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 kopnega in vode: absorpcija in odboj sončnih žarkov, toplotna prevodnost in toplotna kapaciteta. 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. 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 je prispela 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 prerazporejanja 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 odmrlih rastlin in živalskih ostankov s strani mikroorganizmov (razkrojevalcev) preproste mineralne spojine vstopajo v tla in vodno okolje, ki so na voljo rastlinam za asimilacijo, in začne se naslednji krog biološkega cikla. (slika 33).
Kroženje in biogeokemični cikli snovi
Pojasnite pomen geološkega kroga na primeru kroženja vode.
Kako poteka biološki cikel?
Kakšen je zakon biogene migracije atomov V.I. Vernadskega?
Kaj so rezervni in menjalni skladi naravnega cikla? Kakšna je razlika med njimi?
Zemlja kot živ superorganizem
*Za obstoj in razvoj biosfere mora na Zemlji obstajati stalen cikel biološko pomembnih snovi, tj. po uporabi se morajo ponovno spremeniti v obliko, ki jo drugi organizmi asimilirajo. Ta prehod biološko pomembnih snovi se lahko zgodi le z določeno porabo energije, katere vir je Sonce.
Znanstvenik V. R. Williams meni, da sončna energija zagotavlja dva cikla snovi na Zemlji - geološki , ali velik, gyre in biološki , majhen, cikel.
Geološki Kroženje se najbolj jasno kaže v vodnem krogu. Zemlja prejme letno od Sonca 5,24-1024 J sevane energije. Približno polovica se porabi za izhlapevanje vode. Hkrati iz oceana izhlapi več vode, kot se je vrne s padavinami. Na kopnem, nasprotno, pade več padavin, kot voda izhlapi. Njegov presežek se steka v reke in jezera, od tam pa spet v ocean (pri tem prenaša določeno količino mineralnih spojin). To povzroči velik cikel v biosferi, ki temelji na dejstvu, da se celotno izhlapevanje vode z Zemlje kompenzira s padavinami.
**S pojavom žive snovi na podlagi geološkega cikla je nastal organski cikel l. lastnosti, biološki (mali) krog.
Vodni cikel kot primer geološkega cikla
(po H. Penmanu)
Z razvojem žive snovi se vse več elementov nenehno izloča iz geološkega cikla in vstopa v nov, biološki cikel. V nasprotju s preprostim prenosom mineralov v velikem ciklu, tako v obliki raztopin kot v obliki mehanskega obarjanja, sta v malem ciklu najpomembnejša vidika sinteza in razgradnja organskih spojin. V nasprotju z geološkim ciklom ima biološki cikel zanemarljivo energijo. Kot je znano, se le 0,1-0,2% vse sončne energije, ki pride na Zemljo, porabi za ustvarjanje organske snovi (do 50% za geološki cikel). Kljub temu energija, vključena v biološki cikel, opravi veliko dela pri ustvarjanju primarnih proizvodov.
Biološki cikel
S pojavom žive snovi na Zemlji kemični elementi nenehno krožijo v biosferi in se premikajo iz zunanjega okolja
v organizme in spet v zunanje okolje. Takšno kroženje snovi po bolj ali manj zaprtih poteh imenujemo biogeokemični cikel.
Glavni biogeokemični cikli so cikli kisika, ogljika, vode, dušika, fosforja, žvepla in drugih hranil.
*** Biogene migracije snovi - ena od oblik splošne migracije elementov v naravi. Biogeno geokemično migracijo je treba razumeti kot migracijo organskih in inertnih snovi, ki sodelujejo pri rasti in razvoju živih organizmov in jih slednji proizvajajo kot rezultat kompleksnih biokemijskih in biogeokemičnih procesov. V IN. Vernadsky formuliral zakon biogene migracije atomov
v naslednji obliki:
Migracija kemičnih elementov v biosferi poteka bodisi z neposredno udeležbo žive snovi (biogena migracija) bodisi v okolju, katerega geokemične lastnosti (O2, CO2, H2 itd.) določa živa snov (tista, ki trenutno naseljuje biosfero in tisto, kar je delovalo na Zemlji skozi geološko zgodovino).
Človek vpliva predvsem na biosfero in njeno živo populacijo, zato spreminja pogoje biogene migracije atomov in ustvarja predpogoje za globoke kemijske spremembe. Tako lahko postane proces samorazvojen, neodvisen od človekovih želja in v svetovnem merilu praktično neobvladljiv.
