Formiranje žive materije i njen raspored su dve strane jednog procesa, koji se naziva biološki ciklus hemijskih elemenata. Život je ciklus elemenata između organizma i okoline. Razlog biološkog ciklusa su ograničeni resursi elemenata od kojih su građena tijela organizama.

Procesi kruženja tvari u biosferi obično se dijele na velike (geološke) i male (biološke) cikluse.

Pokretačka snaga velikog (geološkog) ciklusa su tektonski procesi i sunčeva energija. Kapacitet mu je 2 do 1016 tona godišnje, a životni vijek mu je više od 4 milijarde godina. Mali (biološki) ciklus supstanci povezan je sa aktivnošću žive materije. Njegov ukupni kapacitet prelazi 5 do 10. tona godišnje. Oba ciklusa se odvijaju istovremeno i međusobno su povezana. Oni čine jedinstveni biogeokemijski ciklus - stalnu cikličku transformaciju tvari i promjene u energetskim tokovima s prostornim prijenosom mase zbog kombiniranog djelovanja biotičkih i abiotičkih transformacija materije. U okviru jedinstvenog biogeohemijskog ciklusa biosfere, od najvećeg su značaja ciklusi 6 elemenata: vodonika, kiseonika, ugljenika, azota, fosfora i sumpora (slika 1.1).

Ciklus ugljika. Masa ugljenika u biosferi prelazi 12.000 milijardi tona

Rice. 1.1. Biogeohemijski ciklusi u biosferi (A - D)

tvari i ugljični dioksid (CO2). Tokom fotosinteze, koju sprovode biljke, ugljični dioksid (ugljični dioksid) i voda se pretvaraju u složena organska jedinjenja koristeći energiju sunčeve svjetlosti. Zelene biljke apsorbuju 200 milijardi tona ugljenika svake godine. Većina se vraća u atmosferu kroz procese disanja. Mrtve biljne i životinjske organizme razgrađuju gljive i mikroorganizmi, uz oslobađanje CO2, koji se također vraća u atmosferu. Ukupna zaliha ugljenika u atmosferi iznosi 711 milijardi tona. Takozvani "karbonatni sistem" Svjetskog okeana sadrži još više - 390 triliona. itd. Karbonatni sistem okeana čine različiti živi organizmi - protozoe, alge, koralji, mekušci itd., koji akumuliraju kalcijum karbonat u svojim tijelima. Puni ciklus izmjene ugljika u biosferi odvija se u roku od 300 - 1000 godina.

Vodeni ciklus

Voda prekriva površinu Zemlje. U jednoj minuti, pod utjecajem sunčeve topline, 1 milijarda tona vode ispari sa površine Zemljinih rezervoara. Kao rezultat kondenzacije vodene pare nastaju oblaci i nastaju padavine. Padavine prodiru u tlo, podzemne vode se vraćaju na površinu zemlje kroz izvore. Ukupna rezerva vode u hidrosferi je 138 -1016 tona. Masa vodene pare u atmosferi je 130 o 10 m tona godine, riječna voda - za 12 dana, vodena para u atmosferi - za 10 dana. Svake godine, za stvaranje primarne proizvodnje biosfere u procesima fotosinteze, koristi se oko 1% vode, koja pada u obliku padavina. Ljudi već koriste oko 2,5% ukupnih godišnjih padavina za domaće i industrijske potrebe.

Ciklus kiseonika

Prirodni proizvođači slobodnog molekularnog kiseonika na Zemlji su zelene biljke koje ga formiraju tokom fotosinteze. Atmosfera sadrži 1,2 - 2,0 o 1015 tona kiseonika. Svake godine se ova rezerva popuni za 70 - 100 milijardi tona zahvaljujući fotosintezi zelenih biljaka, dok 55 milijardi tona kiseonika proizvode šume. Za ogromnu većinu živih organizama kiseonik je od vitalnog značaja. Osigurava provođenje oksidativnih reakcija, tokom kojih se oslobađa energija neophodna za život organizama. U prirodi postoji stalna cirkulacija ovog gasa kao rezultat uravnoteženih procesa korišćenja atmosferskog kiseonika za disanje, oksidativnih procesa i njegovog oslobađanja u slobodnom obliku tokom fotosinteze. Prema proračunima, kompletan ciklus kiseonika u biosferi traje 2000 godina.

Ciklus azota

Atmosfera je najveći rezervoar azotnog gasa (3,9 o 1019 tona, ili 78% zapremine). Za većinu organizama to je neutralni plin. Azot je vitalni faktor samo za veliku grupu mikroorganizama. Asimilacijom molekularnog dušika takvi mikroorganizmi nakon umiranja daju korijenu viših biljaka pristupačne oblike ovog elementa, koji je uključen u sastav aminokiselina, proteina i pigmenata. Ciklus dušika se odvija kroz dva međusobno uravnotežena procesa nitrifikacije (uzastopna oksidacija slobodnog dušika u nitrate, koje apsorbira korijenje biljke) i denitrifikacije (redukcija spojeva koji sadrže dušik u slobodnom obliku). Oba procesa provode bakterije. Biološka fiksacija dušika iznosi približno 126 miliona tona godišnje. Zbog abiogene fiksacije (na primjer, tokom munje ili vulkanskih erupcija), dodatnih 26 miliona tona dušika u nitratnom obliku ulazi u biosferu.

Ciklus fosfora

Ovaj važan i neophodan element za žive organizme cirkuliše, postepeno se pretvarajući iz organskih jedinjenja u fosfate, koje biljke ponovo mogu koristiti. Za razliku od dušika, rezervoar fosfora nije atmosfera, već stijene i drugi sedimenti nastali u prošlim geološkim erama. Ove stijene postepeno erodiraju, oslobađajući fosfate u ekosisteme, ali velike količine fosfata završavaju u moru, gdje se dijelom talože u plitkovodnim sedimentima, a dijelom gube u dubokomorskim sedimentima. Mehanizmi za vraćanje fosfora u ciklus vjerovatno nisu dovoljno efikasni i ne nadoknađuju gubitke. Ljudske aktivnosti dovode do povećanog gubitka fosfora erozijom tla. S druge strane, aktivna upotreba fosfora u gnojivima dovodi do eutrofikacije („đubrenja“) vode, što je praćeno brzim razmnožavanjem algi („cvjetanje vode“), koje apsorbiraju kisik otopljen u vodi i oslobađaju toksične produkte metabolizma. Istovremeno se uništavaju uspostavljeni prirodni ekosistemi.

