Wszystkie substancje na planecie są w obiegu. Energia słoneczna powoduje dwa cykle materii na Ziemi: duże (geologiczne, biosferyczne) oraz mały (biologiczny).

Wielki obieg substancji w biosferze charakteryzuje się dwoma ważnymi punktami: odbywa się w całym rozwoju geologicznym Ziemi i jest nowoczesnym procesem planetarnym, który odgrywa wiodącą rolę w dalszym rozwoju biosfery.

Krążenie geologiczne wiąże się z powstawaniem i niszczeniem skał, a następnie przemieszczaniem produktów destrukcji - gruzu i pierwiastków chemicznych. Istotną rolę w tych procesach odgrywały i nadal odgrywają właściwości cieplne powierzchni ziemi i wody: pochłanianie i odbijanie światła słonecznego, przewodność cieplna i pojemność cieplna. Niestabilny reżim hydrotermalny powierzchni Ziemi, wraz z planetarnym układem cyrkulacji atmosferycznej, determinował geologiczny obieg substancji, który w początkowej fazie rozwoju Ziemi, wraz z procesami endogenicznymi, wiązał się z powstawaniem kontynentów, oceanów i nowożytnych geosfery. Wraz z tworzeniem się biosfery produkty odpadowe organizmów zostały włączone do wielkiego obiegu. Cykl geologiczny dostarcza organizmom żywym składników odżywczych i w dużej mierze determinuje warunki ich istnienia.

Główne pierwiastki chemiczne litosfery: tlen, krzem, glin, żelazo, magnez, sód, potas i inne - uczestniczą w wielkim cyklu, przechodząc z głębokich części górnego płaszcza na powierzchnię litosfery. Skrystalizowana skała magmowa

magma, wchodząc na powierzchnię litosfery z głębi Ziemi, ulega rozkładowi, wietrząc w biosferze. Produkty wietrzenia przechodzą w stan mobilny, są odprowadzane przez wody i wiatr do miejsc o niskiej rzeźbie terenu, wpadają do rzek, oceanów i tworzą grube warstwy skał osadowych, które z czasem opadają na głębokość w obszarach o podwyższonej temperaturze i ciśnienie, ulegają metamorfozie, czyli „Melted”. Wraz z tym przetopieniem pojawia się nowa skała metamorficzna, która wchodzi w górne poziomy skorupy ziemskiej i ponownie wchodzi w obieg substancji. (rys. 32).

Ryż. 32. Geologiczny (duży) obieg substancji

Najbardziej intensywna i najszybsza cyrkulacja ulega łatwo mobilnym substancjom - gazom i naturalnym wodom, które tworzą atmosferę i hydrosferę planety. Materiał litosfery krąży znacznie wolniej. Ogólnie rzecz biorąc, każdy cykl dowolnego pierwiastka chemicznego jest częścią ogólnego dużego cyklu substancji na Ziemi i wszystkie są ze sobą ściśle powiązane. Żywa materia biosfery w tym cyklu wykonuje świetną pracę redystrybucji pierwiastków chemicznych, które stale krążą w biosferze, przechodząc ze środowiska zewnętrznego do organizmów i ponownie do środowiska zewnętrznego.

Mały lub biologiczny cykl substancji- to jest

obieg substancji między roślinami, zwierzętami, grzybami, mikroorganizmami i glebą. Istota cyklu biologicznego tkwi w przebiegu dwóch przeciwstawnych, ale powiązanych ze sobą procesów - tworzenia substancji organicznych i ich niszczenia. Początkowy etap pojawiania się substancji organicznych wynika z fotosyntezy roślin zielonych, czyli tworzenia żywej materii z dwutlenku węgla, wody i prostych związków mineralnych wykorzystujących energię Słońca. Rośliny (producenci) ekstrahują cząsteczki siarki, fosforu, wapnia, potasu, magnezu, manganu, krzemu, glinu, cynku, miedzi i innych pierwiastków z gleby w roztworze. Zwierzęta roślinożerne (konsumenci pierwszego rzędu) przyswajają związki tych pierwiastków już w postaci pokarmu pochodzenia roślinnego. Drapieżniki (konsumenci drugiego rzędu) żywią się zwierzętami roślinożernymi, spożywając pokarm o bardziej złożonym składzie, w tym białka, tłuszcze, aminokwasy i inne substancje. W procesie niszczenia przez mikroorganizmy (reduktory) substancji organicznych obumarłych roślin i szczątków zwierzęcych do środowiska glebowo-wodnego przedostają się proste związki mineralne dostępne do przyswajania przez rośliny i rozpoczyna się kolejna runda cyklu biologicznego (rys. 33).

Podstawą samopodtrzymywania życia na Ziemi jest cykle biogeochemiczne... Wszystkie pierwiastki chemiczne wykorzystywane w procesach życiowej aktywności organizmów wykonują ciągłe ruchy, przechodząc od żywych ciał do związków natury nieożywionej i odwrotnie. Możliwość wielokrotnego użycia tych samych atomów sprawia, że ​​życie na Ziemi jest praktycznie wieczne, pod warunkiem stałego dopływu wymaganej ilości energii.

Rodzaje cykli substancji. Biosfera Ziemi charakteryzuje się w pewien sposób panującym cyklem substancji i przepływem energii. Cykl substancji – wielokrotny udział substancji w procesach zachodzących w atmosferze, hydrosferze i litosferze, w tym w warstwach wchodzących w skład biosfery Ziemi. Obieg substancji odbywa się przy ciągłym przepływie (przepływie) energii zewnętrznej Słońca i energii wewnętrznej Ziemi.

W zależności od siły napędowej, z pewnym stopniem umowności, w cyklu substancji można wyróżnić cykle geologiczne, biologiczne i antropogeniczne. Przed pojawieniem się człowieka na Ziemi przeprowadzono tylko dwa pierwsze.

Obieg geologiczny (wielki obieg substancji w przyrodzie) – obieg substancji, którego siłą napędową są egzogenne i endogeniczne procesy geologiczne.

Procesy endogenne(procesy dynamiki wewnętrznej) zachodzą pod wpływem energii wewnętrznej Ziemi. Jest to energia uwalniana w wyniku rozpadu promieniotwórczego, reakcji chemicznych powstawania minerałów, krystalizacji skał itp. Do procesów endogenicznych należą: ruchy tektoniczne, trzęsienia ziemi, magmatyzm, metamorfizm. Procesy egzogeniczne(procesy dynamiki zewnętrznej) przebiegają pod wpływem zewnętrznej energii Słońca. Procesy egzogeniczne obejmują wietrzenie skał i minerałów, usuwanie produktów destrukcji z niektórych części skorupy ziemskiej i ich przenoszenie na nowe obszary, osadzanie i gromadzenie produktów destrukcji wraz z tworzeniem się skał osadowych. Procesy egzogeniczne obejmują aktywność geologiczną atmosfery, hydrosfery (rzeki, tymczasowe strumienie, wody gruntowe, morza i oceany, jeziora i bagna, lód), a także organizmy żywe i ludzi.

Największe formy terenu (kontynenty i depresje oceaniczne) oraz formy duże (góry i równiny) powstały w wyniku procesów endogenicznych, a formy średnie i małe (doliny rzeczne, wzgórza, wąwozy, wydmy itp.) nałożone na większe formy, na procesy egzogeniczne. Zatem procesy endogeniczne i egzogeniczne są w swoim działaniu przeciwstawne. Te pierwsze prowadzą do powstania dużych form reliefowych, drugie do ich wygładzenia.

W wyniku wietrzenia skały magmowe przekształcają się w skały osadowe. W ruchomych strefach skorupy ziemskiej zapadają się głęboko w Ziemię. Tam pod wpływem wysokich temperatur i ciśnień ponownie topią się i tworzą magmę, która unosząc się na powierzchnię i krzepnąc, tworzy skały magmowe.

W ten sposób obieg geologiczny substancji przebiega bez udziału organizmów żywych i realizuje redystrybucję materii między biosferą a głębszymi warstwami Ziemi.

Cykl biologiczny (biogeochemiczny) (mały cykl substancji w biosferze) – obieg substancji, których siłą napędową jest aktywność organizmów żywych. W przeciwieństwie do dużego geologicznego, w biosferze zachodzi niewielki biogeochemiczny obieg substancji. Głównym źródłem energii cyklu jest promieniowanie słoneczne, które powoduje fotosyntezę. W ekosystemie substancje organiczne są syntetyzowane przez autotrofy z substancji nieorganicznych. Są następnie konsumowane przez heterotrofy. W wyniku uwolnienia w procesie aktywności życiowej lub po śmierci organizmów (zarówno autotrofów, jak i heterotrofów) substancje organiczne ulegają mineralizacji, czyli przekształceniu w substancje nieorganiczne. Te nieorganiczne substancje mogą być ponownie użyte do syntezy substancji organicznych przez autotrofy.

W cyklach biogeochemicznych należy wyróżnić dwie części:

1) Fundusz rezerwowy - jest częścią substancji niezwiązanej z żywymi organizmami;

2) fundusz giełdowy - znacznie mniejszą część substancji, co wiąże się z bezpośrednią wymianą między organizmami a ich bezpośrednim otoczeniem. W zależności od lokalizacji funduszu rezerwowego cykle biogeochemiczne można podzielić na dwa typy:

1) Żyroskopy gazowe z rezerwowym funduszem substancji w atmosferze i hydrosferze (cykle węgla, tlenu, azotu).

2) Wiry osadowe z funduszem rezerwowym w skorupie ziemskiej (cykle fosforu, wapnia, żelaza itp.).

Cykle gazowe są doskonalsze, ponieważ mają duży fundusz wymiany, co oznacza, że ​​są zdolne do szybkiej samoregulacji. Cykle typu osadowego są mniej doskonałe, są bardziej bezwładne, ponieważ większość substancji znajduje się w rezerwie skorupy ziemskiej w postaci „niedostępnej” dla żywych organizmów. Takie cykle są łatwo zakłócane przez różnego rodzaju wpływy, a część wymienianego materiału opuszcza cykl. Może powrócić do obiegu dopiero w wyniku procesów geologicznych lub ekstrakcji materią żywą. Jednak znacznie trudniej jest wydobyć substancje niezbędne dla żywych organizmów ze skorupy ziemskiej niż z atmosfery.

Intensywność cyklu biologicznego zależy przede wszystkim od temperatury otoczenia i ilości wody. Na przykład cykl biologiczny jest bardziej intensywny w tropikalnych lasach deszczowych niż w tundrze.

