Su döngüsü. Su döngüsünün ekonomik bağlantısı

Biyosferdeki maddelerin döngüsü, maddelerin eklem, birbirine bağlı dönüşümü ve hareketinin döngüsel, tekrar tekrar tekrarlanan bir sürecidir.

Bir madde döngüsünün varlığı, biyosferin varlığı için gerekli bir koşuldur. Maddelerin bazı organizmalar tarafından kullanıldıktan sonra diğer organizmaların erişebileceği bir forma dönüştürülmesi gerekir. Maddelerin bir bağlantıdan diğerine böyle bir geçişi enerji harcamasını gerektirir, bu nedenle bu ancak güneş enerjisinin katılımıyla mümkündür. Güneş enerjisinin kullanılmasıyla gezegende birbirine bağlı iki madde döngüsü meydana gelir: büyük - jeolojik ve küçük - biyolojik (biyotik). Maddelerin jeolojik döngüsü

- abiyotik faktörlerin etkisi altında gerçekleştirilen maddelerin göç süreci: hava koşulları, erozyon, su hareketi vb. Canlı organizmalar buna katılmaz. Gezegende canlı maddenin ortaya çıkmasıyla birlikte, biyolojik (biyotik) döngü

Organik maddenin içerdiği enerji, besin zincirleri boyunca ilerledikçe azalır. Çoğu, çevreye ısı şeklinde dağılır veya organizmaların hayati süreçlerini sürdürmek için harcanır. Örneğin hayvanların ve bitkilerin solunumu, bitkilerde maddelerin taşınması ve ayrıca canlı organizmaların biyosentez süreçleri. Ayrıca ayrıştırıcıların aktivitesi sonucu oluşan biyojenler organizmaların kullanabileceği enerjiyi içermez. Bu durumda sadece biyosferdeki enerji akışından bahsedebiliriz, döngüden söz edemeyiz. Bu nedenle biyosferin sürdürülebilir varlığının koşulu, biyojeosinozlarda maddelerin sürekli dolaşımı ve enerji akışıdır.

Jeolojik ve biyolojik döngüler birlikte, nitrojen, su, karbon ve oksijen döngülerine dayanan maddelerin genel biyojeokimyasal döngüsünü oluşturur.

Azot döngüsü

Azot biyosferdeki en yaygın elementlerden biridir. Biyosfer nitrojeninin büyük kısmı atmosferde gaz halinde bulunur. Kimya dersinden bildiğiniz gibi moleküler nitrojendeki (N 2) atomlar arasındaki kimyasal bağlar çok güçlüdür. Bu nedenle çoğu canlı organizma onu doğrudan kullanamaz. Dolayısıyla nitrojen döngüsündeki önemli bir aşama, onun sabitlenmesi ve organizmaların erişebileceği bir forma dönüştürülmesidir. Azot fiksasyonunun üç yolu vardır.

atmosferik sabitleme. Atmosferdeki elektrik deşarjlarının (yıldırım) etkisi altında nitrojen, oksijenle reaksiyona girerek nitrojen oksit (NO) ve dioksit (NO2) oluşturabilir. Nitrik oksit (NO), oksijen tarafından çok hızlı bir şekilde oksitlenir ve nitrojen dioksite dönüştürülür. Azot dioksit su buharında çözünür ve çökelmeyle nitröz (HNO 2) ve nitrik (HNO 3) asitler halinde toprağa girer. Toprakta bu asitlerin ayrışması sonucu nitrit (NO 2 –) ve nitrat iyonları (NO 3 –) oluşur. Nitrit ve nitrat iyonları bitkiler tarafından zaten emilebilmekte ve biyolojik döngüye dahil edilebilmektedir. Atmosferdeki nitrojen fiksasyonu yılda yaklaşık 10 milyon ton nitrojene karşılık gelir; bu, biyosferdeki yıllık nitrojen fiksasyonunun yaklaşık %3'üdür.

Biyolojik fiksasyon. Azotu bitkilerin erişebileceği formlara dönüştüren azot sabitleyici bakteriler tarafından gerçekleştirilir. Mikroorganizmalar sayesinde nitrojenin yaklaşık yarısı bağlanır. En iyi bilinen bakteriler baklagillerin nodüllerindeki nitrojeni sabitleyen bakterilerdir. Bitkilere amonyak (NH3) formunda azot sağlarlar. Amonyak, bitkiler tarafından emilen amonyum iyonunu (NH4 +) oluşturmak için suda oldukça çözünür. Bu nedenle baklagiller, ekim rotasyonunda kültür bitkilerinin en iyi öncülleridir. Hayvanların ve bitkilerin ölümü ve kalıntılarının ayrışmasından sonra toprak, organik ve mineral azot bileşikleriyle zenginleşir. Daha sonra, paslandırıcı (amonifiye edici) bakteriler, bitki ve hayvanların nitrojen içeren maddelerini (proteinler, üre, nükleik asitler) amonyağa parçalar. Bu süreç denir amonifikasyon. Amonyağın çoğu daha sonra nitrifikasyon bakterileri tarafından tekrar bitkiler tarafından kullanılan nitritlere ve nitratlara oksitlenir. Azot, bir grup denitrifikasyon bakterisi tarafından gerçekleştirilen denitrifikasyon yoluyla atmosfere geri döndürülür. Sonuç olarak nitrojen bileşikleri moleküler nitrojene indirgenir. Nitrat ve amonyum formundaki nitrojenin bir kısmı yüzey akışıyla su ekosistemlerine girer. Burada nitrojen suda yaşayan organizmalar tarafından emilir veya dipteki organik çökeltilere girer.

Endüstriyel sabitleme. Mineral azotlu gübrelerin üretimi sırasında her yıl endüstriyel olarak büyük miktarda azot sabitlenir. Bu tür gübrelerden gelen azot, bitkiler tarafından amonyum ve nitrat formlarında emilir. Belarus'ta üretilen azotlu gübrelerin hacmi şu anda yılda yaklaşık 900 bin tondur. En büyük üretici OJSC GrodnoAzot'tur. Bu işletme üre, amonyum nitrat, amonyum sülfat ve diğer azotlu gübreler üretmektedir.

Yapay olarak uygulanan azotun yaklaşık 1/10'u bitkiler tarafından kullanılır. Geri kalanı ise yüzey akışı ve yeraltı suyuyla birlikte su ekosistemlerine gidiyor. Bu, fitoplankton tarafından emilebilen büyük miktarlarda nitrojen bileşiklerinin suda birikmesine yol açar. Sonuç olarak alglerin hızla çoğalması (ötrofikasyon) ve bunun sonucunda su ekosistemlerinde ölüm mümkündür.

Su döngüsü

Su biyosferin ana bileşenidir. Döngü sırasında hemen hemen tüm elementlerin çözünmesi için bir ortamdır. Biyosferdeki suyun çoğu, sıvı su ve sonsuz buzdan gelen suyla temsil edilir (biyosferdeki tüm su rezervlerinin %99'undan fazlası). Suyun küçük bir kısmı gaz halindedir - bu atmosferik su buharıdır. Biyosfer su döngüsü, Dünya yüzeyinden buharlaşmasının yağışla telafi edilmesi gerçeğine dayanmaktadır. Su yağış şeklinde kara yüzeyine ulaştığında kayaların tahrip olmasına katkıda bulunur. Bu, onları canlı organizmaların kullanımına sunan mineralleri sağlar. Jeolojik döngüsünü belirleyen, gezegenin yüzeyinden suyun buharlaşmasıdır. Gelen güneş enerjisinin yaklaşık yarısını tüketir. Suyun deniz ve okyanus yüzeyinden buharlaşması, yağışla geri dönüşünden daha hızlı gerçekleşir. Kıtalarda yağışın buharlaşmaya üstün gelmesi nedeniyle bu fark yüzey ve derin akışla telafi edilir.

Karadaki suyun buharlaşma yoğunluğunun artması büyük ölçüde bitkilerin yaşamsal aktivitesinden kaynaklanmaktadır. Bitkiler topraktan suyu çeker ve onu aktif olarak atmosfere aktarır. Bitki hücrelerindeki suyun bir kısmı fotosentez sırasında parçalanır. Bu durumda hidrojen organik bileşikler halinde sabitlenir ve oksijen atmosfere salınır.

Hayvanlar suyu vücuttaki ozmotik ve tuz dengesini korumak için kullanır ve onu metabolik ürünlerle birlikte dış ortama salarlar.

Karbon döngüsü

Kimyasal bir element olan karbon, atmosferde karbondioksit halinde bulunur. Bu, canlı organizmaların Dünya gezegenindeki bu elementin döngüsüne zorunlu katılımını belirler. Karbonun inorganik bileşiklerden temel bir kimyasal element olduğu organik maddeye geçişinin ana yolu fotosentez sürecidir. Karbonun bir kısmı, canlı organizmaların solunumu sırasında ve ölü organik maddelerin bakteriler tarafından parçalanması sırasında karbondioksit olarak atmosfere salınır. Bitkiler tarafından emilen karbon hayvanlar tarafından tüketilir. Ayrıca mercan polipleri ve yumuşakçalar, iskelet yapıları ve kabukları oluşturmak için karbon bileşiklerini kullanır. Ölüp yerleştikten sonra dipte kireçtaşı birikintileri oluşur. Böylece karbon döngünün dışında tutulabilir. Karbonun döngüden uzun süre uzaklaştırılması minerallerin oluşumuyla sağlanır: kömür, petrol, turba.