Ciklus sumpora

Obuhvata zrak, vodu i tlo, gdje se odvijaju oksidacijski i redukcijski procesi, zbog kojih se sumpor razmjenjuje između fonda sulfata raspoloživog za biljke (SO4) i fonda željeznih sulfida koji se nalaze duboko u tlu i sedimentima. Ove hemijske reakcije izvode specijalizovani mikroorganizmi - sirkobakterije.

Na cikluse azota i sumpora sve više utiče industrijsko zagađenje vazduha. Oksidi dušika (N2O i NO2) i sumpora (SO2), za razliku od nitrata i sulfata, su toksični. Glavni izvor SO2 je sagorijevanje uglja, a NO2 su izduvni plinovi i druge industrijske emisije. Sumpor dioksid reaguje sa vodenom parom u vazduhu, formirajući kapljice sumporne kiseline koje padaju na zemlju sa kiselom kišom. Kisele kiše su postale ozbiljan problem, uzrokujući sušenje drveća i zakiseljavanje jezera u velikim područjima Evrope i Sjeverne Amerike.

Industrijska emisija ugljičnog dioksida u atmosferu i paralelno povećanje potrošnje kisika, koje je praćeno i izgradnjom šuma, prijeti da uništi ravnotežu O2 – CO2 u atmosferi, što može uzrokovati globalne klimatske katastrofe.

Nepažljivo ljudsko uplitanje u prirodni tok biogeohemijskih ciklusa, koji su nastali tokom desetina i stotina miliona godina evolucije biosfere, može imati katastrofalne posljedice.

Transformacija energije u biosferi

Živi organizmi neprestano troše energiju. Primarni izvor energije u biosferi je Sunce. Živi svijet Zemlje čine tri glavne vrste organizama: autotrofi (proizvođači), heterotrofi-konzumenti i heterotrofi-reduktori. Protok energije u biosferi ima jedan smjer - od Sunca preko biljaka (autotrofa) do životinja (heterotrofa), ili od proizvođača do potrošača i razlagača.

Autotrofija- to su organizmi koji od neorganskih stvaraju organske tvari procesom fotosinteze (koristeći sunčevu energiju) ili kemosintezom (koristeći energiju kemijskih reakcija). Autotrofi se nazivaju i proizvođači (od latinskog - onaj koji proizvodi). Većina proizvođača formira organsku tvar korištenjem sunčeve energije, vode, ugljičnog dioksida i mineralnih soli. To su više zelene biljke, lišajevi, alge i fotosintetske bakterije. Na Zemlji postoji oko 350.000 vrsta zelenih biljaka, a njihova ukupna biomasa čini 98 - 99% ukupne mase žive materije u biosferi. Hemijske veze složenih organskih jedinjenja koje stvaraju proizvođači koncentrišu energiju koja se oslobađa prilikom njihovog raspadanja tokom probave kod životinja i drugih heterotrofa.

Procesi cirkulacije supstanci i konverzije energije osnova su dinamičke ravnoteže i stabilnosti biosfere. Pojednostavljeni dijagram toka ovih procesa prikazan je na Sl. 1.2.

Rice. 1.2. c (A - autotrofi, H - heterotrofi, S - rezerve organske materije u ekosistemima, E - protok sunčeve energije, e - energija organskih jedinjenja, kruženje supstanci je prikazano debelom punom strelicom).

Sve funkcije živih organizama u biosferi (energetske, biogeohemijske, organizacione, vodene transformacije, životne sredine itd.) ne mogu obavljati organizmi nijedne vrste, već samo njihov složeni kompleks. Prema V. I. Vernadskom, Zemljina biosfera je od samog početka formirana kao složen sistem, sa velikim brojem vrsta organizama, od kojih svaka igra svoju ulogu u ukupnom sistemu. Stoga ćemo u sljedećem dijelu preći na razmatranje glavnih komponenti ovog sistema – organizama, populacija i ekosistema.

Kruženje supstanci u biosferi je „putovanje“ određenih hemijskih elemenata duž lanca ishrane živih organizama, zahvaljujući energiji Sunca. Tokom „putovanja“ neki elementi, iz raznih razloga, ispadaju i ostaju, po pravilu, u zemlji. Njihovo mjesto zauzimaju isti oni koji obično dolaze iz atmosfere. Ovo je najjednostavniji opis onoga što garantuje život na planeti Zemlji. Ako se takvo putovanje iz nekog razloga prekine, tada će prestati postojanje svih živih bića.

Da bismo ukratko opisali kruženje supstanci u biosferi, potrebno je postaviti nekoliko polazišta. Prvo, od više od devedeset hemijskih elemenata poznatih i pronađenih u prirodi, četrdesetak je potrebno za žive organizme. Drugo, količina ovih supstanci je ograničena. Treće, govorimo samo o biosferi, odnosno o ljusci Zemlje koja sadrži život, a samim tim i o interakcijama između živih organizama. Četvrto, energija koja doprinosi ciklusu je energija koja dolazi od Sunca. Energija koja nastaje u utrobi Zemlje kao rezultat različitih reakcija ne učestvuje u procesu koji se razmatra. I još jedna stvar. Neophodno je preći početnu tačku ovog „putovanja“. To je uslovno, jer ne može postojati kraj i početak kruga, ali je to neophodno da bi se odnekud počelo opisati proces. Počnimo s najnižom karikom trofičkog lanca - s razlagačima ili grobarima.