Z vidika planetarnega kroženja snovi so najpomembnejši prstno-krajinski, hidrosferski in globinski (znotrajzemeljski) ciklusi. V prvem od njih se kemični elementi izločajo iz kamnin, vode, zraka, razgrajujejo organske snovi, absorbirajo in sintetizirajo različne organske in organomineralne spojine. V kroženju hidrosfere ima glavno vlogo sestava vode in biološka aktivnost živih organizmov. Bioprodukcija snovi tukaj poteka s prevladujočo udeležbo fito in zooplanktona. V globokem ciklu biogene migracije ima najpomembnejšo vlogo aktivnost anaerobnih mikroorganizmov.
****Procesi, ki se pojavljajo v različnih lupinah Zemlje, so v stanju dinamičnega ravnovesja in sprememba poteka katerega koli od njih povzroči neskončne verige včasih nepopravljivih pojavov. V vsakem naravnem ciklu je priporočljivo razlikovati dva dela ali dva »sklada«: rezervni sklad
- velika masa počasi premikajočih se snovi, predvsem anorganske narave; mobilni , oz menjalni sklad
Izmenjevalni sklad tvorijo snovi, ki se vrnejo v cikel bodisi zaradi primarnega izločanja (iz latinskega excretum - izločeno) s strani živali bodisi med razgradnjo detritusa s strani mikroorganizmov.
Če upoštevamo biosfero kot celoto, lahko biogeokemične cikle razdelimo na dve glavni vrsti:
kroženje plinastih snovi z rezervnim skladom v atmosferi ali hidrosferi;
sedimentni cikel z rezervnim skladom v zemeljski skorji.
stran 1
Biološki cikel je povezan s presnovo (presnovo) in nastajanjem ter razgradnjo vode v živi snovi med njenim življenjskim delovanjem.
Za vsak biološki cikel je značilno ponavljajoče se vključevanje atomov kemičnih elementov v telesa živih organizmov in njihovo sproščanje v okolje, od koder jih rastline spet ujamejo in vlečejo v cikel. Mali biološki cikel označujeta zmogljivost - število kemičnih elementov, ki so hkrati prisotni v živi snovi v danem ekosistemu, in hitrost - količina žive snovi, ki nastane in razpade na časovno enoto.
Biološki cikel kopnega in hidrosfere združuje cikle posameznih pokrajin skozi vodni tok in atmosferska gibanja. Vloga kroženja vode in ozračja je še posebej pomembna pri združevanju vseh celin in oceanov v enotno kroženje biosfere.
Biološki kroženje snovi ima ustvarjalno funkcijo, ustvarjanje organskih snovi in bogatenje tal s hranili. Od tega je odvisno življenje vseh rastlinskih združb: vrtovi, travniki, polja, gozdovi. V zadnjih letih se je pojavila potreba po ustvarjanju visoko intenzivnih vrst kroženja v zaprtih sistemih, ki bi lahko zagotovili življenjsko aktivnost na dolgih medplanetarnih potovanjih.
Intenzivnost biološkega kroga določata predvsem temperatura okolja in količina vode. Na primer, biološki cikel je intenzivnejši v tropskih deževnih gozdovih kot v tundri.
Hitrost bioloških ciklov na kopnem je leta in desetine let, v vodnih ekosistemih - več dni ali tednov.
Za biološki cikel v gozdu je značilna dolgotrajna izločitev elementov dušika in pepela, ki jih vsebuje dolgotrajna biomasa dreves in grmovnic, preoblikovanje ostankov na površini tal z nastankom gozdne stelje in različnih vodotopnih organskih snovi. in mineralni produkti njegove razgradnje.
Hitrost bioloških ciklov in skupna količina snovi, vključene v te cikle, sta določena z obsegom in okoljskimi pogoji v ekosistemih. Za ekosisteme so značilne različne okoljske razmere, ki se nanašajo na okoljske okoljske dejavnike, ki neposredno ali posredno vplivajo na žive organizme. Ti dejavniki so lahko abiotski in biotski.
Del biološkega cikla, ki ga sestavljajo cikli ogljika, vode, dušika, fosforja, žvepla in drugih hranil, imenujemo biogeokemični cikel.
Dušik ima v biološkem kroženju snovi posebno mesto. Pri razgradnji organskih snovi dušik uhaja v ozračje v obliki plinastih spojin ali v prostem stanju. Vračanje dušika v tla, od koder ga rastline prevzemajo, poteka na kompleksen način, kot posledica procesa, v katerem sodelujejo posebne bakterije in nekateri drugi organizmi, ki vežejo atmosferski dušik v spojine, ki so rastlinam na voljo za uživanje.
