje sukuriamas rezervinis fondas, pvz., fosforas - todėl nuostoliai menkai kompensuojami, t.y. susidaro deficitas).

Biologinių ciklų egzistavimo Žemėje energetinis pagrindas ir pradinis jų ryšys yra fotosintezės procesas. Kiekvienas naujas ciklas nėra tikslus ankstesnio kartojimas. Pavyzdžiui, biosferos evoliucijos metu kai kurie procesai buvo negrįžtami, todėl susidarė ir kaupėsi biogeninės nuosėdos, padidėjo deguonies kiekis atmosferoje, pakito daugelio elementų izotopų kiekybiniai santykiai. ir kt.

Medžiagų cirkuliacija paprastai vadinama biogeocheminiais ciklais. Pagrindiniai biogeocheminiai (biosferos) medžiagų ciklai: vandens ciklas, deguonies ciklas, azoto ciklas (azotą fiksuojančių bakterijų dalyvavimas), anglies ciklas (aerobinių bakterijų dalyvavimas; per metus į geologinį ciklą išleidžiama apie 130 tonų anglies), fosforas. ciklas (dirvožemio bakterijų dalyvavimas; kasmet iš vandenynų išplaunama 14 mln. tonų fosforo), sieros ciklas, metalų katijonų ciklas.

Vandens ciklas

Vandens ciklas yra uždaras ciklas, kuris, kaip minėta aukščiau, gali vykti net ir nesant gyvybės, tačiau gyvi organizmai jį modifikuoja.

Ciklas pagrįstas principu: evapotranspiraciją kompensuoja krituliai. Visai planetai garavimas ir krituliai subalansuoja vienas kitą. Tuo pačiu metu iš vandenyno išgaruoja daugiau vandens, nei grįžta su krituliais. Sausumoje, atvirkščiai, iškrenta daugiau kritulių, tačiau perteklius nuteka į ežerus ir upes, o iš ten vėl į vandenyną. Drėgmės balansą tarp žemynų ir vandenynų palaiko upės tėkmė.

Taigi pasaulinis hidrologinis ciklas turi keturis pagrindinius srautus: kritulių, garavimo, drėgmės pernešimo ir transpiracijos.

Vanduo, gausiausia biosferoje esanti medžiaga, yra ne tik daugelio organizmų buveinė, bet ir neatsiejama visų gyvų būtybių kūno dalis. Nepaisant didžiulės vandens svarbos visuose biosferoje vykstančiuose gyvybės procesuose, gyvoji medžiaga neatlieka lemiamo vaidmens dideliame Žemės rutulio vandens cikle. Šio ciklo varomoji jėga yra saulės energija, kuri išleidžiama vandeniui išgarinti nuo vandens baseinų ar žemės paviršiaus. Išgaravusi drėgmė atmosferoje kondensuojasi vėjo nešamų debesų pavidalu; Atvėsus debesims, iškrenta krituliai.

Bendras laisvo nesurišto vandens kiekis (vandenynų ir jūrų, kuriuose yra skysto sūraus vandens, dalis) sudaro 86–98%. Likęs vandens kiekis (gėlas vanduo) kaupiasi poliarinėse kepurėse ir ledynuose ir sudaro vandens baseinus bei požeminį vandenį. Krituliai, iškritę ant augmenija padengtos žemės paviršiaus, iš dalies sulaikomi lapų paviršiuje ir vėliau išgaruoja į atmosferą. Drėgmė, kuri pasiekia dirvožemį, gali prisijungti prie paviršinio nuotėkio arba būti absorbuojama dirvožemio. Visiškai sugertos dirvos (tai priklauso nuo dirvožemio tipo, uolienų ir augalinės dangos ypatybių), nuosėdų perteklius gali prasiskverbti giliau į gruntinį vandenį. Jei kritulių kiekis viršija viršutinių dirvožemio sluoksnių drėgmę, prasideda paviršinis nuotėkis, kurio greitis priklauso nuo dirvožemio būklės, šlaito statumo, kritulių trukmės ir augalijos pobūdžio ( augmenija gali apsaugoti dirvožemį nuo vandens erozijos). Dirvožemyje sulaikytas vanduo gali išgaruoti nuo jo paviršiaus arba, absorbuotas augalų šaknims, per lapus išsinešioti (išgaruoti) į atmosferą.

Vandens transpiracinis srautas (dirvožemis – augalų šaknys – lapai – atmosfera) yra pagrindinis vandens kelias per gyvąją medžiagą per savo didelį ciklą mūsų planetoje.

Anglies ciklas

Visa organinių medžiagų, biocheminių procesų ir gyvybės formų įvairovė Žemėje priklauso nuo anglies savybių ir savybių. Daugumoje gyvų organizmų anglies kiekis sudaro apie 45% jų sausos biomasės. Visa planetoje esanti gyva medžiaga dalyvauja organinių medžiagų ir visos Žemės anglies cikle, kuris nuolat kyla, keičiasi, miršta, suyra ir šia seka anglis iš vienos organinės medžiagos perkeliama į kitos statybą išilgai maisto grandinės. . Be to, visi gyvi daiktai kvėpuoja, išskirdami anglies dioksidą.

Anglies ciklas sausumoje. Anglies ciklą palaiko sausumos augalų ir vandenyno fitoplanktono fotosintezė. Sugerdami anglies dvideginį (fiksuodami neorganinę anglį), augalai, panaudodami saulės šviesos energiją, paverčia ją organiniais junginiais – sukurdami savo biomasę. Naktį augalai, kaip ir visi gyvi daiktai, kvėpuoja, išskirdami anglies dioksidą.

Negyvi augalai, lavonai ir gyvūnų ekskrementai yra daugelio heterotrofinių organizmų (gyvūnų, saprofitinių augalų, grybų, mikroorganizmų) maistas. Visi šie organizmai daugiausia gyvena dirvožemyje ir gyvenimo procese sukuria savo biomasę, kurią sudaro organinė anglis. Jie taip pat išskiria anglies dioksidą, sukurdami „dirvožemio kvėpavimą“. Dažnai negyva organinė medžiaga visiškai nesuyra ir dirvose kaupiasi humusas (humusas), kuris atlieka svarbų vaidmenį dirvožemio derlingumui. Organinių medžiagų mineralizacijos ir humifikacijos laipsnis priklauso nuo daugelio veiksnių: drėgmės, temperatūros, dirvožemio fizikinių savybių, organinių likučių sudėties ir kt. Veikiamas bakterijų ir grybelių, humusas gali suskaidyti į anglies dioksidą ir mineralinius junginius.

Anglies ciklas Pasaulio vandenyne. Anglies ciklas vandenyne skiriasi nuo ciklo sausumoje. Vandenynas yra silpnoji aukštesnio trofinio lygio organizmų grandis, taigi ir visos anglies ciklo grandys. Laikas, per kurį anglis praeina per vandenyno trofinę grandį, yra trumpas, o išskiriamo anglies dioksido kiekis yra nereikšmingas.

Vandenynas veikia kaip pagrindinis anglies dioksido reguliatorius atmosferoje. Tarp vandenyno ir atmosferos vyksta intensyvūs anglies dioksido mainai. Vandenynų vandenys turi didelę tirpinimo ir buferio talpą. Sistema, susidedanti iš anglies rūgšties ir jos druskų (karbonatų), yra anglies dioksido saugykla, sujungta su atmosfera per CO difuziją? iš vandens į atmosferą ir atgal.

Vandenyne dieną intensyviai vyksta fitoplanktono fotosintezė, intensyviai suvartojamas laisvas anglies dioksidas, karbonatai yra papildomas jo susidarymo šaltinis. Naktį, kai dėl gyvūnų ir augalų kvėpavimo padidėja laisvosios rūgšties kiekis, didelė jos dalis vėl patenka į karbonatų sudėtį. Vykstantys procesai vyksta tokiomis kryptimis: gyva materija? TAIP?? N?SO?? Sa(NSO?)?? CaCO?.

Gamtoje tam tikras kiekis organinių medžiagų nemineralizuojasi dėl deguonies trūkumo, didelio aplinkos rūgštingumo, specifinių laidojimo sąlygų ir kt. Dalis anglies palieka biologinį ciklą neorganinių (kalkakmenis, kreida, koralai) ir organinių (skalūnų, naftos, anglies) nuosėdų pavidalu.

Žmogaus veikla daro reikšmingus anglies ciklo pokyčius mūsų planetoje. Keičiasi kraštovaizdžiai, augmenijos tipai, biocenozės ir jų mitybos grandinės, nusausinami arba drėkinami didžiuliai žemės paviršiaus plotai, gerėja (arba pablogėja) dirvožemio derlingumas, įvedamos trąšos, pesticidai ir kt. Pavojingiausia yra anglies dioksido išmetimas į atmosferą deginant kurą. Kartu didėja anglies cirkuliacijos greitis ir trumpėja jos ciklas.

Deguonies ciklas

Deguonis yra būtina gyvybės egzistavimo Žemėje sąlyga. Jis yra įtrauktas į beveik visus biologinius junginius, dalyvauja biocheminėse organinių medžiagų oksidacijos reakcijose, suteikdamas energiją visiems biosferos organizmų gyvenimo procesams. Deguonis užtikrina gyvūnų, augalų ir mikroorganizmų kvėpavimą atmosferoje, dirvožemyje, vandenyje, dalyvauja cheminėse oksidacijos reakcijose, vykstančiose uolienose, dirvožemyje, dumbluose, vandeninguose sluoksniuose.

Pagrindinės deguonies ciklo šakos:

- laisvo deguonies susidarymas fotosintezės metu ir jo įsisavinimas gyvų organizmų (augalų, gyvūnų, atmosferos mikroorganizmų, dirvožemio, vandens) kvėpavimo metu;
- ozono ekrano formavimas;
- redokso zonavimo sukūrimas;
- anglies monoksido oksidacija ugnikalnių išsiveržimų metu, sulfatinių nuosėdinių uolienų kaupimasis, deguonies suvartojimas žmogaus veikloje ir kt.; Visur dalyvauja fotosintezės molekulinis deguonis.