Wraz z nadejściem człowieka powstał antropogeniczny obieg lub metabolizm substancji. Krążenie antropogeniczne (wymiana) – krążenie (metabolizm) substancji, których siłą napędową jest działalność człowieka. Można go podzielić na dwa elementy: biologiczny, związane z funkcjonowaniem człowieka jako żywego organizmu oraz techniczny, związane z działalnością gospodarczą ludzi (krążenie technologiczne).

Cykle geologiczne i biologiczne są w dużej mierze zamknięte, czego nie można powiedzieć o cyklu antropogenicznym. Dlatego często mówią nie o krążeniu antropogenicznym, ale o metabolizmie antropogenicznym. Otwartość antropogenicznego obiegu substancji prowadzi do: wyczerpywanie się zasobów naturalnych i zanieczyszczenie środowiska naturalnego - główne przyczyny wszystkich problemów środowiskowych ludzkości.

Cykle podstawowych składników odżywczych i pierwiastków. Rozważmy cykle substancji i pierwiastków najważniejsze dla organizmów żywych. Obieg wody należy do dużego geologicznego, a obiegi pierwiastków biogennych (węgla, tlenu, azotu, fosforu, siarki i innych pierwiastków biogenicznych) - do małego biogeochemicznego.

Obieg wody między lądem a oceanem poprzez atmosferę należy do wielkiego cyklu geologicznego. Woda odparowuje z powierzchni Oceanu Światowego i jest albo transportowana na ląd, gdzie opada w postaci opadów, które ponownie wracają do oceanu w postaci spływu powierzchniowego i podziemnego, albo opada w postaci opadów na powierzchni oceanu. W obiegu wody na Ziemi uczestniczy rocznie ponad 500 tys. km 3 wody. Obieg wody jako całość odgrywa ważną rolę w tworzeniu warunków naturalnych na naszej planecie. Biorąc pod uwagę transpirację wody przez rośliny i jej wchłanianie w cyklu biogeochemicznym, cały zapas wody na Ziemi rozpada się i odnawia w ciągu 2 milionów lat.

Cykl węglowy. Producenci wychwytują dwutlenek węgla z atmosfery i przekształcają go w materię organiczną, konsumenci absorbują węgiel w postaci materii organicznej z ciałami producentów i konsumentów niższych rzędów, reduktory mineralizują materię organiczną i zwracają węgiel do atmosfery w postaci dwutlenku węgla . W oceanach obieg węgla komplikuje fakt, że część węgla zawartego w martwych organizmach opada na dno i gromadzi się w skałach osadowych. Ta część węgla jest wykluczona z cyklu biologicznego i wchodzi w cykl geologiczny substancji.

Lasy są głównym rezerwuarem węgla związanego biologicznie, zawierają do 500 miliardów ton tego pierwiastka, co stanowi 2/3 jego podaży w atmosferze. Interwencja człowieka w obieg węgla (spalanie węgla, ropy, gazu, osuszanie) prowadzi do wzrostu zawartości CO 2 w atmosferze i rozwoju efektu cieplarnianego.

Cykl CO 2 , czyli czas potrzebny na przejście całego atmosferycznego dwutlenku węgla przez żywą materię, wynosi około 300 lat.

Cykl tlenowy. Głównie obieg tlenu zachodzi między atmosferą a organizmami żywymi. Zasadniczo wolny tlen (0^) przedostaje się do atmosfery w wyniku fotosyntezy roślin zielonych i jest zużywany w procesie oddychania przez zwierzęta, rośliny i mikroorganizmy oraz podczas mineralizacji pozostałości organicznych. Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego z wody i ozonu powstaje niewielka ilość tlenu. Duża ilość tlenu jest zużywana do procesów oksydacyjnych w skorupie ziemskiej, podczas erupcji wulkanów itp. Główną część tlenu produkują rośliny lądowe - prawie 3/4, resztę - fotosyntetyczne organizmy Oceanu Światowego. Szybkość cyklu wynosi około 2 tysięcy lat.

Ustalono, że 23% tlenu, który powstaje w procesie fotosyntezy, zużywa się rocznie na potrzeby przemysłowe i domowe, a liczba ta stale rośnie.

Cykl azotowy. Podaż azotu (N2) w atmosferze jest ogromna (78% jej objętości). Jednak rośliny nie mogą przyswajać wolnego azotu, ale tylko w postaci związanej, głównie w postaci NH 4 + lub NO 3 -. Wolny azot z atmosfery jest wiązany przez bakterie wiążące azot i przekształcany w formy dostępne dla roślin. W roślinach azot jest wiązany w materii organicznej (w białkach, kwasach nukleinowych itp.) i jest przenoszony wzdłuż łańcuchów pokarmowych. Po śmierci organizmów żywych rozkładający mineralizują substancje organiczne i przekształcają je w związki amonowe, azotany, azotyny, a także wolny azot, który jest zawracany do atmosfery.

Azotany i azotyny są dobrze rozpuszczalne w wodzie i mogą migrować do wód gruntowych i roślin oraz być przenoszone wzdłuż łańcucha pokarmowego. Jeśli ich liczba jest zbyt duża, co często obserwuje się przy niewłaściwym stosowaniu nawozów azotowych, wówczas woda i żywność są zanieczyszczone i powodują choroby u ludzi.

Cykl fosforu. Większość fosforu znajduje się w skałach powstałych w minionych epokach geologicznych. Fosfor wchodzi w obieg biogeochemiczny w wyniku wietrzenia skał. W ekosystemach lądowych rośliny pobierają z gleby fosfor (głównie w postaci PO 4 3-) i włączają go do związków organicznych (białek, kwasów nukleinowych, fosfolipidów itp.) lub pozostawiają w postaci nieorganicznej. Następnie fosfor jest przenoszony przez obwody żywnościowe. Po śmierci organizmów żywych i wraz z ich wydalinami fosfor powraca do gleby.

Przy niewłaściwym stosowaniu nawozów fosforowych, erozji wodnej i wietrznej gleby usuwane są z gleby duże ilości fosforu. Z jednej strony prowadzi to do nadmiernego wydatkowania nawozów fosforowych i wyczerpywania się rezerw rud zawierających fosfor (fosforyty, apatyty itp.). Z drugiej strony napływ dużych ilości pierwiastków biogennych, takich jak fosfor, azot, siarka itp. z gleby do zbiorników wodnych powoduje szybki rozwój sinic i innych roślin wodnych („rozkwit wody”) i eutrofizacja zbiorniki. Ale większość fosforu jest odprowadzana do morza.

W ekosystemach wodnych fosfor jest asymilowany przez fitoplankton i przenoszony wzdłuż łańcucha troficznego do ptaków morskich. Ich ekskrementy albo trafiają natychmiast z powrotem do morza, albo najpierw gromadzą się na brzegu, a następnie są wypłukiwane do morza. Z ginących zwierząt morskich, zwłaszcza ryb, fosfor ponownie dostaje się do morza i do obiegu, ale niektóre szkielety ryb sięgają na duże głębokości, a zawarty w nich fosfor ponownie dostaje się do skał osadowych, czyli zostaje wyłączony z biogeochemii krążenie.

Cykl siarki. Główny rezerwowy fundusz siarki znajduje się w osadach i glebie, ale w przeciwieństwie do fosforu, w atmosferze znajduje się rezerwowy fundusz. Główną rolę w udziale siarki w cyklu biogeochemicznym odgrywają mikroorganizmy. Niektóre z nich to środki redukujące, inne to środki utleniające.

W skałach siarka występuje w postaci siarczków (FeS 2 itp.), w roztworach - w postaci jonu (SO 4 2-), w fazie gazowej w postaci siarkowodoru (H 2 S) lub dwutlenek siarki (SO 2). W niektórych organizmach siarka gromadzi się w czystej postaci, a kiedy obumierają, na dnie mórz tworzą się złogi siarki rodzimej.

W ekosystemach lądowych siarka przedostaje się do roślin z gleby głównie w postaci siarczanów. W organizmach żywych siarka jest zawarta w białkach w postaci jonów itp. Po śmierci organizmów żywych część siarki w glebie jest redukowana przez mikroorganizmy do H 2 S, pozostała część jest utleniana do siarczanów i ponownie włączana do cyklu. Utworzony siarkowodór ucieka do atmosfery, tam utlenia się i wraz z opadami atmosferycznymi wraca do gleby.

Spalanie przez człowieka paliw kopalnych (zwłaszcza węgla), a także emisje z przemysłu chemicznego prowadzą do akumulacji w atmosferze dwutlenku siarki (SO 2), który reaguje z parą wodną i opada na ziemię w postaci kwaśnych deszczy .

Cykle biogeochemiczne nie mają tak dużej skali jak cykle geologiczne i są pod znaczącym wpływem człowieka. Działalność gospodarcza narusza ich izolację, stają się acykliczne.

Duży (geologiczny) i mały (biogeochemiczny) obieg substancji

Wszystkie substancje na naszej planecie są w obiegu. Energia słoneczna powoduje dwa cykle materii na Ziemi:

Duże (geologiczne lub abiotyczne);

Mały (biotyczny, biogenny lub biologiczny).

Cykle materii i przepływy energii kosmicznej tworzą stabilność biosfery. Cykl ciała stałego i wody, który powstaje w wyniku działania czynników abiotycznych (przyroda nieożywiona), nazywany jest wielkim cyklem geologicznym. Przy dużym cyklu geologicznym (mijają miliony lat) skały są niszczone, erodowane, substancje rozpuszczają się i wchodzą do Oceanu Światowego; Zachodzą zmiany geotektoniczne, osiadanie kontynentów, podnoszenie się dna morskiego. Czas obiegu wody w lodowcach wynosi 8000 lat, w rzekach 11 dni. To właśnie wielkie krążenie dostarcza organizmom żywym składników odżywczych i w dużej mierze determinuje warunki ich egzystencji.

Duży cykl geologiczny w biosferze charakteryzuje się dwoma ważnymi punktami: geologiczny tlen węgiel

• a) odbywa się w całym rozwoju geologicznym Ziemi;
• b) to nowoczesny proces planetarny, który odgrywa wiodącą rolę w dalszym rozwoju biosfery.

Na obecnym etapie rozwoju człowieka w wyniku dużego cyklu transportowane są również na duże odległości zanieczyszczenia – tlenki siarki i azotu, pyły, zanieczyszczenia radioaktywne. Największe zanieczyszczenie podlegało terytoriom umiarkowanych szerokości geograficznych półkuli północnej.