Koncept biološkega cikla V. A. Kovde vključuje vsoto cikličnih procesov metabolizma in energije med okoljem in celoto rastlinskih in živalskih organizmov. Če sledite verigi zaporednih transformacij in selitev posameznih elementov, vključenih v izmenjavo med habitatom, zlasti tlemi, in živimi organizmi, lahko na primer z uporabo izotopske oznake ugotovite, da je celoten transformacijsko-migracijski cikel elementa v vseh tleh in na vseh stopnjah njenega delovanja vključuje tako biološke kot abiotske procese preoblikovanja in gibanja snovi. Na primer, v obdobju med vrnitvijo elementa na površino tal z gozdno steljo in njegovo kasnejšo absorpcijo s koreninami rastlin, lahko migrira vzdolž profila tal. Hkrati intenzivnost in smer tega procesa ne bosta določali le biota, temveč tudi podnebni dejavniki, vodnofizikalne, sorpcijske in druge lastnosti tal.
Ker so vključeni v biološki cikel, vstopajo v človeško telo z rastlinsko in živalsko hrano in, ko se kopičijo v njej, povzročajo radioaktivno sevanje.
Nasprotno, biološki cikel snovi poteka v mejah naseljene biosfere in uteleša edinstvene lastnosti žive snovi planeta. Kot del velikega majhnega cikla se izvaja na ravni biogeocenoze, sestoji iz dejstva, da se hranila v tleh, voda, ogljik kopičijo v snovi rastlin, porabijo za izgradnjo telesa in življenjskih procesov tako sebe kot organizmov. - potrošniki. Produkti razgradnje organske snovi s pomočjo talne mikroflore in mezofavne (bakterije, glive, mehkužci, črvi, žuželke, praživali itd.) se ponovno razgradijo na mineralne sestavine, ki so spet dostopne rastlinam in jih zato ponovno vključijo v pretok snovi. .
12.1. Koncept biološkega kroženja
Biološki cikel je cikel kemičnih elementov in snovi, ki so nastali sočasno s pojavom življenja na Zemlji, ki ga izvaja vitalna aktivnost organizmov. V biosferi ima posebno vlogo. Ob tej priložnosti je N. V. Timofeev-Resovski zapisal: "V biosferi obstaja ogromen, večen, nenehno delujoč biološki cikel, številne snovi, številne oblike energije nenehno krožijo v tem velikem ciklu biosfere" (M. M. Kamshilov). , 1974; V. A. Vronski, 1997). Zakoni biološkega cikla rešujejo problem dolgoročnosti obstoja in razvoja življenja. Na telesu omejene prostornine, kot je Zemlja, zaloge razpoložljivih mineralnih elementov, potrebnih za izvajanje funkcije življenja, ne morejo biti neskončne. Če bi jih samo porabili, bi se življenje prej ali slej moralo končati. "Edini način, da omejeni količini damo lastnost neskončnosti," piše W. R. Williams, "je, da se vrti po zaprti krivulji." Življenje je uporabilo točno to metodo. »Zelene rastline ustvarjajo organsko snov, nezelene pa jo uničujejo. Iz mineralnih spojin, pridobljenih z razgradnjo organskih snovi, nove zelene rastline gradijo nove organske snovi in tako naprej v nedogled.« Upoštevajoč to, vsaka vrsta organizma predstavlja člen v biološkem ciklu. Z uporabo teles ali razpadnih produktov nekaterih organizmov kot sredstva za preživetje mora dati v okolje nekaj, kar lahko drugi uporabijo. Posebej pomembna je vloga mikroorganizmov. Z mineralizacijo organskih ostankov živali in rastlin jih mikroorganizmi pretvorijo v "enotno valuto" - mineralne soli in enostavne organske spojine, kot so biogeni stimulansi, ki jih zelene rastline spet uporabljajo pri sintezi nove organske snovi. Eden glavnih paradoksov življenja je, da njegovo kontinuiteto zagotavljajo procesi propadanja in uničenja. Kompleksne organske spojine se uničijo, sprosti se energija in izgubi se zaloga informacij, značilna za kompleksno organizirana živa telesa. Zaradi delovanja destruktorjev, predvsem mikroorganizmov, bo vsaka oblika življenja neizogibno vključena v biološki cikel. Zato se z njihovo pomočjo izvaja naravna samoregulacija biosfere. Dve lastnosti omogočata, da imajo mikroorganizmi tako pomembno vlogo: sposobnost relativno hitrega prilagajanja različnim razmeram in sposobnost uporabe najrazličnejših substratov kot vira ogljika in energije. Višji organizmi nimajo takih sposobnosti. Zato lahko obstajajo le kot nekakšna nadgradnja na trdnem temelju mikroorganizmov. Biološki cikel, ki temelji na interakciji sinteze in uničenja organske snovi, je ena najpomembnejših oblik organizacije življenja na planetarni ravni. Samo on zagotavlja kontinuiteto življenja in njegov progresivni razvoj.