Azoto ciklas

Azotas yra visų gyvų organizmų biologiškai svarbių organinių medžiagų dalis: baltymai, nukleino rūgštys, lipoproteinai, fermentai, chlorofilas ir kt. Nepaisant azoto kiekio (79%) ore, jo trūksta gyviems organizmams.

Azotas biosferoje yra dujinės formos (N2), neprieinamos organizmams – chemiškai mažai aktyvus, todėl jo negali tiesiogiai panaudoti aukštesni augalai (ir dauguma žemesnių augalų) bei gyvūnų pasaulis. Azotą augalai iš dirvožemio pasisavina amonio jonų arba nitratų jonų pavidalu, t.y. vadinamasis fiksuotasis azotas.

Yra atmosferinis, pramoninis ir biologinis azoto fiksavimas.

Atmosferos fiksacija įvyksta, kai atmosfera jonizuojasi kosminiais spinduliais ir stiprių elektros iškrovų metu per perkūniją, o iš ore esančio molekulinio azoto susidaro azoto ir amoniako oksidai, kurie dėl atmosferos kritulių paverčiami amoniu, nitritu ir nitratiniu azotu. ir patekti į dirvožemį bei vandens baseinus.

Pramoninė fiksacija atsiranda dėl žmogaus ūkinės veiklos. Atmosferą azoto junginiais teršia azoto junginius gaminančios gamyklos. Karštos emisijos iš šiluminių elektrinių, gamyklų, erdvėlaivių ir viršgarsinių orlaivių oksiduoja oro azotą. Azoto oksidai, sąveikaudami su vandens garais iš oro ir kritulių, grįžta į žemę ir jonine forma patenka į dirvą.

Biologinė fiksacija vaidina svarbų vaidmenį azoto cikle. Ją vykdo dirvožemio bakterijos:

- azotą fiksuojančios bakterijos (ir melsvadumbliai);
- mikroorganizmai, gyvenantys simbiozėje su aukštesniaisiais augalais (mazginės bakterijos);
- amonifikuojantis;
- nitrifikuojantis;
- denitrifikuojantis.

Dirvožemyje laisvai gyvenančios azotą fiksuojančios aerobinės (esant deguonies) bakterijos (Azotobacter) geba fiksuoti atmosferos molekulinį azotą, panaudodamos energiją, gaunamą oksiduojant dirvožemio organines medžiagas kvėpuojant, galiausiai surišdamos ją vandeniliu ir įvedamos. amino grupės (-NH2) pavidalu patenka į savo kūno aminorūgščių sudėtį. Molekulinis azotas taip pat gali fiksuoti kai kurias anaerobines (gyvenančias be deguonies) bakterijas, esančias dirvožemyje (Clostridium). Mirdami abu mikroorganizmai praturtina dirvą organiniu azotu.

Mėlynadumbliai, ypač svarbūs ryžių laukų dirvožemiams, taip pat geba biologiškai fiksuoti molekulinį azotą.

Veiksmingiausia biologinė atmosferos azoto fiksacija vyksta ankštinių augalų (mazginių bakterijų) mazgeliuose simbiozėje gyvenančiose bakterijose.

Šios bakterijos (Rizobium) naudoja augalo šeimininko energiją azotui fiksuoti, tuo pačiu aprūpindamos šeimininko sausumos organus jai prieinamais azoto junginiais.

Asimiliuodami azoto junginius iš dirvožemio nitratų ir amonio formomis, augalai sukuria savo organizmui reikalingus azoto turinčius junginius (nitratinis azotas yra iš anksto redukuotas augalų ląstelėse). Gaminantys augalai aprūpina azotinėmis medžiagomis visą gyvūnų pasaulį ir žmoniją. Negyvi augalai, atsižvelgiant į trofinę grandinę, naudojami kaip bioreduktoriai.

Amonifikuojantys mikroorganizmai skaido organines medžiagas, turinčias azoto (amino rūgštis, karbamidą), sudarydami amoniaką. Dalis organinio azoto dirvožemyje nėra mineralizuojama, o virsta humuso medžiagomis, bitumu ir nuosėdinių uolienų komponentais.

Amoniakas (amonio jonų pavidalu) gali patekti į augalų šaknų sistemą arba būti naudojamas nitrifikacijos procesuose.

Nitrifikuojantys mikroorganizmai yra chemosintetikai, jie naudoja amoniako oksidacijos į nitratus ir nitritų į nitratus energiją, kad užtikrintų visus gyvybės procesus. Naudodami šią energiją nitrifikatoriai sumažina anglies dioksido kiekį ir kaupia organines medžiagas savo kūnuose. Amoniako oksidacija nitrifikacijos metu vyksta per šias reakcijas:

NH? + 3O? ? 2HNO? + 2H?O + 600 kJ (148 kcal).

HNO? +O? ? 2HNO? + 198 kJ (48 kcal).

Nitrifikacijos procesų metu susidarę nitratai vėl patenka į biologinį ciklą, pasisavinami iš dirvožemio augalų šaknimis arba su vandens nuotėkiu patekę į vandens baseinus – fitoplanktoną ir fitobentosą.

Kartu su organizmais, kurie fiksuoja atmosferos azotą ir jį nitrifikuoja, biosferoje yra mikroorganizmų, gebančių nitratus ar nitritus redukuoti į molekulinį azotą. Tokie mikroorganizmai, vadinami denitrifikatoriais, kai vandenyje ar dirvožemyje trūksta laisvo deguonies, organinėms medžiagoms oksiduoti naudoja nitratinį deguonį:

C?H??O?(gliukozė) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6CO? +12N? + 18H?O + energija

Šiuo atveju išsiskirianti energija yra visos denitrifikuojančių mikroorganizmų gyvybinės veiklos pagrindas.

Taigi gyvosios medžiagos atlieka išskirtinį vaidmenį visose ciklo dalyse.

Šiuo metu pramoninis atmosferos azoto fiksavimas, kurį atlieka žmonės, vaidina vis svarbesnį vaidmenį dirvožemio azoto balanse, taigi ir visame azoto cikle biosferoje.

Fosforo ciklas

Fosforo ciklas yra paprastesnis. Nors azoto rezervuaras yra oras, fosforo rezervuaras yra uolienos, iš kurių jis išsiskiria dėl erozijos.

Anglis, deguonis, vandenilis ir azotas atmosferoje migruoja lengviau ir greičiau, nes yra dujinės formos ir biologiniuose ciklus sudaro dujinius junginius. Visiems kitiems elementams, išskyrus sierą, reikalingą gyvajai medžiagai egzistuoti, dujinių junginių susidarymas biologinių ciklų metu yra nebūdingas. Šie elementai migruoja daugiausia vandenyje ištirpusių jonų ir molekulių pavidalu.

Fosforas, augalų pasisavinamas ortofosforo rūgšties jonų pavidalu, užima didelę visų gyvų organizmų gyvenimo dalį. Tai yra ADP, ATP, DNR, RNR ir kitų junginių dalis.

Fosforo ciklas biosferoje nėra uždaras. Sausumos biogeocenozėse fosforas, augalams pasisavintas iš dirvožemio per mitybos grandinę, vėl patenka į dirvą fosfatų pavidalu. Pagrindinį fosforo kiekį reabsorbuoja augalų šaknų sistema. Fosforas dalinai gali būti išplautas lietaus vandeniui nutekėjus iš dirvožemio į vandens baseinus.

Natūraliose biogeocenozėse fosforo dažnai trūksta, o šarminėje ir oksiduotoje aplinkoje jis dažniausiai aptinkamas netirpių junginių pavidalu.

Litosferos uolienose yra daug fosfatų. Dalis jų pamažu pereina į dirvą, dalis yra žmogaus sukurtos fosfatinėms trąšoms gaminti, o didžioji dalis išplaunamos ir išplaunamos į hidrosferą. Ten juos naudoja fitoplanktonas ir susiję organizmai, esantys skirtinguose sudėtingų maisto grandinių trofiniuose lygiuose.

Pasaulio vandenyne fosfatų praradimas iš biologinio ciklo atsiranda dėl augalų ir gyvūnų liekanų nusėdimo dideliame gylyje. Kadangi fosforas su vandeniu daugiausia juda iš litosferos į hidrosferą, jis į litosferą migruoja biologiškai (maitindamas žuvis jūros paukščiais, kaip trąšas naudodamas bentosinius dumblius ir žuvų miltus ir kt.).

Iš visų augalų mineralinės mitybos elementų fosforo trūkumas gali būti laikomas.

Sieros ciklas

Gyviems organizmams siera yra labai svarbi, nes ji yra sieros turinčių aminorūgščių (cistino, cisteino, metionino ir kt.) dalis. Būdamos baltymų dalimi, sieros turinčios aminorūgštys palaiko reikiamą trimatę baltymų molekulių struktūrą.

Sierą augalai iš dirvožemio pasisavina tik oksiduotą, jonų pavidalu. Augaluose siera redukuojama ir yra įtraukta į aminorūgštis sulfhidrilo (-SH) ir disulfido (-S-S-) grupių pavidalu.

Gyvūnai pasisavina tik sumažintą sierą, esančią organinėse medžiagose. Po augalų ir gyvūnų organizmų mirties siera grįžta į dirvą, kur dėl daugelio mikroorganizmų formų veiklos ji transformuojasi.

Aerobinėmis sąlygomis kai kurie mikroorganizmai oksiduoja organinę sierą į sulfatus. Sulfato jonai, absorbuojami augalų šaknų, vėl įtraukiami į biologinį ciklą. Kai kurie sulfatai gali būti įtraukti į vandens migraciją ir pašalinti iš dirvožemio. Daug humusinių medžiagų turinčiuose dirvožemiuose nemažas kiekis sieros randamas organiniuose junginiuose, kurie neleidžia jai išsiplauti.

Anaerobinėmis sąlygomis skaidant organinius sieros junginius susidaro vandenilio sulfidas. Jei sulfatai ir organinės medžiagos yra aplinkoje, kurioje nėra deguonies, suaktyvėja sulfatus redukuojančių bakterijų veikla. Jie naudoja sulfatų deguonį organinėms medžiagoms oksiduoti ir taip gauti joms būtiną energiją.