Gezegenimizin varlığı boyunca döngüden çıkan karbon, volkanik patlamalar ve diğer doğal süreçler sırasında atmosfere giren karbondioksit ile telafi edildi. Şu anda, atmosferdeki karbon yenilenmesinin doğal süreçlerine önemli antropojenik etki de eklenmiştir. Örneğin hidrokarbon yakıtları yakarken. Bu da Dünya üzerinde yüzyıllardır düzenlenen karbon döngüsünü bozuyor.

Karbondioksit konsantrasyonunda yüzyıl boyunca sadece %0,01'lik bir artış, sera etkisinin gözle görülür bir şekilde ortaya çıkmasına yol açmıştır. Gezegendeki ortalama yıllık sıcaklık 0,5 °C arttı ve Dünya Okyanusunun seviyesi neredeyse 15 cm yükseldi. Bilim adamlarına göre, yıllık ortalama sıcaklık 3-4 °C daha artarsa, sonsuz buz erimeye başlayacak. eritmek. Aynı zamanda Dünya Okyanusu'nun seviyesi 50-60 cm yükselecek ve bu da karanın önemli bir kısmının sular altında kalmasına yol açacak. Bu, küresel bir çevre felaketi olarak kabul ediliyor çünkü Dünya nüfusunun yaklaşık %40'ı bu bölgelerde yaşıyor.

Oksijen döngüsü

Biyosferin işleyişinde oksijen, canlı organizmaların metabolik süreçlerinde ve solunumunda son derece önemli bir rol oynar. Solunum, yakıtın yanması ve çürüme işlemleri sonucunda atmosferdeki oksijen miktarındaki azalma, bitkilerin fotosentez sırasında açığa çıkardığı oksijenle telafi edilir.

Oksijen, soğudukça Dünya'nın birincil atmosferinde oluştu. Yüksek reaktivitesi nedeniyle gaz halinden çeşitli inorganik bileşiklerin (karbonatlar, sülfatlar, demir oksitler vb.) bileşimine geçmiştir. Gezegenin bugünkü oksijen içeren atmosferi, yalnızca canlı organizmalar tarafından gerçekleştirilen fotosentez nedeniyle oluşmuştur. Atmosferdeki oksijen içeriği uzun süredir mevcut seviyelere yükseliyor. Miktarını sabit bir seviyede tutmak şu anda ancak fotosentetik organizmalar sayesinde mümkün.

Maalesef son yıllarda ormansızlaşmaya ve toprak erozyonuna yol açan insan faaliyetleri fotosentezin yoğunluğunu azalttı. Bu da Dünya'nın geniş alanlarındaki oksijen döngüsünün doğal seyrini bozuyor.

Güneşten gelen ultraviyole radyasyonun etkisi altında ozon perdesinin oluşumunda ve yok edilmesinde atmosferik oksijenin küçük bir kısmı rol oynar.

Maddelerin biyojenik döngüsünün temeli güneş enerjisidir. Biyosferin sürdürülebilir varlığının temel koşulu, biyojeosinozlarda maddelerin sürekli dolaşımı ve enerji akışıdır. Azot, karbon ve oksijen döngülerinde ana rol canlı organizmalara aittir. Biyosferdeki küresel su döngüsünün temeli fiziksel süreçlerle sağlanmaktadır.

Küresel ölçekte, su ve karbondioksitin biyokimyasal döngüleri bizce insanlık için en önemli döngülerdir. Biyokimyasal döngüler, atmosferdeki küçük ama hareketli fonların varlığıyla karakterize edilir.

Döngüdeki atmosferik CO2 havuzu, okyanuslardaki, fosil yakıtlardaki ve yer kabuğunun diğer rezervuarlarındaki karbon rezervleriyle karşılaştırıldığında nispeten küçüktür.

Bilimsel ve teknolojik ilerlemelerin gelişmesiyle birlikte atmosfer, kıtalar ve okyanuslar arasında önceden dengelenmiş olan karbon akışı, bitkiler tarafından tam olarak absorbe edilemeyecek miktarlarda atmosfere girmeye başlıyor.

İnsan faaliyetinin atmosferin CO2 ile zenginleştirilmesi üzerindeki etkisine ilişkin farklı tahminler vardır, ancak orman biyokütlesi 1,5 kat daha fazla ve toprakta bulunan humus 4 kat daha fazla içerdiğinden tüm yazarlar ana karbon akümülatörlerinin ormanlar olduğu konusunda hemfikirdir. CO 2 atmosferdekinden daha fazladır.

Bitkiler atmosferdeki CO2 içeriğinin iyi bir düzenleyicisidir. Çoğu bitki, havadaki karbondioksit içeriğinin artmasıyla birlikte fotosentez yoğunluğunun artmasıyla karakterize edilir.

Dünyanın fotosentetik "yeşil kuşağı" ve denizin karbonat sistemi, atmosferdeki CO2 düzeyini sabit tutar. Ancak fosil yakıt tüketiminin hızla artması ve “yeşil kuşak”ın emme kapasitesinin azalması, atmosferdeki CO2 içeriğinin giderek artmasına yol açmaktadır. Atmosferdeki CO2 seviyesinin iki katına çıkması durumunda (çevre üzerinde aktif insan etkisinin başlamasından önce bu% 0,29 idi), o zaman küresel sıcaklıkta 1,5 - 4,5 ° C'lik bir artışın mümkün olduğu varsayılmaktadır. Bu, buzulların erimesine ve bunun sonucunda Dünya Okyanus seviyesinin yükselmesine ve ayrıca tarımda olumsuz sonuçlara yol açabilir. Şu anda Amerika Birleşik Devletleri'nin iklimin ısınması veya soğuması durumunda tarımsal yönetime ilişkin ulusal bir araştırma programı vardır.

CO 2'ye ek olarak, atmosferde küçük miktarlarda karbon monoksit CO bulunur - milyonda 0,1 parça ve metan CH 4 - milyonda 1,6 parça. Bu karbon bileşikleri döngüye aktif olarak dahil edilir ve bu nedenle atmosferde kısa kalma süresine sahiptir: CO - yaklaşık 0,1 yıl, CH 4 - 3,6 yıl ve CO 2 - 4 yıl. Karbon monoksit ve metan, organik maddenin eksik veya aerobik ayrışması sırasında oluşur ve atmosferde CO2'ye oksitlenir.

Küresel ölçekte CO birikimi gerçek gibi görünmüyor ancak havanın durgunlaştığı şehirlerde bu bileşiğin konsantrasyonunda artış yaşanıyor ve bu da insanların sağlığını olumsuz etkiliyor.

Metan, bataklık alanlarda ve sığ denizlerde organik maddenin ayrışması sonucu üretilir. Bazı bilim adamlarına göre metan yararlı bir işlev görüyor - Dünyadaki tüm yaşamı ultraviyole radyasyonun zararlı etkilerinden koruyan ozon tabakasının dengesini koruyor.

Atmosferdeki su havuzu Şekil 11'de görüldüğü gibi küçük olup, devir hızı daha yüksek ve kalma süresi CO 2'ye göre daha kısadır. CO 2 döngüsü gibi insan faaliyetleri de su döngüsünü etkiler.

Enerji açısından bakıldığında, CO2 döngüsünün iki kısmı ayırt edilebilir: Güneş tarafından yönlendirilen "üst" kısım ve enerjinin açığa çıktığı "alt" kısım. Daha önce de belirtildiği gibi, Dünya yüzeyine gelen toplam güneş enerjisinin yaklaşık %30'u su döngüsünü harekete geçirmek için harcanıyor.

Ekolojik açıdan su döngüsünün iki yönüne özel dikkat gösterilmelidir. Birincisi, deniz, yağış yoluyla aldığından daha fazla suyu buharlaşma yoluyla kaybeder; yani, tarımsal ekosistemler de dahil olmak üzere kara ekosistemlerini destekleyen yağışın önemli bir kısmı, deniz yüzeyinden buharlaşan sudan oluşur. İkincisi, insan faaliyetinin bir sonucu olarak yüzey akışı artar ve yeraltı suyunun yenilenmesi azalır. Geçtiğimiz yüzyılda biriken yeraltı sularının kullanıldığı alanlar zaten mevcut. Dolayısıyla bu durumda su yenilenemeyen bir kaynaktır. Yeraltı suyu tükendikten sonra başka bölgelerden teslim edilecek ve bu da ek enerji yatırımı gerektirecektir.

Azot döngüsü

Azot da karbon gibi atmosferik havanın bir parçasıdır ve içinde moleküller (Mg) formunda bulunur.

Organizmaların yaşamında önemli bir rol oynar. Oksijen gibi nitrojen de hayvanların solunumu için gereklidir. Azot, başta protein olmak üzere birçok organik bileşiğin bir parçasıdır. Bir protein molekülünde karbon ile güçlü amid bağları oluşturur veya amin (-NH3) veya amid (-NH2) grupları formunda bulunan hidrojen ile birleşir.

