دورة المياه الكبيرة في المحيط الحيوي. §47

16.12.2023

إن تكوين المادة الحية وجدولها الزمني هما وجهان لعملية واحدة تسمى الدورة البيولوجية للعناصر الكيميائية. الحياة هي دورة العناصر بين الكائن الحي والبيئة. سبب الدورة البيولوجية هو محدودية الموارد من العناصر التي تتكون منها أجسام الكائنات الحية.

تنقسم عمليات تداول المواد في المحيط الحيوي عادة إلى دورات كبيرة (جيولوجية) وصغيرة (بيولوجية).

القوة الدافعة وراء الدورة (الجيولوجية) الكبيرة هي العمليات التكتونية والطاقة الشمسية. وتبلغ طاقته 2016 طنًا سنويًا، ويصل عمره إلى أكثر من 4 مليارات سنة. ترتبط الدورة الصغيرة (البيولوجية) للمواد بنشاط المادة الحية. تتجاوز طاقتها الإجمالية 5 أو 10 طن سنويًا. تحدث كلتا الدورتين في وقت واحد ومترابطتين. إنها تشكل دورة جيوكيميائية حيوية واحدة - تحول دوري مستمر للمواد والتغيرات في تدفقات الطاقة مع نقل الكتلة المكانية بسبب العمل المشترك للتحولات الحيوية وغير الحيوية للمادة. في إطار دورة بيوجيوكيميائية واحدة للمحيط الحيوي، فإن دورات 6 عناصر لها أهمية قصوى: الهيدروجين والأكسجين والكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت (الشكل 1.1).

دورة الكربون. كتلة الكربون في المحيط الحيوي تتجاوز 12.000 مليار طن، وتحدث دورة الكربون فعلياً بين الكائنات الحية

أرز. 1.1. الدورات البيوجيوكيميائية في المحيط الحيوي (أ - د)

المادة وثاني أكسيد الكربون (CO2). أثناء عملية التمثيل الضوئي، التي تقوم بها النباتات، يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون (ثاني أكسيد الكربون) والماء إلى مركبات عضوية معقدة باستخدام طاقة ضوء الشمس. تمتص النباتات الخضراء 200 مليار طن من الكربون كل عام. ويعود معظمه إلى الغلاف الجوي من خلال عمليات التنفس. وتتحلل الكائنات النباتية والحيوانية الميتة بواسطة الفطريات والكائنات الحية الدقيقة، ويصاحب ذلك إطلاق ثاني أكسيد الكربون، والذي يعود أيضًا إلى الغلاف الجوي. يبلغ إجمالي مخزون الكربون في الغلاف الجوي 711 مليار طن. يحتوي ما يسمى بـ "نظام الكربونات" في المحيط العالمي على أكثر من 390 تريليون. إلخ. يتكون نظام الكربونات في المحيطات من مجموعة متنوعة من الكائنات الحية - الأوليات، والطحالب، والشعاب المرجانية، والرخويات، وما إلى ذلك، التي تتراكم كربونات الكالسيوم في أجسامها. تحدث الدورة الكاملة لتبادل الكربون في المحيط الحيوي خلال 300 إلى 1000 عام.

دورة المياه

يغطي الماء سطح الأرض. في دقيقة واحدة، تحت تأثير حرارة الشمس، يتبخر مليار طن من الماء من سطح خزانات الأرض. ونتيجة لتكثيف بخار الماء تتشكل السحب ويحدث هطول الأمطار. تخترق الأمطار التربة، وتعود المياه الجوفية إلى سطح الأرض عبر الينابيع. يبلغ الاحتياطي الإجمالي للمياه في الغلاف المائي 138 - 1016 طنًا، وتبلغ كتلة بخار الماء في الغلاف الجوي 130 o 10 م طنًا، ومعدل دوران المياه مرتفع جدًا: حيث تتجدد مياه المحيطات خلال 2 مليون سنة، والمياه الجوفية - في في السنة، ماء النهر - في 12 يومًا، وبخار الماء في الغلاف الجوي - في 10 أيام. كل عام، لإنشاء الإنتاج الأولي للمحيط الحيوي في عمليات التمثيل الضوئي، يتم استخدام حوالي 1٪ من المياه، والتي تقع في شكل هطول الأمطار. ويستخدم الناس بالفعل حوالي 2.5% من إجمالي هطول الأمطار السنوي لتلبية الاحتياجات المنزلية والصناعية.

دورة الأكسجين

المنتجون الطبيعيون للأكسجين الجزيئي الحر على الأرض هم النباتات الخضراء، التي تشكله أثناء عملية التمثيل الضوئي. يحتوي الغلاف الجوي على 1.2 – 2.0 أو 1015 طناً من الأكسجين. ويتم تجديد هذا الاحتياطي كل عام بمقدار 70 إلى 100 مليار طن بسبب عملية التمثيل الضوئي للنباتات الخضراء، في حين تنتج الغابات 55 مليار طن من الأكسجين. بالنسبة للغالبية العظمى من الكائنات الحية، الأكسجين أمر حيوي. ويضمن تنفيذ التفاعلات المؤكسدة، التي يتم خلالها إطلاق الطاقة اللازمة لحياة الكائنات الحية. يوجد في الطبيعة تداول مستمر لهذا الغاز نتيجة للعمليات المتوازنة لاستخدام الأكسجين الجوي للتنفس وعمليات الأكسدة وإطلاقه بشكل حر أثناء عملية التمثيل الضوئي. وفقًا للحسابات، تستغرق دورة الأكسجين الكاملة في المحيط الحيوي 2000 عام.