Sulfatus redukuojančios bakterijos paplitusios požeminiame vandenyje, purve ir stovinčiame jūros vandenyje. Vandenilio sulfidas yra nuodas daugumai gyvų organizmų, todėl jo kaupimasis vandens pripildytame dirvožemyje, ežeruose, estuarijose ir kt. žymiai sumažina ar net visiškai sustabdo gyvybės procesus. Šis reiškinys stebimas Juodojoje jūroje žemiau 200 m nuo jos paviršiaus.

Taigi, norint sukurti palankią aplinką, reikia sieros vandenilio oksiduoti iki sulfato jonų, kurie sunaikins žalingą sieros vandenilio poveikį, siera virs augalams prieinama forma – sulfatų druskų pavidalu. Šį vaidmenį gamtoje atlieka speciali sieros bakterijų (bespalvių, žalių, violetinių) ir tioninių bakterijų grupė.

Bespalvės sieros bakterijos yra chemosintetinės: jos naudoja energiją, gautą oksiduojant vandenilio sulfidą deguonimi iki elementinės sieros ir toliau oksiduojant iki sulfatų.

Spalvotos sieros bakterijos yra fotosintetiniai organizmai, kurie naudoja vandenilio sulfidą kaip vandenilio donorą, kad sumažintų anglies dioksido kiekį.

Žaliosiose sieros bakterijose susidariusi elementinė siera išsiskiria iš ląstelių, o purpurinėse bakterijose kaupiasi ląstelių viduje.

Bendra šio proceso reakcija yra fotoredukcija:

CO?+ 2H?S šviesa? (CH2O)+ H2O +2S.

Tioninės bakterijos, naudodamos laisvą deguonį, oksiduoja elementinę sierą ir įvairius jos redukuotus junginius iki sulfatų, grąžindamos ją į pagrindinę biologinio ciklo srovę.

Biologinio ciklo procesuose, kur vyksta sieros transformacija, gyvi organizmai, ypač mikroorganizmai, vaidina didžiulį vaidmenį.

Pagrindinis sieros rezervuaras mūsų planetoje yra Pasaulio vandenynas, nes sulfato jonai į jį nuolat teka iš dirvožemio. Dalis sieros iš vandenyno grįžta į žemę per atmosferą pagal schemą vandenilio sulfidas - jo oksidacija į sieros dioksidą - pastarojo ištirpimas lietaus vandenyje, susidarant sieros rūgščiai ir sulfatams - sieros grąžinimas su krituliais į dirvožemio dangą Žemės.

Neorganinių katijonų ciklas

Be pagrindinių elementų, sudarančių gyvus organizmus (anglies, deguonies, vandenilio, fosforo ir sieros), gyvybiškai svarbūs yra daugelis kitų makro ir mikroelementų – neorganinių katijonų. Vandens baseinuose augalai jiems reikalingus metalo katijonus gauna tiesiai iš aplinkos. Sausumoje pagrindinis neorganinių katijonų šaltinis yra dirvožemis, kuris juos gavo naikinant pirmines uolienas. Augaluose šaknų sistemų absorbuoti katijonai persikelia į lapus ir kitus organus; kai kurie iš jų (magnis, geležis, varis ir daugelis kitų) yra biologiškai svarbių molekulių (chlorofilo, fermentų) dalis; kiti, likę laisvoje formoje, dalyvauja palaikant reikalingas koloidines ląstelės protoplazmos savybes ir atlieka kitas įvairias funkcijas.

Kai gyvi organizmai žūva, organinių medžiagų mineralizacijos metu į dirvą grįžta neorganiniai katijonai. Šių komponentų netenkama iš dirvožemio dėl metalo katijonų išplovimo ir pašalinimo lietaus vandeniu, žmonėms atmetus ir pašalinus organines medžiagas auginant žemės ūkio augalus, kertant miškus, pjaunant žolę gyvulių pašarui ir kt.

Racionalus mineralinių trąšų naudojimas, dirvožemio melioracija, organinių trąšų naudojimas, tinkama žemės ūkio technologija padės atkurti ir išlaikyti neorganinių katijonų pusiausvyrą biosferos biocenozėse.

Antropogeninis ciklas: ksenobiotikų ciklas (gyvsidabris, švinas, chromas)

Žmonija yra gamtos dalis ir gali egzistuoti tik nuolat sąveikaudama su ja.

Yra panašumų ir prieštaravimų tarp natūralaus ir antropogeninio biosferoje vykstančių medžiagų ir energijos ciklo.

Natūralus (biogeocheminis) gyvenimo ciklas turi šias ypatybes:

- saulės energijos, kaip gyvybės šaltinio, naudojimas ir visos jos apraiškos, pagrįstos termodinaminiais dėsniais;
– jis vykdomas be atliekų, t.y. visi jo gyvybinės veiklos produktai mineralizuojami ir vėl įtraukiami į kitą medžiagų apykaitos ciklą. Tuo pačiu metu atliekos, nuvertėjusi šiluminė energija pašalinama už biosferos ribų. Biogeocheminio medžiagų ciklo metu susidaro atliekos, t.y. ištekliai anglies, naftos, dujų ir kitų mineralinių išteklių pavidalu. Skirtingai nuo natūralaus ciklo be atliekų, antropogeninį ciklą kasmet lydi vis daugiau atliekų.

Gamtoje nėra nieko nenaudingo ar kenksmingo, net ugnikalnių išsiveržimai turi naudos, nes su vulkaninėmis dujomis į orą patenka būtini elementai (pavyzdžiui, azotas).

Biosferoje galioja visuotinio biogeocheminio ciklo uždarymo dėsnis, kuris veikia visuose jos vystymosi etapuose, taip pat didėjančio biogeocheminio ciklo uždarymo sekimo metu taisyklė.

Žmonės atlieka didžiulį vaidmenį biogeocheminiame cikle, tačiau priešinga kryptimi. Žmogus sutrikdo esamus medžiagų ciklus, ir tai išreiškia jo geologinę galią – griaunančią biosferos atžvilgiu. Dėl antropogeninės veiklos mažėja biogeocheminių ciklų uždarumo laipsnis.

Antropogeninis ciklas neapsiriboja saulės šviesos energija, kurią užfiksuoja žali planetos augalai. Žmonija naudoja kuro, hidroelektrinių ir atominių elektrinių energiją.

Galima teigti, kad antropogeninė veikla šiuo metu yra didžiulė biosferos griauna jėga.

Biosfera turi ypatingą savybę – didelį atsparumą teršalams. Šis tvarumas grindžiamas natūraliu įvairių natūralios aplinkos komponentų gebėjimu apsivalyti ir išgydyti. Bet ne neribotas. Dėl galimos pasaulinės krizės, norint gauti informacijos apie galimą biosferos būklę, reikėjo sukurti matematinį biosferos, kaip vienos visumos, modelį (Gaia sistemą).

Ksenobiotikas – gyviems organizmams svetima medžiaga, atsirandanti dėl antropogeninės veiklos (pesticidai, buitinės chemijos ir kiti teršalai), galinti sutrikdyti biotinius procesus, įskaitant. liga ar kūno mirtis. Tokie teršalai biologiškai nedegraduoja, bet kaupiasi trofinėse grandinėse.

Gyvsidabris yra labai retas elementas. Jis yra pasklidęs žemės plutoje ir koncentruotas tik keliuose mineraluose, pavyzdžiui, cinobere. Gyvsidabris dalyvauja medžiagų cikle biosferoje, migruodamas dujinėje būsenoje ir vandeniniuose tirpaluose.

Į atmosferą jis patenka iš hidrosferos garuodamas, kai išsiskiria iš cinamono, su vulkaninėmis dujomis ir dujomis iš terminių šaltinių. Dalis atmosferoje esančio dujinio gyvsidabrio virsta kieta faze ir pašalinama iš oro. Iškritusį gyvsidabrį sugeria dirvožemis, ypač molingas, vanduo ir akmenys. Degiuosiuose mineraluose – nafta ir anglis – gyvsidabrio yra iki 1 mg/kg. Vandenynų vandens masėje yra apie 1,6 milijardo tonų, dugno nuosėdose – 500 milijardų tonų, planktone – 2 milijonai tonų. Upių vandenys kasmet iš sausumos išneša apie 40 tūkst. tonų, tai 10 kartų mažiau nei patenka į atmosferą garuojant (400 tūkst. tonų). Kasmet ant žemės paviršiaus iškrenta apie 100 tūkst.

Gyvsidabris iš natūralaus natūralios aplinkos komponento virto vienu pavojingiausių žmogaus sukeltų teršalų į biosferą žmonių sveikatai. Jis plačiai naudojamas metalurgijos, chemijos, elektros, elektronikos, celiuliozės ir popieriaus bei farmacijos pramonėje, naudojamas sprogmenų, lakų ir dažų gamyboje, taip pat medicinoje. Pagrindiniai biosferos taršos šaltiniai šiuo toksišku komponentu yra pramoninės nuotekos ir į atmosferą išmetami teršalai, kartu su gyvsidabrio kasyklomis, gyvsidabrio gamybos įmonėmis ir šiluminėmis elektrinėmis (CHP ir katilinėmis), naudojančiomis anglį, naftą ir naftos produktus. Be to, gyvsidabris yra dalis organinių gyvsidabrio pesticidų, naudojamų žemės ūkyje sėkloms apdoroti ir pasėliams apsaugoti nuo kenkėjų. Į žmogaus organizmą patenka su maistu (kiaušiniais, raugintais grūdais, gyvulių ir paukščių mėsa, pienu, žuvimi).

Gyvsidabris vandenyje ir upių nuosėdose

Nustatyta, kad apie 80 % gyvsidabrio, patenkančio į natūralius vandens telkinius, yra ištirpusio pavidalo, o tai galiausiai prisideda prie jo pasiskirstymo dideliais atstumais kartu su vandens srautais. Grynas elementas yra netoksiškas.

