Großer Wasserkreislauf in der Biosphäre. §47

16.12.2023

Die Entstehung lebender Materie und ihr Ablauf sind zwei Seiten eines einzigen Prozesses, der als biologischer Kreislauf chemischer Elemente bezeichnet wird. Leben ist der Kreislauf der Elemente zwischen dem Organismus und der Umwelt. Der Grund für den biologischen Kreislauf sind die begrenzten Ressourcen der Elemente, aus denen die Körper von Organismen aufgebaut sind.

Die Prozesse der Stoffzirkulation in der Biosphäre werden üblicherweise in große (geologische) und kleine (biologische) Kreisläufe unterteilt.

Die treibende Kraft hinter dem großen (geologischen) Kreislauf sind tektonische Prozesse und Sonnenenergie. Seine Kapazität beträgt 2 o 1016 Tonnen pro Jahr und seine Lebensdauer beträgt mehr als 4 Milliarden Jahre. Der kleine (biologische) Stoffkreislauf ist mit der Aktivität lebender Materie verbunden. Die Gesamtkapazität übersteigt 5 bis 10 Tonnen pro Jahr. Beide Zyklen laufen gleichzeitig ab und sind miteinander verbunden. Sie bilden einen einzigen biogeochemischen Kreislauf – eine ständige zyklische Umwandlung von Stoffen und Veränderungen der Energieströme mit räumlicher Stoffübertragung aufgrund der kombinierten Wirkung biotischer und abiotischer Stoffumwandlungen. Im Rahmen eines einzigen biogeochemischen Kreislaufs der Biosphäre sind die Kreisläufe von 6 Elementen von größter Bedeutung: Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel (Abb. 1.1).

Kohlenstoffzyklus. Die Kohlenstoffmasse in der Biosphäre übersteigt 12.000 Milliarden Tonnen. Der Kohlenstoffkreislauf findet tatsächlich zwischen Lebewesen statt

Reis. 1.1. Biogeochemische Kreisläufe in der Biosphäre (A - D)

Stoff und Kohlendioxid (CO2). Bei der von Pflanzen durchgeführten Photosynthese werden Kohlendioxid (Kohlendioxid) und Wasser mithilfe der Energie des Sonnenlichts in komplexe organische Verbindungen umgewandelt. Grüne Pflanzen absorbieren jedes Jahr 200 Milliarden Tonnen Kohlenstoff. Der Großteil davon gelangt durch Atmungsprozesse wieder in die Atmosphäre zurück. Abgestorbene pflanzliche und tierische Organismen werden durch Pilze und Mikroorganismen zersetzt, wobei CO2 freigesetzt wird, das ebenfalls in die Atmosphäre gelangt. Der gesamte Kohlenstoffbestand in der Atmosphäre beträgt 711 Milliarden Tonnen. Das sogenannte „Karbonatsystem“ des Weltozeans enthält sogar noch mehr – 390 Billionen. usw. Das Karbonatsystem der Ozeane besteht aus einer Vielzahl lebender Organismen – Protozoen, Algen, Korallen, Weichtiere usw., die Kalziumkarbonat in ihrem Körper ansammeln. Der vollständige Zyklus des Kohlenstoffaustauschs in der Biosphäre findet innerhalb von 300 bis 1000 Jahren statt.

Der Wasserkreislauf

Wasser bedeckt die Erdoberfläche. In einer Minute verdunsten unter dem Einfluss der Sonnenwärme 1 Milliarde Tonnen Wasser von der Oberfläche der Erdreservoirs. Durch die Kondensation von Wasserdampf bilden sich Wolken und es kommt zu Niederschlägen. Niederschläge dringen in den Boden ein, Grundwasser gelangt über Quellen wieder an die Erdoberfläche. Die gesamte Wasserreserve in der Hydrosphäre beträgt 138 bis 1016 Tonnen. Die Wasserdampfmasse in der Atmosphäre beträgt 130 bis 10 Mio. Tonnen. Die Geschwindigkeit der Wasserzirkulation ist sehr hoch: Das Meerwasser erneuert sich in 2 Millionen Jahren, das Grundwasser in pro Jahr, Flusswasser – in 12 Tagen, Wasserdampf in der Atmosphäre – in 10 Tagen. Um die Primärproduktion der Biosphäre in den Prozessen der Photosynthese zu erzeugen, wird jedes Jahr etwa 1 % des Wassers verbraucht, das in Form von Niederschlag fällt. Bereits heute nutzen die Menschen etwa 2,5 % des gesamten Jahresniederschlags für den häuslichen und industriellen Bedarf.

Sauerstoffkreislauf

Natürliche Produzenten von freiem molekularem Sauerstoff auf der Erde sind grüne Pflanzen, die ihn bei der Photosynthese bilden. Die Atmosphäre enthält 1,2 – 2,0 o 1015 Tonnen Sauerstoff. Jedes Jahr wird diese Reserve durch die Photosynthese grüner Pflanzen um 70 bis 100 Milliarden Tonnen wieder aufgefüllt, während Wälder 55 Milliarden Tonnen Sauerstoff produzieren. Für die überwiegende Mehrheit der lebenden Organismen ist Sauerstoff lebenswichtig. Es sorgt für die Durchführung oxidativer Reaktionen, bei denen die für das Leben von Organismen notwendige Energie freigesetzt wird. In der Natur kommt es aufgrund ausgewogener Prozesse der Nutzung von Luftsauerstoff zur Atmung, oxidativer Prozesse und seiner Freisetzung in freier Form bei der Photosynthese zu einer ständigen Zirkulation dieses Gases. Berechnungen zufolge dauert der vollständige Sauerstoffkreislauf in der Biosphäre 2000 Jahre.