دورة النيتروجين

ويعد الغلاف الجوي أكبر خزان لغاز النيتروجين (3.9 × 1019 طن، أو 78% من حيث الحجم). بالنسبة لمعظم الكائنات الحية فهو غاز محايد. يعتبر النيتروجين عاملاً حيويًا فقط لمجموعة كبيرة من الكائنات الحية الدقيقة. من خلال استيعاب النيتروجين الجزيئي، توفر هذه الكائنات الحية الدقيقة بعد الموت لجذور النباتات العليا أشكالا يمكن الوصول إليها من هذا العنصر، والذي يتم تضمينه في تكوين الأحماض الأمينية والبروتينات والأصباغ. يتم تنفيذ دورة النيتروجين من خلال عمليتين متوازنتين بشكل متبادل: النترجة (الأكسدة المتتابعة للنيتروجين الحر إلى النترات، التي تمتصها جذور النباتات) ونزع النتروجين (اختزال المركبات المحتوية على النيتروجين في شكل حر). يتم تنفيذ كلتا العمليتين بواسطة البكتيريا. ويبلغ التثبيت البيولوجي للنيتروجين حوالي 126 مليون طن سنويًا. بسبب التثبيت اللاأحيائي (على سبيل المثال، أثناء تصريفات البرق أو الانفجارات البركانية)، يدخل 26 مليون طن إضافي من النيتروجين في شكل نترات إلى المحيط الحيوي.

دورة الفوسفور

يدور هذا العنصر المهم والضروري للكائنات الحية، ويتحول تدريجياً من المركبات العضوية إلى الفوسفات، والذي يمكن للنباتات استخدامه مرة أخرى. وعلى عكس النيتروجين، فإن خزان الفوسفور ليس الغلاف الجوي، بل الصخور والرواسب الأخرى التي تشكلت في العصور الجيولوجية الماضية. تتآكل هذه الصخور تدريجيًا، وتطلق الفوسفات في النظم البيئية، لكن كميات كبيرة من الفوسفات ينتهي بها الأمر في البحر، حيث تترسب جزئيًا في رواسب المياه الضحلة، وتفقد جزئيًا في رواسب أعماق البحار. من المحتمل أن آليات إعادة الفسفور إلى الدورة ليست فعالة بما فيه الكفاية ولا تجدد الخسائر. تؤدي الأنشطة البشرية إلى زيادة فقدان الفوسفور من خلال تآكل التربة. من ناحية أخرى، يؤدي الاستخدام النشط للفوسفور في الأسمدة إلى التخثث (“التخصيب”) للمياه، والذي يصاحبه تكاثر سريع للطحالب (“إزهار الماء”)، التي تمتص الأكسجين المذاب في الماء وتطلق منتجات أيضية سامة. وفي الوقت نفسه، يتم تدمير النظم البيئية الطبيعية القائمة.

دورة الكبريت

يغطي الهواء والماء والتربة، حيث تحدث عمليات الأكسدة والاختزال، والتي يتم من خلالها تبادل الكبريت بين صندوق الكبريتات المتوفر للنباتات (SO4) وصندوق كبريتيد الحديد الموجود في أعماق التربة وفي الرواسب. يتم إجراء هذه التفاعلات الكيميائية بواسطة كائنات دقيقة متخصصة - البكتيريا الساركوبية.

تتأثر دورات النيتروجين والكبريت بشكل متزايد بتلوث الهواء الصناعي. أكاسيد النيتروجين (N2O وNO2) والكبريت (SO2)، على عكس النترات والكبريتات، سامة. المصدر الرئيسي لثاني أكسيد الكبريت هو احتراق الفحم، وثاني أكسيد النيتروجين هو غازات العادم والانبعاثات الصناعية الأخرى. يتفاعل ثاني أكسيد الكبريت مع بخار الماء الموجود في الهواء، مكونًا قطرات من حمض الكبريتيك تسقط على الأرض مع المطر الحمضي. أصبحت الأمطار الحمضية مشكلة خطيرة، حيث تسببت في جفاف الأشجار وتحمض البحيرات في مناطق واسعة من أوروبا وأمريكا الشمالية.

تهدد الانبعاثات الصناعية لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي والزيادة الموازية في استهلاك الأكسجين، والتي تصاحبها أيضًا بناء الغابات، بتدمير توازن O2 - CO2 في الغلاف الجوي، مما قد يسبب كوارث مناخية عالمية.

إن التدخل البشري المتهور في المسار الطبيعي للدورات البيوجيوكيميائية، التي تشكلت على مدى عشرات ومئات الملايين من السنين من تطور المحيط الحيوي، يمكن أن يكون له عواقب وخيمة.