Gyvsidabris dažnai randamas dugno dumblo vandenyje santykinai nekenksmingomis koncentracijomis. Detrituose ir nuosėdose, ežerų ir upių dugno dumble, žuvų kūnus dengiančiose gleivėse neorganiniai gyvsidabrio junginiai paverčiami toksiškais organiniais gyvsidabrio junginiais, tokiais kaip metilo gyvsidabris CH?Hg ir etilo gyvsidabris C?H?Hg. o žuvų skrandžio gleivėse. Šie junginiai yra lengvai tirpūs, judrūs ir labai nuodingi. Cheminis agresyvaus gyvsidabrio veikimo pagrindas yra jo afinitetas su siera, ypač su vandenilio sulfido grupe baltymuose. Šios molekulės jungiasi prie chromosomų ir smegenų ląstelių. Žuvys ir vėžiagyviai gali sukaupti jų koncentraciją, kuri yra pavojinga juos valgantiems žmonėms ir sukelti Minamatos ligą.

Metalinis gyvsidabris ir jo neorganiniai junginiai daugiausiai veikia kepenis, inkstus ir žarnyno traktą, tačiau normaliomis sąlygomis gana greitai pasišalina iš organizmo ir žmogaus organizmui pavojingas kiekis nespėja susikaupti. Metilgyvsidabris ir kiti alkilgyvsidabrio junginiai yra daug pavojingesni, nes vyksta kaupimasis – toksinas greičiau patenka į organizmą nei pasišalina iš organizmo, paveikdamas centrinę nervų sistemą.

Dugno nuosėdos yra svarbi vandens ekosistemų savybė. Dugno nuosėdos, kaupdamos sunkiuosius metalus, radionuklidus ir labai toksiškas organines medžiagas, viena vertus, prisideda prie vandens aplinkos savaiminio apsivalymo, kita vertus, yra nuolatinis antrinės vandens telkinių taršos šaltinis. Dugno nuosėdos yra perspektyvus analizės objektas, atspindintis ilgalaikį taršos modelį (ypač mažo debito vandens telkiniuose). Be to, neorganinio gyvsidabrio kaupimasis dugno nuosėdose stebimas ypač upių žiotyse. Įtempta situacija gali susidaryti išnaudojus nuosėdų (dumblo, nuosėdų) adsorbcijos gebėjimus. Pasiekus adsorbcijos pajėgumą, sunkieji metalai, įskaitant. gyvsidabris pradės patekti į vandenį.

Yra žinoma, kad jūrinėmis anaerobinėmis sąlygomis negyvų dumblių nuosėdose gyvsidabris prijungia vandenilį ir virsta lakiaisiais junginiais.

Dalyvaujant mikroorganizmams, metalinis gyvsidabris gali būti metilinamas dviem etapais:

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

Metilgyvsidabris aplinkoje atsiranda beveik vien tik metilinant neorganinį gyvsidabrį.

Daugumos žmogaus kūno audinių biologinis pusinės eliminacijos laikas yra 70-80 dienų.

Yra žinoma, kad didelės žuvys, tokios kaip durklažuvės ir tunai, maisto grandinės pradžioje yra užterštos gyvsidabriu. Ne veltui reikia pastebėti, kad austrėse gyvsidabris kaupiasi (kaupiasi) dar labiau nei žuvyse.

Gyvsidabris patenka į žmogaus organizmą per kvėpavimą, maistą ir per odą pagal šią schemą:

Pirma, gyvsidabris virsta. Šis elementas natūraliai randamas keliomis formomis.

Metalinis gyvsidabris, naudojamas termometruose, ir jo neorganinės druskos (pavyzdžiui, chloridas) gana greitai pasišalina iš organizmo.

Daug toksiškesni yra alkilo gyvsidabrio junginiai, ypač metilo ir etilo gyvsidabris. Šie junginiai iš organizmo pasišalina labai lėtai – tik apie 1% viso per dieną kiekio. Nors didžioji dalis gyvsidabrio, patenkančio į natūralius vandenis, randama neorganinių junginių pavidalu, žuvyse jis visada pasirodo labai nuodingo metilo gyvsidabrio pavidalu. Bakterijos ežerų ir upių dugne, žuvų kūnus dengiančiose gleivėse, taip pat žuvų skrandžių gleivėse neorganinius gyvsidabrio junginius gali paversti metilo gyvsidabriu.

Antra, selektyvus kaupimasis arba biologinis kaupimasis (koncentracija) padidina gyvsidabrio kiekį žuvyse ir vėžiagyviuose iki daug kartų didesnio nei įlankos vandenyse. Upėje gyvenančios žuvys ir vėžiagyviai kaupia metilo gyvsidabrį iki tokios koncentracijos, kuri pavojinga jį maistui vartojantiems žmonėms.

% pasaulyje sugautų žuvų gyvsidabrio yra ne daugiau kaip 0,5 mg/kg, o 95 % – mažiau nei 0,3 mg/kg. Beveik visas žuvyje esantis gyvsidabris yra metilo gyvsidabrio pavidalu.

Atsižvelgiant į skirtingą maisto produktuose esančių gyvsidabrio junginių toksiškumą žmogui, būtina nustatyti neorganinį (bendrąjį) ir organiškai surištą gyvsidabrį. Mes nustatome tik bendrą gyvsidabrio kiekį. Pagal medicininius ir biologinius reikalavimus gyvsidabrio kiekis gėlavandenėse plėšriosiose žuvyse leidžiamas 0,6 mg/kg, jūros žuvyse - 0,4 mg/kg, gėlavandenėse neplėšriose žuvyse tik 0,3 mg/kg, o tunuose – iki 0,6 mg/kg. 0,7 mg/kg kg. Kūdikių maisto produktuose gyvsidabrio kiekis mėsos konservuose neturi viršyti 0,02 mg/kg, žuvies konservuose – 0,15 mg/kg, kituose – 0,01 mg/kg.

Švino yra beveik visuose natūralios aplinkos komponentuose. Žemės plutoje yra 0,0016 proc. Natūralus švino lygis atmosferoje yra 0,0005 mg/m3. Didžioji jo dalis nusėda su dulkėmis, apie 40 % iškrenta su krituliais. Augalai švino gauna iš dirvožemio, vandens ir atmosferos nuosėdų, o gyvūnai gauna šviną iš augalų ir vandens. Metalas į žmogaus organizmą patenka kartu su maistu, vandeniu ir dulkėmis.

Pagrindiniai švino taršos šaltiniai biosferoje yra benzininiai varikliai, kurių išmetamosiose dujose yra trietilo švino, šiluminės elektrinės, deginančios anglį, kasybos, metalurgijos ir chemijos pramonė. Didelis švino kiekis patenka į dirvą kartu su nuotekomis, kurios naudojamos kaip trąšos. Degančiam Černobylio atominės elektrinės reaktoriui gesinti taip pat buvo panaudotas švinas, kuris pateko į oro baseiną ir buvo pasklidęs didžiuliuose plotuose. Didėjant aplinkos taršai švinu, jo nusėdimas kauluose, plaukuose ir kepenyse didėja.

Chromas. Pavojingiausias yra toksinis chromas (6+), kuris mobilizuojasi rūgščioje ir šarminėje dirvoje, gėluose ir jūros vandenyse. Jūros vandenyje chromo yra 10–20 % Cr (3+) formos, 25–40 % Cr (6+) ir 45–65 % organinės formos. PH intervale 5 - 7 vyrauja Cr (3+), o esant > 7 - Cr (6+). Yra žinoma, kad Cr(6+) ir organiniai chromo junginiai nenusėda su geležies hidroksidu jūros vandenyje.

Natūralūs medžiagų ciklai praktiškai uždari. Natūraliose ekosistemose medžiaga ir energija naudojami taupiai, o kai kurių organizmų atliekos yra svarbi sąlyga kitų egzistavimui. Antropogeninį medžiagų ciklą lydi didžiulis gamtos išteklių vartojimas ir didelis atliekų kiekis, sukeliantis aplinkos taršą. Net ir pažangiausių valymo įrenginių sukūrimas problemos neišsprendžia, todėl būtina plėtoti mažai ir beatliekes technologijas, kurios antropogeninį ciklą paverstų kuo uždaresniu. Teoriškai įmanoma sukurti technologiją be atliekų, tačiau mažai atliekų technologijos yra realios.

Prisitaikymas prie gamtos reiškinių

Adaptacijos – tai įvairūs prisitaikymai prie aplinkos, išsivystę organizmuose (nuo paprasčiausio iki aukščiausio) evoliucijos procese. Gebėjimas prisitaikyti yra viena iš pagrindinių gyvybės savybių, užtikrinančių jų egzistavimo galimybę.

Pagrindiniai veiksniai, skatinantys adaptacijos procesą, yra: paveldimumas, kintamumas, natūrali (ir dirbtinė) atranka.

Tolerancija gali pasikeisti, jei kūnas yra veikiamas skirtingų išorinių sąlygų. Atsidūręs tokiose sąlygose, po kurio laiko prie jų pripranta, prisitaiko (iš lot. adaptacijos – prisitaikyti). To pasekmė – fiziologinio optimalumo padėties pasikeitimas.

Organizmų gebėjimas prisitaikyti prie egzistavimo tam tikrame aplinkos veiksnių diapazone vadinamas ekologiniu plastiškumu.

Kuo platesnis aplinkos veiksnių spektras, kuriame tam tikras organizmas gali gyventi, tuo didesnis jo ekologinis plastiškumas. Pagal plastiškumo laipsnį skiriami du organizmų tipai: stenobiontas (stenoeca) ir eurybiontas (eurieca). Taigi stenobiontai yra ekologiškai neplastiški (pavyzdžiui, plekšnės gyvena tik sūriame vandenyje, o karosai – tik gėlame), t.y. nėra atsparūs, o eurybiontai yra ekologiškai plastiški, t.y. ištvermingesnis (pavyzdžiui, trijų dyglių lazdelės gali gyventi ir gėlame, ir sūriame vandenyje).

Prisitaikymai yra daugiamačiai, nes organizmas vienu metu turi atitikti daugybę skirtingų aplinkos veiksnių.