Mały, biogenny lub biologiczny obieg substancji zachodzi w fazie stałej, ciekłej i gazowej z udziałem organizmów żywych. Cykl biologiczny, w przeciwieństwie do geologicznego, wymaga mniej energii. Mały cykl jest częścią dużego, występuje na poziomie biogeocenoz (w obrębie ekosystemów) i polega na tym, że składniki odżywcze gleby, woda, węgiel gromadzą się w materii roślinnej, są wydawane na budowę ciała. Produkty rozkładu materii organicznej rozkładają się na składniki mineralne. Mały cykl nie jest zamknięty, co wiąże się z napływem substancji i energii do ekosystemu z zewnątrz oraz uwolnieniem części z nich do cyklu biosfery.

Wiele pierwiastków chemicznych i ich związków uczestniczy w dużych i małych cyklach, ale najważniejsze z nich to te, które determinują współczesny etap rozwoju biosfery związanej z działalnością gospodarczą człowieka. Należą do nich obiegi węgla, siarki i azotu (ich tlenki są głównymi zanieczyszczeniami powietrza) oraz fosforu (fosforany są głównym zanieczyszczeniem wód kontynentalnych). Prawie wszystkie zanieczyszczenia są szkodliwe i zaliczane są do ksenobiotyków. Obecnie duże znaczenie mają cykle ksenobiotyków - pierwiastków toksycznych - rtęci (zanieczyszczenie żywności) i ołowiu (składnik benzyny). Ponadto wiele substancji pochodzenia antropogenicznego (DDT, pestycydy, radionuklidy itp.), które szkodzą biocie i zdrowiu ludzkiemu, przechodzi z dużego cyklu do małego.

Istota cyklu biologicznego tkwi w przebiegu dwóch przeciwstawnych, ale powiązanych ze sobą procesów - tworzenia materii organicznej i jej niszczenia przez materię żywą.

W przeciwieństwie do dużego cyklu, mały cykl ma inny czas trwania: istnieją małe cykle sezonowe, roczne, wieloletnie i świeckie. Cykl chemikaliów ze środowiska nieorganicznego poprzez roślinność i zwierzęta z powrotem do środowiska nieorganicznego za pomocą energii słonecznej reakcji chemicznych nazywany jest cyklem biogeochemicznym.

Od udziału organizmów żywych w funkcjonowaniu biosfery zależy teraźniejszość i przyszłość naszej planety. W obiegu substancji materia żywa, czyli biomasa, pełni funkcje biogeochemiczne: gazowe, koncentracyjne, redoks i biochemiczne.

Cykl biologiczny odbywa się przy udziale organizmów żywych i polega na reprodukcji materii organicznej z nieorganicznej i rozkładzie tej organicznej na nieorganiczną poprzez łańcuch troficzny pokarmu. Intensywność procesów produkcji i niszczenia w cyklu biologicznym zależy od ilości ciepła i wilgoci. Na przykład niskie tempo rozkładu materii organicznej w regionach polarnych zależy od braku ciepła.

Ważnym wskaźnikiem intensywności cyklu biologicznego jest szybkość obiegu pierwiastków chemicznych. Intensywność charakteryzuje się wskaźnikiem równym stosunkowi masy ściółki leśnej do ściółki. Im większy wskaźnik, tym mniejsza intensywność cyklu.

Indeks w lasach iglastych - 10 - 17; liściaste 3 - 4; sawanna nie więcej niż 0,2; wilgotne lasy tropikalne nie większe niż 0,1, tj. tutaj krążenie biologiczne jest najbardziej intensywne.

Przepływ pierwiastków (azot, fosfor, siarka) przez mikroorganizmy jest o rząd wielkości wyższy niż przez rośliny i zwierzęta. Cykl biologiczny nie jest całkowicie odwracalny, jest ściśle powiązany z cyklem biogeochemicznym. Pierwiastki chemiczne krążą w biosferze różnymi ścieżkami cyklu biologicznego:

• - wchłaniany przez żywą materię i naładowany energią;
• - pozostawić żywą materię, uwalniając energię do środowiska zewnętrznego.

Te cykle są dwojakiego rodzaju: obieg substancji gazowych; cykl sedymentacyjny (rezerwa w skorupie ziemskiej).

Same żyry składają się z dwóch części:

• - fundusz rezerwowy (jest to część substancji niezwiązanej z żywymi organizmami);
• - fundusz mobilny (wymiany) (mniejsza część substancji związana z bezpośrednią wymianą między organizmami a ich bezpośrednim otoczeniem).

Cykle dzielą się na:

• - cykle typu gazowego z funduszem rezerwowym w skorupie ziemskiej (cykle węgla, tlenu, azotu) - są zdolne do szybkiej samoregulacji;
• - cykle typu osadowego z rezerwą w skorupie ziemskiej (cykle fosforu, wapnia, żelaza itp.) są bardziej obojętne, większość substancji jest w postaci „niedostępnej” dla żywych organizmów.

Cykle można również podzielić na:

• - zamknięty (obieg substancji gazowych, na przykład tlenu, węgla i azotu - rezerwa w atmosferze i hydrosferze oceanu, dzięki czemu niedobór jest szybko kompensowany);
• - otwarte (tworzenie funduszu rezerwowego w skorupie ziemskiej, na przykład fosforu - dlatego straty są słabo kompensowane, tj. powstaje deficyt).

Energetyczną podstawą istnienia cykli biologicznych na Ziemi i ich początkowym ogniwem jest proces fotosyntezy. Każdy nowy cykl cyklu nie jest dokładnym powtórzeniem poprzedniego. Na przykład podczas ewolucji biosfery niektóre procesy były nieodwracalne, co skutkowało tworzeniem się i akumulacją osadów biogenicznych, wzrostem ilości tlenu w atmosferze, zmianą stosunków ilościowych izotopów szeregu elementy itp.

Obieg substancji jest zwykle nazywany cyklami biogeochemicznymi. Główne obiegi biogeochemiczne (biosferyczne) substancji: obieg wodny, obieg tlenu, obieg azotu (udział bakterii wiążących azot), obieg węgla (udział bakterii tlenowych; rocznie do obiegu geologicznego odprowadza się ok. 130 ton węgla), fosfor cykl (udział bakterii glebowych; rocznie w oceanach wypłukiwane jest 14 mln ton fosforu), cykl siarki, cykl kationów metali.

Obieg wody

Cykl wodny jest cyklem zamkniętym, który może wystąpić, jak wspomniano powyżej, pod nieobecność życia, ale organizmy żywe go modyfikują.

Cykl opiera się na zasadzie: ewapotranspiracja jest kompensowana przez opady. Dla planety jako całości parowanie i opady równoważą się nawzajem. Jednocześnie więcej wody wyparowuje z oceanu niż powraca wraz z opadami. Na lądzie natomiast spada więcej opadów, ale nadmiar spływa do jezior i rzek, a stamtąd ponownie do oceanu. Równowagę wilgoci między kontynentami a oceanami utrzymuje spływ rzeczny.

Tak więc globalny cykl hydrologiczny składa się z czterech głównych strumieni: opadów atmosferycznych, parowania, przenoszenia wilgoci, transpiracji.

Woda - najbardziej rozpowszechniona substancja w biosferze - służy nie tylko jako siedlisko dla wielu organizmów, ale jest także integralną częścią ciała wszystkich żywych istot. Pomimo ogromnego znaczenia wody we wszystkich procesach życiowych zachodzących w biosferze, żywa materia nie odgrywa decydującej roli w wielkim obiegu wody na kuli ziemskiej. Siłą napędową tego cyklu jest energia słoneczna, która zużywana jest na odparowanie wody z powierzchni zbiorników wodnych lub lądu. Odparowana wilgoć kondensuje się w atmosferze w postaci chmur niesionych przez wiatr; kiedy chmury ochładzają się, spadają opady.

Całkowita ilość wolnej niezwiązanej wody (udział oceanów i mórz, w których słona woda jest płynna) stanowi 86 ​​do 98%. Reszta wody (woda słodka) jest magazynowana w czapach polarnych i lodowcach i tworzy zbiorniki wodne i ich wody gruntowe. Opadający na powierzchnię gruntu porośniętego roślinnością opady są częściowo zatrzymywane przez powierzchnię liści, a następnie odparowują do atmosfery. Wilgoć, która dociera do gleby, może połączyć się ze spływem powierzchniowym lub zostać wchłonięta przez glebę. Po całkowitym wchłonięciu przez glebę (zależy to od rodzaju gleby, właściwości skał i szaty roślinnej), nadmiar osadów może przedostać się w głąb, do wód gruntowych. Jeżeli ilość opadów, które spadają, przekracza pojemność wilgoci w górnych warstwach gleby, rozpoczyna się spływ powierzchniowy, którego szybkość zależy od stanu gleby, stromości zbocza, czasu trwania opadów i charakteru roślinności ( roślinność może chronić glebę przed erozją wodną). Woda uwięziona w glebie może wyparować z jej powierzchni lub po wchłonięciu przez korzenie roślin przeniknąć (wyparować) do atmosfery przez liście.

Transpiracyjny przepływ wody (gleba – korzenie roślin – liście – atmosfera) jest główną drogą wody przez materię żywą w jej wielkim cyklu na naszej planecie.

Cykl węglowy

Cała różnorodność substancji organicznych, procesów biochemicznych i form życia na Ziemi zależy od właściwości i cech węgla. Zawartość węgla w większości żywych organizmów wynosi około 45% ich suchej biomasy. W cyklu materii organicznej i całego węgla Ziemi bierze udział cała żywa materia planety, która nieustannie powstaje, zmienia się, umiera, rozkłada się i w tej kolejności węgiel jest przenoszony z jednej materii organicznej do budowy innej wzdłuż łańcucha pokarmowego. Ponadto wszystkie żywe istoty oddychają, emitując dwutlenek węgla.

Obieg węgla na lądzie. Cykl węglowy jest wspierany przez fotosyntezę roślin lądowych i fitoplanktonu oceanicznego. Pochłaniając dwutlenek węgla (wiążący węgiel nieorganiczny), rośliny wykorzystują energię światła słonecznego do przekształcania go w związki organiczne – tworząc własną biomasę. W nocy rośliny, podobnie jak wszystkie żywe istoty, oddychają, emitując dwutlenek węgla.