تحويل الطاقة في المحيط الحيوي

الكائنات الحية تستهلك الطاقة باستمرار. المصدر الرئيسي للطاقة في المحيط الحيوي هو الشمس. يتكون العالم الحي للأرض من ثلاثة أنواع رئيسية من الكائنات الحية: الكائنات ذاتية التغذية (المنتجة)، والمستهلكون المتغايرون، ومخفضات التغذية المتغايرة. إن تدفق الطاقة في المحيط الحيوي له اتجاه واحد - من الشمس عبر النباتات (ذاتية التغذية) إلى الحيوانات (غيرية التغذية)، أو من المنتجين إلى المستهلكين والمحللين.

التغذية الذاتية- هذه هي الكائنات الحية التي تنتج مواد عضوية من مواد غير عضوية من خلال عملية التمثيل الضوئي (باستخدام الطاقة الشمسية) أو التخليق الكيميائي (باستخدام طاقة التفاعلات الكيميائية). يُطلق على الكائنات ذاتية التغذية أيضًا اسم المنتجين (من اللاتينية - الشخص الذي ينتج). يقوم معظم المنتجين بتكوين المواد العضوية عن طريق استخدام الطاقة الشمسية والماء وثاني أكسيد الكربون والأملاح المعدنية. هذه هي النباتات الخضراء العليا والأشنات والطحالب والبكتيريا الضوئية. هناك حوالي 350.000 نوع من النباتات الخضراء على الأرض، وتمثل كتلتها الحيوية الإجمالية 98 - 99٪ من إجمالي كتلة المادة الحية في المحيط الحيوي. تعمل الروابط الكيميائية للمركبات العضوية المعقدة التي يتكونها المنتجون على تركيز الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء تحللها أثناء عملية الهضم في الحيوانات وغيرها من الكائنات غيرية التغذية.

تعد عمليات تداول المواد وتحويل الطاقة أساس التوازن الديناميكي واستقرار المحيط الحيوي. يظهر الشكل 1 مخططًا مبسطًا لتدفق هذه العمليات. 1.2.

أرز. 1.2. ج (أ - ذاتية التغذية، ح - غيرية التغذية، إس - احتياطيات المواد العضوية في النظم البيئية، ه - تدفق الطاقة الشمسية، ه - طاقة المركبات العضوية، تظهر دورة المواد بسهم صلب سميك).

جميع وظائف الكائنات الحية في المحيط الحيوي (الطاقة، البيوجيوكيميائية، التنظيمية، تحويل المياه، البيئة، وما إلى ذلك) لا يمكن أن تؤديها كائنات حية من أي نوع واحد، ولكن فقط من خلال مجمعها المعقد. وفقا لـ V. I. Vernadsky، تم تشكيل المحيط الحيوي للأرض منذ البداية كنظام معقد، مع عدد كبير من أنواع الكائنات الحية، كل منها يلعب دوره في النظام العام. ولذلك، في القسم التالي سوف ننتقل إلى النظر في المكونات الرئيسية لهذا النظام - الكائنات الحية والسكان والنظم البيئية.

إن تداول المواد في المحيط الحيوي هو "رحلة" بعض العناصر الكيميائية على طول السلسلة الغذائية للكائنات الحية، وذلك بفضل طاقة الشمس. خلال "الرحلة" تتساقط بعض العناصر لأسباب مختلفة وتبقى عادة في الأرض. يتم أخذ مكانهم من قبل نفس تلك التي تأتي عادة من الغلاف الجوي. وهذا هو الوصف الأكثر تبسيطًا لما يضمن الحياة على كوكب الأرض. إذا انقطعت هذه الرحلة لسبب ما، فإن وجود جميع الكائنات الحية سوف يتوقف.

لوصف دورة المواد في المحيط الحيوي بإيجاز، من الضروري وضع عدة نقاط انطلاق. أولاً، من بين أكثر من تسعين عنصرًا كيميائيًا معروفًا وموجودًا في الطبيعة، هناك حوالي أربعين عنصرًا ضروريًا للكائنات الحية. ثانيا، كمية هذه المواد محدودة. ثالثًا، نحن نتحدث فقط عن المحيط الحيوي، أي عن قشرة الأرض التي تحتوي على الحياة، وبالتالي عن التفاعلات بين الكائنات الحية. رابعا، الطاقة التي تساهم في الدورة هي الطاقة القادمة من الشمس. الطاقة المتولدة في أحشاء الأرض نتيجة لتفاعلات مختلفة لا تشارك في العملية قيد النظر. وشيء أخير. ومن الضروري أن نتقدم إلى نقطة البداية لهذه "الرحلة". إنه مشروط، لأنه لا يمكن أن يكون هناك نهاية وبداية للدائرة، ولكن هذا ضروري للبدء في مكان ما لوصف العملية. لنبدأ بأدنى رابط في السلسلة الغذائية - مع المحللين أو حفار القبور.

القشريات والديدان واليرقات والكائنات الحية الدقيقة والبكتيريا وغيرها من حفار القبور، التي تستهلك الأكسجين وتستخدم الطاقة، تعالج العناصر الكيميائية غير العضوية إلى مادة عضوية مناسبة لتغذية الكائنات الحية وحركتها الإضافية على طول السلسلة الغذائية. علاوة على ذلك، يتم تناول هذه المواد العضوية بالفعل من قبل المستهلكين أو المستهلكين، والتي لا تشمل الحيوانات والطيور والأسماك وما شابه ذلك فحسب، بل تشمل أيضًا النباتات. هذا الأخير هم المنتجون أو المنتجون. إنهم، باستخدام هذه العناصر الغذائية والطاقة، ينتجون الأكسجين، وهو العنصر الرئيسي المناسب للتنفس لجميع الكائنات الحية على هذا الكوكب. يموت المستهلكون والمنتجون وحتى المحللون. و"تسقط" رفاتهم مع المواد العضوية الموجودة فيها تحت تصرف حفاري القبور.