Yra trys pagrindiniai organizmų prisitaikymo prie aplinkos sąlygų būdai: aktyvus; pasyvus; neigiamo poveikio išvengimas.

Aktyvus adaptacijos kelias – atsparumo stiprinimas, reguliacinių procesų vystymas, leidžiantis vykdyti visas gyvybines organizmo funkcijas, nepaisant faktoriaus nukrypimų nuo optimalaus. Pavyzdžiui, šiltakraujai gyvūnai palaiko pastovią kūno temperatūrą – optimalią jame vykstantiems biocheminiams procesams.

Pasyvus prisitaikymo kelias – tai organizmų gyvybinių funkcijų pajungimas aplinkos veiksnių pokyčiams. Pavyzdžiui, esant nepalankioms aplinkos sąlygoms, daugelis organizmų pereina į sustabdytos gyvybės būseną (paslėptą gyvenimą), kai medžiagų apykaita organizme praktiškai sustoja (žiemos ramybės būsena, vabzdžių siautėjimas, žiemos miegas, sporų išsaugojimas dirvožemyje). sporų ir sėklų forma).

Nepageidaujamo poveikio vengimas – adaptacijų, organizmų elgsenos (adaptacija) vystymas, padedantis išvengti nepalankių sąlygų. Šiuo atveju adaptacijos gali būti: morfologinės (kinta kūno sandara: kaktuso lapų modifikacija), fiziologinės (kupranugariai aprūpina save drėgme dėl riebalų atsargų oksidacijos), etologinės (elgesio pokyčiai: sezoninės migracijos). paukščių, žiemos miegas žiemą).

Gyvi organizmai yra gerai prisitaikę prie periodinių veiksnių. Neperiodiniai veiksniai gali sukelti ligas ir net kūno mirtį (pavyzdžiui, vaistai, pesticidai). Tačiau ilgai veikiant juos, taip pat gali įvykti prisitaikymas prie jų.

Organizmai, prisitaikę prie paros, sezoninių, potvynių, atoslūgių, saulės aktyvumo ritmų, mėnulio fazių ir kitų griežtai periodiškų reiškinių. Taigi sezoninė adaptacija išskiriama kaip sezoniškumas gamtoje ir žiemos ramybės būsena.

Sezoniškumas gamtoje. Pagrindinė augalų ir gyvūnų reikšmė prisitaikant prie organizmų yra metinis temperatūros svyravimas. Palankus gyvybei laikotarpis, vidutiniškai mūsų šaliai, trunka apie šešis mėnesius (pavasarį, vasarą). Dar prieš ateinant stabiliems šalčiams gamtoje prasideda žiemos ramybės laikotarpis.

Žiemos ramybės būsena. Žiemos ramybė yra ne tik vystymosi sustojimas dėl žemos temperatūros, bet ir sudėtingas fiziologinis prisitaikymas, kuris vyksta tik tam tikrame vystymosi etape. Pavyzdžiui, maliarinis uodas ir drugelis dilgėlinė žiemoja suaugusio vabzdžio stadijoje, kopūstinė kandis – lėliukės, čigoninė – kiaušinėlio stadijoje.

Bioritmai. Kiekvienai rūšiai evoliucijos procese susiformavo būdingas metinis intensyvaus augimo ir vystymosi, dauginimosi, pasiruošimo žiemai ir žiemojimo ciklas. Šis reiškinys vadinamas biologiniu ritmu. Kiekvieno gyvavimo ciklo laikotarpio sutapimas su atitinkamu metų laiku yra labai svarbus rūšies egzistavimui.

Pagrindinis daugelio augalų ir gyvūnų sezoninių ciklų reguliavimo veiksnys yra dienos trukmės pokytis.

Bioritmai yra:

egzogeniniai (išoriniai) ritmai (kyla kaip reakcija į periodinius aplinkos pokyčius (dienos ir nakties kaita, metų laikai, saulės aktyvumas), endogeniniai (vidiniai ritmai) generuojami paties organizmo.

Savo ruožtu endogeniniai skirstomi į:

Fiziologiniai ritmai (širdies plakimas, kvėpavimas, endokrininių liaukų darbas, DNR, RNR, baltymų sintezė, fermentų darbas, ląstelių dalijimasis ir kt.)

Ekologiniai ritmai (dienos, metinio, potvynio, mėnulio ir kt.)

DNR, RNR, baltymų sintezės, ląstelių dalijimosi, širdies plakimo, kvėpavimo ir kt. procesai turi ritmą. Išorinis poveikis gali pakeisti šių ritmų fazes ir pakeisti jų amplitudę.

Fiziologiniai ritmai skiriasi priklausomai nuo organizmo būklės, aplinkos ritmai yra stabilesni ir atitinka išorinius ritmus. Turėdamas endogeninius ritmus, kūnas gali orientuotis laiku ir iš anksto pasiruošti būsimiems aplinkos pokyčiams – tai yra biologinis organizmo laikrodis. Daugeliui gyvų organizmų būdingi cirkadiniai ir cirkaniniai ritmai.

Cirkadiniai ritmai (cirkadiniai) - pasikartojantis biologinių procesų ir reiškinių intensyvumas ir pobūdis, trunkantis nuo 20 iki 28 valandų. Cirkadiniai ritmai yra susiję su gyvūnų ir augalų veikla dienos metu ir, kaip taisyklė, priklauso nuo temperatūros ir šviesos intensyvumo. Pavyzdžiui, šikšnosparniai skraido prieblandoje, o dieną ilsisi daugelis planktoninių organizmų naktį būna šalia vandens paviršiaus, o dieną leidžiasi į gelmę.

Sezoniniai biologiniai ritmai siejami su šviesos įtaka – fotoperiodu. Organizmų reakcija į dienos ilgį vadinamas fotoperiodizmu. Fotoperiodizmas yra bendra, svarbi adaptacija, reguliuojanti sezoninius reiškinius įvairiuose organizmuose. Augalų ir gyvūnų fotoperiodizmo tyrimas parodė, kad organizmų reakcija į šviesą pagrįsta tam tikros trukmės šviesos ir tamsos periodų kaitaliojimu per dieną. Organizmų (nuo vienaląsčių iki žmonių) reakcija į dienos ir nakties ilgį rodo, kad jie geba matuoti laiką, t.y. Jie turi kažkokį biologinį laikrodį. Biologiniai laikrodžiai, be sezoninių ciklų, kontroliuoja ir daugelį kitų biologinių reiškinių bei nustato teisingą ištisų organizmų veiklos ir procesų, vykstančių net ląstelių lygmeniu, ypač ląstelių dalijimosi, dienos ritmą.

Universali visų gyvų būtybių, nuo virusų ir mikroorganizmų iki aukštesnių augalų ir gyvūnų savybė, yra gebėjimas sukelti mutacijas – staigius, natūralius ir dirbtinai sukeltus, paveldėtus genetinės medžiagos pokyčius, lemiančius tam tikrų organizmo savybių pokyčius. Mutacijų kintamumas neatitinka aplinkos sąlygų ir, kaip taisyklė, sutrikdo esamas adaptacijas.

Daugelis vabzdžių patenka į diapauzę (ilgą vystymosi sustojimą) tam tikru vystymosi etapu, kurio nereikėtų painioti su ramybės būsena nepalankiomis sąlygomis. Daugelio jūrų gyvūnų dauginimuisi įtakos turi mėnulio ritmai.

Cirkaniniai (metiniai) ritmai yra pasikartojantys biologinių procesų ir reiškinių intensyvumo ir pobūdžio pokyčiai, trunkantys nuo 10 iki 13 mėnesių.

Fizinė ir psichologinė žmogaus būsena taip pat turi ritmingą charakterį.

Sutrikęs darbo ir poilsio ritmas mažina darbingumą ir neigiamai veikia žmogaus sveikatą. Žmogaus būklė ekstremaliomis sąlygomis priklausys nuo jo pasirengimo šioms sąlygoms laipsnio, nes praktiškai nėra laiko prisitaikyti ir atsigauti.

rusų literatūra

1) Didelis (geologinis arba abiotinis);

2) Mažas (biotinis, biogeninis arba biologinis).

Medžiagų ciklai ir kosminės energijos srautai sukuria biosferos stabilumą. Kietosios medžiagos ir vandens ciklas, atsirandantis veikiant abiotiniams veiksniams (negyva gamta), vadinamas didelis geologinis ciklas. Per didelį geologinį ciklą (trunkančią milijonus metų) uolienos sunaikinamos, dyla, medžiagos ištirpsta ir patenka į Pasaulio vandenyną; Vyksta geotektoniniai pokyčiai, žemyno nusėdimas ir jūros dugno pakilimas. Vandens ciklo laikas ledynuose – 8000 metų, upėse – 11 dienų. Tai didysis ciklas, aprūpinantis gyvus organizmus maistinėmis medžiagomis ir daugiausia lemiantis jų egzistavimo sąlygas.

Puikus geologinis ciklas Biosferoje yra du svarbūs dalykai:

Medžiagų ciklai ir kosminės energijos srautai sukuria biosferos stabilumą. Kietosios medžiagos ir vandens ciklas, atsirandantis veikiant abiotiniams veiksniams (negyva gamta), vadinamas didžiuoju geologiniu ciklu. Per didelį geologinį ciklą (trunkančią milijonus metų) uolienos sunaikinamos, dyla, medžiagos ištirpsta ir patenka į Pasaulio vandenyną; Vyksta geotektoniniai pokyčiai, žemyno nusėdimas ir jūros dugno pakilimas. Vandens ciklo laikas ledynuose – 8000 metų, upėse – 11 dienų. Tai didysis ciklas, aprūpinantis gyvus organizmus maistinėmis medžiagomis ir daugiausia lemiantis jų egzistavimo sąlygas.