Martwe rośliny, zwłoki i odchody zwierzęce służą jako pokarm wielu organizmom heterotroficznym (zwierzęta, rośliny saprofityczne, grzyby, mikroorganizmy). Wszystkie te organizmy żyją głównie w glebie iw procesie życia tworzą własną biomasę, w skład której wchodzi węgiel organiczny. Uwalniają również dwutlenek węgla, tworząc „oddychanie gleby”. Często martwa materia organiczna nie ulega całkowitemu rozkładowi, aw glebie gromadzi się próchnica, która odgrywa ważną rolę w żyzności gleby. Stopień mineralizacji i humifikacji substancji organicznych zależy od wielu czynników: wilgotności, temperatury, właściwości fizycznych gleby, składu pozostałości organicznych itp. Pod wpływem bakterii i grzybów humus może rozkładać się na dwutlenek węgla i związki mineralne.

Obieg węgla w oceanach. Obieg węgla w oceanie różni się od tego na lądzie. W oceanie słabe ogniwo w organizmach o najwyższych poziomach troficznych, a więc wszystkie ogniwa obiegu węgla. Czas przejścia węgla przez ogniwo troficzne oceanu jest krótki, a ilość emitowanego dwutlenku węgla jest niewielka.

Ocean pełni rolę głównego regulatora zawartości dwutlenku węgla w atmosferze. Między oceanem a atmosferą zachodzi intensywna wymiana dwutlenku węgla. Wody oceaniczne mają dużą zdolność rozpuszczania i zdolność buforowania. Układ składający się z kwasu węglowego i jego soli (węglanów) jest rodzajem składu dwutlenku węgla, połączonego z atmosferą poprzez dyfuzję CO? od wody do atmosfery iz powrotem.

W oceanie w ciągu dnia intensywnie przebiega fotosynteza fitoplanktonu, podczas gdy wolny dwutlenek węgla jest intensywnie zużywany, węglany służą jako dodatkowe źródło jego powstawania. W nocy, wraz ze wzrostem zawartości wolnego kwasu w wyniku oddychania zwierząt i roślin, znaczna jego część ponownie wchodzi w skład węglanów. Zachodzące procesy przebiegają w następujących kierunkach: żywa materia? CO ?? H? CO? Ca (NSO?) ?? CaCO?.

W naturze pewna ilość materii organicznej nie ulega mineralizacji w wyniku braku tlenu, wysokiej kwasowości środowiska, specyficznych warunków pochówku itp. Część węgla opuszcza cykl biologiczny w postaci osadów nieorganicznych (wapień, kreda, koralowce) i organicznych (łupki, ropa, węgiel).

Działalność człowieka powoduje znaczące zmiany w obiegu węgla na naszej planecie. Zmieniają się krajobrazy, rodzaje roślinności, biocenozy i ich łańcuchy pokarmowe, duże obszary powierzchni ziemi są osuszane lub nawadniane, poprawia się (lub pogarsza) żyzność gleby, stosowane są nawozy i pestycydy itp. Najbardziej niebezpieczne przedostanie się dwutlenku węgla do atmosfery w wyniku spalania paliwa. Zwiększa to tempo obiegu węgla i skraca jego cykl.

Cykl tlenowy

Tlen jest warunkiem istnienia życia na Ziemi. Jest zawarty praktycznie we wszystkich związkach biologicznych, uczestniczy w biochemicznych reakcjach utleniania substancji organicznych, które dostarczają energii wszystkim procesom życiowym organizmów w biosferze. Tlen zapewnia oddychanie zwierząt, roślin i mikroorganizmów w atmosferze, glebie, wodzie oraz uczestniczy w reakcjach utleniania chemicznego zachodzących w skałach, glebach, mułach i warstwach wodonośnych.

Główne gałęzie cyklu tlenowego:

• - powstawanie wolnego tlenu podczas fotosyntezy i jego wchłanianie podczas oddychania organizmów żywych (rośliny, zwierzęta, mikroorganizmy w atmosferze, glebie, wodzie);
• - tworzenie ekranu ozonowego;
• - tworzenie stref redoks;
• - utlenianie tlenku węgla podczas erupcji wulkanicznych, akumulacja siarczanowych skał osadowych, zużycie tlenu w działalności człowieka itp .; Tlen cząsteczkowy fotosyntezy jest zaangażowany wszędzie.

Cykl azotowy

Azot jest częścią biologicznie ważnych substancji organicznych wszystkich żywych organizmów: białek, kwasów nukleinowych, lipoprotein, enzymów, chlorofilu itp. Pomimo zawartości azotu (79%) w powietrzu, jest on niedoborowy dla organizmów żywych.

Azot w biosferze występuje w postaci gazowej niedostępnej dla organizmów (N2) - mało aktywny chemicznie, dlatego nie może być bezpośrednio wykorzystywany przez rośliny wyższe (i większość roślin niższych) oraz świat zwierząt. Rośliny przyswajają azot z gleby w postaci jonów amonowych lub azotanowych, tj. tak zwany azot związany.

Rozróżnij wiązanie azotu atmosferycznego, przemysłowego i biologicznego.

Wiązanie atmosferyczne występuje, gdy atmosfera jest jonizowana przez promieniowanie kosmiczne i podczas silnych wyładowań elektrycznych podczas burzy, podczas gdy tlenki azotu i amoniaku powstają z azotu cząsteczkowego powietrza, które pod wpływem opadów atmosferycznych przekształcają się w amon, azotyn, azot azotanowy i wejść do zbiorników gruntowych i wodnych.

Fiksacja przemysłowa pojawia się w wyniku działalności gospodarczej człowieka. Atmosfera jest zanieczyszczona związkami azotu z fabryk produkujących związki azotu. Gorące emisje z elektrowni cieplnych, fabryk, statków kosmicznych, naddźwiękowych samolotów utleniają azot w powietrzu. Tlenki azotu, oddziałując z parą wodną w powietrzu z opadami, wracają do gruntu i dostają się do gleby w formie jonowej.

Wiązanie biologiczne odgrywa ważną rolę w cyklu azotowym. Przeprowadzają ją bakterie glebowe:

• - bakterie wiążące azot (i sinice);
• - mikroorganizmy żyjące w symbiozie z roślinami wyższymi (bakterie brodawkowe);
• - amonifikowanie;
• - nitryfikacja;
• - denitryfikację.

Swobodnie żyjące w glebie bakterie tlenowe wiążące azot (występujące w obecności tlenu) (Azotobacter) są w stanie wiązać azot cząsteczkowy z atmosfery dzięki energii uzyskanej podczas utleniania materii organicznej gleby w procesie respiracji, ostatecznie związanie go z wodorem i wprowadzenie go w postaci grupy aminowej (-NH2) do składu aminokwasowego Twojego organizmu. Azot cząsteczkowy jest również zdolny do wiązania niektórych bakterii beztlenowych (żyjących bez tlenu) występujących w glebie (Clostridium). Wymierając, oba mikroorganizmy wzbogacają glebę w azot organiczny.

Sinice, które są szczególnie ważne dla gleb pól ryżowych, są również zdolne do biologicznego wiązania azotu cząsteczkowego.

Najskuteczniejsze biologiczne wiązanie azotu atmosferycznego występuje u bakterii żyjących w symbiozie w brodawkach roślin strączkowych (bakterie brodawkowe).

Bakterie te (Rizobium) wykorzystują energię rośliny żywicielskiej do wiązania azotu, jednocześnie zaopatrując narządy lądowe gospodarza w dostępne dla niej związki azotu.

Przyswajając związki azotowe z gleby w formie azotanowej i amonowej, rośliny budują w swoim ciele niezbędne związki zawierające azot (azot azotanowy w komórkach roślinnych jest wstępnie redukowany). Rośliny produkcyjne zaopatrują w substancje azotowe całe królestwo zwierząt i ludzkość. Martwe rośliny są wykorzystywane, zgodnie z łańcuchem troficznym, przez bioreduktory.

Mikroorganizmy amonifikujące rozkładają substancje organiczne zawierające azot (aminokwasy, mocznik) do amoniaku. Część azotu organicznego w glebie nie ulega mineralizacji, ale zamienia się w substancje humusowe, bitum i składniki skał osadowych.

Amoniak (w postaci jonów amonowych) może przedostawać się do systemu korzeniowego roślin lub być wykorzystywany w procesach nitryfikacji.

Mikroorganizmy nitryfikujące są chemosyntetykami, wykorzystującymi energię utleniania amoniaku do azotanów i azotynów do azotanów do wspomagania wszystkich procesów życiowych. Dzięki tej energii nitryfikatory przywracają dwutlenek węgla i budują materię organiczną w ich ciele. Utlenianie amoniaku podczas nitryfikacji przebiega według reakcji:

NH? + 3O? ? 2HNIE? + 2H20 + 600 kJ (148 kcal).

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

Azotany powstałe w procesach nitryfikacji ponownie wchodzą w cykl biologiczny, są pobierane z gleby przez korzenie roślin lub po dostaniu się wody z wodą do zbiorników wodnych - przez fitoplankton i fitobentos.

Wraz z organizmami, które wiążą azot atmosferyczny i go nitryfikują, w biosferze znajdują się mikroorganizmy, które mogą redukować azotany lub azotyny do azotu cząsteczkowego. Takie mikroorganizmy, zwane denitryfikatorami, gdy w wodzie lub glebie brakuje wolnego tlenu, wykorzystują tlen z azotanów do utleniania materii organicznej:

C?H??O?(Glukoza) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6 CO? + 12N? + 18H?O + energia

Energia uwalniana w tym procesie stanowi podstawę całej życiowej aktywności mikroorganizmów denitryfikacyjnych.

Żywe substancje odgrywają więc wyjątkową rolę we wszystkich ogniwach cyklu.

Obecnie coraz większą rolę w bilansie azotowym gleb, a co za tym idzie w całym cyklu azotowym w biosferze, odgrywa przemysłowa wiązanie azotu atmosferycznego przez człowieka.

Cykl fosforu

Cykl fosforu jest prostszy. O ile rezerwuarem azotu jest powietrze, rezerwuarem fosforu są skały, z których jest uwalniany podczas erozji.

Węgiel, tlen, wodór i azot migrują w atmosferze łatwiej i szybciej, ponieważ są w postaci gazowej, tworząc związki gazowe w cyklach biologicznych. Dla wszystkich innych pierwiastków, z wyjątkiem siarki, niezbędnych do istnienia żywej materii, tworzenie się związków gazowych w cyklach biologicznych jest nietypowe. Pierwiastki te migrują głównie w postaci jonów i cząsteczek rozpuszczonych w wodzie.

