Биосфера Земли — это движущаяся динамическая система, которая постоянно обменивается химическими элементами и энергией с другими геологическими оболочками. Круговорот веществ в биосфере непрерывен и происходит с участием живых организмов. Его еще называют биогеохимическим циклом.
История открытия
Изучение глобальных природных циклов началось в первой половине XIX века. В 1809 году известный французский натуралист Ламарк кратко описал понятие биосферы.
В середине 19 века известные химики Буссенго и Либих сформулировали фундаментальные принципы круговорота веществ. В 1875 году австрийский геолог Зюсс впервые ввел в научный оборот термин «биосфера».
Выдающийся русский ученый Владимир Вернадский считается основоположником учения о биосфере и биогеохимических циклах. Он был первым, кто подчеркнул неразрывную связь между живой и неживой природой и оценил ключевую роль организмов в изменении внешнего вида планеты.
[зеленый] Ученый предположил, что биологический обмен веществ является основным фактором миграции химических элементов. [/ green]
Виды кругов
Химические вещества, доступные живым организмам в биосфере, ограничены. Следовательно, только цикличность процессов позволяет жизни существовать и развиваться непрерывно в течение миллиарда лет.
Есть три цикла:
- биологический;
- геологический;
- антропогенный.
Геологический или великий цикл происходит под влиянием солнечной, гравитационной и внутренней энергии планеты, радиации. Организмы в этом не участвуют. Он работает на протяжении всей геологической истории планеты.
[/ блокировать] После появления на планете первых живых организмов начался жизненный цикл — его еще называют малым. Это непрерывный процесс преобразования элементов и веществ.
Биотический круговорот ограничен границами биосферы. Для растений и животных наиболее важны биогенные циклы воды, углерода, фосфора, азота, серы. [/ Block]
Совокупность биологических и геологических процессов составляет биогеохимический цикл.
Антропогенная циркуляция — это следствие вмешательства человека. Здесь есть две составляющие: одна из них связана с биологической природой человека, вторая — с его деятельностью. [/ Block]
Смысл и суть циклов
Биогеохимический цикл — это сложный комплекс движения различных веществ в биосфере и других геологических оболочках. Такие циклы обеспечивают постоянство биосферы, дают возможность для ее саморегуляции.
Любой такой цикл полностью не замкнут: обратимость основных химических элементов составляет около 95%. Неуравновешенная циркуляция веществ — одна из основных характеристик этих циклов, имеющая планетарное значение.
[зеленый] Солнце — главный источник энергии, обеспечивающий циркуляцию веществ. Это основная движущая сила биогеохимических циклов. [/ Green]
Великая циркуляция перераспределяет элементы между биосферой и глубинными слоями планеты. Это связано с вулканической деятельностью, движением огромных масс воздуха и воды, процессами разрушения горных пород.
Наиболее важным фактором, влияющим на движение веществ и преобразование энергии, являются живые организмы.
Автотрофные растения, используя энергию фотосинтеза, превращают неорганические соединения в органические, которые затем используются потребителями и разрушителями. Жизненный цикл приводит к перемещению и перераспределению огромного количества химикатов.
За миллиарды лет эволюции живые организмы существенно изменили облик планеты. Они насыщали атмосферу кислородом и азотом, создавали огромные отложения, меняли ландшафты, формировали почву.
Резервировать и менять фонды
В биологическом круговороте веществ задействовано 30-40 элементов периодической системы. Некоторые из них, в том числе углерод, азот, кислород, необходимы организмам в значительных количествах, другие — минимально.
Необходимые вещества почти никогда не распределяются в природе равномерно, от них часто мало пользы. Элементы, участвующие в процессе циркуляции веществ, могут входить в состав одного из двух средств:
- резервное копирование;
- обмен.
Первый имеет значительную массу, но практически не связан с биосферой. Второй — имеет меньший объем, но имеет прямое отношение к живым организмам и взаимодействует с ними энергетически. Газообразные вещества имеют запасное дно в воде и атмосфере, а элементы осадочного цикла — в коре.
Редукторы и их функции
Восстановители — это организмы, которые расщепляют биологические остатки на более простые соединения. Таким образом они возвращают полезные элементы и воду в круговорот веществ и энергии. В эту группу в основном входят грибы и бактерии.
Фонд обмена элементов, из которого большинство организмов обеспечивает свои потребности, может пополняться двумя способами:
- с первичным выделением;
- когда разложение остается с деструкторами.
Второй способ пополнения торгового фонда особенно важен для степных, лесных и пастбищных биоценозов. Поэтому грибки и бактерии, входя в круговорот веществ, выполняют важнейшую работу.
Самые важные циклы
Многие химические элементы участвуют в биогеохимическом цикле. Наиболее важные из них: круговорот кислорода, азота, углерода, водорода, серы, фосфора и даже некоторых металлов.
Первые четыре элемента необходимы в особенно больших количествах — большинство биологических молекул состоит из них.
Не менее важны цикл серы и цикл фосфора — эти элементы входят в состав белков, ДНК и АТФ.
Водопад
Живые организмы активно участвуют в круговороте воды в природе. Растения используют его во время фотосинтеза, а затем выделяют во время дыхания. Животные и другие гетеротрофы нуждаются в воде.
Ежегодно в цикл вовлечено около 500 тысяч кубометров воды. Схема его обращения замкнутая, она включает несколько этапов:
- испарение воды;
- выпадение осадков в виде осадков;
- переход к рекам и другим водным объектам.
Вода необходима не только для обмена веществ, она используется для растворения и переноса элементов и соединений. Круговорот воды характеризуется высокой скоростью обновления.
Углерод
Углерод — это сама основа жизни на планете. Все биологические объекты участвуют в его круговороте в природе.