Dideliam geologiniam ciklui biosferoje būdingi du svarbūs taškai: deguonis, anglis, geologinis

a) vykdomas per visą Žemės geologinį vystymąsi;

Mažas, biogeninis arba biologinis medžiagų ciklas vyksta kietoje, skystoje ir dujinėje fazėse, dalyvaujant gyviems organizmams. Biologinis ciklas, priešingai nei geologinis ciklas, reikalauja mažiau energijos. Mažasis ciklas yra didelio ciklo dalis ir vyksta biogeocenozių lygyje (viduje ekosistemos) ir slypi tame, kad dirvožemio maistinės medžiagos, vanduo ir anglis kaupiasi augalinėje medžiagoje ir išleidžiami organizmui kurti. Organinių medžiagų skilimo produktai skyla į mineralinius komponentus. Mažas žiedas neuždarytas, kuri yra susijusi su medžiagų ir energijos patekimu į ekosistemą iš išorės ir su dalies jų išleidimu į biosferos ciklą.

Šiuo metu didelę reikšmę turi ksenobiotikų – toksinių elementų – ciklai gyvsidabris (maisto teršalas) produktai) ir švinas (benzino sudedamoji dalis). Be to, daugelis antropogeninės kilmės medžiagų (DDT, pesticidai, radionuklidai ir kt.), kurios daro žalą biotai ir žmonių sveikatai, patenka iš didelio ciklo į mažąją.

Biologinio ciklo esmė slypi dviejų priešingų, bet tarpusavyje susijusių procesų - kūryba organinės medžiagos ir jos sunaikinimas gyva medžiaga.

Skirtingai nuo didelio, mažojo žiedo trukmė skiriasi: išskiriami sezoniniai, metiniai, daugiamečiai ir pasaulietiniai mažieji žiedai..

Cheminių medžiagų ciklas iš neorganinės aplinkos per augmeniją ir gyvūnus atgal į neorganinę aplinką naudojant saulės energijos chemines reakcijas vadinamas biogeocheminis ciklas .

Svarbus biologinio ciklo intensyvumo rodiklis yra cheminių elementų cirkuliacijos greitis. Apibūdinamas intensyvumas indeksas , lygus miško paklotės masės ir paklotės santykiui. Kuo didesnis indeksas, tuo mažesnis cirkuliacijos intensyvumas.

Indeksas spygliuočių miškuose - 10 - 17; plačialapis 3 - 4; savana ne daugiau kaip 0,2; atogrąžų miškuose ne daugiau kaip 0,1, t.y. Čia biologinis ciklas yra intensyviausias.

Elementų (azoto, fosforo, sieros) srautas per mikroorganizmus yra eilės tvarka didesnis nei per augalus ir gyvūnus. Biologinis ciklas nėra visiškai grįžtamas, jis glaudžiai susijęs su biogeocheminiu ciklu. Cheminiai elementai biosferoje cirkuliuoja įvairiais biologinio ciklo keliais:

yra sugeriamos gyvosios medžiagos ir įkraunamos energija;

palikti gyvą medžiagą, išskirdama energiją į išorinę aplinką.

Šie ciklai yra dviejų tipų: dujinių medžiagų ciklas; nuosėdų ciklas (rezervas žemės plutoje).

Patys žiedai susideda iš dviejų dalių:

- rezervinis fondas(tai ta medžiagos dalis, kuri nesusijusi su gyvais organizmais);

- mobilusis (biržų) fondas(mažesnė medžiagos dalis, susijusi su tiesioginiu pasikeitimu tarp organizmų ir jų artimiausios aplinkos).

Žiedai skirstomi į:

Gyres dujų tipas su rezerviniu fondužemės plutoje (anglies, deguonies, azoto ciklai) – geba greitai reguliuotis;

Gyres nuosėdinio tipo su rezerviniu fondužemės plutoje (fosforo, kalcio, geležies ciklai ir kt.) - yra inertiškesni, didžioji medžiagos dalis yra gyviems organizmams „nepasiekiama“ forma.

Žiedai taip pat gali būti skirstomi į:

- uždaryta(dujinių medžiagų, pavyzdžiui, deguonies, anglies ir azoto, cirkuliacija yra rezervas atmosferoje ir vandenyno hidrosferoje, todėl trūkumas greitai kompensuojamas);

- atviras(sukuriant rezervinį fondą žemės plutoje, pvz., fosforo – todėl nuostoliai prastai kompensuojami, t.y. susidaro deficitas).

Biologinių ciklų egzistavimo Žemėje energetinis pagrindas ir pradinis jų ryšys yra fotosintezės procesas. Kiekvienas naujas ciklas nėra tikslus ankstesnio kartojimas. Pavyzdžiui, biosferos evoliucijos metu kai kurie procesai buvo negrįžtami, todėl susidarė ir kaupėsi biogeninės nuosėdos, padidėjo deguonies kiekis atmosferoje, pakito daugelio elementų izotopų kiekybiniai santykiai. ir kt.

Medžiagų cirkuliacija paprastai vadinama biogeocheminiai ciklai . Pagrindiniai biogeocheminiai (biosferos) medžiagų ciklai: vandens ciklas, deguonies ciklas, azoto ciklas(azotą fiksuojančių bakterijų dalyvavimas), anglies ciklas(aerobinių bakterijų dalyvavimas; kasmet apie 130 tonų anglies išsiskiria į geologinį ciklą), fosforo ciklas(dirvožemio bakterijų įsitraukimas; 14 milijonai tonų fosforo), sieros ciklas, metalo katijonų ciklas.

Sieros ir fosforo ciklas yra tipiškas nuosėdų biogeocheminis ciklas. Tokie ciklai lengvai sutrikdomi dėl įvairių poveikių ir dalis keičiamos medžiagos palieka ciklą. Jis vėl gali grįžti į ciklą tik dėl geologinių procesų arba dėl biofilinių komponentų išgavimo gyvosiomis medžiagomis.[...]

Medžiagų cirkuliacija ir energijos transformacija užtikrina visos biosferos ir atskirų jos dalių dinaminę pusiausvyrą ir stabilumą. Tuo pačiu metu bendrame viename cikle kietų medžiagų ir vandens cirkuliacija, atsirandanti veikiant abiotiniams veiksniams (didelis geologinis ciklas), taip pat mažas biotinis medžiagų ciklas kietoje, skystoje medžiagoje. ir išskiriamos dujinės fazės, vykstančios dalyvaujant gyviems organizmams.[...]

Anglies ciklas. Anglis yra bene vienas dažniausiai minimų cheminių elementų, sprendžiant geologines, biologines, o pastaraisiais metais ir technines problemas.[...]

Medžiagų cirkuliacija yra pakartotinis medžiagų dalyvavimas procesuose, vykstančiuose atmosferoje, hidrosferoje, litosferoje, įskaitant sluoksnius, kurie yra planetos biosferos dalis. Šiuo atveju išskiriami du pagrindiniai ciklai: didelis (geologinis) ir mažas (biogeninis ir biocheminis).[...]

Geologiniai ir biologiniai ciklai iš esmės yra uždari, ko negalima pasakyti apie antropogeninį ciklą. Todėl jie dažnai kalba ne apie antropogeninį ciklą, o apie antropogeninę medžiagų apykaitą. Antropogeninio medžiagų ciklo atvirumas veda prie gamtos išteklių išeikvojimo ir gamtinės aplinkos taršos – pagrindinės visų žmonijos aplinkos problemų priežastys.[...]

Pagrindinių maistinių medžiagų ir elementų ciklai. Panagrinėkime gyviems organizmams reikšmingiausių medžiagų ir elementų ciklus (3-8 pav.). Vandens ciklas yra didelis geologinis; o biogeninių elementų (anglies, deguonies, azoto, fosforo, sieros ir kitų biogeninių elementų) ciklai – iki smulkių biogeocheminių.[...]

Vandens cirkuliacija tarp žemės ir vandenyno per atmosferą yra didžiojo geologinio ciklo dalis. Vanduo išgaruoja nuo vandenynų paviršiaus ir arba nunešamas į sausumą, kur iškrenta kaip krituliai, kurie grįžta į vandenyną paviršinio ir požeminio nuotėkio pavidalu, arba kaip krituliai patenka į vandenyno paviršių. Kasmet vandens cikle Žemėje dalyvauja daugiau nei 500 tūkstančių km3 vandens. Vandens ciklas kaip visuma vaidina svarbų vaidmenį formuojant gamtines sąlygas mūsų planetoje. Atsižvelgiant į augalų transpiraciją ir jo absorbciją biogeocheminiame cikle, visas vandens tiekimas Žemėje suyra ir atsistato per 2 milijonus metų.[...]

Fosforo ciklas. Didžioji dalis fosforo yra uolienose, susidariusiose praėjusiais geologiniais laikais. Fosforas įtraukiamas į biogeocheminį ciklą dėl uolienų dūlėjimo procesų.[...]

Dujų tipo cirkuliacijos yra tobulesnės, nes turi didelį mainų fondą, todėl gali greitai susireguliuoti. Nuosėdų ciklai nėra tokie tobuli, jie yra inertiškesni, nes didžioji medžiagos dalis yra žemės plutos rezerviniame fonde gyviems organizmams „neprieinama“ forma. Tokie ciklai lengvai sutrikdomi dėl įvairių poveikių, o dalis keičiamos medžiagos palieka ciklą. Jis gali vėl grįžti į ciklą tik dėl geologinių procesų arba išgaunant gyvąją medžiagą. Tačiau išgauti gyviems organizmams reikalingas medžiagas iš žemės plutos yra daug sunkiau nei iš atmosferos.[...]

Geologinį ciklą aiškiai parodo vandens ciklo ir atmosferos cirkuliacijos pavyzdys. Skaičiuojama, kad iki pusės iš Saulės gaunamos energijos išleidžiama vandeniui išgarinti. Jo išgaravimą nuo Žemės paviršiaus kompensuoja krituliai. Tuo pačiu metu iš Vandenyno išgaruoja daugiau vandens, nei grįžta su krituliais, tačiau sausumoje nutinka priešingai – iškrenta daugiau kritulių nei išgaruoja vanduo. Jo perteklius patenka į upes ir ežerus, o iš ten vėl į vandenyną. Geologinio ciklo procese pakartotinai keičiasi suminė vandens būsena (skysta; kieta - sniegas, ledas; dujinė - garai). Didžiausia jo cirkuliacija stebima garų būsenoje. Kartu su vandeniu pasauliniu mastu geologiniame cikle iš vienos vietos į kitą perkeliami ir kiti mineralai.

