Pred nastankom biosfere so bili na Zemlji trije cikli snovi: mineralni cikel - premikanje magmatskih produktov iz globin na površje in nazaj; plinski cikel - kroženje zračnih mas, ki jih občasno segreva Sonce,vodni krog - izhlapevanje vode in njen prenos z zračnimi masami, padavine (dež, sneg). Te tri cikle združuje en sam izraz - geološki (abiotski) cikel. S pojavom življenja so bili plinski, mineralni in vodni cikli dopolnjeni z biotski (biogeni) cikel - cikel kemičnih elementov, ki ga izvaja vitalna aktivnost organizmov. Skupaj z geološkim en sam biogeokemični cikel snovi na Zemlji.
Geološki cikel.
Približno polovica sončne energije, ki doseže zemeljsko površje, se porabi za izhlapevanje vode, preperevanje kamnin, raztapljanje mineralov, gibanje zračnih mas in z njimi vodne pare, prahu in trdnih preperelih delcev.
Gibanje vode in vetra vodi do erozije tal, premikanja, prerazporeditve in kopičenja mehanskih in kemičnih padavin v hidrosferi in litosferi. Ta cikel se dogaja še danes.
Zelo zanimivo vodni krog. Iz hidrosfere v enem letu izhlapi približno 3,8 10 14 ton vode, le 3,4 10 14 ton vode pa se vrne s padavinami v vodni ovoj Zemlje. Manjkajoči del pade na kopno. Skupno pade na kopno približno 1 10 14 ton padavin, izhlapi pa približno 0,6 10 14 ton vode. Odvečna voda, ki nastane v litosferi, teče v jezera in reke, nato pa v Svetovni ocean (slika 2.4). Površinski odtok je približno 0,2 10 14 ton, preostalih 0,2 10 14 ton vode vstopi v podtalne vodonosnike, od koder voda odteka v reke, jezera in oceane ter dopolnjuje tudi rezervoarje podtalnice.
biotski cikel. Temelji na procesih sinteze organskih snovi z njihovim kasnejšim uničenjem v prvotne minerale. Procesi sinteze in razgradnje organskih snovi so temelj obstoja žive snovi in glavna značilnost delovanja biosfere.
Življenjska aktivnost katerega koli organizma je nemogoča brez presnove z okoljem. V procesu presnove telo porablja in asimilira potrebne snovi in sprošča odpadne produkte; velikost našega planeta ni neskončna in na koncu bi se vse koristne snovi predelale v neuporabne odpadke. Toda v procesu evolucije je bila najdena odlična rešitev: poleg organizmov, ki lahko gradijo živo snov iz nežive snovi, so se pojavili drugi organizmi, ki so to kompleksno organsko snov razgradili v začetne minerale, pripravljene za novo uporabo. »Edini način, da omejeni količini damo lastnosti neskončnosti,« je zapisal V.R. Williams, je, da se vrti vzdolž zaprte krivulje."
Mehanizem interakcije med živo in neživo naravo je sestavljen iz vpletenosti nežive snovi v področje življenja. Po nizu transformacij nežive snovi v živih organizmih se vrne v prejšnje prvotno stanje. Tak cikel je mogoč zaradi dejstva, da živi organizmi vsebujejo enake kemične elemente kot neživa narava.
Kako poteka ta cikel? V. I. Vernadsky je utemeljil, da je glavni pretvornik energije, ki prihaja iz vesolja (predvsem sončne), zelena snov rastlin. Samo ti so sposobni sintetizirati primarne organske spojine pod vplivom sončne energije. Znanstvenik je izračunal, da se skupna površina zelene snovi rastlin, ki absorbira energijo, glede na letni čas giblje od 0,86 do 4,2% površine Sonca. Hkrati je površina Zemlje
Živali, katerih hrana so rastline ali druge živali, v telesu sintetizirajo nove organske spojine.
Ostanki živali in rastlin služijo kot hrana za črve, glive in mikroorganizme, ki jih na koncu pretvorijo v prvotne minerale, pri čemer se sprošča ogljikov dioksid. Ti minerali spet služijo kot začetne surovine za ustvarjanje primarnih organskih spojin v rastlinah. Tako se krog sklene in začne se novo gibanje atomov.