Stickstoffkreislauf

Die Atmosphäre ist das größte Reservoir an Stickstoffgas (3,9 x 1019 Tonnen oder 78 Vol.-%). Für die meisten Organismen ist es ein neutrales Gas. Stickstoff ist nur für eine große Gruppe von Mikroorganismen ein lebenswichtiger Faktor. Durch die Aufnahme von molekularem Stickstoff versorgen solche Mikroorganismen nach dem Absterben die Wurzeln höherer Pflanzen mit zugänglichen Formen dieses Elements, das in der Zusammensetzung von Aminosäuren, Proteinen und Pigmenten enthalten ist. Der Stickstoffkreislauf erfolgt durch zwei gegeneinander ausgeglichene Prozesse: Nitrifikation (sequentielle Oxidation von freiem Stickstoff zu Nitraten, die von Pflanzenwurzeln aufgenommen werden) und Denitrifikation (Reduktion stickstoffhaltiger Verbindungen in freier Form). Beide Prozesse werden von Bakterien durchgeführt. Die biologische Stickstofffixierung beträgt etwa 126 Millionen Tonnen pro Jahr. Durch abiogene Fixierung (zum Beispiel bei Blitzentladungen oder Vulkanausbrüchen) gelangen zusätzlich 26 Millionen Tonnen Stickstoff in Nitratform in die Biosphäre.

Phosphorkreislauf

Dieses wichtige und notwendige Element für lebende Organismen zirkuliert und wandelt sich nach und nach von organischen Verbindungen in Phosphate um, die von Pflanzen wieder genutzt werden können. Im Gegensatz zu Stickstoff ist das Reservoir von Phosphor nicht die Atmosphäre, sondern Gesteine und andere Sedimente, die in vergangenen Erdzeitaltern entstanden sind. Diese Gesteine erodieren allmählich und geben Phosphate an die Ökosysteme ab. Große Mengen Phosphat gelangen jedoch ins Meer, wo sie teilweise in Flachwassersedimenten abgelagert werden und teilweise in Tiefseesedimenten verloren gehen. Mechanismen zur Rückführung von Phosphor in den Kreislauf sind wahrscheinlich nicht effizient genug und gleichen Verluste nicht aus. Menschliche Aktivitäten führen zu einem erhöhten Phosphorverlust durch Bodenerosion. Andererseits führt der aktive Einsatz von Phosphor in Düngemitteln zu einer Eutrophierung („Düngung“) des Wassers, die mit einer raschen Vermehrung von Algen („Wasserblüte“) einhergeht, die im Wasser gelösten Sauerstoff aufnehmen und giftige Stoffwechselprodukte freisetzen. Gleichzeitig werden etablierte natürliche Ökosysteme zerstört.

Schwefelkreislauf

Umfasst Luft, Wasser und Boden, wo Oxidations- und Reduktionsprozesse ablaufen, durch die Schwefel zwischen dem für Pflanzen verfügbaren Sulfatfundus (SO4) und dem tief im Boden und in Sedimenten befindlichen Eisensulfidfundus ausgetauscht wird. Diese chemischen Reaktionen werden von spezialisierten Mikroorganismen – Sirkobakterien – durchgeführt.

Stickstoff- und Schwefelkreisläufe werden zunehmend durch industrielle Luftverschmutzung beeinträchtigt. Stickoxide (N2O und NO2) und Schwefel (SO2) sind im Gegensatz zu Nitraten und Sulfaten giftig. Die Hauptquelle von SO2 ist die Verbrennung von Kohle, und NO2 sind Abgase und andere Industrieemissionen. Schwefeldioxid reagiert mit Wasserdampf in der Luft und bildet Schwefelsäuretröpfchen, die bei saurem Regen zu Boden fallen. Saurer Regen ist zu einem ernsten Problem geworden, das in weiten Teilen Europas und Nordamerikas zum Austrocknen von Bäumen und zur Versauerung von Seen führt.

Industrielle Emissionen von Kohlendioxid in die Atmosphäre und ein paralleler Anstieg des Sauerstoffverbrauchs, der auch mit dem Bau von Wäldern einhergeht, drohen das O2-CO2-Gleichgewicht in der Atmosphäre zu zerstören, was zu globalen Klimakatastrophen führen kann.

Unachtsames Eingreifen des Menschen in den natürlichen Ablauf biogeochemischer Kreisläufe, die über Dutzende und Hunderte Millionen Jahre der Biosphärenentwicklung entstanden sind, kann katastrophale Folgen haben.