Rakovi, crvi, ličinke, mikroorganizmi, bakterije i drugi grobari, trošeći kisik i koristeći energiju, prerađuju anorganske kemijske elemente u organsku tvar pogodnu za ishranu živih organizama i njegovo dalje kretanje kroz lanac ishrane. Nadalje, ove već organske tvari jedu potrošači ili potrošači, što uključuje ne samo životinje, ptice, ribe i slično, već i biljke. Potonji su proizvođači ili proizvođači. Oni, koristeći te hranjive tvari i energiju, proizvode kisik, koji je glavni element pogodan za disanje svih živih bića na planeti. Potrošači, proizvođači, pa čak i razlagači umiru. Njihovi ostaci, zajedno sa organskim supstancama sadržanim u njima, „padaju“ na raspolaganje grobarima.

I sve se opet ponavlja. Na primjer, sav kisik koji postoji u biosferi završi svoj promet za 2000 godina, a ugljični dioksid za 300. Takav ciklus se obično naziva biogeohemijski ciklus.

Neke organske supstance tokom svog „putovanja“ ulaze u reakcije i interakcije sa drugim supstancama. Kao rezultat, nastaju smjese koje, u obliku u kojem postoje, ne mogu se obraditi razlagačima. Takve mješavine ostaju "pohranjene" u zemlji. Ne mogu se sve organske tvari koje padaju na „stol“ grobara njima preraditi. Ne može sve istrunuti uz pomoć bakterija. Takvi neistrunuti ostaci idu u skladište. Sve što ostane u skladištu ili rezervi uklanja se iz procesa i nije uključeno u ciklus supstanci u biosferi.

Dakle, u biosferi se ciklus supstanci, čija je pokretačka snaga aktivnost živih organizama, može podijeliti na dvije komponente. Jedan - rezervni fond - je dio tvari koji nije povezan s aktivnostima živih organizama i za sada ne učestvuje u cirkulaciji. A drugi je revolving fond. Predstavlja samo mali dio tvari koju živi organizmi aktivno koriste.

Atomi kojih osnovnih hemijskih elemenata su toliko neophodni za život na Zemlji? To su: kiseonik, ugljenik, azot, fosfor i neki drugi. Od spojeva, glavna u cirkulaciji je voda.

Kiseonik

Ciklus kisika u biosferi trebao bi započeti procesom fotosinteze, uslijed čega se pojavio prije više milijardi godina. Biljke ga oslobađaju iz molekula vode pod utjecajem sunčeve energije. Kiseonik nastaje i u gornjim slojevima atmosfere tokom hemijskih reakcija u vodenoj pari, gde se hemijska jedinjenja razlažu pod uticajem elektromagnetnog zračenja. Ali ovo je manji izvor kiseonika. Glavna je fotosinteza. Kiseonik se takođe nalazi u vodi. Iako ga ima 21 puta manje nego u atmosferi.

Nastali kiseonik koriste živi organizmi za disanje. Takođe je oksidant za razne mineralne soli.

A osoba je potrošač kiseonika. Ali sa početkom naučne i tehnološke revolucije ova potrošnja se višestruko povećala, jer se kiseonik sagoreva ili vezuje tokom rada brojnih industrijskih proizvodnje, transporta, za zadovoljavanje kućnih i drugih potreba u toku ljudskog života. Ranije postojeći tzv. razmenski fond kiseonika u atmosferi iznosio je 5% njene ukupne zapremine, odnosno onoliko kiseonika je proizvedeno u procesu fotosinteze koliko je i potrošeno. Sada ovaj volumen postaje katastrofalno mali. Kiseonik se troši, da tako kažem, iz rezerve za hitne slučajeve. Odatle, gde nema ko da doda.

Ovaj problem je malo ublažen činjenicom da se dio organskog otpada ne prerađuje i ne potpada pod utjecaj truležnih bakterija, već ostaje u sedimentnim stijenama, stvarajući treset, ugalj i slične minerale.

Ako je rezultat fotosinteze kisik, onda je njegova sirovina ugljik.

Nitrogen

Krug azota u biosferi povezan je sa stvaranjem tako važnih organskih jedinjenja kao što su proteini, nukleinske kiseline, lipoproteini, ATP, hlorofil i drugi. Azot, u molekularnom obliku, nalazi se u atmosferi. Zajedno sa živim organizmima, to je samo oko 2% ukupnog dušika na Zemlji. U ovom obliku ga mogu konzumirati samo bakterije i plavo-zelene alge. Za ostatak biljnog svijeta dušik u molekularnom obliku ne može služiti kao hrana, već se može prerađivati ​​samo u obliku neorganskih spojeva. Neke vrste takvih jedinjenja nastaju tokom grmljavine i padaju u vodu i tlo sa padavinama.

Najaktivniji „reciklatori“ dušika ili fiksatora dušika su bakterije nodula. Talože se u ćelijama korijena mahunarki i pretvaraju molekularni dušik u njegove spojeve pogodne za biljke. Nakon što uginu, tlo se također obogaćuje dušikom.

Putrefaktivne bakterije razgrađuju organske spojeve koji sadrže dušik u amonijak. Dio toga odlazi u atmosferu, a ostatak se oksidira drugim vrstama bakterija u nitrite i nitrate. Oni se, pak, isporučuju kao hrana za biljke i reduciraju se na okside i molekularni dušik nitrificirajućim bakterijama. Koje ponovo ulaze u atmosferu.

Dakle, jasno je da različite vrste bakterija igraju glavnu ulogu u ciklusu dušika. A ako uništite najmanje 20 ovih vrsta, tada će život na planeti prestati.

I opet je uspostavljeni krug prekinuo čovjek. Kako bi povećao prinos usjeva, počeo je aktivno koristiti gnojiva koja sadrže dušik.

Karbon

Krug ugljika u biosferi neraskidivo je povezan s cirkulacijom kisika i dušika.

U biosferi, shema ciklusa ugljika temelji se na životnoj aktivnosti zelenih biljaka i njihovoj sposobnosti da pretvore ugljični dioksid u kisik, odnosno fotosintezu.

Ugljik stupa u interakciju s drugim elementima na različite načine i dio je gotovo svih klasa organskih spojeva. Na primjer, dio je ugljičnog dioksida i metana. Rastvara se u vodi, gdje je njegov sadržaj mnogo veći nego u atmosferi.

Iako ugljenik nije među prvih deset po rasprostranjenosti, u živim organizmima čini od 18 do 45% suhe mase.