Главный резервуар этого элемента — углекислый газ из воздуха. В процессе фотосинтеза автотрофы производят из него углеводы, которыми питаются другие организмы. Можно сказать, что растения являются движущей силой этого цикла в биосфере. Автотрофы замыкают круг, возвращая CO2 в атмосферу во время дыхания.
[зеленый] Углекислый газ из атмосферы является резервуаром обмена углерода для водорослей и наземных растений. Ученые подсчитали, что живые организмы прогоняют через себя весь углерод в воздухе за восемь [лет]
Значительный запас этого элемента скрыт в виде угля, нефти, газа, осадочных пород. Антропогенный фактор играет важную роль в его циркуляции. За последние несколько десятилетий наши предприятия выбросили в атмосферу миллионы тонн углерода.
Азот
Этот элемент содержится в белках, АТФ, хлорофилле и ДНК, поэтому все организмы принимают активное участие в круговороте азота.
Основным резервным фоном свободного азота в биосфере является атмосфера, где он содержится в газообразном состоянии. В таком виде он недоступен для растений, которые могут усвоить его только в виде комплексных ионов или соединений. В природе микроорганизмы играют фундаментальную роль в круговороте азота, которые захватывают этот элемент из воздуха, а затем нитрифицируют его.
Растения поглощают нитраты, превращая их в аминокислоты, которые затем передаются по пищевой цепи.
Без бактерий, улавливающих азот из воздуха, жизнь на планете практически прекратилась бы.
В последние годы люди все больше влияют на круговорот азота.
Сера
Этот элемент содержится в аминокислотах и ряде других биологических молекул, поэтому цикл серы так важен для живых организмов.
Коллектор элемента состоит из сульфидов горных пород. Микроорганизмы играют ключевую роль в круговороте серы в природе, превращая соединения серы в сульфаты. Это единственная форма, подходящая для поглощения растениями. В будущем элемент будет отслеживаться по всей пищевой цепочке.
Сера накапливается в океанах, куда попадает с ручьями рек.
В последние годы деятельность человека все больше влияет на круговорот серы. Это связано с тем, что корпоративные выбросы становятся все более опасными.
Фосфор
Фосфор входит в состав многих органических соединений: аминокислот, АТФ, нуклеиновых кислот. Поэтому круговорот фосфора чрезвычайно важен для биосферы.
Отложения и горные породы служат резервуаром для этого элемента. Он может усваиваться растениями исключительно в виде ионов PO34 +. Следовательно, его потребляют животные.
Круговорот фосфора в природе имеет особенность. Соединения элемента, попав в океан, опускаются на дно и превращаются в осадочные породы. В результате круговорот фосфора в биосфере постоянно сокращается.
Кислород
Этот элемент играет ключевую роль в процессах клеточного дыхания, поэтому кислородный цикл так важен для биосферы. Его основные продуценты — зеленые растения: кислород образуется в процессе фотосинтеза. Все остальные организмы на нашей планете потребляют этот элемент.
Кислородный цикл в биосфере начинается с молекул хлорофилла, где он появляется как побочный продукт реакции фотолиза. Затем растения выбрасывают газ в атмосферу, где он расходуется на дыхание и окисление. Весь кислород в воздухе имеет биогенное происхождение. Его естественный резервуар — вода.
За последние несколько столетий люди активно влияли на кислородный цикл в природе. Он сжигает большие количества этого газа, используя ископаемое топливо.
Проводить
Свинец — это тяжелый токсичный элемент, который появился в земной коре в результате подъема из мантии и радиоактивного распада урана и тория. Его главный природный резервуар — скалы. Когда они разрушаются, свинец переносится в почву и воду и, таким образом, в живые организмы.
Существуют строгие правила содержания свинца в воде, пище и воздухе. Их преодоление грозит серьезным отравлением, в том числе летальным. Также опасны многочисленные сложные вещества, содержащие этот металл.
Антропогенное загрязнение в настоящее время является основным источником свинца. [/ block]
Меркурий
это тяжелый и очень ядовитый металл, не относящийся к биогенным элементам. В земной коре этот элемент встречается довольно редко, хотя и в очень концентрированном виде. Ртуть может попадать в биосферу в газообразном виде или в виде растворов.
В небольшом количестве этот металл входит в состав масла.
Ртуть широко используется в промышленности, поэтому основным источником этого металла, попадающего в биосферу, являются выбросы промышленных предприятий. [/ block]
Из-за высокой токсичности ртути ее обращение строго контролируется.
Железо
Железо — один из самых распространенных химических элементов в природе. В чистом виде практически не встречается, чаще всего этот металл встречается в виде сульфидов, оксидов или силикатов.
Железо — самый популярный и используемый металл, и его биологическое значение также огромно. Он входит в состав дыхательных ферментов, переносящих кислород к тканям. У людей и других животных к ним относится гемоглобин. Обладает способностью обратимо связываться с кислородом.
Происхождение железа является ярким примером воздействия живых организмов на неорганические вещества. Большинство существующих отложений железа — это продукты жизнедеятельности железобактерий. Эти организмы окисляют металл до гидроксида, производя при этом энергию.
Скорость биогеохимических процессов
В природе все циклы веществ протекают с разной скоростью. На это влияет множество факторов. Например, форма нахождения элемента, активность его взаимодействия, его роль в метаболических процессах и многое другое.
Кислородный цикл длится около 2000 лет. За это время весь газ из атмосферы проходит через живое вещество. Скорость круговорота воды может достигать 2 миллионов лет, а время обновления сильно зависит от его местоположения (почва, ледники или атмосфера). Циклы более редких элементов занимают еще больше времени. Например, цикл фосфора длится многие миллионы лет.
Комментирование закрыто