Energieumwandlung in der Biosphäre

Lebende Organismen verbrauchen ständig Energie. Die primäre Energiequelle in der Biosphäre ist die Sonne. Die lebende Welt der Erde besteht aus drei Haupttypen von Organismen: Autotrophen (Produzenten), Heterotrophen-Konsumenten und Heterotrophen-Reduzierern. Der Energiefluss in der Biosphäre hat eine Richtung – von der Sonne über Pflanzen (Autotrophen) zu Tieren (Heterotrophen) oder von Produzenten zu Konsumenten und Zersetzern.

Autotrophie- Dies sind Organismen, die durch den Prozess der Photosynthese (unter Verwendung von Sonnenenergie) oder der Chemosynthese (unter Verwendung der Energie chemischer Reaktionen) organische Substanzen aus anorganischen Substanzen erzeugen. Autotrophe werden auch Produzenten genannt (von lateinisch – jemand, der produziert). Die meisten Produzenten erzeugen organisches Material durch die Nutzung von Sonnenenergie, Wasser, Kohlendioxid und Mineralsalzen. Dabei handelt es sich um höhere Grünpflanzen, Flechten, Algen und photosynthetische Bakterien. Auf der Erde gibt es etwa 350.000 Arten grüner Pflanzen, und ihre gesamte Biomasse macht 98 bis 99 % der Gesamtmasse der lebenden Materie in der Biosphäre aus. Die chemischen Bindungen komplexer organischer Verbindungen, die von Produzenten gebildet werden, konzentrieren Energie, die bei deren Zersetzung bei der Verdauung in Tieren und anderen Heterotrophen freigesetzt wird.

Die Prozesse der Stoffzirkulation und Energieumwandlung sind die Grundlage für das dynamische Gleichgewicht und die Stabilität der Biosphäre. Ein vereinfachtes Diagramm des Ablaufs dieser Prozesse ist in Abb. dargestellt. 1.2.

Reis. 1.2. c (A – Autotrophe, H – Heterotrophe, S – Reserven an organischer Substanz in Ökosystemen, E – Fluss der Sonnenenergie, e – Energie organischer Verbindungen, der Stoffkreislauf wird mit einem dicken durchgezogenen Pfeil dargestellt).

Alle Funktionen lebender Organismen in der Biosphäre (Energie, biogeochemische, organisatorische, Wasserumwandlung, Umwelt usw.) können nicht von Organismen einer bestimmten Art, sondern nur von ihrem komplexen Komplex ausgeführt werden. Laut V. I. Wernadskij wurde die Biosphäre der Erde von Anfang an als komplexes System mit einer Vielzahl von Organismenarten geformt, von denen jede ihre eigene Rolle im Gesamtsystem spielt. Daher werden wir im nächsten Abschnitt die Hauptkomponenten dieses Systems betrachten – Organismen, Populationen und Ökosysteme.

Der Stoffkreislauf in der Biosphäre ist dank der Energie der Sonne die „Reise“ bestimmter chemischer Elemente entlang der Nahrungskette lebender Organismen. Während der „Reise“ fallen einige Elemente aus verschiedenen Gründen heraus und verbleiben in der Regel im Boden. An ihre Stelle treten die gleichen, die normalerweise aus der Atmosphäre stammen. Dies ist die einfachste Beschreibung dessen, was das Leben auf dem Planeten Erde garantiert. Wenn eine solche Reise aus irgendeinem Grund unterbrochen wird, hört die Existenz aller Lebewesen auf.

Um den Stoffkreislauf in der Biosphäre kurz zu beschreiben, ist es notwendig, mehrere Ausgangspunkte zu setzen. Erstens werden von den mehr als neunzig bekannten und in der Natur vorkommenden chemischen Elementen etwa vierzig für lebende Organismen benötigt. Zweitens ist die Menge dieser Stoffe begrenzt. Drittens sprechen wir nur von der Biosphäre, also von der lebenshaltigen Hülle der Erde, und damit von den Wechselwirkungen zwischen lebenden Organismen. Viertens ist die Energie, die zum Kreislauf beiträgt, die Energie, die von der Sonne kommt. Die im Erdinneren durch verschiedene Reaktionen erzeugte Energie nimmt an dem betrachteten Prozess nicht teil. Und noch eine letzte Sache. Es ist notwendig, dem Ausgangspunkt dieser „Reise“ einen Schritt voraus zu sein. Es ist bedingt, da es kein Ende und keinen Anfang eines Kreises geben kann, dies ist jedoch notwendig, um irgendwo mit der Beschreibung des Prozesses beginnen zu können. Beginnen wir mit dem untersten Glied der trophischen Kette – den Zersetzern oder Totengräbern.

Krebstiere, Würmer, Larven, Mikroorganismen, Bakterien und andere Totengräber verarbeiten unter Sauerstoff- und Energieverbrauch anorganische chemische Elemente zu einer organischen Substanz, die für die Ernährung lebender Organismen und deren weitere Bewegung entlang der Nahrungskette geeignet ist. Darüber hinaus werden diese bereits organischen Stoffe von Konsumenten bzw. Konsumenten verzehrt, zu denen nicht nur Tiere, Vögel, Fische und dergleichen, sondern auch Pflanzen gehören. Letztere sind Produzenten bzw. Produzenten. Mithilfe dieser Nährstoffe und Energie produzieren sie Sauerstoff, das wichtigste Element zum Atmen aller Lebewesen auf dem Planeten. Verbraucher, Produzenten und sogar Zersetzer sterben. Ihre Überreste „fallen“ zusammen mit den darin enthaltenen organischen Substanzen den Totengräbern zur Verfügung.