Vendar krog snovi ni popolnoma sklenjen. Nekateri atomi zapustijo cikel, so fiksirani in organizirani z novimi oblikami živih organizmov in produkti njihove vitalne dejavnosti. S prodiranjem v litosfero, hidrosfero in troposfero so živi organizmi proizvedli in proizvajajo ogromno geokemičnega dela na premikanju in prerazporeditvi obstoječih snovi ter ustvarjanju novih. To je bistvo progresivnega razvoja biosfere, saj s tem širimo obseg biogeokemičnih ciklov in krepimo biosfero. Kot je opazil V.I. Vernadsky, je v biosferi stalno biogeno gibanje atomov v obliki "vrtincev".
Za biotski cikel je za razliko od geološkega značilna nepomembna poraba energije. Kot smo že omenili, se približno 1% sončne energije, ki doseže zemeljsko površino, porabi za ustvarjanje primarne organske snovi. Ta energija zadostuje za delovanje najkompleksnejših biogeokemičnih procesov na planetu.
Velik krogotok snovi v naravi nastane zaradi interakcije sončne energije z globinsko energijo Zemlje in izvaja prerazporeditev snovi med biosfero in globljimi obzorji Zemlje.
Sedimentne kamnine, ki nastanejo zaradi preperevanja magmatskih kamnin, so v premičnih območjih zemeljske skorje spet potopljene v območje visokih temperatur in tlakov. Tam se stopijo in tvorijo magmo – vir novih magmatskih kamnin. Ko se te kamnine dvignejo na zemeljsko površje in se preperejo, se ponovno spremenijo v nove sedimentne kamnine. Novi cikel ne ponavlja natančno starega, ampak uvaja nekaj novega, kar sčasoma vodi do zelo pomembnih sprememb.
Gonilna sila veliki (geološki) cikel so eksogeni in endogeni geološki procesi.
Endogeni procesi(procesi notranje dinamike) nastanejo pod vplivom notranje energije Zemlje, ki se sprošča kot posledica radioaktivnega razpada, kemijskih reakcij nastajanja mineralov, kristalizacije kamnin itd. (npr. tektonski premiki, potresi, magmatizem). , metamorfizem).
Eksogeni procesi(procesi zunanje dinamike) nastanejo pod vplivom zunanje energije Sonca. Primeri: preperevanje kamnin in mineralov, odstranjevanje produktov uničenja z nekaterih območij zemeljske skorje in njihov prenos na nova območja, odlaganje in kopičenje produktov uničenja s tvorbo sedimentnih kamnin. Za Ex.pr. rel. geološka aktivnost ozračja, hidrosfere, pa tudi živih organizmov in ljudi.
Največje reliefne oblike (celine in oceanske kotline) in velike oblike (gore in ravnice) so nastale zaradi endogenih procesov, srednje in majhne reliefne oblike (rečne doline, hribi, grape, sipine itd.), ki so se nadgradile na večje oblike - zaradi računa eksogenih procesov. Tako sta si endogeni in eksogeni proces nasprotna. Prvi vodijo v nastanek velikih reliefnih oblik, drugi pa v njihovo glajenje.
Primeri geološkega cikla. Magmatske kamnine se zaradi preperevanja spremenijo v sedimentne kamnine. V gibljivih območjih zemeljske skorje se potopijo globoko v Zemljo. Tam se pod vplivom visokih temperatur in pritiskov stopijo in tvorijo magmo, ki se dvigne na površje in strdi, tvori magmatske kamnine.
Primer velikega cikla je kroženje vode med kopnim in oceanom skozi ozračje (slika 2.1).
riž. 2.1. Splošno sprejeta hidrološka (klimatska) shema
kroženje vode v naravi
Vlaga, ki izhlapi s površja Svetovnega oceana (ki porabi skoraj polovico sončne energije, ki doseže Zemljino površje), se prenese na kopno, kjer pade v obliki padavin, ki se v obliki površinskih in podzemnih površin vrnejo v ocean. odtok. Kroženje vode poteka tudi po enostavnejši shemi: izhlapevanje vlage s površine oceana - kondenzacija vodne pare - padavine na isti vodni površini oceana.