وكل شيء يعيد نفسه مرة أخرى. على سبيل المثال، يكتمل دوران كل الأكسجين الموجود في المحيط الحيوي خلال 2000 عام، وثاني أكسيد الكربون خلال 300 عام. وتسمى هذه الدورة عادة بالدورة البيوجيوكيميائية.

تدخل بعض المواد العضوية خلال "رحلتها" في تفاعلات وتفاعلات مع مواد أخرى. ونتيجة لذلك، تتشكل مخاليط لا يمكن معالجتها بواسطة المحللات بالشكل الذي توجد به. تظل هذه الخلائط "مخزنة" في الأرض. ليست كل المواد العضوية التي تقع على "طاولة" حفار القبور لا يمكن معالجتها بواسطتهم. ليس كل شيء يمكن أن يتعفن بمساعدة البكتيريا. يتم تخزين هذه البقايا غير المتعفنة. تتم إزالة كل ما يبقى في المخزن أو الاحتياطي من العملية ولا يتم تضمينه في دورة المواد الموجودة في المحيط الحيوي.

وهكذا، في المحيط الحيوي، يمكن تقسيم دورة المواد، القوة الدافعة التي هي نشاط الكائنات الحية، إلى عنصرين. الأول - الصندوق الاحتياطي - هو جزء من المادة غير المرتبطة بأنشطة الكائنات الحية ولا يشارك في التداول في الوقت الحالي. والثاني هو الصندوق الدائر. إنه لا يمثل سوى جزء صغير من المادة التي تستخدمها الكائنات الحية بنشاط.

ما هي ذرات العناصر الكيميائية الأساسية الضرورية جدًا للحياة على الأرض؟ وهي: الأكسجين والكربون والنيتروجين والفوسفور وغيرها. من المركبات الرئيسية في الدورة الدموية هو الماء.

الأكسجين

يجب أن تبدأ دورة الأكسجين في المحيط الحيوي بعملية التمثيل الضوئي، ونتيجة لذلك ظهرت منذ مليارات السنين. تفرزه النباتات من جزيئات الماء تحت تأثير الطاقة الشمسية. كما يتشكل الأكسجين في الطبقات العليا من الغلاف الجوي أثناء التفاعلات الكيميائية في بخار الماء، حيث تتحلل المركبات الكيميائية تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي. لكن هذا مصدر ثانوي للأكسجين. الرئيسي هو عملية التمثيل الضوئي. الأكسجين موجود أيضًا في الماء. على الرغم من وجوده أقل بـ 21 مرة مما هو عليه في الغلاف الجوي.

يتم استخدام الأكسجين الناتج من قبل الكائنات الحية للتنفس. كما أنه عامل مؤكسد للأملاح المعدنية المختلفة.

والإنسان مستهلك للأكسجين. ولكن مع بداية الثورة العلمية والتكنولوجية، زاد هذا الاستهلاك عدة مرات، حيث يتم حرق الأكسجين أو ربطه أثناء تشغيل العديد من الإنتاج الصناعي والنقل لتلبية الاحتياجات المنزلية وغيرها من الاحتياجات في سياق حياة الإنسان. بلغ ما يسمى بصندوق تبادل الأكسجين الموجود سابقًا في الغلاف الجوي 5٪ من حجمه الإجمالي، أي أنه تم إنتاج كمية من الأكسجين في عملية التمثيل الضوئي بقدر استهلاكه. الآن أصبح هذا الحجم صغيرًا بشكل كارثي. يتم استهلاك الأكسجين، إذا جاز التعبير، من احتياطي الطوارئ. من هناك، حيث لا يوجد أحد لإضافته.

يتم تخفيف هذه المشكلة قليلاً من خلال حقيقة أن بعض النفايات العضوية لا تتم معالجتها ولا تقع تحت تأثير البكتيريا المتعفنة، ولكنها تبقى في الصخور الرسوبية مكونة الخث والفحم والمعادن المماثلة.

إذا كانت نتيجة عملية التمثيل الضوئي هي الأكسجين، فإن مادته الأولية هي الكربون.

نتروجين

ترتبط دورة النيتروجين في المحيط الحيوي بتكوين مركبات عضوية مهمة مثل البروتينات والأحماض النووية والبروتينات الدهنية وATP والكلوروفيل وغيرها. يوجد النيتروجين في شكله الجزيئي في الغلاف الجوي. ويمثل هذا، بالإضافة إلى الكائنات الحية، حوالي 2% فقط من إجمالي النيتروجين الموجود على الأرض. في هذا الشكل، لا يمكن استهلاكه إلا عن طريق البكتيريا والطحالب الخضراء المزرقة. بالنسبة لبقية العالم النباتي، لا يمكن استخدام النيتروجين في شكله الجزيئي كغذاء، ولكن يمكن معالجته فقط في شكل مركبات غير عضوية. وتتشكل بعض أنواع هذه المركبات أثناء العواصف الرعدية وتسقط في الماء والتربة مع هطول الأمطار.