Und alles wiederholt sich noch einmal. Beispielsweise vollendet der gesamte in der Biosphäre vorhandene Sauerstoff seinen Umsatz in 2000 Jahren und Kohlendioxid in 300 Jahren. Ein solcher Kreislauf wird üblicherweise als biogeochemischer Kreislauf bezeichnet.

Einige organische Stoffe gehen auf ihrer „Reise“ Reaktionen und Wechselwirkungen mit anderen Stoffen ein. Dadurch entstehen Gemische, die in der vorliegenden Form nicht von Zersetzern verarbeitet werden können. Solche Gemische bleiben im Boden „gelagert“. Nicht alle organischen Stoffe, die auf den „Tisch“ der Totengräber fallen, können von ihnen nicht verarbeitet werden. Nicht alles kann mit Hilfe von Bakterien verrotten. Solche unverrotteten Überreste werden eingelagert. Alles, was im Speicher oder in der Reserve verbleibt, wird dem Prozess entnommen und gelangt nicht in den Stoffkreislauf der Biosphäre.

So lässt sich in der Biosphäre der Stoffkreislauf, dessen treibende Kraft die Aktivität lebender Organismen ist, in zwei Komponenten gliedern. Einer – der Reservefonds – ist ein Teil der Substanz, der nicht mit der Aktivität lebender Organismen verbunden ist und vorerst nicht am Umlauf teilnimmt. Und der zweite ist der revolvierende Fonds. Es stellt nur einen kleinen Teil der Substanz dar, die von lebenden Organismen aktiv genutzt wird.

Welche chemischen Grundelemente sind Atome, die für das Leben auf der Erde so wichtig sind? Dies sind: Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und einige andere. Von den Verbindungen ist Wasser die wichtigste im Kreislauf.

Sauerstoff

Der Sauerstoffkreislauf in der Biosphäre sollte mit dem Prozess der Photosynthese beginnen, der vor Milliarden von Jahren entstand. Es wird von Pflanzen unter dem Einfluss von Sonnenenergie aus Wassermolekülen freigesetzt. Sauerstoff entsteht auch in den oberen Schichten der Atmosphäre bei chemischen Reaktionen im Wasserdampf, wo chemische Verbindungen unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung zerfallen. Dies ist jedoch eine untergeordnete Sauerstoffquelle. Die wichtigste davon ist die Photosynthese. Sauerstoff kommt auch im Wasser vor. Obwohl es 21-mal weniger davon gibt als in der Atmosphäre.

Der dabei entstehende Sauerstoff wird von lebenden Organismen zur Atmung genutzt. Es ist auch ein Oxidationsmittel für verschiedene Mineralsalze.

Und der Mensch ist ein Sauerstoffverbraucher. Doch mit Beginn der wissenschaftlich-technischen Revolution ist dieser Verbrauch um ein Vielfaches gestiegen, da Sauerstoff bei zahlreichen industriellen Produktionen, Transporten, zur Befriedigung von Haushalts- und anderen Bedürfnissen im Laufe des menschlichen Lebens verbrannt oder gebunden wird. Der bisher vorhandene sogenannte Sauerstoffaustauschfonds der Atmosphäre betrug 5 % seines Gesamtvolumens, das heißt, bei der Photosynthese wurde so viel Sauerstoff erzeugt wie verbraucht. Jetzt wird dieses Volumen katastrophal klein. Sauerstoff wird sozusagen aus der Notreserve verbraucht. Von dort, wo es niemanden gibt, der es hinzufügen kann.

Dieses Problem wird dadurch etwas gemildert, dass ein Teil der organischen Abfälle nicht verarbeitet wird und nicht unter den Einfluss von Fäulnisbakterien gerät, sondern in Sedimentgesteinen verbleibt und Torf, Kohle und ähnliche Mineralien bildet.

Wenn das Ergebnis der Photosynthese Sauerstoff ist, dann ist ihr Rohstoff Kohlenstoff.

Stickstoff

Der Stickstoffkreislauf in der Biosphäre ist mit der Bildung so wichtiger organischer Verbindungen wie Proteine, Nukleinsäuren, Lipoproteine, ATP, Chlorophyll und andere verbunden. Stickstoff kommt in molekularer Form in der Atmosphäre vor. Zusammen mit lebenden Organismen sind dies nur etwa 2 % des gesamten Stickstoffs auf der Erde. In dieser Form kann es nur von Bakterien und Blaualgen verzehrt werden. Für den Rest der Pflanzenwelt kann Stickstoff in molekularer Form nicht als Nahrung dienen, sondern nur in Form anorganischer Verbindungen verarbeitet werden. Einige Arten solcher Verbindungen entstehen bei Gewittern und gelangen bei Niederschlägen in Wasser und Boden.

Die aktivsten „Recycler“ von Stickstoff oder Stickstofffixierern sind Knöllchenbakterien. Sie siedeln sich in den Zellen der Hülsenfruchtwurzeln an und wandeln molekularen Stickstoff in seine für Pflanzen geeigneten Verbindungen um. Nach ihrem Absterben wird der Boden zusätzlich mit Stickstoff angereichert.

