Gran ciclo de sustancias en la naturaleza. debido a la interacción de la energía solar con la energía profunda de la Tierra y redistribuye la materia entre la biosfera y los horizontes más profundos de la Tierra.

Sedimentario rocas, formado debido a la meteorización de rocas ígneas, en las zonas móviles de la corteza terrestre vuelve a sumergirse en la zona de altas temperaturas y presiones. Allí se derriten y forman magma, la fuente de nuevas rocas ígneas. Tras el ascenso de estas rocas a la superficie terrestre y la acción de los procesos de meteorización, vuelven a transformarse en nuevas rocas sedimentarias. El nuevo ciclo de circulación no repite exactamente el anterior, sino que introduce algo nuevo, que con el tiempo conduce a cambios muy significativos.

fuerza motriz gran circulación (geológica) son exógeno y endógeno procesos geológicos.

Procesos endógenos(procesos de dinámica interna) ocurren bajo la influencia de la energía interna de la Tierra, liberada como resultado de la descomposición radiactiva, reacciones químicas de formación de minerales, cristalización de rocas, etc. (por ejemplo, movimientos tectónicos, terremotos, magmatismo, metamorfismo).

Procesos exógenos(procesos dinámica externa) fluyen bajo la influencia de la energía externa del Sol. Ejemplos: meteorización de rocas y minerales, remoción de productos de destrucción de algunas áreas de la corteza terrestre y su transferencia a nuevas áreas, deposición y acumulación de productos de destrucción con la formación de rocas sedimentarias. A pr.ex. relación actividad geológica de la atmósfera, la hidrosfera, así como los organismos vivos y los seres humanos.

Los accidentes geográficos más grandes (continentes y depresiones oceánicas) y los accidentes geográficos grandes (montañas y llanuras) se formaron debido a procesos endógenos, mientras que los accidentes geográficos medianos y pequeños (valles de ríos, colinas, barrancos, dunas, etc.), se formaron superpuestos a accidentes geográficos más grandes. debido a la cuenta de procesos exógenos. Así, los procesos endógenos y exógenos son opuestos. Los primeros conducen a la formación de grandes accidentes geográficos, los segundos a su suavizado.

Ejemplos del ciclo geológico. Las rocas ígneas se transforman en rocas sedimentarias como resultado de la meteorización. En las zonas móviles de la corteza terrestre, se hunden en las profundidades de la Tierra. Allí, bajo la influencia de altas temperaturas y presiones, se derriten y forman magma que, subiendo a la superficie y solidificándose, forma rocas ígneas.

Un ejemplo de un gran ciclo es la circulación del agua entre la tierra y el océano a través de la atmósfera (Fig. 2.1).

Arroz. 2.1. El esquema generalmente aceptado de hidrología (climática)

ciclo del agua en la naturaleza

La humedad evaporada de la superficie de los océanos (que consume casi la mitad de la energía solar que llega a la superficie terrestre) se traslada a la tierra, donde cae en forma de precipitación, que vuelve de nuevo al océano en forma de agua superficial y subterránea. escapada. El ciclo del agua también ocurre según un esquema más simple: evaporación de la humedad de la superficie del océano - condensación del vapor de agua - precipitación en la misma superficie del agua del océano.

El ciclo del agua en su conjunto juega un papel importante en la conformación condiciones naturales en nuestro planeta. Teniendo en cuenta la transpiración del agua por las plantas y su absorción en el ciclo biogeoquímico, todo el suministro de agua en la Tierra decae y se restaura en 2 millones de años.

Así, la circulación geológica de sustancias procede sin la participación de organismos vivos y redistribuye la materia entre la biosfera y las capas más profundas de la Tierra.

Ciclos grandes (geológicos) y pequeños (biogeoquímicos) de la materia

Todas las sustancias en nuestro planeta están en proceso de circulación. La energía solar provoca dos ciclos de la materia en la Tierra:

Grande (geológica o abiótica);

Pequeño (biótico, biogénico o biológico).

Los ciclos de la materia y los flujos de energía cósmica crean la estabilidad de la biosfera. El ciclo de materia sólida y agua que ocurre como resultado de la acción factores abióticos(naturaleza inanimada), se denomina gran ciclo geológico. Con un gran ciclo geológico (fluyen millones de años), las rocas se destruyen, se desgastan, las sustancias se disuelven y entran en el Océano Mundial; Se están produciendo cambios geotectónicos, el hundimiento de los continentes, el ascenso de los fondos marinos. El tiempo del ciclo del agua en los glaciares es de 8.000 años, en los ríos - 11 días. Es la gran circulación la que suministra nutrientes a los organismos vivos y determina en gran medida las condiciones para su existencia.