أكثر "أجهزة إعادة التدوير" نشاطًا للنيتروجين أو مثبتات النيتروجين هي البكتيريا العقيدية. تستقر في خلايا جذور البقوليات وتحول النيتروجين الجزيئي إلى مركباته المناسبة للنباتات. وبعد موتهم، يتم إثراء التربة أيضًا بالنيتروجين.

تقوم البكتيريا المتعفنة بتفكيك المركبات العضوية المحتوية على النيتروجين إلى الأمونيا. يذهب جزء منه إلى الغلاف الجوي، ويتأكسد الباقي بواسطة أنواع أخرى من البكتيريا إلى النتريت والنترات. ويتم توفيرها بدورها كغذاء للنباتات ويتم تحويلها إلى أكاسيد ونيتروجين جزيئي بواسطة البكتيريا الآزوتية. والتي تعود إلى الغلاف الجوي.

وبالتالي فمن الواضح أن أنواع مختلفة من البكتيريا تلعب الدور الرئيسي في دورة النيتروجين. وإذا قمت بتدمير ما لا يقل عن 20 نوعا من هذه الأنواع، فسوف تتوقف الحياة على هذا الكوكب.

ومرة أخرى كسر الإنسان الدائرة القائمة. من أجل زيادة غلة المحاصيل، بدأ في استخدام الأسمدة التي تحتوي على النيتروجين بنشاط.

كربون

ترتبط دورة الكربون في المحيط الحيوي ارتباطًا وثيقًا بدورة الأكسجين والنيتروجين.

وفي المحيط الحيوي، يعتمد مخطط دورة الكربون على النشاط الحيوي للنباتات الخضراء وقدرتها على تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين، أي عملية التمثيل الضوئي.

يتفاعل الكربون مع العناصر الأخرى بعدة طرق وهو جزء من جميع فئات المركبات العضوية تقريبًا. على سبيل المثال، فهو جزء من ثاني أكسيد الكربون والميثان. ويذوب في الماء، حيث يكون محتواه أعلى بكثير مما هو عليه في الجو.

على الرغم من أن الكربون ليس من بين العشرة الأوائل من حيث الانتشار، إلا أنه يشكل في الكائنات الحية ما بين 18 إلى 45٪ من الكتلة الجافة.

تعمل المحيطات كمنظم لمستويات ثاني أكسيد الكربون. وبمجرد زيادة حصته في الهواء، يخرج مستوى الماء من مواضعه عن طريق امتصاص ثاني أكسيد الكربون. مستهلك آخر للكربون في المحيطات هو الكائنات البحرية، التي تستخدمه لبناء الأصداف.

تعتمد دورة الكربون في المحيط الحيوي على وجود ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي والغلاف المائي، وهو نوع من صندوق التبادل. يتم تجديده عن طريق تنفس الكائنات الحية. البكتيريا والفطريات والكائنات الحية الدقيقة الأخرى التي تشارك في عملية تحلل المخلفات العضوية في التربة تشارك أيضًا في تجديد ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، ويتم "حفظ" الكربون في المخلفات العضوية المعدنية غير المتعفنة. في الفحم والفحم البني والجفت والصخر الزيتي والرواسب المماثلة. لكن صندوق احتياطي الكربون الرئيسي هو الحجر الجيري والدولوميت. إن الكربون الذي تحتويه "مخفي بشكل آمن" في أعماق الكوكب ولا يتم إطلاقه إلا أثناء التحولات التكتونية وانبعاثات الغازات البركانية أثناء الانفجارات.

نظرًا لحقيقة أن عملية التنفس مع إطلاق الكربون وعملية التمثيل الضوئي مع امتصاصه تمر عبر الكائنات الحية بسرعة كبيرة، فإن جزءًا صغيرًا فقط من إجمالي الكربون على الكوكب يشارك في الدورة. إذا كانت هذه العملية غير متبادلة، فإن نباتات السوشي وحدها سوف تستهلك كل الكربون خلال 4-5 سنوات فقط.

حاليًا، وبفضل النشاط البشري، لا يعاني عالم النبات من نقص في ثاني أكسيد الكربون. يتم تجديده على الفور وفي وقت واحد من مصدرين. عن طريق حرق الأكسجين أثناء عمليات الصناعة والإنتاج والنقل، وكذلك فيما يتعلق باستخدام تلك "السلع المعلبة" - الفحم، والجفت، والصخر الزيتي، وما إلى ذلك - لعمل هذه الأنواع من الأنشطة البشرية. لماذا ارتفع محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بنسبة 25%؟

الفوسفور

ترتبط دورة الفوسفور في المحيط الحيوي ارتباطًا وثيقًا بتخليق المواد العضوية مثل ATP وDNA وRNA وغيرها.

محتوى الفوسفور في التربة والمياه منخفض جدًا. احتياطياتها الرئيسية موجودة في الصخور التي تشكلت في الماضي البعيد. ومع تجوية هذه الصخور تبدأ دورة الفسفور.

تمتص النباتات الفوسفور فقط على شكل أيونات حمض الأورثوفوسفوريك. هذا هو في الأساس نتاج معالجة البقايا العضوية بواسطة حفار القبور. ولكن إذا كانت التربة تحتوي على عامل قلوي أو حمضي مرتفع، فإن الفوسفات عمليا لا يذوب فيها.