Przyswajany przez rośliny fosfor w postaci jonów kwasu ortofosforowego ma duży udział w życiu wszystkich żywych organizmów. Jest częścią ADP, ATP, DNA, RNA i innych związków.

Obieg fosforu w biosferze nie jest zamknięty. W biogeocenozach lądowych fosfor po wchłonięciu przez rośliny z gleby przez łańcuch pokarmowy ponownie przedostaje się do gleby w postaci fosforanów. Większość fosforu jest ponownie wchłaniana przez system korzeniowy rośliny. Częściowo fosfor może być wypłukiwany wraz ze spływaniem wody deszczowej z gleby do zbiorników wodnych.

W naturalnych biogeocenozach często brakuje fosforu, a w środowisku alkalicznym i utlenionym występuje zwykle w postaci związków nierozpuszczalnych.

Skały litosfery zawierają dużą ilość fosforanów. Część z nich stopniowo przechodzi do gleby, część jest opracowywana przez człowieka do produkcji nawozów fosforowych, większość jest wypłukiwana i wypłukiwana do hydrosfery. Tam są wykorzystywane przez fitoplankton i pokrewne organizmy na różnych poziomach troficznych w złożonych sieciach pokarmowych.

W Oceanie Światowym straty fosforanów z cyklu biologicznego następują z powodu odkładania się szczątków roślinnych i zwierzęcych na dużych głębokościach. Ponieważ fosfor przemieszcza się głównie z litosfery do hydrosfery z wodą, migruje on do litosfery biologicznie (zjadanie ryb przez ptaki morskie, wykorzystanie glonów bentosowych i mączki rybnej jako nawozu itp.).

Ze wszystkich elementów mineralnego odżywiania roślin fosfor można uznać za niedobór.

Cykl siarki

Dla organizmów żywych siarka ma ogromne znaczenie, ponieważ jest częścią aminokwasów zawierających siarkę (cystyna, cysteina, metionina itp.). Wchodzące w skład białek aminokwasy zawierające siarkę wspierają wymaganą trójwymiarową strukturę cząsteczek białka.

Siarka jest przyswajana przez rośliny z gleby tylko w postaci utlenionej, w postaci jonu. W roślinach siarka jest redukowana i wchodzi w skład aminokwasów w postaci grup sulfhydrylowych (-SH) i disiarczkowych (-S-S-).

Zwierzęta przyswajają jedynie zredukowaną siarkę zawartą w materii organicznej. Po śmierci organizmów roślinnych i zwierzęcych siarka powraca do gleby, gdzie w wyniku działania licznych form mikroorganizmów ulega przekształceniom.

W warunkach tlenowych niektóre mikroorganizmy utleniają siarkę organiczną do siarczanów. Jony siarczanowe, zaabsorbowane przez korzenie roślin, są ponownie włączane do cyklu biologicznego. Część siarczanów może zostać włączona do migracji wody i wyprowadzona z gleby. W glebach bogatych w substancje humusowe, znaczna ilość siarki znajduje się w związkach organicznych, co zapobiega jej wymywanie.

W warunkach beztlenowych rozkład organicznych związków siarki wytwarza siarkowodór. Jeśli siarczany i substancje organiczne znajdują się w środowisku beztlenowym, aktywuje się aktywność bakterii redukujących siarczany. Wykorzystują tlen z siarczanów do utleniania substancji organicznych, a tym samym uzyskują energię niezbędną do ich egzystencji.

Bakterie redukujące siarczany są powszechne w wodach gruntowych, mułach i stojących wodach morskich. Siarkowodór jest trucizną dla większości żywych organizmów, dlatego gromadzi się w glebie wypełnionej wodą, jeziorach, ujściach rzek itp. znacznie ogranicza, a nawet całkowicie zatrzymuje procesy życiowe. Zjawisko to obserwuje się w Morzu Czarnym na głębokości poniżej 200 m od jego powierzchni.

Tak więc, aby stworzyć sprzyjające środowisko, konieczne jest utlenienie siarkowodoru do jonów siarczanowych, które zniszczą szkodliwe działanie siarkowodoru, siarka przyjmie postać dostępną dla roślin - w postaci soli siarczanowych. Rolę tę w przyrodzie pełni specjalna grupa bakterii siarkowych (bezbarwne, zielone, fioletowe) oraz bakterie tionowe.

Bezbarwne bakterie siarkowe są chemosyntetykami: wykorzystują energię uzyskaną podczas utleniania siarkowodoru tlenem do siarki elementarnej i jej dalszego utleniania do siarczanów.

Barwne bakterie siarkowe to organizmy fotosyntetyczne, które wykorzystują siarkowodór jako donor wodoru do redukcji dwutlenku węgla.

Powstała siarka elementarna w zielonych bakteriach siarkowych jest uwalniana z komórek, w fioletowych bakteriach gromadzi się wewnątrz komórek.

Ogólną reakcją tego procesu jest fotoredukcja:

CO?+ 2H?S światło? (CH? O) + H? O + 2S.

Bakterie tienowe utleniają siarkę elementarną i jej różne zredukowane związki do siarczanów kosztem wolnego tlenu, zawracając ją z powrotem do głównego nurtu cyklu biologicznego.

W procesach cyklu biologicznego, w których następuje przemiana siarki, ogromną rolę odgrywają organizmy żywe, zwłaszcza mikroorganizmy.

Głównym akumulatorem siarki na naszej planecie jest Ocean Światowy, ponieważ jony siarczanowe są do niego stale dostarczane z gleby. Część siarki z oceanu wraca na ląd przez atmosferę zgodnie ze schematem siarkowodoru - jego utlenianie do dwutlenku siarki - rozpuszczanie tego ostatniego w wodzie deszczowej z utworzeniem kwasu siarkowego i siarczanów - powrót siarki z opadami atmosferycznymi do pokrywa glebowa Ziemi.

Cykl kationów nieorganicznych

Oprócz podstawowych pierwiastków tworzących organizmy żywe (węgiel, tlen, wodór, fosfor i siarka) niezbędne jest wiele innych makro- i mikroelementów - kationów nieorganicznych. W zbiornikach wodnych rośliny otrzymują kationy metali, których potrzebują bezpośrednio ze środowiska. Na lądzie głównym źródłem kationów nieorganicznych jest gleba, która je otrzymała w procesie niszczenia skał macierzystych. W roślinach kationy wchłonięte przez systemy korzeniowe przemieszczają się do liści i innych organów; niektóre z nich (magnez, żelazo, miedź i szereg innych) wchodzą w skład cząsteczek ważnych biologicznie (chlorofil, enzymy); inne, pozostając w postaci wolnej, uczestniczą w utrzymaniu niezbędnych właściwości koloidalnych protoplazmy komórkowej i pełnią różne inne funkcje.

Kiedy organizmy żywe wymierają, kationy nieorganiczne powracają do gleby podczas mineralizacji materii organicznej. Straty tych składników z gleby powstają w wyniku wymywania i usuwania kationów metali wodą opadową, odrzucania i usuwania materii organicznej przez człowieka podczas uprawy roślin rolniczych, wycinki, koszenia traw na paszę itp.

Racjonalne stosowanie nawozów mineralnych, rekultywacja gleb, stosowanie nawozów organicznych, prawidłowa technika rolnicza pomoże przywrócić i utrzymać równowagę kationów nieorganicznych w biocenozach biosfery.

Cykl antropogeniczny: cykl ksenobiotyków (rtęć, ołów, chrom)

Ludzkość jest częścią natury i może istnieć tylko w nieustannej interakcji z nią.

Istnieją podobieństwa i sprzeczności między naturalnym i antropogenicznym obiegiem substancji i energii w biosferze.

Naturalny (biogeochemiczny) cykl życia ma następujące cechy:

• - wykorzystanie energii słonecznej jako źródła życia i wszelkie jego przejawy oparte na prawach termodynamicznych;
• - odbywa się bez odpadów, tj. wszystkie produkty jego życiowej aktywności są mineralizowane i ponownie włączane do następnego cyklu cyklu substancji. Jednocześnie odpady, zdewaluowana energia cieplna są usuwane poza biosferę. Biogeochemiczny obieg substancji generuje odpady, tj. rezerwy w postaci węgla, ropy naftowej, gazu i innych surowców mineralnych. W przeciwieństwie do naturalnego cyklu bezodpadowego, cyklowi antropogenicznemu towarzyszy przyrost ilości odpadów z roku na rok.

W przyrodzie nie ma nic bezużytecznego ani szkodliwego, nawet z erupcji wulkanicznych jest korzyść, ponieważ niezbędne pierwiastki (na przykład azot) dostają się do powietrza z gazami wulkanicznymi.

Istnieje prawo globalnego zamknięcia cyklu biogeochemicznego w biosferze, działające na wszystkich etapach jej rozwoju, a także zasada zwiększania zamknięcia cyklu biogeochemicznego podczas sukcesji.

Człowiek odgrywa ogromną rolę w obiegu biogeochemicznym, ale w przeciwnym kierunku. Człowiek narusza ustalone cykle substancji i tutaj manifestuje się jego geologiczna moc - destrukcyjna w stosunku do biosfery. W wyniku działalności antropogenicznej zmniejsza się stopień zamknięcia cykli biogeochemicznych.

Cyrkulacja antropogeniczna nie ogranicza się do energii światła słonecznego przechwyconego przez zielone rośliny planety. Ludzkość wykorzystuje energię elektrowni paliwowych, wodnych i jądrowych.

Można argumentować, że działalność antropogeniczna na obecnym etapie jest ogromną siłą niszczącą biosferę.

Biosfera ma szczególną właściwość - znaczną odporność na zanieczyszczenia. Trwałość ta opiera się na naturalnej zdolności różnych składników środowiska naturalnego do samooczyszczania i samoleczenia. Ale to nie jest nieograniczone. Ewentualny globalny kryzys spowodował konieczność zbudowania matematycznego modelu biosfery jako całości (system „Gaia”) w celu uzyskania informacji o możliwym stanie biosfery.

Ksenobiotyk jest substancją obcą organizmom żywym, która powstaje w wyniku działalności antropogenicznej (pestycydy, chemia gospodarcza i inne zanieczyszczenia), która może powodować zakłócenia procesów biotycznych, m.in. choroba lub śmierć ciała. Takie zanieczyszczenia nie ulegają biodegradacji, ale gromadzą się w łańcuchach pokarmowych.