Okeani služe kao regulator nivoa ugljičnog dioksida. Čim se njen udio u zraku poveća, voda izravnava pozicije apsorbirajući ugljični dioksid. Drugi potrošač ugljika u okeanu su morski organizmi, koji ga koriste za izgradnju školjki.

Krug ugljika u biosferi zasniva se na prisutnosti ugljičnog dioksida u atmosferi i hidrosferi, koji je svojevrsni razmjenski fond. Nadopunjuje se disanjem živih organizama. Bakterije, gljive i drugi mikroorganizmi koji sudjeluju u procesu razgradnje organskih ostataka u tlu također sudjeluju u obnavljanju ugljičnog dioksida u atmosferi Ugljik se „konzervira“ u mineraliziranim, netrulim organskim ostacima. U uglju i mrkom uglju, tresetu, uljnim škriljcima i sličnim nalazištima. Ali glavni rezervni fond ugljenika su krečnjak i dolomit. Ugljik koji sadrže je "bezbedno sakriven" u dubinama planete i oslobađa se samo tokom tektonskih pomeranja i emisija vulkanskih gasova tokom erupcija.

Zbog činjenice da proces disanja sa oslobađanjem ugljika i proces fotosinteze sa njegovom apsorpcijom prolazi kroz žive organizme vrlo brzo, samo mali dio ukupnog ugljika planete učestvuje u ciklusu. Kada bi ovaj proces bio nerecipročan, onda bi same suši biljke potrošile sav ugljik za samo 4-5 godina.

Trenutno, zahvaljujući ljudskoj aktivnosti, biljnom svijetu ne nedostaje ugljičnog dioksida. Dopunjava se odmah i istovremeno iz dva izvora. Sagorevanjem kiseonika u toku rada industrije, proizvodnje i transporta, kao i u vezi sa upotrebom one „konzerve“ – uglja, treseta, škriljaca i dr. – za rad ovih vrsta ljudskih delatnosti. Zašto se sadržaj ugljičnog dioksida u atmosferi povećao za 25%.

Fosfor

Krug fosfora u biosferi neraskidivo je povezan sa sintezom organskih supstanci kao što su ATP, DNK, RNK i druge.

Sadržaj fosfora u zemljištu i vodi je veoma nizak. Njegove glavne rezerve su u stijenama formiranim u dalekoj prošlosti. Sa trošenjem ovih stijena počinje ciklus fosfora.

Fosfor biljke apsorbuju samo u obliku jona ortofosforne kiseline. Ovo je uglavnom proizvod prerade organskih ostataka od strane grobara. Ali ako tla imaju visok alkalni ili kiseli faktor, fosfati se u njima praktički ne otapaju.

Fosfor je odličan nutrijent za razne vrste bakterija. Posebno plavo-zelene alge, koje se brzo razvijaju s povećanim sadržajem fosfora.

Međutim, većina fosfora se odnosi s rijekama i drugim vodama u ocean. Tamo ga aktivno jedu fitoplankton, a sa njim i morske ptice i druge vrste životinja. Nakon toga, fosfor pada na dno okeana i formira sedimentne stijene. Odnosno, vraća se na tlo, samo ispod sloja morske vode.

Kao što vidite, ciklus fosfora je specifičan. Teško ga je nazvati krugom, jer nije zatvoren.

Sumpor

U biosferi je ciklus sumpora neophodan za stvaranje aminokiselina. On stvara trodimenzionalnu strukturu proteina. Uključuje bakterije i organizme koji troše kisik da bi sintetizirali energiju. Oni oksidiraju sumpor u sulfate, a jednoćelijski prednuklearni živi organizmi reduciraju sulfate u vodonik sulfid. Pored njih, čitave grupe sumpornih bakterija oksidiraju sumporovodik u sumpor, a zatim u sulfate. Biljke mogu da troše samo jon sumpora iz tla - SO 2-4. Dakle, neki mikroorganizmi su oksidanti, dok su drugi redukcioni.

Mesta na kojima se sumpor i njegovi derivati ​​akumuliraju u biosferi su okean i atmosfera. Sumpor ulazi u atmosferu oslobađanjem sumporovodika iz vode. Osim toga, sumpor ulazi u atmosferu u obliku dioksida kada se fosilna goriva sagorevaju u proizvodnji iu kućne svrhe. Prvenstveno ugalj. Tamo oksidira i, pretvarajući se u sumpornu kiselinu u kišnici, s njom pada na tlo. Same kisele kiše nanose značajnu štetu cijelom biljnom i životinjskom svijetu, a osim toga, s olujnim i otopljenim vodama ulaze u rijeke. Rijeke nose ione sumpor sulfata u okean.

Sumpor se također nalazi u stijenama u obliku sulfida, au plinovitom obliku - sumporovodika i sumpordioksida. Na dnu mora nalaze se naslage prirodnog sumpora. Ali ovo je sve "rezerva".

Voda

Nema više rasprostranjene supstance u biosferi. Njegove rezerve su uglavnom u slano-gorkom obliku voda mora i okeana - oko 97%. Ostalo je slatka voda, glečeri i podzemne i podzemne vode.

Krug vode u biosferi uobičajeno počinje njenim isparavanjem sa površine rezervoara i listova biljaka i iznosi oko 500.000 kubnih metara. km. Vraća se nazad u obliku padavina, koje padaju ili direktno nazad u vodena tijela, ili prolazeći kroz tlo i podzemne vode.

Uloga vode u biosferi i istorija njene evolucije je takva da je sav život od trenutka njenog pojavljivanja bio potpuno ovisan o vodi. U biosferi, voda je mnogo puta prolazila kroz cikluse raspadanja i rađanja kroz žive organizme.

Kruženje vode je uglavnom fizički proces. Međutim, životinjski, a posebno biljni svijet u tome ima važnu ulogu. Isparavanje vode sa površina lišća drveća je takvo da, na primjer, hektar šume ispari i do 50 tona vode dnevno.

Ako je isparavanje vode s površina akumulacija prirodno za njenu cirkulaciju, onda je za kontinente sa svojim šumskim zonama takav proces jedini i glavni način očuvanja. Ovdje se cirkulacija odvija kao u zatvorenom ciklusu. Padavine nastaju isparavanjem sa tla i biljnih površina.