Vandens ciklas. Atkarpos pradžioje buvo svarstomas jo geologinis ciklas. Iš esmės tai susiję su vandens garavimo nuo Žemės ir vandenyno paviršiaus bei kritulių ant jų procesais. Atskirose ekosistemose vyksta papildomi procesai, kurie apsunkina didelį vandens ciklą (perėmimas, evapotranspiracija ir infiltracija).[...]

Geologiniai ciklai. Santykinė žemynų ir vandenyno dugno padėtis bei kontūrai nuolat kinta. Viršutiniuose Žemės apvalkaluose vyksta nuolatinis laipsniškas kai kurių uolienų pakeitimas kitomis, vadinamas dideliu materijos ciklu. Geologiniai kalnų susidarymo ir naikinimo procesai yra didžiausi energetiniai procesai Žemės biosferoje.[...]

MEDŽIAGŲ CIKLAS (Žemėje) – pakartotinai pasikartojantys medžiagų virsmo ir judėjimo procesai gamtoje, kurie savo prigimtimi yra daugiau ar mažiau cikliški. Generolas K.v. susideda iš atskirų procesų (vandens, azoto, anglies ir kitų medžiagų bei cheminių elementų ciklo), kurie nėra visiškai grįžtami, nes medžiaga išsisklaido, pašalinama, užkasama, keičiasi sudėtis ir kt. Yra biologiniai, biogeocheminiai, geologiniai K.v., taip pat atskirų cheminių elementų (15 pav.) ir vandens ciklai. Žmogaus veikla dabartiniame vystymosi etape daugiausia padidina prievartos intensyvumą. ir turi poveikį, atitinkantį natūralių planetinių procesų mastą.[...]

BIOGEOCHEMINIS CIKLAS – tai cheminių elementų judėjimas ir transformacija per inertišką ir organinę gamtą, aktyviai dalyvaujant gyvajai medžiagai. Cheminiai elementai biosferoje cirkuliuoja įvairiais biologinio ciklo keliais: juos sugeria gyvoji medžiaga ir pasikrauna energija, tada palieka gyvąją medžiagą, išskirdami sukauptą energiją į išorinę aplinką. Tokius daugiau ar mažiau uždarus kelius V. I. Vernadskis vadino „biogeocheminiais ciklais“. ciklas su rezerviniu fondu žemės plutoje Gyvoji medžiaga vaidina aktyvų vaidmenį visuose biogeocheminiuose cikluose. energija yra pati galingiausia geologinė jėga, kuri laikui bėgant didėja tipiškų biofilinių elementų (anglies, deguonies ir fosforo) ciklas, vaidinantis reikšmingą vaidmenį biosferos gyvenime.

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

Dėl geologinių pokyčių Žemės paviršiuje dalis biosferos medžiagos gali būti pašalinta iš šio ciklo. Pavyzdžiui, tokios biogeninės nuosėdos kaip anglis ir nafta žemės plutos storyje išsaugomos daugelį tūkstantmečių, tačiau iš esmės negalima atmesti jų pakartotinio įtraukimo į biosferos ciklą.[...]

Žinios apie medžiagų ciklus Žemėje turi didelę praktinę prasmę, nes jos daro didelę įtaką žmogaus gyvenimui ir tuo pačiu yra įtakojamos žmonių. Šių poveikių pasekmės tapo panašios į geologinių procesų rezultatus. Atsiranda nauji elementų migracijos keliai, atsiranda naujų cheminių junginių, ženkliai keičiasi medžiagų apykaitos greitis biosferoje.[...]

Didelis medžiagų ciklas gamtoje (geologinis) atsiranda dėl saulės energijos sąveikos su gilia Žemės energija ir perskirsto medžiagas tarp biosferos ir gilesnių Žemės horizontų. Tokia cirkuliacija sistemoje „magminės uolienos – nuosėdinės uolienos – metamorfinės uolienos (paverčiamos temperatūros ir slėgio) – magminės uolienos“ atsiranda dėl magmatizmo, metamorfizmo, litogenezės ir žemės plutos dinamikos procesų (6.2 pav.). Medžiagų ciklo simbolis yra spiralė: kiekvienas naujas ciklo ciklas tiksliai nepakartoja senojo, o įveda kažką naujo, kas laikui bėgant lemia labai reikšmingus pokyčius.[...]

Didysis geologinis ciklas įtraukia nuosėdines uolienas giliai į žemės plutą, visam laikui pašalindamas jose esančius elementus iš biologinės cirkuliacijos sistemos. Geologijos istorijos eigoje transformuotos nuosėdinės uolienos, vėl atsidūrusios Žemės paviršiuje, pamažu sunaikinamos gyvų organizmų, vandens ir oro veiklos ir vėl įtraukiamos į biosferos ciklą.[...]

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

Taigi uolienų geologinis ciklas ir cirkuliacija susideda iš: 1) dūlėjimo, 2) nuosėdų susidarymo, 3) nuosėdinių uolienų susidarymo, 4) metamorfizmo, 5) magmatizacijos. Magmos atsiradimas paviršiuje ir magminių uolienų susidarymas pakartoja visą ciklą iš naujo. Visas ciklas gali būti nutrauktas įvairiais etapais (3 arba 4), jei dėl tektoninių pakilimų ir denudacijos uolos pasiekia paviršių ir pakartotinai veikia oro sąlygas.[...]

Geologinis bakterijų aktyvumas yra labai svarbus. Bakterijos aktyviai dalyvauja gamtoje esančių medžiagų cikle Visi organiniai junginiai ir nemaža dalis neorganinių patiria reikšmingų pokyčių. Ir šis medžiagų ciklas yra gyvybės Žemėje egzistavimo pagrindas.[...]

Hidrosferoje anglies ciklo suspensija yra susijusi su CO2 įtraukimu į CaCO3 sudėtį (kalkakmenis, kreida, koralai). Šioje versijoje anglis iškrenta iš ciklo ištisoms geologinėms epochoms ir nėra įtraukta į biosferos sąvoką. Tačiau organogeninių uolienų pakilimas virš jūros lygio lemia anglies ciklo atsinaujinimą dėl kalkakmenių ir panašių uolienų išplovimo atmosferos krituliais, taip pat dėl biogeninių priemonių – kerpių ir augalų šaknų įtakos [... ]

Dalies anglies pašalinimas iš natūralaus ekosistemos ciklo ir „rezervavimas“ iškastinių organinių medžiagų atsargų pavidalu Žemės žarnyne yra svarbi nagrinėjamo proceso ypatybė. Tolimose geologinėse epochose nemaža dalis fotosintetintų organinių medžiagų nebuvo panaudota nei vartotojų, nei skaidytojų, o kaupėsi detrito pavidalu. Vėliau detrito sluoksniai buvo palaidoti po įvairių mineralinių nuosėdų sluoksniais, kur, veikiant aukštai temperatūrai ir slėgiui per milijonus metų, jie virto nafta, anglimi ir gamtinėmis dujomis (priklausomai nuo žaliavos, gyvenimo trukmės ir sąlygų). žemė). Panašūs procesai vyksta ir šiandien, tačiau daug ne taip intensyviai. Jų rezultatas – durpių susidarymas.[...]

BIOGEOCHEMINIS CIKLAS [iš gr. kyklos – ratas], biogeocheminis ciklas – cikliniai cheminio elemento mainų ir virsmo procesai tarp biosferos komponentų (iš neorganinės formos per gyvą medžiagą vėl į neorganinę). Tai atliekama daugiausia naudojant saulės energiją (fotosintezė) ir iš dalies cheminių reakcijų (chemosintezės) energiją. Žr. medžiagų ciklą. Biologinis medžiagų ciklas. Geologinis medžiagų ciklas.[...]

Visi pažymėti ir daugelis kitų kontrgeologinių procesų, likusių „užkulisiuose“, galutiniais rezultatais grandioziniais, yra, pirma, tarpusavyje susiję ir, antra, yra pagrindinis mechanizmas, užtikrinantis litosferos vystymąsi, kuris tęsiasi iki šiol. dalyvaudami nuolatinėje medžiagos ir energijos cirkuliacijoje ir transformacijoje, palaiko mūsų stebimą fizinę litosferos būseną.[...]

Visi šie planetiniai procesai Žemėje yra glaudžiai susipynę, sudarydami bendrą, globalų medžiagų ciklą, perskirstantį iš saulės gaunamą energiją. Tai atliekama per mažų tiražų sistemą. Vulkaninės veiklos ir vandenyno plokščių judėjimo žemės plutoje sukelti tektoniniai procesai yra susieti su dideliais ir mažais žiedais. Dėl to Žemėje vyksta didelis geologinis medžiagų ciklas.[...]

Dirvožemis yra neatskiriama sausumos biogeocenozių sudedamoji dalis. Ji atlieka didelių geologinių ir mažų biologinių medžiagų ciklų konjugaciją (sąveiką). Dirvožemis yra unikalus natūralus darinys, turintis sudėtingą medžiagų sudėtį. Dirvožemio medžiagą sudaro keturios fizinės fazės: kietoji (mineralinės ir organinės dalelės), skystoji (dirvožemio tirpalas), dujinė (dirvožemio oras) ir gyvoji (organizmas). Dirvožemiui būdingas sudėtingas erdvinis organizavimas ir savybių, savybių bei procesų diferenciacija.[...]

Dėl nuolatinio „atmosferos-dirvožemio-augalų-gyvūnų-mikroorganizmų“ sistemos veikimo susiformavo daugelio cheminių elementų ir jų junginių biogeocheminis ciklas, apimantis žemę, atmosferą ir vidaus vandenis. Bendros jo charakteristikos yra panašios į bendrą sausumos upių tėkmę, bendrą medžiagos tiekimą iš viršutinės mantijos į planetos biosferą. Štai kodėl gyvoji medžiaga Žemėje daugelį milijonų metų buvo geologinės reikšmės veiksnys.[...]