Fäulnisbakterien zersetzen stickstoffhaltige organische Verbindungen in Ammoniak. Ein Teil davon gelangt in die Atmosphäre, der Rest wird von anderen Bakterienarten zu Nitriten und Nitraten oxidiert. Diese wiederum dienen den Pflanzen als Nahrung und werden durch nitrifizierende Bakterien zu Oxiden und molekularem Stickstoff reduziert. Die wieder in die Atmosphäre gelangen.

Somit ist klar, dass verschiedene Arten von Bakterien die Hauptrolle im Stickstoffkreislauf spielen. Und wenn Sie mindestens 20 dieser Arten vernichten, wird das Leben auf dem Planeten aufhören.

Und wieder wurde der etablierte Kreislauf von Menschenhand durchbrochen. Um die Ernteerträge zu steigern, begann er, aktiv stickstoffhaltige Düngemittel einzusetzen.

Kohlenstoff

Der Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre ist untrennbar mit der Zirkulation von Sauerstoff und Stickstoff verbunden.

In der Biosphäre basiert der Kohlenstoffkreislauf auf der Lebensaktivität grüner Pflanzen und ihrer Fähigkeit, Kohlendioxid in Sauerstoff umzuwandeln, also Photosynthese.

Kohlenstoff interagiert auf vielfältige Weise mit anderen Elementen und ist Bestandteil fast aller Klassen organischer Verbindungen. Es ist beispielsweise Bestandteil von Kohlendioxid und Methan. Es ist in Wasser gelöst, wo sein Gehalt viel höher ist als in der Atmosphäre.

Obwohl Kohlenstoff hinsichtlich der Häufigkeit nicht zu den Top Ten gehört, macht er in lebenden Organismen 18 bis 45 % der Trockenmasse aus.

Die Ozeane regulieren den Kohlendioxidgehalt. Sobald sein Anteil in der Luft zunimmt, gleicht das Wasser die Positionen aus, indem es Kohlendioxid aufnimmt. Ein weiterer Kohlenstoffverbraucher im Ozean sind Meeresorganismen, die daraus Muscheln bauen.

Der Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre basiert auf dem Vorhandensein von Kohlendioxid in der Atmosphäre und der Hydrosphäre, die eine Art Austauschfonds darstellt. Es wird durch die Atmung lebender Organismen wieder aufgefüllt. Bakterien, Pilze und andere Mikroorganismen, die an der Zersetzung organischer Rückstände im Boden beteiligt sind, sind auch an der Wiederauffüllung von Kohlendioxid in der Atmosphäre beteiligt. Kohlenstoff wird in mineralisierten, unverrotteten organischen Rückständen „konserviert“. In Kohle und Braunkohle, Torf, Ölschiefer und ähnlichen Lagerstätten. Aber die wichtigsten Kohlenstoffreserven sind Kalkstein und Dolomit. Der darin enthaltene Kohlenstoff ist „sicher versteckt“ in den Tiefen des Planeten und wird nur bei tektonischen Verschiebungen und beim Ausstoß vulkanischer Gase bei Ausbrüchen freigesetzt.

Aufgrund der Tatsache, dass der Prozess der Atmung mit der Freisetzung von Kohlenstoff und der Prozess der Photosynthese mit seiner Absorption durch lebende Organismen sehr schnell ablaufen, nimmt nur ein kleiner Bruchteil des gesamten Kohlenstoffs auf dem Planeten am Kreislauf teil. Wenn dieser Prozess nicht reziprok wäre, würden Sushi-Pflanzen allein den gesamten Kohlenstoff in nur 4 bis 5 Jahren verbrauchen.

Dank menschlicher Aktivitäten herrscht in der Pflanzenwelt derzeit kein Mangel an Kohlendioxid. Der Nachschub erfolgt sofort und gleichzeitig aus zwei Quellen. Durch die Verbrennung von Sauerstoff während des Betriebs von Industrie, Produktion und Transport sowie im Zusammenhang mit der Verwendung dieser „Konserven“ – Kohle, Torf, Schiefer usw. – für die Arbeit dieser Art menschlicher Aktivitäten. Warum ist der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre um 25 % gestiegen?

Phosphor

Der Phosphorkreislauf in der Biosphäre ist untrennbar mit der Synthese organischer Substanzen wie ATP, DNA, RNA und anderen verbunden.

Der Phosphorgehalt in Boden und Wasser ist sehr gering. Seine Hauptreserven liegen in Gesteinen, die in der fernen Vergangenheit entstanden sind. Mit der Verwitterung dieser Gesteine beginnt der Phosphorkreislauf.

Phosphor wird von Pflanzen nur in Form von Orthophosphorsäureionen aufgenommen. Dies ist hauptsächlich ein Produkt der Verarbeitung organischer Überreste durch Totengräber. Wenn die Böden jedoch einen hohen alkalischen oder sauren Faktor aufweisen, lösen sich Phosphate darin praktisch nicht auf.

Phosphor ist ein hervorragender Nährstoff für verschiedene Bakterienarten. Vor allem Blaualgen, die sich bei erhöhtem Phosphorgehalt schnell entwickeln.