Tokom fotosinteze, biljke koriste vodonik sadržan u molekuli vode za stvaranje novog organskog spoja i oslobađanje kisika. I obrnuto, u procesu disanja, živi organizmi prolaze kroz proces oksidacije i voda se ponovo formira.

Opisujući kruženje različitih vrsta hemikalija, suočavamo se sa aktivnijim ljudskim uticajem na ove procese. Priroda se trenutno, zbog svoje višemilijardne istorije opstanka, nosi sa regulacijom i uspostavljanjem poremećene ravnoteže. Ali prvi simptomi "bolesti" su već tu. A ovo je “efekat staklene bašte”. Kada dvije energije: sunčeva i reflektirana od Zemlje, ne štite žive organizme, već, naprotiv, jačaju jedna drugu. Kao rezultat, temperatura okoline raste. Kakve bi posljedice takvog povećanja mogle biti, osim ubrzanog topljenja glečera i isparavanja vode sa površina okeana, kopna i biljaka?

Video - Krug supstanci u biosferi

Voda je esencijalna supstanca u svakom živom organizmu. Najveći dio vode na planeti koncentrisan je u hidrosferi. Isparavanje sa površine rezervoara predstavlja izvor atmosferske vlage; njegova kondenzacija uzrokuje padavine, s kojima se voda na kraju vraća u okean. Ovaj proces predstavlja veliki ciklus vode. Na površini zemaljske kugle.

Unutar ekosistema odvijaju se procesi koji usložnjavaju veliki ciklus i čine njegov biološki važan dio. U procesu presretanja, vegetacija doprinosi isparavanju dijela padavina u atmosferu prije nego što dospije na površinu zemlje. Oborinska voda koja dospije u tlo prodire u nju i ili formira jedan od oblika vlage u tlu ili se spaja s površinom. otjecanje; Dio vlage u tlu može se kroz kapilare podići na površinu i ispariti. Iz dubljih slojeva tla vlagu upija korijenje biljaka; dio dospijeva u lišće i prenosi se u atmosferu.

Evapotranspiracija je potpuno oslobađanje vode iz ekosistema u atmosferu. Uključuje i fizički isparenu vodu i vlagu koju transpiriraju biljke. Nivo transpiracije varira za različite vrste iu različitim pejzažnim i klimatskim zonama.

Ako količina vode koja je ušla u tlo premašuje njen kapacitet vlage, tada ona dostiže nivo podzemne vode i postaje njen dio. Protok podzemne vode povezuje vlagu tla sa hidrosferom.

Dakle, najvažniji procesi za ciklus vode unutar ekosistema su presretanje, evapotranspiracija, infiltracija i otjecanje.

Općenito, kruženje vode karakterizira činjenica da se, za razliku od ugljika, dušika i drugih elemenata, voda ne akumulira niti vezuje u živim organizmima, već prolazi kroz ekosisteme gotovo bez gubitaka; Samo oko 1% vode koja pada sa padavinama koristi se za formiranje biomase ekosistema.

I tako, Mali ciklus ima sledeću strukturu: isparavanje vlage sa površine okeana (rezervoara) - kondenzacija vodene pare - padavine na istoj vodenoj površini okeana (rezervoar).

Veliki vrtlog je ciklus vode između kopna i okeana (vodeno tijelo). Vlaga isparena sa površine Svjetskog okeana (koji troši gotovo polovinu sunčeve energije koja dospijeva do površine Zemlje) prenosi se na kopno, gdje pada u obliku padavina, koje se vraćaju u okean u obliku površinskog i podzemnog oticanja. . Procjenjuje se da više od 500 hiljada km3 vode godišnje učestvuje u kruženju vode na Zemlji.

Vodeni ciklus u cjelini igra veliku ulogu u oblikovanju prirodnih uslova na našoj planeti. Uzimajući u obzir transpiraciju vode od strane biljaka i njenu apsorpciju u biohemijskom ciklusu, cjelokupna zaliha vode na Zemlji se raspada i obnavlja za 2 miliona godina.

Ciklus kiseonika

Ciklus kiseonika. Kiseonik (O2) igra važnu ulogu u životu većine živih organizama na našoj planeti. U kvantitativnom smislu, ovo je glavna komponenta žive materije. 349

Na primjer, ako uzmemo u obzir vodu koja se nalazi u tkivima, ljudsko tijelo sadrži 62,8% kisika i 19,4% ugljika. Općenito, u biosferi je ovaj element, u poređenju s ugljikom i vodonikom, glavni među jednostavnim tvarima. Unutar biosfere dolazi do brze izmjene kisika sa živim organizmima ili njihovim ostacima nakon smrti. Biljke, u pravilu, proizvode slobodan kisik, a životinje ga troše disanjem. Kao najrasprostranjeniji i najmobilniji element na Zemlji, kisik ne ograničava postojanje i funkcije ekosfere, iako dostupnost kisika za vodene organizme može biti privremeno ograničena. Ciklus kiseonika u biosferi je izuzetno složen, jer sa njim reaguje veliki broj organskih i neorganskih materija. Kao rezultat toga, nastaju mnogi epicikli koji se javljaju između litosfere i atmosfere ili između hidrosfere i ova dva okruženja. Ciklus kisika je na neki način sličan obrnutom ciklusu ugljičnog dioksida. Kretanje jednog odvija se u suprotnom smjeru od kretanja drugog

Potrošnja atmosferskog kisika i njegova zamjena primarnim proizvođačima odvija se relativno brzo. Dakle, potrebno je 2000 godina da se kompletno obnovi sav atmosferski kisik. Danas se fotosinteza i disanje u prirodnim uslovima, bez uzimanja u obzir ljudskih aktivnosti, međusobno balansiraju sa velikom preciznošću. S tim u vezi ne dolazi do akumulacije kiseonika u atmosferi, a njegov sadržaj (20,946%) ostaje konstantan.