يعتبر الفوسفور مادة مغذية ممتازة لأنواع مختلفة من البكتيريا. وخاصة الطحالب الخضراء المزرقة، التي تتطور بسرعة مع زيادة محتوى الفوسفور.

ومع ذلك، يتم نقل معظم الفوسفور مع مياه الأنهار والمياه الأخرى إلى المحيط. وهناك تأكلها العوالق النباتية بنشاط، ومعها الطيور البحرية وأنواع أخرى من الحيوانات. وبعد ذلك، يسقط الفوسفور إلى قاع المحيط ويشكل صخورًا رسوبية. أي أنها تعود إلى الأرض فقط تحت طبقة من مياه البحر.

كما ترون، دورة الفوسفور محددة. ومن الصعب أن نسميها دائرة، لأنها ليست مغلقة.

الكبريت

في المحيط الحيوي، دورة الكبريت ضرورية لتكوين الأحماض الأمينية. يخلق البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات. أنها تنطوي على البكتيريا والكائنات الحية التي تستهلك الأكسجين لتجميع الطاقة. إنها تؤكسد الكبريت إلى كبريتات، والكائنات الحية وحيدة الخلية قبل النواة تختزل الكبريتات إلى كبريتيد الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك، تقوم مجموعات كاملة من بكتيريا الكبريت بأكسدة كبريتيد الهيدروجين إلى كبريت ثم إلى كبريتات. يمكن للنباتات أن تستهلك فقط أيون الكبريت من التربة - SO 2-4، وبالتالي فإن بعض الكائنات الحية الدقيقة هي عوامل مؤكسدة، في حين أن البعض الآخر هو عوامل اختزال.

أما الأماكن التي يتراكم فيها الكبريت ومشتقاته في المحيط الحيوي فهي المحيطات والغلاف الجوي. يدخل الكبريت الغلاف الجوي مع إطلاق كبريتيد الهيدروجين من الماء. بالإضافة إلى ذلك، يدخل الكبريت إلى الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد عند حرق الوقود الأحفوري في الإنتاج وفي الأغراض المنزلية. الفحم في المقام الأول. هناك يتأكسد ويتحول إلى حامض الكبريتيك في مياه الأمطار ويسقط معه على الأرض. يتسبب المطر الحمضي بحد ذاته في ضرر كبير لعالم النبات والحيوان بأكمله، وبالإضافة إلى ذلك، مع مياه العواصف والذوبان، فإنه يدخل الأنهار. تحمل الأنهار أيونات كبريتات الكبريت إلى المحيط.

يوجد الكبريت أيضًا في الصخور على شكل كبريتيدات وفي شكل غازي - كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكبريت. توجد في قاع البحار رواسب من الكبريت الأصلي. ولكن هذا كله "احتياطي".

ماء

لا توجد مادة أكثر انتشارًا في المحيط الحيوي. وتتكون احتياطياتها بشكل رئيسي من مياه البحار والمحيطات المالحة والمرة - حوالي 97٪. والباقي عبارة عن مياه عذبة وأنهار جليدية ومياه جوفية وجوفية.

تبدأ دورة المياه في المحيط الحيوي تقليديًا بتبخرها من سطح الخزانات وأوراق النباتات وتبلغ حوالي 500000 متر مكعب. كم. ويعود مرة أخرى على شكل هطول، والذي يسقط إما مباشرة مرة أخرى في المسطحات المائية، أو عن طريق المرور عبر التربة والمياه الجوفية.

إن دور الماء في المحيط الحيوي وتاريخ تطوره هو أن الحياة كلها منذ لحظة ظهورها كانت تعتمد بشكل كامل على الماء. في المحيط الحيوي، مر الماء بدورات التحلل والولادة عدة مرات من خلال الكائنات الحية.

دورة المياه هي إلى حد كبير عملية فيزيائية. ومع ذلك، فإن عالم الحيوان، وخاصة عالم النبات، يلعب دورًا مهمًا في هذا. إن تبخر الماء من المساحات السطحية لأوراق الأشجار، على سبيل المثال، يتبخر هكتار من الغابات ما يصل إلى 50 طنًا من الماء يوميًا.

إذا كان تبخر الماء من أسطح الخزانات أمر طبيعي لتداوله، فبالنسبة للقارات مع مناطق الغابات الخاصة بها، فإن هذه العملية هي الطريقة الوحيدة والرئيسية للحفاظ عليها. هنا يحدث التداول كما لو كان في دورة مغلقة. يتكون هطول الأمطار من التبخر من التربة وأسطح النباتات.

أثناء عملية التمثيل الضوئي، تستخدم النباتات الهيدروجين الموجود في جزيء الماء لتكوين مركب عضوي جديد وإطلاق الأكسجين. وعلى العكس من ذلك، في عملية التنفس، تخضع الكائنات الحية لعملية أكسدة ويتشكل الماء مرة أخرى.