Rtęć jest bardzo rzadkim pierwiastkiem. Jest rozproszony w skorupie ziemskiej i tylko kilka minerałów, takich jak cynober, występuje w postaci skoncentrowanej. Rtęć uczestniczy w cyklu materii w biosferze, migrując w stanie gazowym oraz w roztworach wodnych.

Wchodzi do atmosfery z hydrosfery podczas parowania, po uwolnieniu z cynobru wraz z gazami wulkanicznymi i gazami ze źródeł termalnych. Część gazowej rtęci w atmosferze przechodzi w fazę stałą i jest usuwana z powietrza. Zdeponowana rtęć jest absorbowana przez gleby, zwłaszcza glinę, wodę i skały. W minerałach palnych – oleju i węglu – rtęć zawiera do 1 mg/kg. W masie wody oceanów około 1,6 miliarda ton, w osadach dennych - 500 miliardów ton, w planktonie - 2 miliony ton. Wody rzeczne wyprowadzają rocznie z lądu około 40 tys. ton, czyli 10 razy mniej niż przedostaje się do atmosfery podczas parowania (400 tys. ton). Na powierzchnię lądu spada rocznie około 100 tys. ton.

Rtęć przekształciła się z naturalnego składnika środowiska naturalnego w jedną z najniebezpieczniejszych dla zdrowia ludzkiego emisji do biosfery. Znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle metalurgicznym, chemicznym, elektrycznym, elektronicznym, celulozowo-papierniczym i farmaceutycznym oraz znajduje zastosowanie w produkcji materiałów wybuchowych, lakierów i farb, a także w medycynie. Głównymi źródłami zanieczyszczenia biosfery tym toksycznym składnikiem są ścieki przemysłowe i emisje do powietrza wraz z kopalniami rtęci, zakładami produkcji rtęci oraz elektrociepłowniami (kogeneracjami i kotłowniami) wykorzystującymi węgiel, ropę i produkty ropopochodne. Ponadto rtęć jest składnikiem pestycydów rtęciowych stosowanych w rolnictwie do zaprawiania nasion i ochrony upraw przed szkodnikami. Wchodzi do organizmu człowieka wraz z pożywieniem (jajka, marynowane ziarno, mięso zwierząt i ptaków, mleko, ryby).

Rtęć w wodzie i osadach dennych rzek

Ustalono, że około 80% rtęci dostającej się do naturalnych zbiorników wodnych jest w postaci rozpuszczonej, co ostatecznie przyczynia się do jej rozprzestrzeniania się na duże odległości wraz z przepływami wody. Czysty pierwiastek jest nietoksyczny.

Rtęć znajduje się w mule dennym częściej w stosunkowo nieszkodliwych stężeniach. Nieorganiczne związki rtęci są przekształcane w toksyczne organiczne związki rtęci, takie jak metylortęć CH?Hg i etylortęć C?H?Hg, dzięki bakteriom żyjącym w detrycie i osadach, w mule dennym jezior i rzek, w śluzie pokrywającym ciała ryby, a także śluz żołądkowy ryb. Związki te są łatwo rozpuszczalne, mobilne i wysoce toksyczne. Chemiczną podstawą agresywnego działania rtęci jest jej powinowactwo do siarki, w szczególności do grupy siarkowodoru w białkach. Te cząsteczki wiążą się z chromosomami i komórkami mózgowymi. Ryby i skorupiaki mogą gromadzić je do stężeń niebezpiecznych dla osoby je spożywającej, powodując chorobę Minamata.

Rtęć metaliczna i jej związki nieorganiczne działają głównie na wątrobę, nerki i przewód pokarmowy, jednak w normalnych warunkach są stosunkowo szybko wydalane z organizmu, a ilość niebezpieczna dla organizmu człowieka nie ma czasu się kumulować. Metylortęć i inne związki alkilortęci są o wiele bardziej niebezpieczne, ponieważ dochodzi do kumulacji – toksyna dostaje się do organizmu szybciej niż jest wydalana z organizmu, działając na centralny układ nerwowy.

Osady denne są ważną cechą ekosystemów wodnych. Gromadzące się metale ciężkie, radionuklidy i silnie toksyczne substancje organiczne, osady denne z jednej strony przyczyniają się do samooczyszczania środowisk wodnych, z drugiej są stałym źródłem wtórnego zanieczyszczenia zbiorników wodnych. Osady denne są obiecującym obiektem analiz, odzwierciedlającym długofalowy obraz zanieczyszczenia (zwłaszcza w zbiornikach o niskim przepływie). Ponadto obserwuje się akumulację rtęci nieorganicznej w osadach dennych, zwłaszcza w ujściach rzek. Sytuacja napięta może wystąpić, gdy pojemność adsorpcyjna osadów (mułu, osadów) jest wyczerpana. Po osiągnięciu zdolności adsorpcji metale ciężkie, m.in. rtęć zacznie płynąć do wody.

Wiadomo, że w morskich warunkach beztlenowych w osadach martwych glonów rtęć dodaje wodór i przekształca się w związki lotne.

Przy udziale mikroorganizmów rtęć metaliczna może być metylowana w dwóch etapach:

CH?Hg+? (CH?)?

Metylortęć w środowisku pojawia się praktycznie tylko podczas metylacji rtęci nieorganicznej.

Biologiczny okres półtrwania rtęci jest długi, dla większości tkanek ludzkiego ciała wynosi 70-80 dni.

Wiadomo, że duże ryby, takie jak miecznik i tuńczyk, są zanieczyszczone rtęcią na początku łańcucha pokarmowego. Warto zauważyć, że w jeszcze większym stopniu niż w rybach rtęć gromadzi się (akumuluje) w ostrygach.

Rtęć wchodzi do ludzkiego ciała poprzez oddychanie, z jedzeniem i przez skórę zgodnie z następującym schematem:

Najpierw rtęć jest przekształcana. Pierwiastek ten występuje naturalnie w kilku formach.

Stosowana w termometrach metaliczna rtęć i jej sole nieorganiczne (np. chlorek) są usuwane z organizmu stosunkowo szybko.

Związki rtęci alkilowej, w szczególności rtęć metylowa i etylowa, są znacznie bardziej toksyczne. Związki te są bardzo powoli wydalane z organizmu – tylko około 1% całkowitej ilości dziennie. Chociaż większość rtęci, która dostaje się do wód naturalnych, jest tam zawarta w postaci związków nieorganicznych, u ryb występuje ona zawsze w postaci bardzo trującej metylortęci. Bakterie w mule dennym jezior i rzek, w śluzie pokrywającym ciała ryb, a także w śluzie żołądka ryb, są zdolne do przekształcania nieorganicznych związków rtęci w metylortęć.

Po drugie, selektywna akumulacja lub akumulacja biologiczna (stężenie) zwiększa zawartość rtęci w rybach i skorupiakach do poziomów wielokrotnie wyższych niż w wodzie zatoki. Ryby i mięczaki żyjące w rzece gromadzą metylortęć do stężeń niebezpiecznych dla ludzi, którzy używają jej jako pożywienia.

% światowego połowu ryb zawiera rtęć w ilości nieprzekraczającej 0,5 mg/kg, a 95% - poniżej 0,3 mg/kg. Prawie cała rtęć w rybach ma postać metylortęci.

Biorąc pod uwagę różną toksyczność związków rtęci dla ludzi w żywności, konieczne jest określenie rtęci nieorganicznej (całkowitej) i organicznej. Dla nas określana jest tylko całkowita zawartość rtęci. Zgodnie z wymogami medycznymi i biologicznymi dopuszcza się zawartość rtęci w słodkowodnych rybach drapieżnych 0,6 mg/kg, w rybach morskich 0,4 mg/kg, w słodkowodnych niedrapieżnych rybach tylko 0,3 mg/kg, a w tuńczykach do 0,7 mg / kg. W produktach spożywczych dla niemowląt zawartość rtęci nie powinna przekraczać 0,02 mg/kg w konserwach mięsnych, 0,15 mg/kg w konserwach rybnych, w pozostałych – 0,01 mg/kg.

Ołów występuje niemal we wszystkich składnikach środowiska naturalnego. Zawiera 0,0016% w skorupie ziemskiej. Naturalny poziom ołowiu w atmosferze wynosi 0,0005 mg/m3. Większość z nich wytrąca się z pyłem, około 40% opada z opadami atmosferycznymi. Rośliny pozyskują ołów z osadów glebowych, wodnych i atmosferycznych, natomiast zwierzęta pozyskują ołów z roślin i wody. Metal wchodzi do ludzkiego ciała wraz z pożywieniem, wodą i kurzem.

Głównym źródłem zanieczyszczenia biosfery ołowiem są silniki benzynowe, których spaliny zawierają trietyloołów, elektrownie cieplne spalające węgiel, przemysł wydobywczy, metalurgiczny i chemiczny. Znaczna ilość ołowiu wprowadzana jest do gleby wraz ze ściekami wykorzystywanymi jako nawóz. Ołów został również użyty do ugaszenia płonącego reaktora elektrowni jądrowej w Czarnobylu, który dostał się do basenu powietrznego i rozprzestrzenił się na rozległych obszarach. Wraz ze wzrostem zanieczyszczenia środowiska ołowiem wzrasta jego odkładanie się w kościach, włosach i wątrobie.

Chrom. Najbardziej niebezpieczny jest toksyczny chrom (6+), który mobilizuje się w glebach kwaśnych i zasadowych, w wodach słodkich i morskich. W wodzie morskiej chrom jest 10-20% reprezentowany przez Cr (3+), 25-40% - Cr (6+), 45-65% - organiczny. Cr (3+) dominuje w zakresie pH 5 - 7, a Cr (6+) przeważa przy pH > 7. Wiadomo, że Cr (6+) i organiczne związki chromu nie wytrącają się razem z wodorotlenkiem żelaza w wodzie morskiej.

Naturalne cykle substancji są praktycznie zamknięte. W naturalnych ekosystemach materia i energia są wydawane oszczędnie, a marnotrawstwo jednych organizmów jest ważnym warunkiem istnienia innych. Antropogenicznemu obiegowi substancji towarzyszy ogromne zużycie zasobów naturalnych oraz duża ilość odpadów powodujących zanieczyszczenie środowiska. Stworzenie nawet najbardziej zaawansowanych oczyszczalni nie rozwiązuje problemu, dlatego konieczne jest opracowanie nisko- i bezodpadowych technologii, które pozwolą maksymalnie zamknąć cykl antropogeniczny. Teoretycznie możliwe jest stworzenie technologii bezodpadowej, ale technologie niskoodpadowe są realne.