Amit (peptit) bağlarının (C - N bağları) oluşumu, Dünya'daki tüm yaşamın özünü oluşturan protein moleküllerinin ve peptitlerin sentezinin ana mekanizmasıdır.

Azot döngüsünü yansıtan bir diyagram Şekil 2'de gösterilmektedir. 6.

Pirinç. 6. Azot döngüsünün şeması. Ana aşamalar vurgulanmış ve ana akışlarda yer alan nitrojen miktarına ilişkin tahminler verilmiştir. Parantez içindeki sayılar yıllık teragramlardır (Tg = 10 6 t) (Yu. Odum'a göre, 1986)

Ototroflar için nitrojen kaynağı, nitratların (nitrik asit HNO3 tuzları) yanı sıra atmosferik moleküler nitrojendir. Nitrat azotu, bitkilerin kök sisteminden, yollardan yapraklara geçer ve burada bitki proteininin sentezi için kullanılır.

Azotun organizmalara girmesinin ikinci yolu, atmosferden doğrudan azot bağlanmasıdır. Bu fenomen tamamen benzersizdir ve prokaryotların (nükleer içermeyen mikroorganizmalar) karakteristik özelliğidir. 1950'den önce atmosferik nitrojeni sabitleyebilen yalnızca üç mikroorganizma türü biliniyordu:

· Azotobacter ve Clostridium cinslerinin serbest yaşayan bakterileri;

· Rhizobium cinsinin simbiyotik nodül bakterileri;

· Anabaena, Nostoc cinsinin mavi-yeşil algleri (siyanobakteriler) ve ayrıca Nostocales takımının diğer üyeleri.

Daha sonra atmosferdeki nitrojeni sabitleyebilen diğer organizma türleri keşfedildi: Rhodospirillum cinsinin mor bakterileri, ayrıca Pseudomonas'a yakın toprak bakterileri, kızılağaç kökü nodüllerinden aktinomisetler (Ainus, Ceanothus, Myrica ve diğerleri). Ayrıca Anabaena cinsinin mavi-yeşil alglerinin (bu alglerin heterotrofik beslenme yeteneğine sahip olduğu ve bakteri olarak sınıflandırılmalarına izin veren diğer özelliklere sahip olduğu vurgulanmalıdır) mantarların, yosunların, eğrelti otlarının ve hatta tohumlu bitkiler ve nitrojen fiksasyonu yeteneği her iki katılımcı için de faydalıdır. Bu şaşırtıcı yetenek, pirinç ve baklagillerin aynı tarlada nitrojenli gübrelere ihtiyaç duymadan birkaç yıl boyunca yetiştirilebilmesinin nedenidir.

Atmosferdeki nitrojenin doğrudan sabitlenmesinin biyokimyasal mekanizması, nitrojen molekülünün (N2) bölünmesini katalize eden nitrojenaz enziminin katılımıyla gerçekleştirilir. Bu işlem, nitrojen molekülündeki üçlü bağı kırmak için önemli miktarda enerji harcaması gerektirir. Reaksiyon, bir su molekülünün katılımıyla meydana gelir ve bunun sonucunda, örneğin baklagil nodüllerinde amonyak (NH3) oluşur. 1 g nitrojeni sabitlemek için bakteriler, fotosentez sırasında sentezlenen yaklaşık 10 g glikoz (yaklaşık 40 kcal) harcar, yani verimlilik yalnızca% 10'dur.

Bu örnek aynı zamanda hayatta kalmayı destekleyen bir “işbirliği” stratejisi olarak ortakyaşamın faydalarını da göstermektedir. Nitrojen sabitleyen mikroorganizmalarla simbiyoz kullanarak gübre kullanmadan iyi verim üretecek tarımsal ürün çeşitleri geliştirmenin umut verici olduğu fikrine varmak zor değil.

Bitkilerde trofik zincirler yoluyla oluşan azot içeren organik bileşikler, bitkiler öldükten sonra heterotrofların (hayvanların) vücuduna ve ayrıca toprağa girer. Toprakta saprofajların katılımıyla ayrışmaya uğrarlar, mineralize edilirler ve daha sonra diğer bitkiler tarafından kullanılırlar. Ayrışmadaki son halka, amonyak (NH3) oluşturan amonyaklaştırıcı organizmalardır. Amonyak nitrifikasyon reaksiyonlarında, yani nitritlerin oluşumunda ve bunların nitratlara dönüştürülmesinde rol oynar. Böylece topraktaki azot döngüsü sürekli olarak korunur.

Aynı zamanda, nitrojenin bir kısmı, nitratları moleküler nitrojene (N2) ayrıştıran denitrifikasyon bakterilerinin aktivitesi nedeniyle atmosfere geri döner. Bakteriyel denitrifikasyon sonucunda 1 hektar topraktan yılda 50 - 60 kg'a kadar azot buharlaşır.

Azot döngüsünün askıya alınması, derin okyanus çökeltilerinde birikmesi nedeniyle meydana gelebilir. Bu durumda nitrojen birkaç milyon yıl boyunca döngüden çıkarılır. Kayıplar, volkanik patlamalar sırasında nitrojen gazı temini ile telafi edilir. Yu.Odum, volkanik patlamaların bu anlamda faydalı olduğuna inanıyor ve eğer "Dünyadaki tüm volkanlar tıkanırsa, o zaman şu anda patlamalardan muzdarip olandan daha fazla insan açlıktan ölebilir" (Odum Yu. Ekoloji. M.: Mir, 1986). .T.1.S.209).

Azot döngüsü, iyi tamponlanmış bir gaz döngüsünün bir örneğidir. Organizma sayısını sınırlayan veya kontrol eden önemli bir faktördür.

Azot döngüsü yeterince ayrıntılı olarak incelenmiştir. Özellikle biyosferde her yıl emilen 109 ton nitrojenin yaklaşık %80'inin topraktan ve sudan döngüye geri döndüğü ve gerekli miktarın sadece %20'sinin topraktan gelen "yeni" nitrojen olduğu bilinmektedir. yağmur ve nitrojen fiksasyonu sonucu atmosfer. Buna karşılık tarlalara gübre yoluyla sağlanan nitrojenin çok az bir kısmı yeniden kullanılıyor; suyun uzaklaştırılması ve denitrifikasyonun bir sonucu olarak hasat sırasında çoğunluk kaybolur.

Fosfor döngüsü

Fosfor ayrıca canlı organizmaların beslenmesi için gerekli bir elementtir ve bitkilerin büyüme ve gelişmesinde hayati bir rol oynar.

Fosforun deposu, nitrojenden farklı olarak atmosfer değil, geçmiş jeolojik çağlarda oluşan kayalar ve diğer çökeltilerdir. Mineral fosfor birçok kayada bulunur. Erozyon sırasında hidrosfere girer, sığ sularda çökelti olarak çökelir ve kısmen derin deniz siltlerinde çökelir.

Hayvanlarda organik bileşikler formundaki fosfor (özellikle proteinlerle birlikte) kemiklerin ve diğer dokuların bir parçasıdır. Ayrıca adenozin trifosforik ve adenozin difosforik asitler formunda hücrelerin enerji depolama süreçlerinde de rol oynar.

Ölü organizmaların ayrışması ve organik bileşiklerin mineralizasyonunun bir sonucu olarak, fosfat formundaki fosfor (ortofosforik asit tuzları) bitkiler tarafından tekrar kullanılır ve böylece tekrar döngüye dahil olur.

Fosforun döngüden uzaklaştırılması, dip çökeltilerde birikmesi nedeniyle meydana gelir. Fosfor döngüsü, çevre üzerindeki antropojenik etki nedeniyle yetersiz "tamponlama" ve bozulmuş kendi kendini düzenleme mekanizmalarına sahip basit bir tortul döngü örneğidir. Fosforu döngüye geri döndürme mekanizmalarının yetersiz olduğu ve teknogenezle ilişkili kayıpları telafi etmediği yönünde bir görüş var.

Balıkçılık ve kuş avcılığı gibi insan faaliyetleri fosfor dengesinde dengesizliğe yol açmaktadır. J. Hutchinson'a göre, balıkçılık sonucunda yalnızca 60.000 ton kadar elementel fosfor karaya geri dönüyor (Alıntı: Odum Yu. Ecology. M.: Mir, 1986. Cilt. 1). Gübre amaçlı yılda 1-2 milyon ton fosfor içeren kaya çıkarılıyor. Üstelik bu miktarın büyük bir kısmı su ile yıkanarak dolaşımdan uzaklaştırılır.

Şu anda, su ekosistemlerindeki fosfat konsantrasyonunun artması, bunun da aşırı büyümesine, ekosistemlerin bozulmasına ve sonuçta ölümlerine yol açması konusunda endişeler bulunmaktadır.

Fosfor, tarım teknolojisinde toprak verimliliğini ve mahsul verimini arttırmak için fosfor (mineral) gübreler şeklinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Böylece mineral fosfor, çözünmüş fosfatların tarımsal atık sularla uzaklaştırılması ve fosforlu gübrelerin kullanıldığı alanlardan akıntının yanı sıra belediye ve endüstriyel atık suların deşarjı nedeniyle su ve kara ekosistemlerine girer.