Primarni izvor vode, glavni rezervoar naše planete, je Svjetski okean. Može se uporediti sa ogromnim parnim kotlom koji grije sunce. Ovo je primarni izvor globalnog ciklusa vode u prirodi. Svakog sata, sa kvadratnog kilometra vodene površine ovog kotla, u Zemljinu atmosferu uđe u prosjeku oko 1000 tona pare, a u tropima, pod užarenim zracima podnevnog sunca, ispari 2-3 puta više. Ovdje se nad ogromnim prostranstvima oceana skuplja ogromna količina vodene pare u zraku i stvaraju se snažni oblaci. Ovdje se rađaju strašni tropski uragani i počinju snažne zračne struje. Oni, poput pokretne trake, prenose vlagu širom svijeta.

Great Gyre

Veliki ciklus se najjasnije manifestuje u kruženju vazdušnih masa i vode. Osnova velikog (geološkog) ciklusa je proces prijenosa tvari, uglavnom mineralnih jedinjenja, s jednog mjesta na drugo na planetarnoj razini.

Oko 30% sunčeve energije koja pada na Zemlju troši se na kretanje zraka, isparavanje vode, trošenje stijena, otapanje minerala itd. Kretanje vode i vjetra, zauzvrat, dovodi do erozije tla i stijena, transporta, preraspodjele, taloženja i akumulacije mehaničkih i kemijskih sedimenata na kopnu iu oceanu. Tokom dužeg vremenskog perioda, nastali morski sedimenti mogu se vratiti na površinu kopna i procesi se nastavljaju. Ovi ciklusi uključuju vulkansku aktivnost, zemljotrese i kretanje okeanskih ploča u zemljinoj kori.

Kruženje vode, uključujući njegov prijelaz iz tekućeg u plinovito i čvrsto stanje i natrag, jedna je od glavnih komponenti abiotičke cirkulacije tvari. Tokom hidrološkog ciklusa dolazi do značajne preraspodjele i značajnog pročišćavanja planetarnih rezervi vode. Treba napomenuti da najvažnija zemlja za postojanje životnog okruženja – slatke vode – imaju najveću stopu obnavljanja. Njihov period obrta je u prosjeku oko 11 dana.

Mala cirkulacija.

Na osnovu velikog geološkog ciklusa nastaje ciklus organskih supstanci, ili mali, biološki (biotički) ciklus.

Mali ciklus supstanci zasniva se na procesima sinteze i uništavanja organskih jedinjenja. Ova dva procesa osiguravaju život i čine jednu od njegovih glavnih karakteristika.

Za razliku od geološkog ciklusa, biološki ciklus karakteriše neznatna količina energije. Kao što je već spomenuto, samo oko 1% energije zračenja koja pada na Zemlju troši se na stvaranje organske tvari. Međutim, ova energija, uključena u biološki ciklus, obavlja ogroman posao stvaranja žive materije. Da bi život nastavio postojati, kemijski elementi moraju stalno cirkulirati iz vanjskog okruženja u žive organizme i natrag, prelazeći iz protoplazme nekih organizama u asimilirani oblik za druge.

Sve abiotičke i biotičke planetarne cirkulacije supstanci su usko isprepletene i čine globalni, sistemski postojeći ciklus, sa preraspodjelom energije Sunca, uz odsustvo kontradikcija između njegovih pojedinačnih grana i sa praktično nultom materijalnom ravnotežom.

Kruženje supstanci u biosferi je „putovanje“ određenih hemijskih elemenata duž lanca ishrane živih organizama, zahvaljujući energiji Sunca. Tokom „putovanja“ neki elementi, iz raznih razloga, ispadaju i ostaju, po pravilu, u zemlji. Njihovo mjesto zauzimaju isti oni koji obično dolaze iz atmosfere. Ovo je najjednostavniji opis onoga što garantuje život na planeti Zemlji. Ako se takvo putovanje iz nekog razloga prekine, tada će prestati postojanje svih živih bića.

Da bismo ukratko opisali kruženje supstanci u biosferi, potrebno je postaviti nekoliko polazišta. Prvo, od više od devedeset hemijskih elemenata poznatih i pronađenih u prirodi, četrdesetak je potrebno za žive organizme. Drugo, količina ovih supstanci je ograničena. Treće, govorimo samo o biosferi, odnosno o ljusci Zemlje koja sadrži život, a samim tim i o interakcijama između živih organizama. Četvrto, energija koja doprinosi ciklusu je energija koja dolazi od Sunca. Energija koja nastaje u utrobi Zemlje kao rezultat različitih reakcija ne učestvuje u procesu koji se razmatra. I još jedna stvar. Neophodno je preći početnu tačku ovog „putovanja“. To je uslovno, jer ne može postojati kraj i početak kruga, ali je to neophodno da bi se odnekud počelo opisati proces. Počnimo s najnižom karikom trofičkog lanca - s razlagačima ili grobarima.

Rakovi, crvi, ličinke, mikroorganizmi, bakterije i drugi grobari, trošeći kisik i koristeći energiju, prerađuju anorganske kemijske elemente u organsku tvar pogodnu za ishranu živih organizama i njegovo dalje kretanje kroz lanac ishrane. Nadalje, ove već organske tvari jedu potrošači ili potrošači, što uključuje ne samo životinje, ptice, ribe i slično, već i biljke. Potonji su proizvođači ili proizvođači. Oni, koristeći te hranjive tvari i energiju, proizvode kisik, koji je glavni element pogodan za disanje svih živih bića na planeti. Potrošači, proizvođači, pa čak i razlagači umiru. Njihovi ostaci, zajedno sa organskim supstancama sadržanim u njima, „padaju“ na raspolaganje grobarima.

I sve se opet ponavlja. Na primjer, sav kisik koji postoji u biosferi završi svoj promet za 2000 godina, a ugljični dioksid za 300. Takav ciklus se obično naziva biogeohemijski ciklus.

Neke organske supstance tokom svog „putovanja“ ulaze u reakcije i interakcije sa drugim supstancama. Kao rezultat, nastaju smjese koje, u obliku u kojem postoje, ne mogu se obraditi razlagačima. Takve mješavine ostaju "pohranjene" u zemlji. Ne mogu se sve organske tvari koje padaju na „stol“ grobara njima preraditi. Ne može sve istrunuti uz pomoć bakterija. Takvi neistrunuti ostaci idu u skladište. Sve što ostane u skladištu ili rezervi uklanja se iz procesa i nije uključeno u ciklus supstanci u biosferi.