Adaptacja do zjawisk naturalnych

Adaptacje - różne adaptacje do środowiska, wykształcone w organizmach (od najprostszych do najwyższych) w procesie ewolucji. Zdolność do adaptacji to jedna z podstawowych właściwości istot żywych, która zapewnia możliwość ich egzystencji.

Głównymi czynnikami, które rozwijają proces adaptacji są: dziedziczność, zmienność, dobór naturalny (i sztuczny).

Tolerancja może się zmienić, jeśli organizm znajdzie się w innych warunkach zewnętrznych. Wchodząc w takie warunki, po pewnym czasie przyzwyczaja się do nich, przystosowuje się do nich (od łac. adaptacja - przystosować się). Konsekwencją tego jest zmiana pozycji optimum fizjologicznego.

Właściwość organizmów do przystosowania się do egzystencji w określonym zakresie czynników środowiskowych nazywana jest plastycznością środowiska.

Im szerszy zakres czynnika ekologicznego, w którym może żyć dany organizm, tym większa jego plastyczność ekologiczna. W zależności od stopnia plastyczności rozróżnia się dwa rodzaje organizmów: stenobiontyczne (stenoeci) i eurybiontyczne (euryeci). Tak więc stenobionty są ekologicznie nieplastyczne (na przykład flądra żyje tylko w słonej wodzie, a karaś tylko w słodkiej wodzie), tj. nie są odporne, a eurybionty są ekologicznie plastyczne, tj. bardziej odporny (na przykład ciernik trójkolcowy może żyć zarówno w wodach słodkich, jak i słonych).

Adaptacje są wielowymiarowe, ponieważ organizm musi jednocześnie odpowiadać wielu różnym czynnikom środowiskowym.

Istnieją trzy główne sposoby adaptacji organizmów do warunków środowiskowych: aktywne; bierny; unikanie negatywnych skutków.

Aktywnym sposobem adaptacji jest wzrost odporności, rozwój procesów regulacyjnych, które umożliwiają wykonywanie wszystkich funkcji życiowych organizmu, pomimo odchyleń czynnika od optimum. Na przykład zwierzęta stałocieplne utrzymują stałą temperaturę ciała - optymalną dla zachodzących w nich procesów biochemicznych.

Biernym sposobem adaptacji jest podporządkowanie funkcji życiowych organizmów zmianom czynników środowiskowych. Na przykład w niesprzyjających warunkach środowiskowych wiele organizmów przechodzi w stan zawieszenia aktywności (ukryte życie), w którym metabolizm w organizmie praktycznie zatrzymuje się (stan spoczynku zimowego, odrętwienie owadów, hibernacja, zachowanie zarodników w glebie w forma zarodników i nasion).

Unikanie niekorzystnych skutków - rozwój adaptacji, zachowanie organizmów (adaptacja), które pomagają uniknąć niekorzystnych warunków. W tym przypadku adaptacje mogą być: morfologiczne (zmienia się struktura ciała: modyfikacja liści u kaktusa), fizjologiczne (wielbłąd zapewnia sobie wilgoć w wyniku utleniania rezerw tłuszczu), etologiczne (zmiany zachowania: sezonowe migracje ptaków, hibernacja w okresie zimowym).

Żywe organizmy są dobrze przystosowane do czynników okresowych. Czynniki nienawracające mogą powodować choroby, a nawet śmierć organizmu (np. leki, pestycydy). Jednak przy dłuższym narażeniu na nie może również wystąpić adaptacja do nich.

Organizmy przystosowały się do rytmów dobowych, sezonowych, pływowych, aktywności słonecznej, faz księżycowych i innych ściśle okresowych zjawisk. Tak więc adaptację sezonową wyróżnia się jako sezonowość w przyrodzie i stan spoczynku zimowego.

Sezonowość w przyrodzie. Wiodącą wartością dla roślin i zwierząt w adaptacji organizmów jest roczna zmienność temperatury. Okres korzystny dla życia, średnio dla naszego kraju, trwa około sześciu miesięcy (wiosna, lato). Jeszcze przed nadejściem stabilnych mrozów w przyrodzie rozpoczyna się okres zimowego spoczynku.

Stan spoczynku zimowego. Spoczynek zimowy to nie tylko zatrzymanie rozwoju w wyniku niskich temperatur, ale złożona adaptacja fizjologiczna, która następuje dopiero na pewnym etapie rozwoju. Na przykład komar anopheles i ćma pokrzywkowa zapada w stan hibernacji w stadium dorosłym, ćma kapuściana w stadium poczwarki, a ćma cygańska w stadium jaja.

Biorytmy. W procesie ewolucji każdy gatunek wykształcił charakterystyczny roczny cykl intensywnego wzrostu i rozwoju, reprodukcji, przygotowania do zimy i hibernacji. Zjawisko to nazywa się rytmem biologicznym. Zbieżność każdego okresu cyklu życia z odpowiednią porą roku ma kluczowe znaczenie dla istnienia gatunku.

Głównym czynnikiem regulującym cykle sezonowe u większości roślin i zwierząt jest zmiana długości dnia.

Biorytmy to:

egzogenne (zewnętrzne) rytmy (powstają jako reakcja na okresowe zmiany w środowisku (zmiana dnia i nocy, pory roku, aktywność słoneczna) endogeniczne (wewnętrzne rytmy) są generowane przez sam organizm

Z kolei endogenne dzielimy na:

Rytmy fizjologiczne (bicie serca, oddychanie, praca gruczołów dokrewnych, synteza DNA, RNA, białek, praca enzymów, podział komórek itp.)

Rytmy ekologiczne (dzienne, roczne, pływowe, księżycowe itp.)

Procesy syntezy DNA, RNA, białek, podziału komórek, bicia serca, oddychania itp. mają rytmiczność. Wpływy zewnętrzne mogą przesunąć fazy tych rytmów i zmienić ich amplitudę.

Rytmy fizjologiczne różnią się w zależności od stanu organizmu, środowiskowe są bardziej stabilne i odpowiadają rytmom zewnętrznym. Dzięki rytmom endogennym organizm może zorientować się w czasie i z wyprzedzeniem przygotować się na nadchodzące zmiany w środowisku - to jest zegar biologiczny organizmu. Wiele żywych organizmów charakteryzuje rytm dobowy i cyrkowy.

Rytmy okołodobowe (okołodobowe) - powtarzalna intensywność i charakter procesów i zjawisk biologicznych w okresie od 20 do 28 godzin. Rytmy dobowe są związane z aktywnością zwierząt i roślin w ciągu dnia iz reguły zależą od temperatury i natężenia światła. Na przykład nietoperze latają o zmierzchu i odpoczywają w ciągu dnia, wiele organizmów planktonowych nocą przebywa na powierzchni wody i schodzi w głąb w ciągu dnia.

Sezonowe rytmy biologiczne są związane z wpływem światła - fotoperiod. Reakcja organizmów na długość dnia nazywana jest fotoperiodyzmem. Fotoperiodyzm jest ważną powszechną adaptacją, która reguluje zjawiska sezonowe w wielu różnych organizmach. Badanie fotoperiodyzmu roślin i zwierząt wykazało, że reakcja organizmów na światło opiera się na naprzemiennych okresach światła i ciemności o określonym czasie trwania w ciągu dnia. Reakcja organizmów (od jednokomórkowych po ludzi) na długość dnia i nocy pokazuje, że potrafią mierzyć czas, tj. mieć jakiś zegar biologiczny. Zegar biologiczny poza cyklami sezonowymi steruje wieloma innymi zjawiskami biologicznymi, wyznacza prawidłowy rytm dobowy zarówno aktywności całych organizmów, jak i procesów zachodzących nawet na poziomie komórek, w szczególności podziałów komórkowych.

Uniwersalną właściwością wszystkich żywych istot, od wirusów i mikroorganizmów po wyższe rośliny i zwierzęta, jest zdolność do wytwarzania mutacji - nagłych, naturalnych i sztucznie wywołanych, dziedzicznych zmian w materiale genetycznym, prowadzących do zmiany pewnych cech organizmu. Zmienność mutacyjna nie odpowiada warunkom środowiskowym iz reguły zakłóca istniejące adaptacje.

Wiele owadów wchodzi w diapauzę (przedłużone zatrzymanie rozwoju) na pewnym etapie rozwoju, czego nie należy mylić ze stanem uśpienia w niesprzyjających warunkach. Na reprodukcję wielu zwierząt morskich wpływają rytmy księżycowe.

Rytmy czerkieskie (prawie roczne) to powtarzające się zmiany intensywności i charakteru procesów i zjawisk biologicznych trwające od 10 do 13 miesięcy.

Stan fizyczny i psychiczny osoby ma również charakter rytmiczny.

Zaburzony rytm pracy i odpoczynku obniża wydajność i wpływa niekorzystnie na zdrowie człowieka. Stan osoby w ekstremalnych warunkach będzie zależał od stopnia jej przygotowania na te warunki, ponieważ praktycznie nie ma czasu na adaptację i powrót do zdrowia.

Wszystkie substancje na naszej planecie są w obiegu. Energia słoneczna powoduje dwa cykle materii na Ziemi:

1) Duże (geologiczne lub abiotyczne);

2) Małe (biotyczne, biogenne lub biologiczne).

Cykle materii i przepływy energii kosmicznej tworzą stabilność biosfery. Cykl ciała stałego i wody, który zachodzi w wyniku działania czynników abiotycznych (przyroda nieożywiona), nazywa się duży cykl geologiczny. Przy dużym cyklu geologicznym (mijają miliony lat) skały są niszczone, erodowane, substancje rozpuszczają się i wchodzą do Oceanu Światowego; Zachodzą zmiany geotektoniczne, osiadanie kontynentów, podnoszenie się dna morskiego. Czas obiegu wody w lodowcach wynosi 8000 lat, w rzekach 11 dni. To właśnie wielkie krążenie dostarcza organizmom żywym składników odżywczych i w dużej mierze determinuje warunki ich egzystencji.

Świetna, geologiczna cyrkulacja w biosferze charakteryzuje się dwoma ważnymi punktami:

a) odbywa się w całym rozwoju geologicznym Ziemi;

b) to nowoczesny proces planetarny, który odgrywa wiodącą rolę w dalszym rozwoju biosfery.