Vodni krog kot celota ima pomembno vlogo pri oblikovanju naravnih razmer na našem planetu. Ob upoštevanju transpiracije vode v rastlinah in njene absorpcije v biogeokemičnem ciklu se celotna zaloga vode na Zemlji poruši in obnovi v 2 milijonih letih.
Tako se geološki cikel snovi dogaja brez sodelovanja živih organizmov in prerazporeja snovi med biosfero in globljimi plastmi Zemlje.
Vse snovi na našem planetu so v procesu kroženja. Sončna energija povzroča dva cikla snovi na Zemlji, velikega ali biosferskega (ki zajema celotno biosfero) in malega ali biološkega (znotraj ekosistemov).
Biosfernemu kroženju snovi je sledilo geološko kroženje, povezano s tvorbo in uničenjem kamnin ter kasnejšim gibanjem produktov uničenja - klastičnega materiala in kemičnih elementov. Toplotne lastnosti površine kopnega in vode so imele in še vedno igrajo pomembno vlogo pri teh procesih: absorpcija v odboj sončne svetlobe, toplotna prevodnost v toplotno kapaciteto. Voda absorbira več sončne energije, površina kopnega na istih zemljepisnih širinah pa se bolj segreje. Nestabilen hidrotermalni režim zemeljskega površja je skupaj s sistemom planetarne atmosferske cirkulacije določil geološko kroženje snovi, ki je bilo na začetni stopnji razvoja Zemlje, skupaj z endogenimi procesi, povezano z nastankom celin, oceanov in sodobnega časa. geosfere. Njeno geološko manifestacijo nakazuje tudi prenos produktov preperevanja z zračnimi masami in z vodo – v njej raztopljenimi mineralnimi spojinami. Z nastankom biosfere so se odpadni produkti organizmov vključili v veliki krogotok. Geološki cikel je brez prenehanja svojega obstoja pridobil nove značilnosti: je začetna stopnja biosferskega gibanja snovi. On je tisti, ki oskrbuje žive organizme s hranili in v veliki meri določa pogoje njihovega obstoja.
Za velik cikel snovi v biosferi sta značilni dve pomembni točki:
Izvaja se skozi celoten geološki razvoj Zemlje;
Gre za sodoben planetarni proces, ki ima vodilno vlogo pri nadaljnjem razvoju biosfere (Radkevich, 1983).
Na sedanji stopnji človekovega razvoja se zaradi velikega cikla na velike razdalje prenašajo tudi onesnaževala, kot so žveplovi in dušikovi oksidi, prah in radioaktivne nečistoče. Ozemlje zmernih širin severne poloble je bilo najbolj onesnaženo.
Mali ali biološki cikel snovi se odvija v ozadju velikega, geološkega, ki pokriva biosfero kot celoto. Pojavlja se znotraj ekosistemov, vendar ni zaprt, kar je povezano z vstopom snovi in energije v ekosistem od zunaj in s sproščanjem nekaterih od njih v biosferni cikel. Zato ljudje včasih ne govorimo o biološkem ciklu, temveč o izmenjavi energije v ekosistemih in posameznih organizmih.
Rastline, živali in prst na kopnem tvorijo kompleksen svetovni sistem, ki tvori biomaso, veže in prerazporeja sončno energijo, atmosferski ogljik, vlago, kisik, vodik, dušik, fosfor, žveplo, kalcij in druge elemente, ki sodelujejo pri življenju organizmov. Rastline, živali in mikroorganizmi vodnega okolja tvorijo drug planetarni sistem, ki opravlja isto funkcijo povezovanja sončne energije in biološkega kroženja snovi.
Bistvo biološkega cikla je v pojavu dveh nasprotnih, a med seboj povezanih procesov - nastajanja organske snovi in njenega uničenja. Začetna stopnja nastajanja organske snovi je posledica fotosinteze zelenih rastlin, tj. tvorba te snovi iz ogljikovega dioksida, vode in mineralnih spojin z uporabo sevalne energije sonca. Rastline črpajo žveplo, fosfor, kalcij, kalij, magnezij, mangan, silicij, aluminij, baker, cink in druge elemente v raztopljeni obliki. Rastlinojede živali že absorbirajo spojine teh elementov v obliki hrane rastlinskega izvora. Plenilci se prehranjujejo z rastlinojedimi živalmi, uživajo hrano bolj zapletene sestave, vključno z beljakovinami, maščobami, aminokislinami itd. V procesu uničenja mikroorganizmov organske snovi mrtvih rastlin in živalskih ostankov preproste mineralne spojine vstopajo v tla in vodo. okolje, ki je na voljo rastlinam za asimilacijo, naslednji krog pa začne biološki cikel.