Dakle, u biosferi se ciklus supstanci, čija je pokretačka snaga aktivnost živih organizama, može podijeliti na dvije komponente. Jedan - rezervni fond - je dio tvari koji nije povezan s aktivnostima živih organizama i za sada ne učestvuje u cirkulaciji. A drugi je revolving fond. Predstavlja samo mali dio tvari koju živi organizmi aktivno koriste.

Atomi kojih osnovnih hemijskih elemenata su toliko neophodni za život na Zemlji? To su: kiseonik, ugljenik, azot, fosfor i neki drugi. Od spojeva, glavna u cirkulaciji je voda.

Kiseonik

Ciklus kisika u biosferi trebao bi započeti procesom fotosinteze, uslijed čega se pojavio prije više milijardi godina. Biljke ga oslobađaju iz molekula vode pod utjecajem sunčeve energije. Kiseonik nastaje i u gornjim slojevima atmosfere tokom hemijskih reakcija u vodenoj pari, gde se hemijska jedinjenja razlažu pod uticajem elektromagnetnog zračenja. Ali ovo je manji izvor kiseonika. Glavna je fotosinteza. Kiseonik se takođe nalazi u vodi. Iako ga ima 21 puta manje nego u atmosferi.

Nastali kiseonik koriste živi organizmi za disanje. Takođe je oksidant za razne mineralne soli.

A osoba je potrošač kiseonika. Ali sa početkom naučne i tehnološke revolucije ova potrošnja se višestruko povećala, jer se kiseonik sagoreva ili vezuje tokom rada brojnih industrijskih proizvodnje, transporta, za zadovoljavanje kućnih i drugih potreba u toku ljudskog života. Ranije postojeći tzv. razmenski fond kiseonika u atmosferi iznosio je 5% njene ukupne zapremine, odnosno onoliko kiseonika je proizvedeno u procesu fotosinteze koliko je i potrošeno. Sada ovaj volumen postaje katastrofalno mali. Kiseonik se troši, da tako kažem, iz rezerve za hitne slučajeve. Odatle, gde nema ko da doda.

Ovaj problem je malo ublažen činjenicom da se dio organskog otpada ne prerađuje i ne potpada pod utjecaj truležnih bakterija, već ostaje u sedimentnim stijenama, stvarajući treset, ugalj i slične minerale.

Ako je rezultat fotosinteze kisik, onda je njegova sirovina ugljik.

Nitrogen

Krug azota u biosferi povezan je sa stvaranjem tako važnih organskih jedinjenja kao što su proteini, nukleinske kiseline, lipoproteini, ATP, hlorofil i drugi. Azot, u molekularnom obliku, nalazi se u atmosferi. Zajedno sa živim organizmima, to je samo oko 2% ukupnog dušika na Zemlji. U ovom obliku ga mogu konzumirati samo bakterije i plavo-zelene alge. Za ostatak biljnog svijeta dušik u molekularnom obliku ne može služiti kao hrana, već se može prerađivati ​​samo u obliku neorganskih spojeva. Neke vrste takvih jedinjenja nastaju tokom grmljavine i padaju u vodu i tlo sa padavinama.

Najaktivniji „reciklatori“ dušika ili fiksatora dušika su bakterije nodula. Talože se u ćelijama korijena mahunarki i pretvaraju molekularni dušik u njegove spojeve pogodne za biljke. Nakon što uginu, tlo se također obogaćuje dušikom.

Putrefaktivne bakterije razgrađuju organske spojeve koji sadrže dušik u amonijak. Dio toga odlazi u atmosferu, a ostatak se oksidira drugim vrstama bakterija u nitrite i nitrate. Oni se, pak, isporučuju kao hrana za biljke i reduciraju se na okside i molekularni dušik nitrificirajućim bakterijama. Koje ponovo ulaze u atmosferu.

Dakle, jasno je da različite vrste bakterija igraju glavnu ulogu u ciklusu dušika. A ako uništite najmanje 20 ovih vrsta, tada će život na planeti prestati.

I opet je uspostavljeni krug prekinuo čovjek. Kako bi povećao prinos usjeva, počeo je aktivno koristiti gnojiva koja sadrže dušik.

Karbon

Krug ugljika u biosferi neraskidivo je povezan s cirkulacijom kisika i dušika.

U biosferi, shema ciklusa ugljika temelji se na životnoj aktivnosti zelenih biljaka i njihovoj sposobnosti da pretvore ugljični dioksid u kisik, odnosno fotosintezu.

Ugljik stupa u interakciju s drugim elementima na različite načine i dio je gotovo svih klasa organskih spojeva. Na primjer, dio je ugljičnog dioksida i metana. Rastvara se u vodi, gdje je njegov sadržaj mnogo veći nego u atmosferi.

Iako ugljenik nije među prvih deset po rasprostranjenosti, u živim organizmima čini od 18 do 45% suhe mase.

Okeani služe kao regulator nivoa ugljičnog dioksida. Čim se njen udio u zraku poveća, voda izravnava pozicije apsorbirajući ugljični dioksid. Drugi potrošač ugljika u okeanu su morski organizmi, koji ga koriste za izgradnju školjki.

Krug ugljika u biosferi zasniva se na prisutnosti ugljičnog dioksida u atmosferi i hidrosferi, koji je svojevrsni razmjenski fond. Nadopunjuje se disanjem živih organizama. Bakterije, gljive i drugi mikroorganizmi koji sudjeluju u procesu razgradnje organskih ostataka u tlu također sudjeluju u obnavljanju ugljičnog dioksida u atmosferi Ugljik se „konzervira“ u mineraliziranim, netrulim organskim ostacima. U uglju i mrkom uglju, tresetu, uljnim škriljcima i sličnim nalazištima. Ali glavni rezervni fond ugljenika su krečnjak i dolomit. Ugljik koji sadrže je "bezbedno sakriven" u dubinama planete i oslobađa se samo tokom tektonskih pomeranja i emisija vulkanskih gasova tokom erupcija.