Na obecnym etapie rozwoju człowieka w wyniku dużego cyklu transportowane są również na duże odległości zanieczyszczenia – tlenki siarki i azotu, pyły, zanieczyszczenia radioaktywne. Największe zanieczyszczenie podlegało terytoriom umiarkowanych szerokości geograficznych półkuli północnej.

Mały, biogenny lub biologiczny obieg substancji zachodzi w fazie stałej, ciekłej i gazowej z udziałem organizmów żywych. Cykl biologiczny, w przeciwieństwie do geologicznego, wymaga mniej energii. Mały cykl jest częścią dużego cyklu, występuje na poziomie biogeocenoz (wewnątrz ekosystemów) i polega na tym, że składniki odżywcze gleby, woda, węgiel gromadzą się w materii roślinnej, są wydawane na budowę ciała. Produkty rozkładu materii organicznej rozkładają się na składniki mineralne. Mały obieg nie jest zamknięty, co wiąże się z dopływem substancji i energii do ekosystemu z zewnątrz oraz z uwolnieniem części z nich do cyklu biosfery.

Wiele pierwiastków chemicznych i ich związków uczestniczy w dużych i małych cyklach, ale najważniejsze z nich to te, które determinują współczesny etap rozwoju biosfery związanej z działalnością gospodarczą człowieka. Należą do nich cykle węgiel, siarka i azot(ich tlenki są główne zanieczyszczenia powietrza), oraz fosfor (fosforany - główne zanieczyszczenie wód kontynentalnych)... Prawie wszystkie zanieczyszczenia działają jako szkodliwe i należą do tej grupy ksenobiotyki.

Obecnie duże znaczenie mają cykle ksenobiotyków - pierwiastków toksycznych. rtęć (zanieczyszczenie żywności) produkty) i ołów (składnik benzyny)... Ponadto wiele substancji pochodzenia antropogenicznego (DDT, pestycydy, radionuklidy itp.), które szkodzą biocie i zdrowiu ludzkiemu, przechodzi z dużego cyklu do małego.

Istota cyklu biologicznego tkwi w przebiegu dwóch przeciwstawnych, ale powiązanych ze sobą procesów - kreacja materia organiczna i jej zniszczenieżywa materia.

W przeciwieństwie do dużego cyklu, mały cykl ma inny czas trwania: istnieją sezonowe, roczne, wieloletnie i świeckie małe cykle.

Cykl chemikaliów ze środowiska nieorganicznego przez roślinność i zwierzęta z powrotem do środowiska nieorganicznego za pomocą reakcji chemicznych energii słonecznej nazywa się cykl biogeochemiczny .

Od udziału organizmów żywych w funkcjonowaniu biosfery zależy teraźniejszość i przyszłość naszej planety. W obiegu substancji materia żywa, czyli biomasa, pełni funkcje biogeochemiczne: gazowe, koncentracyjne, redoks i biochemiczne.

Cykl biologiczny odbywa się przy udziale organizmów żywych i polega na reprodukcji materii organicznej z nieorganicznej i rozkładzie tej organicznej na nieorganiczną poprzez łańcuch troficzny pokarmu. Intensywność procesów produkcji i niszczenia w cyklu biologicznym zależy od ilości ciepła i wilgoci. Na przykład niskie tempo rozkładu materii organicznej w regionach polarnych zależy od braku ciepła.

Ważnym wskaźnikiem intensywności cyklu biologicznego jest szybkość obiegu pierwiastków chemicznych. Intensywność charakteryzuje się indeks równy stosunkowi masy ściółki leśnej do ściółki. Im większy wskaźnik, tym mniejsza intensywność cyklu.

Indeks w lasach iglastych - 10 - 17; liściaste 3 - 4; sawanna nie więcej niż 0,2; wilgotne lasy tropikalne nie większe niż 0,1, tj. tutaj krążenie biologiczne jest najbardziej intensywne.

Przepływ pierwiastków (azot, fosfor, siarka) przez mikroorganizmy jest o rząd wielkości wyższy niż przez rośliny i zwierzęta. Cykl biologiczny nie jest całkowicie odwracalny, jest ściśle powiązany z cyklem biogeochemicznym. Pierwiastki chemiczne krążą w biosferze różnymi ścieżkami cyklu biologicznego:

pochłonięty przez żywą materię i naładowany energią;

pozostawić żywą materię, uwalniając energię do środowiska zewnętrznego.

Te cykle są dwojakiego rodzaju: obieg substancji gazowych; cykl sedymentacyjny (rezerwa w skorupie ziemskiej).

Same żyry składają się z dwóch części:

- Fundusz rezerwowy(jest to część substancji, która nie jest związana z żywymi organizmami);

- fundusz mobilny (giełdowy)(mniejsza część substancji związana z bezpośrednią wymianą między organizmami a ich bezpośrednim otoczeniem).

Cykle dzielą się na:

Cykle rodzaj gazu z funduszem rezerwowym w skorupie ziemskiej (cykle węgla, tlenu, azotu) - zdolne do szybkiej samoregulacji;

Cykle typ osadowy z funduszem rezerwowym w skorupie ziemskiej (cykle fosforu, wapnia, żelaza itp.) są bardziej obojętne, większość substancji jest w postaci „niedostępnej” dla żywych organizmów.

Cykle można również podzielić na:

- Zamknięte(obieg substancji gazowych, na przykład tlenu, węgla i azotu jest rezerwą w atmosferze i hydrosferze oceanu, więc niedobór jest szybko kompensowany);

- niezamknięty(tworzenie funduszu rezerwowego w skorupie ziemskiej, na przykład fosforu - dlatego straty są słabo kompensowane, tj. powstaje deficyt).

Energetyczną podstawą istnienia cykli biologicznych na Ziemi i ich początkowym ogniwem jest proces fotosyntezy. Każdy nowy cykl cyklu nie jest dokładnym powtórzeniem poprzedniego. Na przykład podczas ewolucji biosfery niektóre procesy były nieodwracalne, co skutkowało tworzeniem się i akumulacją osadów biogenicznych, wzrostem ilości tlenu w atmosferze, zmianą stosunków ilościowych izotopów szeregu elementy itp.

Obieg substancji jest zwykle nazywany cykle biogeochemiczne . Główne biogeochemiczne (biosferyczne) cykle substancji: obieg wody, obieg tlenu, obieg azotu(udział bakterii wiążących azot), obieg węgla(udział bakterii tlenowych; corocznie do obiegu geologicznego trafia ok. 130 ton węgla), cykl fosforu(udział bakterii glebowych; rocznie 14 mln ton fosforu), cykl siarki, cykl kationów metali.

Strona 1

Obieg geologiczny (wielki obieg substancji w przyrodzie) to obieg substancji, którego siłą napędową są egzogenne i endogeniczne procesy geologiczne.

Obieg geologiczny - obieg substancji, których siłą napędową są egzogeniczne i endogeniczne procesy geologiczne.

Granice cyklu geologicznego są znacznie szersze niż granice biosfery, jego amplituda pokrywa warstwy skorupy ziemskiej daleko poza biosferą. A co najważniejsze, w procesach tego cyklu żywe organizmy odgrywają drugorzędną rolę.

W ten sposób obieg geologiczny substancji przebiega bez udziału organizmów żywych i realizuje redystrybucję materii między biosferą a głębszymi warstwami Ziemi.

Najważniejszą rolę w dużym cyklu cyklu geologicznego odgrywają małe cykle materii, zarówno biosferycznej, jak i technosferycznej, w których substancja jest na stałe wykluczona z wielkiego przepływu geochemicznego, przekształcając się w nieskończone cykle syntezy i rozkładu.

Najważniejszą rolę w dużym cyklu cyklu geologicznego odgrywają małe cykle materii, zarówno biosferycznej, jak i technosferycznej, w których substancja jest na stałe wykluczona z wielkiego przepływu geochemicznego, przekształcając się w nieskończone cykle syntezy i rozkładu.

Węgiel ten bierze udział w powolnym cyklu geologicznym.

To właśnie ten węgiel bierze udział w powolnym cyklu geologicznym. Życie na Ziemi i bilans gazowy atmosfery są podtrzymywane przez stosunkowo niewielkie ilości węgla, które uczestniczą w małym (biogenicznym) cyklu, zawarte w tkankach roślinnych (510 ton) i zwierzęcych (5 109 ton). Jednak obecnie człowiek intensywnie zamyka obieg substancji, w tym węgla. Na przykład obliczono, że całkowita biomasa wszystkich zwierząt domowych już przewyższa biomasę wszystkich dzikich zwierząt lądowych. Powierzchnie roślin uprawnych zbliżają się do obszarów naturalnych biogeocenoz, a wiele ekosystemów kulturowych swoją produktywnością, stale zwiększaną przez człowieka, znacznie przewyższa naturalne.

Najbardziej rozległy w czasie i przestrzeni jest tzw. geologiczny obieg substancji.

W przyrodzie istnieją 2 rodzaje obiegu substancji: duży lub geologiczny obieg substancji między lądem a oceanem; małe lub biologiczne - między glebą a roślinami.

Woda wydobywana przez roślinę z gleby w stanie parowym trafia do atmosfery, następnie po schłodzeniu skrapla się i ponownie wraca do gleby lub oceanu w postaci opadów. Obieg wody geologicznej zapewnia mechaniczną redystrybucję, sedymentację, gromadzenie osadów stałych na lądzie i na dnie zbiorników, a także w procesie mechanicznego niszczenia gleb i skał. Jednak chemiczna funkcja wody realizowana jest przy udziale organizmów żywych lub ich produktów odpadowych. Wody naturalne, podobnie jak gleby, są złożoną substancją bioobojętną.

Aktywność geochemiczna człowieka staje się porównywalna w skali z procesami biologicznymi i geologicznymi. W obiegu geologicznym gwałtownie wzrasta połączenie denudacyjne.

Czynnik, który pozostawia główny ślad na charakterze ogólnym i biologicznym. Jednocześnie geologiczny obieg wody nieustannie dąży do wypłukania wszystkich tych elementów z masy śmieci lądowych do basenu oceanicznego. Dlatego też zachowanie elementów pokarmu roślinnego na gruncie wymaga ich przekształcenia w formę absolutnie nierozpuszczalną w wodzie. Wymóg ten spełnia żywa organiczna.