Posamezniki in vrste organizmov različnih sistematskih skupin delujejo kot členi v biološkem ciklu, ki medsebojno neposredno in posredno vplivajo na številne in večstranske neposredne in povratne povezave. Zdi se, da je tudi biološki cikel planeta kompleksen sistem zasebnih ciklov – ekoloških sistemov, ki so med seboj povezani z različnimi oblikami interakcij.
Biološki krog poteka predvsem preko trofičnih (prehranjevalnih) verig (slika 12.1).
Glede na pomembno vlogo rastlin in živali v njem je pretok hranil, kot so dušik, fosfor, žveplo, skozi populacije mikroorganizmov v ciklu približno za red velikosti večji kot skozi populacije rastlin in živali. Pomemben pokazatelj intenzivnosti biološkega cikla je hitrost kroženja kemičnih elementov. Kot pokazatelj te intenzivnosti lahko uporabimo hitrost kopičenja in razgradnje odmrle organske snovi, ki je posledica letnega odpadanja listov in odmiranja organizmov.
Razmerje, na primer, med maso stelje in tistim delom stelje, ki jo tvori, služi kot pokazatelj hitrosti razgradnje stelje in sproščanja kemičnih elementov. Višji kot je ta indeks, manjša je intenzivnost biološkega cikla v določenem ekosistemu. Za najvišjo vrednost indeksa (več kot 50) so značilni močvirni gozdovi in tundra. V gozdovih temnih iglavcev je indeks 10–17, v gozdovih širokega lista – 3–4, v stepah – 1,0–1,5, v savanah – ne več kot 0,2. V tropskih deževnih gozdovih se rastlinski ostanki praktično ne kopičijo (indeks ni večji od 0,1). Zato je tukaj biološki cikel najbolj intenziven.
Imel sem priložnost brati literaturo, ki je opisovala »moden trend« v znanosti 16.–17. stoletja - ustvarjanje večnega giba. Te sanje so ostale neuresničljive, a ideja je bila po mojem mnenju prepisana iz narave. Kroženje živih in neživih stvari se nenehno dogaja. Nekdo bo rekel, da bo Zemlja čez milijarde let izginila, jaz pa bi nasprotoval, saj bo iz ostankov naše galaksije nastala nova. Naše vesolje je večni gibalnik.
Kaj je bistvo biološkega kroženja snovi
Obstajata dve vrsti ciklov, ki se nenehno pojavljata na Zemlji: biotski in abiotski.
Snovi same po sebi niso žive in enakomerno sodelujejo v obeh ciklih, a takoj, ko se znajdejo v živem organizmu, se lahko šteje za udeleženca biološkega cikla.
Elementi, vključeni v biološki cikel:
- minerali;
- plini;
- vodo.
Paleta snovi je zelo široka. Konvencionalno jih lahko razdelimo na tiste, ki so bistvenega pomena za organizme (voda, kisik, dušik, ogljikov dioksid) in tiste, ki povzročajo škodo živim bitjem.
Proces kroženja snovi
Ne glede na to, ali je škodljiva ali koristna, vsaka snov enkrat pride v telo in ga nekega dne zapusti.
V primeru vode kroženje poteka nenehno. Na primer, človeško telo izloči približno 6 litrov na dan, vendar zaradi nenehnega dopolnjevanja zalog vode ne shujšamo. Po izhlapevanju iz telesa molekule vode hitijo v oblake, padajo kot dež, vstopijo v vodni vir in končajo nazaj v telesu.
Po podobnem principu minerali in plini prehajajo skozi vsak živ organizem.
Kroženje zraka poteka najbolj intenzivno: na dan oseba vdihne 13 tisoč litrov zraka, ki vsebuje 20% kisika, ki se ob izdihu pretvori v ogljikov dioksid. Zahvaljujoč rastlinam pa v naravi ni presežka ogljikovega dioksida, temveč ga uporabljajo med fotosintezo.
Nekatere snovi se kopičijo v telesu in se izločijo šele po smrti; Primeri takih snovi vključujejo rakotvorne snovi, ki jih vdihavajo kadilci.