J. Hutchinson'a göre, küçük göllerin (0,3 - 0,4 km2 alan ve 6 - 7 m derinlik) suyundaki fosforun dönüşüm süresi 5,4 - 7,6 gündür ve büyük göllerin (alan 2 km2, derinlik yaklaşık 4 m) ) - 17 gün. Dip çökeltilerinde devir süresi çok daha uzundur ve sırasıyla yaklaşık 40 ve 176 gündür. Göstergenin değerindeki fark, küçük göllerde dip çökelti yüzeyinin su hacmine oranının daha fazla olmasıyla açıklanmaktadır. Bu nedenle, fosfor büyük fakat derin olmayan su kütlelerinde biriktirilir ve bu da aşırı büyümelerine karşı mücadeleyi büyük ölçüde zorlaştırır.

Hidrobiyontlar kendi kendini temizlemede büyük rol oynar. Böylece filtreyle beslenen hayvanlar ve detritivorlar fosfor döngüsüne önemli katkı sağlar. Örneğin, filtreyle beslenen çift kabuklu yumuşakçalar Modiolus demissus popülasyonu, suda bulunan "askıda" fosfor kadar sudan 2,5 gün içinde "geri döner", yani "askıda" fosforun dönüşüm süresi yalnızca 2,5 gündür ( Odum Yu. Ekoloji. M.: Mir, 1986. T. 1. S. 219).

Aynı zamanda, daha önce de belirtildiği gibi, fosfor bitkiler için hayati öneme sahiptir ve trofik zincirlerde yer alan bitki ve diğer organizmaların sayısını sınırlayan faktörlerden biridir.

Kükürt döngüsü

Kükürt döngüsü diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. 8.

Mineral kükürt, kayalardaki kükürt ve bakır piritlerin doğal ayrışması sonucu toprağa girer. Yağışlarla taşınarak kara ve su ekosistemlerine karışır.

Kükürt döngüsü, toprakta ve çökeltilerde geniş bir rezerv fonu ve atmosferde daha küçük bir rezerv ile karakterize edilir.

Hızla değişen kükürt havuzunda, özel mikroorganizma grupları (sülfatı oksitleyen ve sülfat indirgeyen) önemli bir rol oynar.

Kükürt proteinlerin bir bileşenidir ve bir dizi amino asidin parçasıdır: sistin, sistein, metiyonin. Bu amino asitler bitkiler tarafından kükürt minerali kullanılarak sentezlenir. Kükürt, bitkisel besinlerle birlikte hayvanların vücuduna girer.

Pirinç. 8. Havayı, suyu ve toprağı kapsayan kükürt döngüsü.

Diyagramın ortasındaki "halka", mevcut sülfat havuzu (SO4) ile toprak ve çökeltilerdeki demir sülfür havuzu arasında kükürt değişimine bağlı olarak oksidasyon (O) ve indirgeme (R) süreçlerini göstermektedir. . Özel mikroorganizmalar reaksiyonları gerçekleştirir: H 2 S ® S 2 ® SO 4 - renksiz, yeşil ve mor kükürt bakterileri; SO4®H2S (sülfatın anaerobik indirgenmesi) - Desulfovibrio; H2S®SO4 (aerobik sülfit oksidasyonu) - tiyobasil; SO4 ve H2S'deki organik S, sırasıyla aerobik ve anaerobik heterotrofik mikroorganizmalardır. Birincil üretim, elbette, sülfatın organik maddeye dahil edilmesini sağlar ve hayvanlar tarafından atılım, sülfatın döngüye geri döndürülmesinin bir aracı olarak hizmet eder. Fosil yakıtların, özellikle de kömürün yakılması sırasında atmosfere salınan kükürt dioksit (SO 2), endüstriyel emisyonların en tehlikeli bileşenlerinden biridir (Yu. Odum, 1986'ya göre).

6.1. Su döngüsü

Su döngüsü- Maddelerin abiyotik dolaşımının ana bileşenlerinden biri, suyun sıvıdan gaz ve katı hallere ve geriye geçişini içerir (Şekil 9). Diğer döngülerin tüm temel özelliklerine sahiptir - aynı zamanda tüm dünya ölçeğinde yaklaşık olarak dengelidir ve enerji tarafından yönlendirilir. Su döngüsü, kütle transferi ve enerji tüketimi açısından Dünya üzerindeki en önemli döngüdür. Her saniyede 16,5 milyon m3 su karışıyor ve buna 40 milyar MW'ın üzerinde güneş enerjisi harcanıyor.

Pirinç. 9. Doğadaki su döngüsü

Su döngüsünü sağlayan başlıca süreçler şunlardır: sızma, buharlaşma, akıntı:

1. Sızma - buharlaşma - terleme: su toprak tarafından emilir, kılcal su olarak tutulur ve daha sonra atmosfere geri döner, dünyanın yüzeyinden buharlaşır veya bitkiler tarafından emilir ve terleme sırasında buhar olarak salınır;

2. Yüzey ve yüzey altı akışı: Su, yüzey suyunun bir parçası haline gelir. Yeraltı suyu hareketi: Su, yüzey suyu sistemine yeniden girmeden önce kuyuları ve kaynakları besleyerek zemine girer ve hareket eder.

Böylece su döngüsü iki enerji yolu şeklinde temsil edilebilir: Üst yol (buharlaşma) güneş enerjisi tarafından yönlendirilir, alt yol (yağış) göllere, nehirlere, sulak alanlara, diğer ekosistemlere ve doğrudan insanlara enerji verir. örneğin hidroelektrik santrallerinde. İnsan faaliyetlerinin küresel su döngüsü üzerinde, havayı ve iklimi değiştirebilecek büyük bir etkisi vardır. Dünya yüzeyinin su geçirmez malzemelerle kaplanması, sulama sistemlerinin inşa edilmesi, ekilebilir alanların sıkıştırılması, ormanların yok edilmesi vb. sonucunda suyun okyanusa akışı artar ve yeraltı suyunun yenilenmesi azalır. Pek çok kuru alanda bu rezervuarlar insanlar tarafından dolmaktan daha hızlı bir şekilde dışarı pompalanıyor. Rusya'da su temini ve arazi sulama amacıyla 3.367 yeraltı suyu yatağı araştırıldı. Keşfedilen yatakların işletilebilir rezervleri 28,5 km3/yıldır. Rusya Federasyonu'nda bu rezervlerin gelişme derecesi %33'ten fazla değildir ve 1.610 mevduat faaliyettedir.

Döngünün özelliği, okyanustan buharlaşan suyun (yaklaşık 3,8 10 14 ton), yağışla geri dönen miktardan (yaklaşık 3,4 10 14 ton) fazla olmasıdır. Karada ise tam tersine, buharlaşandan (toplamda yaklaşık 0,6 10 14 ton) daha fazla yağış düşer (yaklaşık 1,0 10 14 ton). Okyanustan geri dönenden daha fazla su buharlaştığından, insan gıdası üreten tarımsal ekosistemler de dahil olmak üzere kara ekosistemleri tarafından kullanılan tortunun çoğu, denizden buharlaşan sudan oluşuyor. Karadaki fazla su göllere ve nehirlere, oradan da okyanuslara geri akıyor. Mevcut tahminlere göre tatlı su kütleleri (göller ve nehirler) 0,25 10 14 ton su içermektedir ve yıllık akış 0,2 10 14 tondur. Böylece tatlı suyun çevrim süresi yaklaşık bir yıldır. Yılda karaya düşen yağış miktarı (1,0 10 14 ton) ile yüzey akışı (0,2 10 14 ton) arasındaki fark 0,8 x 10 14 tondur ve buharlaşarak toprak altı akiferlerine girer. Yüzey akışı, yeraltı suyu rezervuarlarını kısmen yeniler ve kendisi de onlardan yenilenir.

Atmosferik yağış, nem dolaşımındaki ana bağlantıdır ve büyük ölçüde kara ekosistemlerinin hidrolojik rejimini belirler. Bölgedeki, özellikle dağlardaki dağılımları, atmosferik süreçlerin ve altta yatan yüzeyin özelliklerinden dolayı dengesizdir. Örneğin, Orta Sibirya'nın Putorana orman yetiştirme bölgesinin orman-tundra açık ormanları için yıllık yağış miktarı 617 mm, Aşağı Tunguska orman yetiştirme bölgesinin kuzey tayga ormanları için - 548 ve güney tayga için yıllık yağış miktarı 617 mm'dir. Angara bölgesi ormanlarında ise 465 mm'ye kadar düşmektedir (Tablo 2).

Tablo 2

Yenisey meridyeninin orman ekosistemlerinin buharlaşması

* – Vedrova ve diğerleri (Yenisey Meridian Orman Ekosistemleri kitabından, 2002);

**, *** – Burenina ve diğerleri (aynı eser).

Buharlaşmanın önde gelen yerlerinden biri vardır. Dünya'da yaşamın ortaya çıkışıyla birlikte, su döngüsü nispeten karmaşık hale geldi, çünkü suyu buhara dönüştürmenin fiziksel olgusu, bitki ve hayvanların yaşamıyla ilişkili biyolojik buharlaşma süreciyle desteklendi - terleme. Yağış ve akışın yanı sıra, yakalanan yağışın buharlaşması, nemin bitkiler tarafından transpirasyonu ve gölgelik altı buharlaşmasını içeren evapotranspirasyon, özellikle orman ekosistemlerinde su dengesinin ana harcama kalemidir. Örneğin, tropik bir yağmur ormanında bitkiler tarafından buharlaştırılan su miktarı yılda 7000 m3/km2'ye ulaşırken, aynı enlem ve yükseklikteki bir savanada bu miktar yılda 3000 m3/km2'yi geçmez.