Der größte Teil des Phosphors wird jedoch mit Flüssen und anderen Gewässern ins Meer verschleppt. Dort wird es aktiv vom Phytoplankton und damit von Seevögeln und anderen Tierarten gefressen. Anschließend sinkt Phosphor auf den Meeresboden und bildet Sedimentgestein. Das heißt, es kehrt nur unter einer Meerwasserschicht zum Boden zurück.

Wie Sie sehen, ist der Phosphorkreislauf spezifisch. Es ist schwierig, von einem Kreislauf zu sprechen, da er nicht geschlossen ist.

Schwefel

In der Biosphäre ist der Schwefelkreislauf für die Bildung von Aminosäuren notwendig. Es erzeugt die dreidimensionale Struktur von Proteinen. Dabei handelt es sich um Bakterien und Organismen, die Sauerstoff verbrauchen, um Energie zu synthetisieren. Sie oxidieren Schwefel zu Sulfaten und einzellige pränukleäre Lebewesen reduzieren Sulfate zu Schwefelwasserstoff. Darüber hinaus oxidieren ganze Gruppen von Schwefelbakterien Schwefelwasserstoff zu Schwefel und dann zu Sulfaten. Pflanzen können nur Schwefelionen aus dem Boden aufnehmen – SO 2-4. Daher sind einige Mikroorganismen Oxidationsmittel, während andere Reduktionsmittel sind.

Die Orte, an denen sich Schwefel und seine Derivate in der Biosphäre ansammeln, sind der Ozean und die Atmosphäre. Durch die Freisetzung von Schwefelwasserstoff aus Wasser gelangt Schwefel in die Atmosphäre. Darüber hinaus gelangt Schwefel in Form von Kohlendioxid in die Atmosphäre, wenn fossile Brennstoffe in der Produktion und für Haushaltszwecke verbrannt werden. Hauptsächlich Kohle. Dort oxidiert es und fällt im Regenwasser zu Schwefelsäure und fällt mit ihm zu Boden. Saurer Regen selbst verursacht erheblichen Schaden für die gesamte Pflanzen- und Tierwelt und gelangt darüber hinaus mit Sturm- und Schmelzwasser in Flüsse. Flüsse transportieren Schwefelsulfat-Ionen in den Ozean.

Schwefel kommt auch in Gesteinen in Form von Sulfiden und in gasförmiger Form vor – Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid. Auf dem Meeresgrund gibt es Vorkommen von natürlichem Schwefel. Aber das ist alles „Reserve“.

Wasser

Es gibt keinen weiter verbreiteten Stoff in der Biosphäre. Seine Reserven liegen hauptsächlich in der salzig-bitteren Form des Wassers der Meere und Ozeane vor – etwa 97 %. Der Rest ist Süßwasser, Gletscher sowie Untergrund- und Grundwasser.

Der Wasserkreislauf in der Biosphäre beginnt herkömmlicherweise mit der Verdunstung an der Oberfläche von Stauseen und Pflanzenblättern und beträgt etwa 500.000 Kubikmeter. km. Es kehrt in Form von Niederschlägen zurück, die entweder direkt in Gewässer zurückfallen oder über den Boden und das Grundwasser gelangen.

Die Rolle des Wassers in der Biosphäre und die Geschichte seiner Entwicklung ist so groß, dass alles Leben vom Moment seines Erscheinens an vollständig vom Wasser abhängig war. In der Biosphäre hat Wasser durch lebende Organismen viele Male Zyklen der Zersetzung und Entstehung durchlaufen.

Der Wasserkreislauf ist größtenteils ein physikalischer Prozess. Dabei spielt jedoch die Tier- und vor allem die Pflanzenwelt eine wichtige Rolle. Die Verdunstung von Wasser aus den Blattoberflächen von Bäumen führt dazu, dass beispielsweise ein Hektar Wald bis zu 50 Tonnen Wasser pro Tag verdunstet.

Wenn die Verdunstung von Wasser aus den Oberflächen von Stauseen für seine Zirkulation natürlich ist, dann ist ein solcher Prozess für Kontinente mit ihren Waldgebieten die einzige und wichtigste Möglichkeit, es zu erhalten. Hier erfolgt die Zirkulation wie in einem geschlossenen Kreislauf. Niederschlag entsteht durch Verdunstung von Böden und Pflanzenoberflächen.

Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen den in einem Wassermolekül enthaltenen Wasserstoff, um eine neue organische Verbindung zu bilden und Sauerstoff freizusetzen. Und umgekehrt durchlaufen lebende Organismen beim Atmen einen Oxidationsprozess und es entsteht wieder Wasser.

Wenn wir die Zirkulation verschiedener Arten von Chemikalien beschreiben, sehen wir uns mit einem aktiveren menschlichen Einfluss auf diese Prozesse konfrontiert. Derzeit ist die Natur aufgrund ihrer mehrmilliardenjährigen Überlebensgeschichte mit der Regulierung und Wiederherstellung gestörter Gleichgewichte beschäftigt. Aber die ersten Symptome der „Krankheit“ sind bereits da. Und das ist der „Treibhauseffekt“. Wenn zwei Energien, die Sonnenenergie und die von der Erde reflektierte, lebende Organismen nicht schützen, sondern sich im Gegenteil gegenseitig stärken. Dadurch steigt die Umgebungstemperatur. Welche Folgen könnte ein solcher Anstieg neben dem beschleunigten Abschmelzen der Gletscher und der Verdunstung von Wasser von den Meeres-, Land- und Pflanzenoberflächen haben?