عند وصف تداول أنواع مختلفة من المواد الكيميائية، نواجه تأثيرًا بشريًا أكثر نشاطًا على هذه العمليات. حاليًا، تتعامل الطبيعة، نظرًا لتاريخ بقائها الذي يمتد لمليارات السنين، مع تنظيم واستعادة التوازنات المضطربة. لكن الأعراض الأولى "للمرض" موجودة بالفعل. وهذا هو "تأثير الاحتباس الحراري". عندما تكون طاقتان: الطاقة الشمسية والمنعكسة من الأرض، لا تحمي الكائنات الحية، بل على العكس تعزز بعضها البعض. ونتيجة لذلك، ترتفع درجة الحرارة المحيطة. وما هي النتائج التي يمكن أن تترتب على مثل هذه الزيادة، إلى جانب الذوبان السريع للأنهار الجليدية وتبخر الماء من أسطح المحيطات واليابسة والنباتات؟

فيديو - دورة المواد في المحيط الحيوي

الماء مادة أساسية في أي كائن حي. يتركز الجزء الأكبر من الماء على الكوكب في الغلاف المائي. ويمثل التبخر من سطح الخزانات مصدراً للرطوبة الجوية؛ ويؤدي تكثيفه إلى هطول الأمطار، حيث تعود المياه في النهاية إلى المحيط. تشكل هذه العملية دورة مياه كبيرة. على سطح الكرة الأرضية.

داخل النظم البيئية، تحدث العمليات التي تعقد الدورة الكبيرة وتوفر الجزء المهم من الناحية البيولوجية. وفي عملية الاعتراض يساهم الغطاء النباتي في تبخر جزء من الهطول إلى الغلاف الجوي قبل أن يصل إلى سطح الأرض، وتتسرب مياه الأمطار التي تصل إلى التربة إليها وتكون إما أحد أشكال رطوبة التربة أو تنضم إلى السطح. جريان المياه؛ يمكن أن يرتفع جزء من رطوبة التربة إلى السطح من خلال الشعيرات الدموية ويتبخر. من الطبقات العميقة للتربة، تمتص جذور النباتات الرطوبة؛ وبعضه يصل إلى الأوراق وينتشر في الجو.

التبخر هو الإطلاق الكلي للمياه من النظام البيئي إلى الغلاف الجوي. ويشمل كلاً من الماء المتبخر فعليًا والرطوبة التي تفرزها النباتات. يختلف مستوى النتح باختلاف الأنواع وفي مناطق طبيعية ومناخية مختلفة.

وإذا زادت كمية الماء المتسرب إلى التربة عن قدرتها الرطوبية فإنها تصل إلى مستوى المياه الجوفية وتصبح جزءا منها. يربط تدفق المياه الجوفية رطوبة التربة بالغلاف المائي.

وبالتالي، فإن أهم العمليات لدورة المياه داخل النظم البيئية هي الاعتراض، والتبخر، والتسرب، والجريان السطحي.

بشكل عام، تتميز دورة المياه بأن الماء، على عكس الكربون والنيتروجين والعناصر الأخرى، لا يتراكم أو يرتبط في الكائنات الحية، بل يمر عبر النظم البيئية دون أي خسارة تقريبًا؛ يتم استخدام حوالي 1% فقط من المياه المتساقطة مع هطول الأمطار لتكوين الكتلة الحيوية للنظام البيئي.

وهكذا فإن الدورة الصغيرة لها البنية التالية: تبخر الرطوبة من سطح المحيط (الخزان) - تكثيف بخار الماء - هطول الأمطار على نفس سطح الماء في المحيط (الخزان).

الدوامة الكبرى هي دورة مائية بين الأرض والمحيط (جسم مائي). تنتقل الرطوبة المتبخرة من سطح المحيط العالمي (والتي تستهلك ما يقرب من نصف الطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض) إلى اليابسة، حيث تهطل على شكل أمطار، والتي تعود إلى المحيط على شكل جريان سطحي وتحت الأرض . وتشير التقديرات إلى أن أكثر من 500 ألف كيلومتر مكعب من المياه تشارك سنوياً في دورة المياه على الأرض.

تلعب دورة المياه ككل دورًا رئيسيًا في تشكيل الظروف الطبيعية على كوكبنا. مع الأخذ في الاعتبار نتح الماء بواسطة النباتات وامتصاصه في الدورة الكيميائية الحيوية، فإن كامل إمدادات المياه على الأرض تتفكك ويتم استعادتها خلال مليوني عام.

دورة الأكسجين

دورة الأكسجين. يلعب الأكسجين (O2) دورًا مهمًا في حياة معظم الكائنات الحية على كوكبنا. من الناحية الكمية، هذا هو المكون الرئيسي للمادة الحية. 349

على سبيل المثال، إذا أخذنا بعين الاعتبار الماء الموجود في الأنسجة، فإن جسم الإنسان يحتوي على 62.8% أكسجين و19.4% كربون. بشكل عام، في المحيط الحيوي، هذا العنصر، مقارنة بالكربون والهيدروجين، هو العنصر الرئيسي بين المواد البسيطة. داخل المحيط الحيوي، هناك تبادل سريع للأكسجين مع الكائنات الحية أو بقاياها بعد الموت. تنتج النباتات، كقاعدة عامة، الأكسجين الحر، وتستهلكه الحيوانات من خلال التنفس. نظرًا لكونه العنصر الأكثر انتشارًا وحركة على وجه الأرض، فإن الأكسجين لا يحد من وجود الغلاف البيئي ووظائفه، على الرغم من أن توفر الأكسجين للكائنات المائية قد يكون محدودًا مؤقتًا. دورة الأكسجين في المحيط الحيوي معقدة للغاية، حيث يتفاعل معها عدد كبير من المواد العضوية وغير العضوية. ونتيجة لذلك، تحدث العديد من أفلاك التدوير، التي تحدث بين الغلاف الصخري والغلاف الجوي أو بين الغلاف المائي وهاتين البيئتين. تشبه دورة الأكسجين في بعض النواحي دورة ثاني أكسيد الكربون العكسية. حركة أحدهما تحدث في الاتجاه المعاكس لحركة الآخر