Bitki örtüsü genel olarak suyun buharlaşmasında önemli bir rol oynar ve dolayısıyla bölgelerin iklimini etkiler. Evapotranspirasyon oranı radyasyon dengesine ve farklı bitki örtüsü verimliliğine bağlıdır. Tablodan da anlaşılacağı üzere. Şekil 2'de, yakalanan çökeltilerin daha fazla buharlaşması ve terleme nem tüketimi nedeniyle yer üstü bitki kütlesindeki artışla birlikte toplam buharlaşma artar.

Ayrıca daha yüksek bitki örtüsü, karasal ekosistemler için çok önemli olan su koruma ve su düzenleme işlevini yerine getirir: taşkınları azaltır, topraktaki nemi tutar ve kurumasını ve erozyonunu önler. Örneğin, ormansızlaşma meydana geldiğinde, bazı durumlarda bölgenin su baskını ve bataklığa uğrama olasılığı artar, diğerlerinde ise terlemenin durdurulması iklimin "kurumasına" yol açabilir. Ormansızlaşma yeraltı suyunu olumsuz etkileyerek bölgenin yağış tutma yeteneğini azaltır. Bazı yerlerde ormanlar yeraltı su kaynaklarının yenilenmesine yardımcı oluyor, ancak çoğu durumda ormanlar aslında onları kurutuyor.

Tablo 3

Dünyadaki tatlı ve tuzlu suyun oranı

Dünya üzerindeki toplam su rezervlerinin yaklaşık 1,5 ila 2,5 milyar km3 olduğu tahmin edilmektedir. Tuzlu su, su kütlesinin hacminin yaklaşık %97'sini oluşturur; Dünya Okyanusları ise %96,5'ini oluşturur (Tablo 3). Çeşitli tahminlere göre tatlı su hacmi 35–37 milyon km3 veya Dünya'daki toplam su rezervlerinin %2,5–2,7'sidir. Tatlı suyun çoğu (%68-70) buzullarda ve kar örtüsünde yoğunlaşmıştır (Reimers'e göre, 1990).

Seçkin Rus bilim adamı Akademisyen V.I. Vernadsky.

Biyosfer- Canlı organizmaların tümünü ve gezegenin maddesinin bu organizmalarla sürekli değişim sürecinde olan kısmını içeren Dünya'nın karmaşık dış kabuğu. Bu, insanları çevreleyen doğal çevrenin ana bileşeni olan Dünya'nın en önemli jeosferlerinden biridir.

Dünya eş merkezlidir kabuklar(jeosferler) hem iç hem de dış. İç olanlar çekirdek ve mantoyu ve dış olanları içerir: litosfer - 6 km (okyanusun altında) ila 80 km (dağ sistemleri) kalınlığında yer kabuğu (Şekil 1) dahil olmak üzere Dünya'nın kayalık kabuğu; hidrosfer - Dünyanın su kabuğu; atmosfer- Çeşitli gazların, su buharının ve tozun karışımından oluşan Dünya'nın gazlı zarfı.

10 ila 50 km yükseklikte, maksimum konsantrasyonu 20-25 km yükseklikte olan, Dünya'yı vücut için ölümcül olan aşırı ultraviyole radyasyondan koruyan bir ozon tabakası vardır. Biyosfer de buraya (dış jeosferlere) aittir.

Biyosfer - Atmosferin 25-30 km yüksekliğe kadar (ozon tabakasına kadar) bir kısmını, neredeyse tüm hidrosferi ve litosferin üst kısmını yaklaşık 3 km derinliğe kadar içeren Dünya'nın dış kabuğu

Pirinç. 1. Yer kabuğunun yapısının şeması

(Şekil 2). Bu parçaların özelliği, gezegenin canlı maddesini oluşturan canlı organizmaların burada yaşamasıdır. Etkileşim biyosferin abiyotik kısmı- hava, su, kayalar ve organik maddeler - biyotalar toprakların ve tortul kayaçların oluşmasına neden oldu.

Pirinç. 2. Biyosferin yapısı ve temel yapısal birimlerin kapladığı yüzeylerin oranı

Biyosfer ve ekosistemlerdeki maddelerin döngüsü

Biyosferdeki canlı organizmaların kullanabileceği tüm kimyasal bileşikler sınırlıdır. Asimilasyona uygun kimyasal maddelerin tükenmesi, genellikle kara veya okyanusun yerel alanlarında belirli organizma gruplarının gelişimini engeller. Akademisyen V.R. Williams'a göre sonsuzun sonlu özelliklerini vermenin tek yolu onun kapalı bir eğri boyunca dönmesini sağlamaktır. Sonuç olarak, madde döngüsü ve enerji akışı nedeniyle biyosferin stabilitesi korunur. Mevcut iki ana madde döngüsü: büyük - jeolojik ve küçük - biyojeokimyasal.

Büyük Jeolojik Döngü(Şekil 3). Kristal kayaçlar (mağmatik) fiziksel, kimyasal ve biyolojik faktörlerin etkisi altında tortul kayaçlara dönüşür. Kum ve kil, derin kayaların dönüşümünün ürünleri olan tipik çökeltilerdir. Bununla birlikte, çökelti oluşumu yalnızca mevcut kayaların tahrip olması nedeniyle değil, aynı zamanda biyojenik minerallerin - mikroorganizmaların iskeletlerinin - doğal kaynaklardan - okyanus, deniz ve göl sularından - sentezi yoluyla da meydana gelir. Gevşek sulu çökeller, rezervuarların dibinde yeni tortul malzeme bölümleriyle izole edildikleri, derinliğe daldırıldıkları ve yeni termodinamik koşullara (daha yüksek sıcaklık ve basınç) maruz kaldıkları için su kaybeder, sertleşir ve tortul kayalara dönüşürler.

Daha sonra bu kayalar, yeni sıcaklık ve basınç koşullarına derin dönüşüm süreçlerinin gerçekleştiği, metamorfizma süreçlerinin meydana geldiği daha da derin ufuklara batar.

Endojen enerji akışlarının etkisi altında derin kayalar erir ve yeni magmatik kayaların kaynağı olan magma oluşur. Bu kayalar Dünya yüzeyine çıktıktan sonra hava koşulları ve taşınma süreçlerinin etkisiyle yeniden yeni tortul kayalara dönüşürler.

Böylece, büyük döngü, güneş (dışsal) enerjinin, Dünyanın derin (içsel) enerjisi ile etkileşiminden kaynaklanır. Biyosfer ile gezegenimizin daha derin ufukları arasındaki maddeleri yeniden dağıtır.

Pirinç. 3. Maddelerin büyük (jeolojik) döngüsü (ince oklar) ve yer kabuğundaki çeşitlilikteki değişiklikler (düz geniş oklar - büyüme, kırık oklar - çeşitliliğin azalması)

Büyük Girdap'ın yanında Hidrosfer, atmosfer ve litosfer arasındaki, Güneş enerjisiyle yürütülen su döngüsüne de denir. Su, rezervuarların ve toprağın yüzeyinden buharlaşır ve ardından yağış şeklinde Dünya'ya geri döner. Okyanus üzerinde buharlaşma yağıştan fazladır; karada ise tam tersidir. Bu farklılıklar nehir akışlarıyla telafi edilir. Kara bitki örtüsü küresel su döngüsünde önemli bir rol oynamaktadır. Dünya yüzeyinin belirli bölgelerindeki bitkilerin terlemesi, buraya düşen yağışların %80-90'ını ve ortalama olarak tüm iklim bölgeleri için yaklaşık %30'unu oluşturabilir. Büyük döngünün aksine, maddelerin küçük döngüsü yalnızca biyosferde meydana gelir. Büyük ve küçük su döngüleri arasındaki ilişki Şekil 2'de gösterilmektedir. 4.

Gezegensel ölçekte döngüler, bireysel ekosistemlerdeki organizmaların yaşamsal faaliyetleri tarafından yönlendirilen atomların sayısız yerel döngüsel hareketlerinden ve peyzaj ve jeolojik nedenlerden (yüzey ve yer altı akışı, rüzgar erozyonu, deniz yatağı hareketi, volkanizma, dağ inşası vb.).