Zbog činjenice da proces disanja sa oslobađanjem ugljika i proces fotosinteze sa njegovom apsorpcijom prolazi kroz žive organizme vrlo brzo, samo mali dio ukupnog ugljika planete učestvuje u ciklusu. Kada bi ovaj proces bio nerecipročan, onda bi same suši biljke potrošile sav ugljik za samo 4-5 godina.

Trenutno, zahvaljujući ljudskoj aktivnosti, biljnom svijetu ne nedostaje ugljičnog dioksida. Dopunjava se odmah i istovremeno iz dva izvora. Sagorevanjem kiseonika u toku rada industrije, proizvodnje i transporta, kao i u vezi sa upotrebom one „konzerve“ – uglja, treseta, škriljaca i dr. – za rad ovih vrsta ljudskih delatnosti. Zašto se sadržaj ugljičnog dioksida u atmosferi povećao za 25%.

Fosfor

Krug fosfora u biosferi neraskidivo je povezan sa sintezom organskih supstanci kao što su ATP, DNK, RNK i druge.

Sadržaj fosfora u zemljištu i vodi je veoma nizak. Njegove glavne rezerve su u stijenama formiranim u dalekoj prošlosti. Sa trošenjem ovih stijena počinje ciklus fosfora.

Fosfor biljke apsorbuju samo u obliku jona ortofosforne kiseline. Ovo je uglavnom proizvod prerade organskih ostataka od strane grobara. Ali ako tla imaju visok alkalni ili kiseli faktor, fosfati se u njima praktički ne otapaju.

Fosfor je odličan nutrijent za razne vrste bakterija. Posebno plavo-zelene alge, koje se brzo razvijaju s povećanim sadržajem fosfora.

Međutim, većina fosfora se odnosi s rijekama i drugim vodama u ocean. Tamo ga aktivno jedu fitoplankton, a sa njim i morske ptice i druge vrste životinja. Nakon toga, fosfor pada na dno okeana i formira sedimentne stijene. Odnosno, vraća se na tlo, samo ispod sloja morske vode.

Kao što vidite, ciklus fosfora je specifičan. Teško ga je nazvati krugom, jer nije zatvoren.

Sumpor

U biosferi je ciklus sumpora neophodan za stvaranje aminokiselina. On stvara trodimenzionalnu strukturu proteina. Uključuje bakterije i organizme koji troše kisik da bi sintetizirali energiju. Oni oksidiraju sumpor u sulfate, a jednoćelijski prednuklearni živi organizmi reduciraju sulfate u vodonik sulfid. Pored njih, čitave grupe sumpornih bakterija oksidiraju sumporovodik u sumpor, a zatim u sulfate. Biljke mogu da troše samo jon sumpora iz tla - SO 2-4. Dakle, neki mikroorganizmi su oksidanti, dok su drugi redukcioni.

Mesta na kojima se sumpor i njegovi derivati ​​akumuliraju u biosferi su okean i atmosfera. Sumpor ulazi u atmosferu oslobađanjem sumporovodika iz vode. Osim toga, sumpor ulazi u atmosferu u obliku dioksida kada se fosilna goriva sagorevaju u proizvodnji iu kućne svrhe. Prvenstveno ugalj. Tamo oksidira i, pretvarajući se u sumpornu kiselinu u kišnici, s njom pada na tlo. Same kisele kiše nanose značajnu štetu cijelom biljnom i životinjskom svijetu, a osim toga, s olujnim i otopljenim vodama ulaze u rijeke. Rijeke nose ione sumpor sulfata u okean.

Sumpor se također nalazi u stijenama u obliku sulfida, au plinovitom obliku - sumporovodika i sumpordioksida. Na dnu mora nalaze se naslage prirodnog sumpora. Ali ovo je sve "rezerva".

Voda

Nema više rasprostranjene supstance u biosferi. Njegove rezerve su uglavnom u slano-gorkom obliku voda mora i okeana - oko 97%. Ostalo je slatka voda, glečeri i podzemne i podzemne vode.

Krug vode u biosferi uobičajeno počinje njenim isparavanjem sa površine rezervoara i listova biljaka i iznosi oko 500.000 kubnih metara. km. Vraća se nazad u obliku padavina, koje padaju ili direktno nazad u vodena tijela, ili prolazeći kroz tlo i podzemne vode.

Uloga vode u biosferi i istorija njene evolucije je takva da je sav život od trenutka njenog pojavljivanja bio potpuno ovisan o vodi. U biosferi, voda je mnogo puta prolazila kroz cikluse raspadanja i rađanja kroz žive organizme.

Kruženje vode je uglavnom fizički proces. Međutim, životinjski, a posebno biljni svijet u tome ima važnu ulogu. Isparavanje vode sa površina lišća drveća je takvo da, na primjer, hektar šume ispari i do 50 tona vode dnevno.

Ako je isparavanje vode s površina akumulacija prirodno za njenu cirkulaciju, onda je za kontinente sa svojim šumskim zonama takav proces jedini i glavni način očuvanja. Ovdje se cirkulacija odvija kao u zatvorenom ciklusu. Padavine nastaju isparavanjem sa tla i biljnih površina.

Tokom fotosinteze, biljke koriste vodonik sadržan u molekuli vode za stvaranje novog organskog spoja i oslobađanje kisika. I obrnuto, u procesu disanja, živi organizmi prolaze kroz proces oksidacije i voda se ponovo formira.

Opisujući kruženje različitih vrsta hemikalija, suočavamo se sa aktivnijim ljudskim uticajem na ove procese. Priroda se trenutno, zbog svoje višemilijardne istorije opstanka, nosi sa regulacijom i uspostavljanjem poremećene ravnoteže. Ali prvi simptomi "bolesti" su već tu. A ovo je “efekat staklene bašte”. Kada dvije energije: sunčeva i reflektirana od Zemlje, ne štite žive organizme, već, naprotiv, jačaju jedna drugu. Kao rezultat, temperatura okoline raste. Kakve bi posljedice takvog povećanja mogle biti, osim ubrzanog topljenja glečera i isparavanja vode sa površina okeana, kopna i biljaka?

Video - Krug supstanci u biosferi