يحدث استهلاك الأكسجين الجوي واستبداله من قبل المنتجين الأساسيين بسرعة نسبية. وبالتالي، يستغرق الأمر 2000 عام لتجديد كامل الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي. في الوقت الحاضر، يوازن كل من التمثيل الضوئي والتنفس في الظروف الطبيعية، دون مراعاة النشاط البشري، بعضهما البعض بدقة كبيرة. وفي هذا الصدد، لا يحدث تراكم للأكسجين في الغلاف الجوي، ويظل محتواه (20.946%) ثابتاً.

المصدر الرئيسي للمياه، الخزان الرئيسي لكوكبنا، هو المحيط العالمي. يمكن مقارنتها بغلاية بخارية عملاقة يتم تسخينها بواسطة الشمس. هذا هو المصدر الرئيسي لدورة المياه العالمية في الطبيعة. كل ساعة، من كيلومتر مربع من سطح الماء لهذه الغلاية، يدخل ما متوسطه حوالي 1000 طن من البخار إلى الغلاف الجوي للأرض، وفي المناطق الاستوائية، تحت أشعة الشمس الحارقة في منتصف النهار، يتبخر 2-3 مرات أكثر. هنا، على مساحات شاسعة من المحيط، يتم جمع كمية هائلة من بخار الماء في الهواء وتتشكل السحب القوية. تولد هنا الأعاصير الاستوائية الهائلة وتبدأ تيارات هوائية قوية. إنهم، مثل الحزام الناقل، ينقلون الرطوبة في جميع أنحاء العالم.

جير عظيم

تتجلى الدورة الكبرى بشكل واضح في دوران الكتل الهوائية والماء. أساس الدورة (الجيولوجية) الكبيرة هو عملية نقل المواد، وخاصة المركبات المعدنية، من مكان إلى آخر على نطاق كوكبي.

يتم إنفاق حوالي 30٪ من الطاقة الشمسية التي تسقط على الأرض في تحريك الهواء، وتبخير الماء، وتجوية الصخور، وإذابة المعادن، وما إلى ذلك. وتؤدي حركة المياه والرياح بدورها إلى تآكل التربة والصخور ونقل وإعادة توزيع وترسب وتراكم الرواسب الميكانيكية والكيميائية على الأرض وفي المحيطات. وعلى مدى فترة طويلة من الزمن، يمكن أن تعود الرواسب البحرية الناتجة إلى سطح الأرض، وتستأنف العمليات. وتشمل هذه الدورات النشاط البركاني والزلازل وحركة الصفائح المحيطية في القشرة الأرضية.

تعد دورة الماء، بما في ذلك انتقالها من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية والصلبة والعودة، أحد المكونات الرئيسية للدورة اللاأحيائية للمواد. خلال الدورة الهيدرولوجية، تحدث إعادة توزيع كبيرة وتنقية كبيرة لاحتياطيات المياه الكوكبية. وتجدر الإشارة إلى أن الأراضي الأكثر أهمية لوجود البيئات المعيشية – المياه العذبة – تتمتع بأعلى معدل تجدد. ويبلغ متوسط فترة دورانهم حوالي 11 يومًا.

الدورة الدموية الصغيرة.

وعلى أساس الدورة الجيولوجية الكبيرة تنشأ دورة من المواد العضوية، أو دورة بيولوجية (حيوية) صغيرة.

تعتمد الدورة الصغيرة للمواد على عمليات تخليق وتدمير المركبات العضوية. وهاتان العمليتان تضمنان الحياة وتشكلان إحدى سماتها الرئيسية.

وعلى عكس الدورة الجيولوجية، تتميز الدورة البيولوجية بكمية ضئيلة من الطاقة. كما ذكرنا سابقًا، يتم إنفاق حوالي 1% فقط من الطاقة الإشعاعية الواقعة على الأرض على تكوين المادة العضوية. ومع ذلك، فإن هذه الطاقة، المشاركة في الدورة البيولوجية، تقوم بعمل هائل في خلق المادة الحية. لكي تستمر الحياة في الوجود، يجب أن تنتقل العناصر الكيميائية باستمرار من البيئة الخارجية إلى الكائنات الحية وتعود بها، مروراً من بروتوبلازم بعض الكائنات الحية إلى شكل مماثل للآخرين.

تتشابك جميع الدورات الكوكبية اللاأحيائية والحيوية للمواد بشكل وثيق وتشكل دورة عالمية موجودة بشكل نظامي، مع إعادة توزيع طاقة الشمس، مع عدم وجود تناقضات بين فروعها الفردية وتوازن مادي صفر عمليًا.