Pirinç. 4. Suyun büyük jeolojik döngüsü (GGC) ile suyun küçük biyojeokimyasal döngüsü (SBC) arasındaki ilişki

Vücut tarafından kullanıldığında ısıya dönüştürülen ve kaybedilen enerjinin aksine, maddeler biyosferde dolaşarak biyojeokimyasal döngüler yaratır. Doğada bulunan doksandan fazla elementten canlı organizmaların kırk kadarına ihtiyacı vardır. En önemlileri büyük miktarlarda gereklidir; karbon, hidrojen, oksijen, nitrojen. Elementlerin ve maddelerin döngüleri, tüm bileşenlerin katıldığı kendi kendini düzenleyen süreçler nedeniyle gerçekleştirilir. Bu işlemler atıksızdır. Var biyosferdeki biyojeokimyasal döngünün küresel kapanması yasası gelişiminin her aşamasında faaliyet göstermektedir. Biyosferin evrimi sürecinde biyolojik bileşenin biyojeokimyasal süreçlerin kapanmasındaki rolü artar.
kimin döngüsü. İnsanların biyojeokimyasal döngü üzerinde daha büyük bir etkisi vardır. Ancak rolü ters yönde kendini gösterir (girdaplar açılır). Maddelerin biyojeokimyasal döngüsünün temeli Güneş enerjisi ve yeşil bitkilerin klorofilidir. Diğer en önemli döngüler (su, karbon, nitrojen, fosfor ve kükürt) biyojeokimyasal döngüyle ilişkilidir ve ona katkıda bulunur.

Biyosferdeki su döngüsü

Bitkiler, fotosentez sırasında organik bileşikler oluşturmak ve moleküler oksijeni serbest bırakmak için sudaki hidrojeni kullanır. Tüm canlıların solunum süreçlerinde organik bileşiklerin oksidasyonu sırasında yeniden su oluşur. Yaşam tarihinde, hidrosferdeki tüm serbest su, gezegenin canlı maddesinde defalarca ayrışma ve yeni oluşum döngülerinden geçmiştir. Dünya üzerindeki su döngüsüne her yıl yaklaşık 500.000 km3 su karışmaktadır. Su döngüsü ve rezervleri Şekil 2'de gösterilmektedir. 5 (göreceli olarak).

Biyosferdeki oksijen döngüsü

Dünya, yüksek miktarda serbest oksijen içeren eşsiz atmosferini fotosentez sürecine borçludur. Atmosferin yüksek katmanlarında ozonun oluşması oksijen döngüsüyle yakından ilişkilidir. Oksijen su moleküllerinden salınır ve esas olarak bitkilerdeki fotosentetik aktivitenin bir yan ürünüdür. Abiyotik olarak oksijen, su buharının foto-ayrışması nedeniyle atmosferin üst katmanlarında ortaya çıkar, ancak bu kaynak, fotosentez tarafından sağlananın yalnızca yüzde binde birini oluşturur. Atmosferdeki oksijen içeriği ile hidrosfer arasında bir sıvı dengesi vardır. Suda yaklaşık 21 kat daha azdır.

Pirinç. 6. Oksijen döngüsünün şeması: kalın oklar - oksijen tedariki ve tüketiminin ana akışları

Açığa çıkan oksijen, tüm aerobik organizmaların solunum süreçlerinde ve çeşitli mineral bileşiklerin oksidasyonunda yoğun olarak tüketilir. Bu süreçler atmosferde, toprakta, suda, siltte ve kayalarda meydana gelir. Tortul kayaçlarda bağlı olan oksijenin önemli bir kısmının fotosentetik kökenli olduğu gösterilmiştir. Atmosferdeki değişim fonu O, toplam fotosentetik üretimin %5'inden fazlasını oluşturmaz. Birçok anaerobik bakteri, sülfatlar veya nitratlar kullanarak anaerobik solunum süreci yoluyla organik maddeyi de oksitler.

Bitkiler tarafından oluşturulan organik maddenin tamamen ayrışması, fotosentez sırasında açığa çıkan oksijenin aynısını gerektirir. Organik maddenin tortul kayalara, kömürlere ve turbalara gömülmesi, atmosferdeki oksijen değişim fonunun korunmasının temelini oluşturdu. İçerisindeki tüm oksijen yaklaşık 2000 yılda canlı organizmalar arasında tam bir döngüden geçer.

Şu anda, atmosferik oksijenin önemli bir kısmı ulaşım, endüstri ve diğer antropojenik aktivite biçimlerinin bir sonucu olarak bağlanmaktadır. İnsanlığın halihazırda fotosentez işlemleriyle sağlanan toplam 430-470 milyar ton serbest oksijenin 10 milyar tondan fazlasını harcadığı bilinmektedir. Fotosentetik oksijenin yalnızca küçük bir kısmının değişim fonuna girdiğini hesaba katarsak, bu bağlamda insan faaliyeti endişe verici boyutlar kazanmaya başlar.

Oksijen döngüsü karbon döngüsüyle yakından ilişkilidir.

Biyosferdeki karbon döngüsü

Kimyasal bir element olarak karbon yaşamın temelidir. Canlı hücreleri oluşturan basit ve karmaşık organik molekülleri oluşturmak için diğer birçok elementle çeşitli şekillerde birleşebilir. Gezegendeki dağılım açısından karbon on birinci sıradadır (yer kabuğunun ağırlığının %0,35'i), ancak canlı maddelerde kuru biyokütlenin ortalama %18 veya %45'ini oluşturur.

Atmosferde karbon, karbondioksit CO2'nin ve daha az ölçüde metan CH4'ün bir parçasıdır. Hidrosferde CO2 suda çözünür ve toplam içeriği atmosferik olandan çok daha yüksektir. Okyanus, atmosferdeki CO2'nin düzenlenmesi için güçlü bir tampon görevi görür: havadaki konsantrasyonu arttıkça karbondioksitin su tarafından emilmesi artar. CO 2 moleküllerinin bazıları suyla reaksiyona girerek karbonik asit oluşturur ve bu daha sonra HCO 3 - ve CO 2 - 3 iyonlarına ayrışır. Bu iyonlar, karbonatları çökeltmek için kalsiyum veya magnezyum katyonlarıyla reaksiyona girer. Bu tür reaksiyonlar, okyanusun tampon sisteminin temelini oluşturur. Suyun sabit pH'ı.

Atmosferdeki ve hidrosferdeki karbondioksit, karasal bitkiler ve algler tarafından alındığı karbon döngüsündeki bir değişim fonudur. Fotosentez Dünya üzerindeki tüm biyolojik döngülerin temelini oluşturur. Sabit karbon salınımı, fotosentetik organizmaların kendilerinin ve tüm heterotrofların - canlı veya ölü organik madde nedeniyle besin zincirine dahil olan bakteriler, mantarlar, hayvanlar - solunum aktivitesi sırasında meydana gelir.

Pirinç. 7. Karbon döngüsü

CO2'nin, çok sayıda organizma grubunun aktivitesinin yoğunlaştığı, ölü bitki ve hayvan kalıntılarının ayrıştırıldığı ve bitki kök sistemlerinin solunumunun gerçekleştiği topraktan atmosfere dönüşü özellikle aktiftir. Bu tamamlayıcı sürece “toprak solunumu” denir ve havadaki CO2 değişim fonunun yenilenmesine önemli bir katkı sağlar. Organik maddenin mineralizasyon süreçlerine paralel olarak topraklarda humus oluşur - karbon açısından zengin, karmaşık ve kararlı bir moleküler kompleks. Toprak humusu karadaki önemli karbon depolarından biridir.

Yıkıcıların aktivitesinin çevresel faktörler tarafından engellendiği koşullarda (örneğin, toprakta ve rezervuarların dibinde anaerobik bir rejim oluştuğunda), bitki örtüsü tarafından biriken organik maddeler ayrışmaz ve zamanla kömür veya kahverengi gibi kayalara dönüşür. kömür, turba, sapropel, bitümlü şist ve birikmiş güneş enerjisi açısından zengin diğerleri. Biyolojik döngüden uzun süre koparak karbon rezerv fonunu yenilerler. Karbon aynı zamanda canlı biyokütlede, ölü çöplerde, okyanusun çözünmüş organik maddesinde vb. geçici olarak birikmektedir. Fakat ana karbon rezerv fonu yazılı olarak canlı organizmalar veya fosil yakıtlar değil, tortul kayaçlar - kireçtaşları ve dolomitler. Bunların oluşumu aynı zamanda canlı maddenin aktivitesiyle de ilişkilidir. Bu karbonatların karbonu uzun süre Dünya'nın bağırsaklarında gömülü kalır ve döngüye yalnızca erozyon sırasında kayalar tektonik döngülere maruz kaldığında girer.

Biyojeokimyasal döngüye, Dünya'daki toplam miktardaki karbonun yalnızca yüzde birlik bir kısmı katılır. Atmosferden ve hidrosferden gelen karbon, canlı organizmaların içinden birçok kez geçer. Kara bitkileri havadaki rezervlerini 4-5 yılda, toprak humusundaki rezervlerini ise 300-400 yılda tüketebilmektedir. Karbonun değişim fonuna ana geri dönüşü, canlı organizmaların faaliyeti nedeniyle meydana gelir ve bunun yalnızca küçük bir kısmı (yüzde binde biri), volkanik gazların bir parçası olarak Dünya'nın bağırsaklarından salınarak telafi edilir.

Şu anda, devasa fosil yakıt rezervlerinin çıkarılması ve yakılması, karbonun rezervden biyosferin değişim fonuna transferinde güçlü bir faktör haline geliyor.

Biyosferdeki azot döngüsü

Atmosfer ve canlı maddeler Dünya'daki tüm nitrojenin %2'sinden azını içerir, ancak gezegendeki yaşamı destekleyen şey de budur. Azot en önemli organik moleküllerin bir parçasıdır - DNA, proteinler, lipoproteinler, ATP, klorofil vb. Bitki dokularında karbona oranı ortalama 1: 30 ve deniz yosununda I: 6'dır. Azotun biyolojik döngüsü dolayısıyla karbonla da yakından ilişkilidir.