Za razliko od velikega kolobarja ima mali kolobar različno trajanje: ločimo sezonske, letne, večletne in sekularne male kolobarje. Pri preučevanju biološkega cikla snovi je glavna pozornost namenjena letnemu ritmu, ki ga določa letna dinamika razvoja vegetacije.
stran 1
Geološki cikel (veliki cikel snovi v naravi) je cikel snovi, katerega gibalo so eksogeni in endogeni geološki procesi.
Geološki cikel je kroženje snovi, katerega gonilna sila so eksogeni in endogeni geološki procesi.
Meje geološkega cikla so veliko širše od meja biosfere; njegova amplituda zajema plasti zemeljske skorje daleč onkraj meja biosfere. In kar je najpomembnejše, živi organizmi igrajo sekundarno vlogo v procesih tega cikla.
Tako se geološki cikel snovi dogaja brez sodelovanja živih organizmov in prerazporeja snovi med biosfero in globljimi plastmi Zemlje.
Najpomembnejšo vlogo v velikem ciklu geološkega cikla imajo majhni cikli snovi, tako biosfere kot tehnosfere, v katerih je snov za dolgo časa izključena iz velikega geokemičnega toka, se preoblikuje v neskončnih ciklih sinteze in razgradnja.
Najpomembnejšo vlogo v velikem ciklu geološkega cikla imajo majhni cikli snovi, tako biosfere kot tehnosfere, ko je snov za dolgo časa izključena iz velikega geokemičnega toka, se preoblikuje v neskončnih ciklih sinteze in razgradnja.
Ta ogljik sodeluje v počasnem geološkem ciklu.
Ta ogljik je tisti, ki sodeluje v počasnem geološkem ciklu. Življenje na Zemlji in plinsko ravnovesje atmosfere podpirajo razmeroma majhne količine ogljika v rastlinskih (5 10 t) in živalskih (5 109 t) tkivih, ki sodelujejo v malem (biogenem) ciklu. Vendar pa ljudje trenutno intenzivno zapiramo krogotok snovi, vključno z ogljikom. Tako na primer ocenjujejo, da skupna biomasa vseh domačih živali že presega biomaso vseh divjih kopenskih živali. Območja gojenih rastlin se približujejo območjem naravnih biogeocenoz, številni kulturni ekosistemi pa so po produktivnosti, ki jo človek nenehno povečuje, bistveno boljši od naravnih.
Časovno in prostorsko najobsežnejši je tako imenovani geološki kroženje snovi.
V naravi poznamo 2 vrsti kroženja snovi: veliko ali geološko kroženje snovi med kopnim in oceanom; mala ali biološka – med zemljo in rastlinami.
Voda, ki jo rastlina črpa iz zemlje v parnem stanju, vstopi v atmosfero, nato se ohladi, kondenzira in se vrne v tla ali ocean v obliki padavin. Geološki vodni cikel zagotavlja mehansko prerazporeditev, odlaganje, kopičenje trdnih usedlin na kopnem in na dnu rezervoarjev, pa tudi v procesu mehanskega uničenja tal in kamnin. Vendar pa se kemična funkcija vode izvaja s sodelovanjem živih organizmov ali njihovih presnovnih produktov. Naravne vode so tako kot tla kompleksne bioinertne snovi.
Človekova geokemična dejavnost postaja po obsegu primerljiva z biološkimi in geološkimi procesi. V geološkem ciklu se denudacijska povezava močno poveča.
Dejavnik, ki pusti glavni pečat na splošnem in biološkem značaju. Istočasno si geološki vodni cikel nenehno prizadeva spirati vse te elemente iz plasti razpadajoče zemlje v oceanski bazen. Zato ohranjanje hranilnih elementov rastlin v zemlji zahteva njihovo pretvorbo v obliko, ki je popolnoma netopna v vodi. To zahtevo izpolnjuje živa organska snov.