Video - Stoffkreislauf in der Biosphäre

Wasser ist eine lebenswichtige Substanz in jedem lebenden Organismus. Der Großteil des Wassers auf dem Planeten ist in der Hydrosphäre konzentriert. Die Verdunstung von der Oberfläche von Stauseen stellt eine Quelle atmosphärischer Feuchtigkeit dar; Seine Kondensation führt zu Niederschlägen, mit denen das Wasser schließlich in den Ozean zurückfließt. Dieser Prozess stellt einen großen Wasserkreislauf dar. Auf der Oberfläche des Globus.

Innerhalb von Ökosystemen finden Prozesse statt, die den großen Kreislauf komplizieren und seinen biologisch wichtigen Teil bereitstellen. Beim Abfangen trägt die Vegetation dazu bei, dass ein Teil des Niederschlags in die Atmosphäre verdunstet, bevor er die Erdoberfläche erreicht. Niederschlagswasser, das den Boden erreicht, versickert darin und bildet entweder eine der Formen der Bodenfeuchtigkeit oder verbindet sich mit der Oberfläche abfließen; Ein Teil der Bodenfeuchtigkeit kann durch Kapillaren an die Oberfläche gelangen und verdunsten. Aus tieferen Bodenschichten wird Feuchtigkeit von den Pflanzenwurzeln aufgenommen; Ein Teil davon erreicht die Blätter und gelangt in die Atmosphäre.

Unter Evapotranspiration versteht man die vollständige Freisetzung von Wasser aus einem Ökosystem in die Atmosphäre. Es umfasst sowohl physikalisch verdunstetes Wasser als auch von Pflanzen abgegebene Feuchtigkeit. Der Grad der Transpiration variiert je nach Art und in verschiedenen Landschafts- und Klimazonen.

Übersteigt die in den Boden versickerte Wassermenge dessen Feuchtigkeitskapazität, erreicht es den Grundwasserspiegel und wird Teil davon. Der Grundwasserfluss verbindet die Bodenfeuchtigkeit mit der Hydrosphäre.

Somit sind die wichtigsten Prozesse für den Wasserkreislauf innerhalb von Ökosystemen Interzeption, Evapotranspiration, Infiltration und Abfluss.

Generell ist der Wasserkreislauf dadurch gekennzeichnet, dass sich Wasser im Gegensatz zu Kohlenstoff, Stickstoff und anderen Elementen nicht in lebenden Organismen anreichert oder bindet, sondern nahezu verlustfrei durch Ökosysteme fließt; Nur etwa 1 % des bei Niederschlägen anfallenden Wassers wird zur Bildung der Biomasse des Ökosystems genutzt.

Der Kleine Kreislauf hat also folgende Struktur: Verdunstung von Feuchtigkeit von der Meeresoberfläche (Reservoir) – Kondensation von Wasserdampf – Niederschlag auf derselben Wasseroberfläche des Ozeans (Reservoir).

Der Große Wirbel ist ein Wasserkreislauf zwischen Land und Ozean (Gewässer). Von der Oberfläche des Weltozeans verdunstete Feuchtigkeit (die fast die Hälfte der auf die Erdoberfläche gelangenden Sonnenenergie verbraucht) wird an Land übertragen, wo sie in Form von Niederschlag fällt, der in Form von oberflächlichen und unterirdischen Abflüssen in den Ozean zurückkehrt . Es wird geschätzt, dass jährlich mehr als 500.000 km3 Wasser am Wasserkreislauf auf der Erde beteiligt sind.

Der Wasserkreislauf als Ganzes prägt maßgeblich die natürlichen Verhältnisse auf unserem Planeten. Berücksichtigt man die Transpiration von Wasser durch Pflanzen und seine Aufnahme im biochemischen Kreislauf, zerfällt der gesamte Wasservorrat auf der Erde und wird in 2 Millionen Jahren wiederhergestellt.

Sauerstoffkreislauf

Sauerstoffkreislauf. Sauerstoff (O2) spielt eine wichtige Rolle im Leben der meisten Lebewesen auf unserem Planeten. Quantitativ gesehen ist dies der Hauptbestandteil der lebenden Materie. 349

Berücksichtigt man beispielsweise das im Gewebe enthaltene Wasser, besteht der menschliche Körper aus 62,8 % Sauerstoff und 19,4 % Kohlenstoff. Im Allgemeinen ist dieses Element in der Biosphäre im Vergleich zu Kohlenstoff und Wasserstoff das wichtigste unter den einfachen Substanzen. Innerhalb der Biosphäre findet ein schneller Sauerstoffaustausch mit lebenden Organismen oder deren Überresten nach dem Tod statt. Pflanzen produzieren in der Regel freien Sauerstoff, Tiere verbrauchen ihn durch Atmung. Als am weitesten verbreitetes und mobilstes Element auf der Erde schränkt Sauerstoff die Existenz und Funktionen der Ökosphäre nicht ein, obwohl die Verfügbarkeit von Sauerstoff für Wasserorganismen vorübergehend eingeschränkt sein kann. Der Sauerstoffkreislauf in der Biosphäre ist äußerst komplex, da eine Vielzahl organischer und anorganischer Stoffe mit ihm reagieren. Infolgedessen treten viele Epizyklen auf, die zwischen der Lithosphäre und der Atmosphäre oder zwischen der Hydrosphäre und diesen beiden Umgebungen auftreten. Der Sauerstoffkreislauf ähnelt in mancher Hinsicht dem umgekehrten Kohlendioxidkreislauf. Die Bewegung des einen erfolgt in entgegengesetzter Richtung zur Bewegung des anderen