Atmosferdeki moleküler nitrojen, bu elementi yalnızca amonyum iyonları, nitratlar şeklinde veya topraktan veya sulu çözeltilerden emebilen bitkiler için erişilemez. Bu nedenle, nitrojen eksikliği genellikle birincil üretimi sınırlayan bir faktördür - organizmaların inorganik maddelerden organik maddelerin oluşturulmasıyla ilişkili çalışması. Bununla birlikte, atmosferik nitrojen, özel bakterilerin (azot sabitleyiciler) aktivitesi nedeniyle biyolojik döngüye geniş ölçüde dahil olur.

Amonifiye edici mikroorganizmalar da nitrojen döngüsünde büyük rol oynar. Proteinleri ve diğer azot içeren organik maddeleri amonyağa ayrıştırırlar. Amonyum formunda, nitrojen kısmen bitki kökleri tarafından yeniden emilir ve kısmen nitrifikasyon mikroorganizmaları tarafından durdurulur; bu, mikroorganizmalar grubunun - denitrifikasyon yapıcıların işlevlerinin tersidir.

Pirinç. 8. Azot döngüsü

Toprakta veya sularda anaerobik koşullar altında, organik maddeleri oksitlemek için nitrat oksijeni kullanırlar ve yaşamları için enerji elde ederler. Azot moleküler nitrojene indirgenir. Azot fiksasyonu ve denitrifikasyon doğada yaklaşık olarak dengelidir. Nitrojen döngüsü bu nedenle öncelikle bakterilerin aktivitesine dayanırken bitkiler bu döngüye entegre olur, bu döngünün ara ürünlerini kullanır ve biyokütle üretimi yoluyla biyosferdeki nitrojen dolaşımının ölçeğini büyük ölçüde artırır.

Bakterilerin nitrojen döngüsündeki rolü o kadar büyük ki, türlerinden sadece 20'si yok olsa gezegenimizdeki yaşam da sona erecek.

Azotun biyolojik olmayan fiksasyonu ve oksitlerinin ve amonyağının toprağa girişi, atmosferik iyonlaşma ve yıldırım deşarjları sırasında yağışlarla da meydana gelir. Modern gübre endüstrisi, mahsul üretimini arttırmak için atmosferik nitrojeni doğal nitrojen sabitlemesinden daha yüksek seviyelerde sabitler.

Şu anda, insan aktivitesi, nitrojen döngüsünü, esas olarak moleküler duruma dönüş süreçleri boyunca bağlı formlara fazla transfer edilmesi yönünde giderek daha fazla etkilemektedir.

Biyosferdeki fosfor döngüsü

ATP, DNA, RNA dahil birçok organik maddenin sentezi için gerekli olan bu element, bitkiler tarafından yalnızca ortofosforik asit iyonları (P0 3 4 +) formunda emilir. Toprakta ve sularda fosforun değişim fonu küçük olduğundan hem karada hem de özellikle okyanusta birincil üretimi sınırlayan unsurlara aittir. Bu elementin biyosfer ölçeğindeki döngüsü kapalı değil.

Karada bitkiler, ayrıştırıcılar tarafından ayrışan organik artıklardan salınan fosfatları topraktan çekerler. Ancak alkali veya asidik topraklarda fosfor bileşiklerinin çözünürlüğü keskin bir şekilde azalır. Fosfatların ana rezerv fonu, jeolojik geçmişte okyanus tabanında oluşan kayalarda bulunur. Kaya liçi sırasında bu rezervlerin bir kısmı toprağa geçer ve süspansiyonlar ve çözeltiler halinde su kütlelerine yıkanır. Hidrosferde fosfatlar, besin zincirlerinden diğer hidrobiyontlara geçen fitoplanktonlar tarafından kullanılır. Ancak okyanuslarda fosfor bileşiklerinin çoğu, hayvan ve bitki kalıntılarıyla birlikte dipte gömülür ve bunu tortul kayaçlarla birlikte büyük jeolojik döngüye geçiş izler. Derinlerde çözünmüş fosfatlar kalsiyuma bağlanarak fosforitler ve apatitleri oluşturur. Biyosferde aslında karadaki kayalardan okyanusun derinliklerine tek yönlü bir fosfor akışı vardır; bu nedenle hidrosferdeki değişim fonu çok sınırlıdır.

Pirinç. 9. Fosfor döngüsü

Gübre üretiminde karasal fosforit ve apatit yatakları kullanılmaktadır. Fosforun tatlı su kütlelerine girişi, “çiçeklenmelerinin” ana nedenlerinden biridir.

Biyosferdeki kükürt döngüsü

Bir dizi amino asidin yapımı için gerekli olan kükürt döngüsü, proteinlerin üç boyutlu yapısından sorumludur ve biyosferde çok çeşitli bakteriler tarafından korunur. Bu döngüdeki bireysel bağlantılar, organik kalıntıların sülfürünü sülfatlara oksitleyen aerobik mikroorganizmaların yanı sıra, sülfatları hidrojen sülfüre indirgeyen anaerobik sülfat indirgeyicileri içerir. Listelenen kükürt bakterisi gruplarına ek olarak, hidrojen sülfürü elementel kükürte ve daha sonra sülfatlara oksitlerler. Bitkiler topraktan ve sudan sadece SO2-4 iyonlarını emer.

Ortadaki halka, mevcut sülfat havuzu ile toprağın ve çökeltilerin derinliklerindeki demir sülfit havuzu arasında kükürt alışverişini sağlayan oksidasyon (O) ve indirgeme (R) sürecini göstermektedir.

Pirinç. 10. Kükürt döngüsü. Ortadaki halka, mevcut sülfat havuzu ile toprağın ve çökeltilerin derinliklerinde bulunan demir sülfür havuzu arasında kükürtün değiş tokuş edildiği oksidasyon (0) ve indirgeme (R) sürecini göstermektedir.

Kükürtün ana birikimi, sülfat iyonlarının nehir akıntısıyla sürekli olarak karadan aktığı okyanusta meydana gelir. Hidrojen sülfit sudan salındığında, kükürt kısmen atmosfere geri döner, burada dioksite oksitlenir ve yağmur suyunda sülfürik asite dönüşür. Büyük miktarlarda sülfatların ve elementel kükürtün endüstriyel kullanımı ve fosil yakıtların yakılması, atmosfere büyük miktarlarda kükürt dioksit salmaktadır. Bu bitki örtüsüne, hayvanlara ve insanlara zarar verir ve asit yağmuru kaynağı olarak hizmet eder, bu da kükürt döngüsüne insan müdahalesinin olumsuz etkilerini şiddetlendirir.

Maddelerin dolaşım hızı

Maddelerin tüm döngüleri farklı hızlarda gerçekleşir (Şekil 11)

Böylece gezegendeki tüm biyojenik elementlerin döngüleri, farklı parçaların karmaşık etkileşimi ile desteklenmektedir. Farklı işlevlere sahip organizma gruplarının faaliyetleri, okyanusu ve karayı birbirine bağlayan akış ve buharlaşma sistemi, su ve hava kütlelerinin dolaşım süreçleri, yerçekimi kuvvetlerinin etkisi, litosferik plakaların tektoniği ve diğer büyük ölçekli jeolojik ve jeofizik süreçler.

Biyosfer, çeşitli madde döngülerinin meydana geldiği tek bir karmaşık sistem gibi davranır. Bunların ana itici gücü döngüler gezegenin canlı maddesidir, tüm canlı organizmalar, organik maddenin sentezi, dönüşümü ve ayrışması süreçlerini sağlamak.

Pirinç. 11. Maddelerin dolaşım hızları (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Ekolojik dünya görüşünün temeli, her canlının kendisini etkileyen birçok farklı faktörle çevrelendiği ve bunların birlikte yaşam alanını, yani bir biyotopu oluşturduğu fikridir. Buradan, biyotop - belirli bitki veya hayvan türlerinin yaşam koşulları açısından homojen olan bir bölge bölümü(bir dağ geçidinin eğimi, kentsel orman parkı, küçük göl veya büyük bir gölün bir kısmı, ancak homojen koşullarla - kıyı kısmı, derin su kısmı).

Belirli bir biyotopun karakteristik özelliği olan organizmalar oluşur yaşam topluluğu veya biyosinoz(göllerin, çayırların, kıyı şeritlerinin hayvanları, bitkileri ve mikroorganizmaları).

Canlı topluluğu (biyosenoz), biyotopu ile tek bir bütün oluşturur. ekolojik sistem (ekosistem). Doğal ekosistemlere örnek olarak karınca yuvası, göl, gölet, çayır, orman, şehir, çiftlik verilebilir. Yapay ekosistemin klasik bir örneği uzay gemisidir. Gördüğünüz gibi burada katı bir mekansal yapı yok. Ekosistem kavramına yakın bir kavramdır biyojeosinoz.

Ekosistemlerin ana bileşenleri şunlardır:

• cansız (abiyotik) çevre. Bunlar su, mineraller, gazların yanı sıra organik madde ve humustur;
• biyotik bileşenler. Bunlar şunları içerir: üreticiler veya üreticiler (yeşil bitkiler), tüketiciler veya tüketiciler (üreticilerle beslenen canlılar) ve ayrıştırıcılar veya ayrıştırıcılar (mikroorganizmalar).