Vse snovi na planetu so v procesu kroženja. Sončna energija povzroča dva cikla snovi na Zemlji: velika (geološka, biosferna) in majhna (biološka).
Za velik cikel snovi v biosferi sta značilni dve pomembni točki: poteka skozi celoten geološki razvoj Zemlje in je sodoben planetarni proces, ki ima vodilno vlogo v nadaljnjem razvoju biosfere.
Geološki cikel je povezan z nastajanjem in uničenjem kamnin ter kasnejšim gibanjem produktov uničenja – klastičnega materiala in kemičnih elementov. Pri teh procesih so imele in še vedno igrajo pomembno vlogo toplotne lastnosti površine zemlje in vode: absorpcija in odboj sončne svetlobe, toplotna prevodnost in toplotna kapaciteta. Nestabilen hidrotermalni režim zemeljskega površja je skupaj s sistemom planetarne atmosferske cirkulacije določil geološki cikel snovi, ki je bil na začetni stopnji razvoja Zemlje, skupaj z endogenimi procesi, povezan z nastankom celin, oceanov in sodobnega časa. geosfere. Z nastankom biosfere so se odpadni produkti organizmov vključili v veliki krogotok. Geološki cikel oskrbuje žive organizme s hranili in v veliki meri določa pogoje njihovega obstoja.
Glavni kemični elementi litosfera: kisik, silicij, aluminij, železo, magnezij, natrij, kalij in drugi - sodelujejo v velikem ciklu, ki prehaja iz globokih delov zgornjega plašča na površino litosfere. Magmatska kamnina, nastala s kristalizacijo
magma, ki prihaja na površje litosfere iz globin Zemlje, se v biosferi razgradi in prepere. Produkti preperevanja preidejo v mobilno stanje, jih voda in veter prenašata v nižje predele reliefa, vstopajo v reke, oceane in tvorijo debele plasti sedimentnih kamnin, ki se sčasoma, ko se spustijo v globino na območjih s povišano temperaturo in tlakom, podvržejo metamorfozi. , torej "pretopljen". Med tem taljenjem se pojavi nova metamorfna kamnina, ki vstopi v zgornje horizonte zemeljske skorje in ponovno vstopi v cikel snovi (slika 32).
riž. 32. Geološki (veliki) krogotok snovi
Lahko mobilne snovi - plini in naravne vode, ki sestavljajo atmosfero in hidrosfero planeta - so podvržene najbolj intenzivnemu in hitremu kroženju. Material litosfere kroži veliko počasneje. Na splošno je vsak cikel katerega koli kemičnega elementa del splošnega velikega cikla snovi na Zemlji in vsi so med seboj tesno povezani. Živa snov biosfere v tem ciklu opravlja ogromno delo prerazporeditve kemičnih elementov, ki nenehno krožijo v biosferi, prehajajo iz zunanjega okolja v organizme in spet v zunanje okolje.
Mali ali biološki cikel snovi- To
kroženje snovi med rastlinami, živalmi, glivami, mikroorganizmi in prstjo. Bistvo biološkega cikla je v pojavu dveh nasprotnih, a med seboj povezanih procesov - nastajanja organskih snovi in njihovega uničenja. Začetna stopnja nastanka organskih snovi je posledica fotosinteze zelenih rastlin, to je tvorbe žive snovi iz ogljikovega dioksida, vode in preprostih mineralnih spojin z uporabo sončne energije. Rastline (proizvajalci) iz prsti v raztopini črpajo molekule žvepla, fosforja, kalcija, kalija, magnezija, mangana, silicija, aluminija, cinka, bakra in drugih elementov. Rastlinojede živali (konzumenti prvega reda) absorbirajo spojine teh elementov v obliki hrane rastlinskega izvora. Plenilci (potrošniki II reda) se prehranjujejo z rastlinojedimi živalmi, uživajo hrano bolj zapletene sestave, vključno z beljakovinami, maščobami, aminokislinami in drugimi snovmi. V procesu uničenja organskih snovi mrtvih rastlin in živalskih ostankov s strani mikroorganizmov (razkrojevalcev) v tla in vodno okolje vstopijo enostavne mineralne spojine, ki so rastlinam na voljo za asimilacijo, in začne se naslednji krog biološkega cikla. (slika 33).