Der Verbrauch von Luftsauerstoff und dessen Ersatz durch Primärproduzenten erfolgt relativ schnell. Somit dauert es 2000 Jahre, um den gesamten Luftsauerstoff vollständig zu erneuern. Heutzutage gleichen sich Photosynthese und Atmung unter natürlichen Bedingungen, ohne Berücksichtigung menschlicher Aktivitäten, mit großer Genauigkeit aus. Dabei kommt es nicht zu einer Sauerstoffanreicherung in der Atmosphäre und sein Gehalt (20,946 %) bleibt konstant.

Die primäre Wasserquelle, das Hauptreservoir unseres Planeten, ist der Weltozean. Man kann es mit einem riesigen Dampfkessel vergleichen, der von der Sonne erhitzt wird. Dies ist die Hauptquelle des globalen Wasserkreislaufs in der Natur. Von einem Quadratkilometer der Wasseroberfläche dieses Kessels gelangen stündlich durchschnittlich etwa 1000 Tonnen Dampf in die Erdatmosphäre, und in den Tropen verdunstet unter den sengenden Strahlen der Mittagssonne zwei- bis dreimal mehr. Hier, über den riesigen Weiten des Ozeans, sammelt sich eine riesige Menge Wasserdampf in der Luft und es bilden sich mächtige Wolken. Hier entstehen gewaltige tropische Hurrikane und starke Luftströmungen beginnen. Sie transportieren Feuchtigkeit wie ein Fließband rund um den Globus.

Großer Gyre

Der Große Kreislauf zeigt sich am deutlichsten in der Zirkulation von Luftmassen und Wasser. Die Grundlage des großen (geologischen) Kreislaufs ist der Prozess der Übertragung von Stoffen, hauptsächlich Mineralverbindungen, von einem Ort zum anderen auf planetarischer Ebene.

Etwa 30 % der auf die Erde fallenden Sonnenenergie werden für die Luftbewegung, die Verdunstung von Wasser, die Verwitterung von Gesteinen, die Auflösung von Mineralien usw. aufgewendet. Die Bewegung von Wasser und Wind wiederum führt zu Boden- und Gesteinserosion, Transport, Umverteilung, Ablagerung und Ansammlung mechanischer und chemischer Sedimente an Land und im Meer. Über einen längeren Zeitraum können die entstehenden Meeressedimente an die Landoberfläche zurückkehren und die Prozesse beginnen wieder. Zu diesen Zyklen gehören vulkanische Aktivität, Erdbeben und die Bewegung ozeanischer Platten in der Erdkruste.

Der Wasserkreislauf, einschließlich seines Übergangs vom flüssigen in den gasförmigen und festen Zustand und zurück, ist einer der Hauptbestandteile des abiotischen Stoffkreislaufs. Während des Wasserkreislaufs kommt es zu einer erheblichen Umverteilung und erheblichen Reinigung der Wasserreserven des Planeten. Es ist zu beachten, dass das wichtigste Land für die Existenz von Lebensräumen – Süßwasser – die höchste Erneuerungsrate aufweist. Ihre Umschlagsdauer beträgt durchschnittlich etwa 11 Tage.

Kleine Auflage.

Auf der Grundlage des großen geologischen Kreislaufs entsteht ein Kreislauf organischer Stoffe bzw. ein kleiner, biologischer (biotischer) Kreislauf.

Der kleine Stoffkreislauf basiert auf den Prozessen der Synthese und Zerstörung organischer Verbindungen. Diese beiden Prozesse sichern das Leben und bilden eines seiner Hauptmerkmale.

Im Gegensatz zum geologischen Kreislauf zeichnet sich der biologische Kreislauf durch einen unbedeutenden Energieaufwand aus. Wie bereits erwähnt, wird nur etwa 1 % der auf die Erde einfallenden Strahlungsenergie für die Entstehung organischer Materie aufgewendet. Allerdings leistet diese Energie, die am biologischen Kreislauf beteiligt ist, eine enorme Arbeit bei der Schaffung lebender Materie. Damit das Leben weiterhin existiert, müssen chemische Elemente ständig aus der äußeren Umgebung in lebende Organismen und zurück zirkulieren und vom Protoplasma einiger Organismen in eine assimilierte Form für andere übergehen.

Alle abiotischen und biotischen Stoffkreisläufe auf dem Planeten sind eng miteinander verflochten und bilden einen globalen, systemisch existierenden Kreislauf, mit einer Umverteilung der Energie der Sonne, ohne Widersprüche zwischen seinen einzelnen Zweigen und mit praktisch keinem materiellen Gleichgewicht.