Doğa son derece ekonomik bir şekilde çalışmaktadır. Böylece organizmaların yarattığı biyokütle (organizmaların vücutlarının maddesi) ve içerdikleri enerji ekosistemin diğer üyelerine aktarılır: hayvanlar bitkileri yerler, bu hayvanlar diğer hayvanlar tarafından yenir. Bu süreç denir yiyecek veya trofik zincir. Doğada besin zincirleri sıklıkla kesişir. besin ağı oluşturuyoruz.

Besin zinciri örnekleri: bitki - otobur - yırtıcı; tahıl - tarla faresi - tilki vb. ve besin ağı Şekil 1'de gösterilmektedir. 12.

Dolayısıyla biyosferdeki denge durumu, ekosistemlerin tüm bileşenleri arasında sürekli madde ve enerji alışverişi yoluyla sağlanan biyotik ve abiyotik çevresel faktörlerin etkileşimine dayanmaktadır.

Doğal ekosistemlerin kapalı dolaşımlarında diğerleriyle birlikte iki faktörün katılımı gereklidir: ayrıştırıcıların varlığı ve sürekli güneş enerjisi temini. Kentsel ve yapay ekosistemlerde ayrıştırıcıların sayısı çok azdır veya hiç yoktur, dolayısıyla sıvı, katı ve gaz halindeki atıklar birikerek çevreyi kirletir.

Pirinç. 12. Besin ağı ve maddenin akış yönü

Biyosferde meydana gelen süreçlerde suyun rolü çok büyüktür. Su olmadan canlı organizmalarda metabolizma mümkün değildir. Dünya'da yaşamın ortaya çıkışıyla birlikte, su döngüsü nispeten karmaşık hale geldi, çünkü basit fizyolojik buharlaşma olgusu, bitki ve hayvanların yaşamıyla ilişkili daha karmaşık biyolojik buharlaşma (terleme) süreciyle desteklendi.

Kısaca doğadaki su döngüsünü şu şekilde tarif edebiliriz. Su, fiziksel buharlaşma ve suyun bitkiler tarafından buharlaştırılması sonucu esas olarak atmosfere giren su buharından oluşan yağış şeklinde Dünya yüzeyine ulaşır. Bu suyun bir kısmı doğrudan su kütlelerinin yüzeyinden veya dolaylı olarak bitki ve hayvanlar aracılığıyla buharlaşırken, diğer kısmı yeraltı suyunu besler (Şekil 1.13).

Buharlaşmanın doğası birçok faktöre bağlıdır. Bu nedenle, bir orman alanındaki birim alandan, su kütlesinin yüzeyinden önemli ölçüde daha fazla su buharlaşır. Bitki örtüsünün azalmasıyla birlikte terleme ve dolayısıyla yağış miktarı da azalır.

Hidrolojik döngüde suyun akışı yağışla değil buharlaşmayla belirlenir. Atmosferin su buharını tutma yeteneği sınırlıdır. Buharlaşma oranlarındaki bir artış, yağışta buna karşılık gelen bir artışa yol açar. Her an havada buhar halinde bulunan su, Dünya yüzeyine eşit şekilde dağılmış, ortalama 2,5 cm kalınlığında bir katmana karşılık gelir. Yılda düşen yağış miktarı ortalama 65 cm'dir. Bunun sonucunda atmosfer cephesinden gelen su buharı yılda yaklaşık 25 kez (iki haftada bir) dolaşmaktadır.

Su kütlelerindeki ve topraktaki su içeriği atmosferdekinden yüzlerce kat daha fazladır, ancak ilk iki fondan aynı hızda akar. Suyun sıvı fazda dünya yüzeyinde ortalama taşınma süresi yaklaşık 3650 yıl olup, atmosferdeki taşınma süresinden 10.000 kat daha uzundur. Ekonomik faaliyet sürecindeki insanların hidrolojik döngü - suyun buharlaşması - temelinde güçlü bir etkisi vardır.

Su kütlelerinin ve her şeyden önce denizlerin ve okyanusların petrol ürünleriyle kirlenmesi, fiziksel buharlaşma sürecini ve orman alanının azalması - terlemeyi keskin bir şekilde kötüleştirir. Bu, doğadaki su döngüsünün doğasını etkilemekten başka bir şey yapamaz.

Şekil 1.13 - Su döngüsü

Hayati öneme sahip besin maddelerinin küresel döngüleri, biyosferde çeşitli biyolojik toplulukların yerel yaşam ortamlarıyla sınırlı birçok küçük döngüye bölünür. Az ya da çok karmaşık olabilirler ve çeşitli dış etkenlere karşı değişen derecelerde duyarlı olabilirler. Ancak doğa, doğal koşullar altında bu biyokimyasal döngülerin "örnek atıksız teknolojiler" olduğuna karar vermiştir. Döngüsellik besin maddelerinin %98-99'unu kapsar ve yalnızca %1-2'si atıklara bile değil, jeolojik rezervlere gider (Şekil 1.14).

1.8 Biyosfer sürdürülebilirliğinin temelleri

Ekosistemlerin ve biyosferlerinin tamamının istikrarı birçok faktöre bağlıdır (Şekil 1.15), bunlardan en önemlilerinin özü aşağıdaki gibidir:

Şekil 1.15- Biyosfer kararlılığının faktörleri

1. Biyosfer dış enerji kaynaklarını kullanır: organizasyonunu kolaylaştırmak, çevre kirliliğine neden olmadan serbest enerjiyi etkin bir şekilde kullanmak için güneş enerjisi ve dünyanın iç kısmının ısıtma enerjisi. Belirli bir miktarda enerjinin sürekli kullanımı ve ısı biçiminde yayılması, biyosferde evrimsel olarak kurulmuş bir ısı dengesi yaratmıştır.

Biyosinozlar, “enerji iletkenliği” yasası (prensibi) ile karakterize edilir: biyosinozun trofik seviyelerinden geçen enerji akışı sürekli olarak söndürülür.

1942'de R. Lindeman, enerji piramidi yasasını veya% 10 yasasını (kuralını) formüle etti; buna göre ortalama olarak yaklaşık% 10, ekolojik piramidin bir trofik seviyesinden başka bir daha yüksek seviyeye (“merdivende”) hareket eder. üretici - tüketici - ayrıştırıcı). ekolojik piramidin önceki seviyesinde alınan enerji.

2. Biyosfer, esas olarak döngü formundaki maddeleri (çoğunlukla hafif besinler) kullanır. Elementlerin biyojeokimyasal döngüleri evrimsel olarak işlenmiştir ve atık birikmesine yol açmaz.

3. Biyosferde çok çeşitli türler ve biyolojik topluluklar vardır. Türler arasındaki rekabetçi ve yırtıcı ilişkiler, aralarında denge kurulmasına yardımcı olur. Aynı zamanda, biyosferi iç faktörlerden kaynaklanan ciddi tehlikelerden koruyan aşırı sayıda baskın tür neredeyse yoktur.

Tür çeşitliliği ekosistemlerin dış etkenlere karşı direncini artıran bir faktördür. Yabani doğanın gen havuzu paha biçilemez bir armağandır ve potansiyeli şu ana kadar çok az kullanılmış durumdadır.

4. Canlı maddenin karakteristik özelliği olan hemen hemen tüm kalıpların uyarlanabilir önemi vardır. Biyosistemler sürekli değişen yaşam koşullarına uyum sağlamak zorunda kalıyor. Yaşamın sürekli değişen ortamında her organizma türü kendine göre uyarlanır. Bu, ekolojik bireysellik kuralıyla ifade edilir: Hiçbir tür birbirinin aynısı değildir.

Türlerin ekolojik özgüllüğü, sözde adaptasyon aksiyomu ile vurgulanır: her tür, kendisine özgü, kesin olarak tanımlanmış bir dizi varoluş koşuluna - ekolojik bir niş - uyarlanır.

5. Kendi kendine düzenleme veya popülasyon büyüklüğünün korunması, abiyotik ve biyotik faktörlerin birleşimine bağlıdır. Her popülasyon doğayla bütünleşik bir sistem olarak etkileşime girer.

Maksimum nüfus kuralı: Doğal popülasyonların büyüklüğü, besin kaynaklarının ve üreme koşullarının tükenmesi, bu kaynakların yetersizliği ve nüfus artışının hızlanma süresinin çok kısa olması nedeniyle sınırlıdır.

Herhangi bir popülasyonun kesin olarak tanımlanmış bir genetik, fenotik, cinsiyet yaşı ve diğer yapısı vardır. Çevresel etkenlere dayanıklılığını sağlamak için gerekenden daha az sayıda bireyden oluşamaz.

Minimum büyüklük ilkesi hiçbir tür için sabit değildir; her popülasyona özeldir. Asgari sınırın ötesine geçmek nüfusu ölümle tehdit eder: artık kendini yenileyemeyecek.

Bu faktörlerin her birinin yok edilmesi, hem bireysel ekosistemlerin hem de bir bütün olarak biyosferin stabilitesinde bir azalmaya yol açabilir.

İlgili bilgiler.