Biosferos biota lemia vyraujančią cheminių transformacijų planetoje dalį. Taigi V. I. Vernadskio sprendimas apie didžiulį transformuojantį geologinį gyvosios medžiagos vaidmenį. Organinės evoliucijos metu gyvi organizmai tūkstantį kartų perėjo per save, per savo organus, audinius, ląsteles ir kraują (įvairiems ciklams nuo 103 iki 105), visą atmosferą, visą Pasaulio vandenyno tūrį, didelę dalį dirvožemio masė ir didžiulė mineralinių medžiagų masė. Ir jie ne tik „pasiilgo, bet ir modifikavo visą žemišką aplinką pagal savo poreikius.[...]

Žinoma, visi neatsinaujinantys ištekliai taip pat išsenka. Tai didžioji dauguma fosilijų: kasybos medžiagos, rūdos, mineralai, atsiradę geologinėje Žemės istorijoje, taip pat senovės biosferos produktai, kurie iškrito iš biotinio ciklo ir buvo palaidoti gelmėse - iškastinis kuras ir nuosėdos. karbonatai. Kai kurie mineraliniai ištekliai dar lėtai susidaro vykstant geocheminiams procesams podirvyje, vandenyno gelmėse ar žemės plutos paviršiuje. Kalbant apie mineralinius išteklius, didelę reikšmę turi išteklių prieinamumas ir kokybė, taip pat kiekybinis ryšys tarp nežinomų, bet apskaičiuotų išteklių (77), numatomo potencialo (77), faktiškai išžvalgytų (R) ir eksploatuojamų (E) atsargų. , o dažniausiai N > P > R > E (6.6 pav.).[...]

Vandenyno kaip fizinės ir cheminės sistemos tyrimas pažengė daug greičiau nei jo kaip biologinės sistemos tyrimas. Hipotezės apie vandenynų kilmę ir geologinę istoriją, iš pradžių spekuliacinės, įgavo tvirtą teorinį pagrindą.[...]

Gyvi organizmai apskritai yra labai galingas medžiagų srauto žemės paviršiuje reguliatorius, selektyviai išlaikantis tam tikrus elementus biologiniame cikle. Kasmet biologiniame cikle dalyvauja 6–20 kartų daugiau azoto nei geologiniame cikle, o fosforo – 3–30 kartų; tuo pačiu metu siera, atvirkščiai, geologiniame cikle dalyvauja 2-4 kartus daugiau nei biologiniame cikle (4 lentelė).[...]

Sudėtinga grįžtamojo ryšio sistema prisidėjo ne tik prie rūšių diferenciacijos didėjimo, bet ir prie tam tikrų natūralių kompleksų, kurie priklausė nuo aplinkos sąlygų ir konkrečios biosferos dalies geologinės istorijos, susidarymo. Bet koks natūraliai tarpusavyje susijusių organizmų ir neorganinių aplinkos komponentų rinkinys biosferoje, kuriame vyksta medžiagų cirkuliacija, vadinamas ekologine sistema arba ekosistema.[...]

Sintetiniai plovikliai (detergentai, tensidai). Jie sudaro didelę dirbtinių paviršiaus aktyviųjų medžiagų grupę, kurios visame pasaulyje gaminamos dideliais kiekiais. Šios medžiagos į geologinę aplinką dideliais kiekiais patenka su buitinėmis nuotekomis. Dauguma jų nėra toksiški, tačiau sintetiniai plovikliai gali sunaikinti įvairias ekosistemas ir sutrikdyti natūralius medžiagų geocheminio ciklo procesus dirvožemyje ir gruntiniame vandenyje.[...]

Didžioji anglies dalis yra sukaupta vandenyno dugno karbonatinėse nuosėdose (1,3 - 101 tonos), kristalinėse uolienose (1,0 1016 tonos), anglyse ir naftoje (3,4 1015 tonų). 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 pranašesnės už natūralias.[...]

Patekę į vandens telkinius su nuotekomis, fosfatai prisotina, o kartais ir persotina jų ekologines sistemas. Fosforas natūraliomis sąlygomis grįžta į žemę beveik tik su išmatomis ir po žuvimi mintančių paukščių žūties. Didžioji dauguma fosfatų sudaro dugno nuosėdas, o ciklas patenka į lėčiausią fazę. Tik milijonus metų vykstantys geologiniai procesai iš tikrųjų gali sukelti vandenynų fosfatų nuosėdas, po kurių fosforas gali būti vėl įtrauktas į aprašytą ciklą.[...]

Vertės, apibūdinančios metinį nuosėdų pašalinimą iš kiekvieno žemyno, pateiktos lentelėje. 17. Nesunku pastebėti, kad didžiausias dirvožemio praradimas būdingas Azijai – žemynui su seniausiomis civilizacijomis ir plačiausiai eksploatuojama žeme. Nors proceso greitis yra įvairus, minimalaus geologinio aktyvumo laikotarpiais žemumose ir vandenynuose aukštesnių plotų sąskaita kaupiasi ištirpusių mineralinių maistinių medžiagų. Šiuo atveju ypač svarbūs tampa vietiniai biologinio grąžinimo mechanizmai, kurių dėka medžiagų praradimas neviršija jų pasiūlos iš požeminių uolienų (apie tai buvo kalbama svarstant kalcio ciklą). Kitaip tariant, kuo ilgiau gyvybiškai svarbūs elementai išliks tam tikroje srityje, juos vėl ir vėl naudos nuoseklios organizmų kartos, tuo mažiau naujų medžiagų reikės iš išorės. Deja, kaip jau minėjome skyriuje apie fosforą, žmogus dažnai pažeidžia šią pusiausvyrą, dažniausiai netyčia, o tiesiog todėl, kad jis iki galo nesuvokia per daugelį tūkstantmečių susiformavusios gyvybės ir neorganinės medžiagos simbiozės sudėtingumo. Pavyzdžiui, dabar daroma prielaida (nors tai dar neįrodyta), kad užtvankos, neleidžiančios lašišoms patekti į upes neršti, mažina ne tik lašišų skaičių, bet ir nykstančias žuvis, žvėrieną ir netgi medienos produkcijos mažėjimą. kai kuriuose šiauriniuose Vakarų JAV regionuose. Kai lašišos neršia ir miršta sausumoje, jos palieka iš jūros grąžintas vertingų maistinių medžiagų atsargas. Didelių medienos masių išvežimas iš miško (jame esantiems mineralams negrąžinant į dirvą, kitaip nei gamtoje, kai irsta nuvirtę medžiai), neabejotinai nuskurdo ir aukštumas, dažniausiai tais atvejais, kai trūksta maistinių medžiagų vienas vargšas.[...]

Penktoji funkcija – biogeocheminė žmonijos veikla, apimanti vis didesnį žemės plutoje esančios medžiagos kiekį pramonės, transporto ir žemės ūkio reikmėms. Ši funkcija užima ypatingą vietą pasaulio istorijoje ir nusipelno kruopštaus dėmesio bei tyrimo. Taigi visa mūsų planetos gyvoji populiacija – gyvoji medžiaga – yra nuolatiniame biofilinių cheminių elementų cikle. Biologinis medžiagų ciklas biosferoje yra susijęs su dideliu geologiniu ciklu (12.20 pav.).[...]

Kitas procesas, skatinantis anglį, yra humuso susidarymas saprofagais ir vėliau medžiagos mineralizacija, kurią sukelia grybai ir bakterijos. Tai labai lėtas procesas, kurio greitį lemia deguonies kiekis, dirvožemio cheminė sudėtis ir temperatūra. Trūkstant deguonies ir esant dideliam rūgštingumui, durpėse kaupiasi anglis. Panašūs procesai tolimose geologinėse epochose formavo anglies ir naftos telkinius, kurie sustabdė anglies ciklo procesą.[...]

Kaip pavyzdį apsvarstykite miško ekosistemos vaidmenį formuojant aplinką. Miško produktai ir biomasė yra organinių medžiagų ir sukauptos energijos atsargos, susidarančios augalų fotosintezės procese. Fotosintezės greitis lemia anglies dioksido absorbcijos ir deguonies išsiskyrimo į atmosferą greitį. Taigi, susidarius 1 tonai augalinių produktų, vidutiniškai absorbuojama 1,5-1,8 tonos CO2 ir išsiskiria 1,2-1,4 tonos 02 Biomasė, įskaitant negyvas organines medžiagas, yra pagrindinis biogeninės anglies rezervuaras. Dalis šios organinės medžiagos ilgam pašalinama iš ciklo, susidaro geologiniai telkiniai.[...]

Vladimiras Ivanovičius Vernadskis (1863-1945) - puikus rusų mokslininkas, akademikas, biogeochemijos ir biosferos tyrimo įkūrėjas. Jis pagrįstai laikomas vienu didžiausių pasaulio mokslo universalistų. Moksliniai V.I. Vernadskis yra labai platus. Jis daug prisidėjo prie mineralogijos, geochemijos, radiogeologijos, kristalografijos; atliko pirmuosius sąveikaujančių žemės plutos, hidrosferos ir atmosferos elementų ir struktūrų sudėties, struktūros ir migracijos modelių tyrimus. 1923 m. jis suformulavo teoriją apie gyvų organizmų pagrindinį vaidmenį geocheminiuose procesuose. 1926 metais knygoje „Biosfera“ V.I. Vernadskis pateikė naują biosferos koncepciją ir gyvosios medžiagos vaidmenį kosminėje ir žemiškoje medžiagų cirkuliacijoje. Gamtos virsmus dėl žmogaus veiklos mato V.I. Vernadskis kaip galingas planetinis procesas („Mokslinė mintis kaip geologinis reiškinys“, 1936 m.) ir kaip galimybė biosferai išaugti į noosferą – proto sferą.

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 geologinį medžiagų ciklą, kuris pradiniame Žemės vystymosi etape kartu su endogeniniais procesais buvo susijęs su žemynų, vandenynų formavimusi ir šiuolaikiniais. 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 patiria irimą bei oro sąlygas. 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 cirkuliacija 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 žalių augalų fotosintezė, t.y. gyvosios medžiagos susidarymas iš anglies dvideginio, 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.).

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 punktai 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. Tada 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 aprūpina 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 sugrąžinti 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.

Metų laikai