Un gran ciclo geológico en la biosfera se caracteriza por dos puntos importantes: oxígeno carbono geológico

• a) se lleva a cabo a lo largo de todo el desarrollo geológico de la Tierra;
• b) es un proceso planetario moderno que toma una parte principal en el desarrollo ulterior de la biosfera.

En la etapa actual del desarrollo humano, como resultado de una gran circulación, los contaminantes también se transportan a largas distancias: óxidos de azufre y nitrógeno, polvo, impurezas radiactivas. Los territorios de latitudes templadas del Hemisferio Norte fueron los más afectados por la contaminación.

Un pequeño ciclo biogénico o biológico de sustancias ocurre en fases sólidas, líquidas y gaseosas con la participación de organismos vivos. El ciclo biológico, a diferencia del ciclo geológico, requiere menos energía. El ciclo pequeño es parte de uno grande, se da a nivel de biogeocenosis (dentro de los ecosistemas) y radica en que nutrientes Los suelos, el agua, el carbono se acumulan en la sustancia de las plantas, se gastan en la construcción del cuerpo. Los productos de descomposición de la materia orgánica se descomponen en componentes minerales. No se cierra el ciclo pequeño, que se asocia con la entrada de sustancias y energía al ecosistema desde el exterior y con la liberación de algunas de ellas al ciclo biosférico.

Muchos están involucrados en los ciclos grandes y pequeños. elementos químicos y sus compuestos, pero los más importantes de ellos son los que determinan el estado actual de desarrollo de la biosfera, asociados a la actividad económica humana. Estos incluyen los ciclos del carbono, azufre y nitrógeno (sus óxidos son los principales contaminantes de la atmósfera), así como del fósforo (los fosfatos son el principal contaminante de las aguas continentales). Casi todos los contaminantes actúan como nocivos y se clasifican como xenobióticos. Actualmente, los ciclos de los xenobióticos -elementos tóxicos-, el mercurio (un contaminante alimentario) y el plomo (un componente de la gasolina) son de gran importancia. Además, muchas sustancias de origen antropogénico (DDT, pesticidas, radionúclidos, etc.) ingresan al ciclo pequeño desde la gran circulación, lo que causa daños a la biota y la salud humana.

La esencia del ciclo biológico es el flujo de dos procesos opuestos pero interrelacionados: la creación de materia orgánica y su destrucción por parte de la materia viva.

En contraste con el ciclo grande, el pequeño tiene una duración diferente: se distinguen ciclos pequeños estacionales, anuales, perennes y seculares. Circulación sustancias químicas desde el entorno inorgánico a través de la vegetación y los animales de regreso al entorno inorgánico mediante reacciones químicas de energía solar se denomina ciclo biogeoquímico.

El presente y futuro de nuestro planeta depende de la participación de los organismos vivos en el funcionamiento de la biosfera. En la circulación de sustancias, materia viva, o biomasa, cumple funciones biogeoquímicas: gas, concentración, redox y bioquímica.

El ciclo biológico ocurre con la participación de organismos vivos y consiste en la reproducción de materia orgánica a partir de inorgánica y la descomposición de esta orgánica a inorgánica a través de la cadena trófica alimentaria. La intensidad de los procesos de producción y destrucción en el ciclo biológico depende de la cantidad de calor y humedad. Por ejemplo, la baja tasa de descomposición de la materia orgánica en las regiones polares depende del déficit de calor.

Un indicador importante de la intensidad del ciclo biológico es la tasa de circulación de los elementos químicos. La intensidad se caracteriza por un índice igual a la relación entre la masa de hojarasca forestal y la hojarasca. Cuanto mayor sea el índice, menor será la intensidad del ciclo.

Índice en bosques de coníferas- 10 - 17; de hoja ancha 3 - 4; sabana no más de 0.2; bosques tropicales húmedos no más de 0,1, es decir, aquí el ciclo biológico es el más intenso.

El flujo de elementos (nitrógeno, fósforo, azufre) a través de microorganismos es un orden de magnitud mayor que a través de plantas y animales. El ciclo biológico no es completamente reversible, está íntimamente relacionado con el ciclo biogeoquímico. Los elementos químicos circulan en la biosfera a lo largo de varios caminos del ciclo biológico:

• - absorbido por la materia viva y cargado de energía;
• - dejar materia viva, liberando energía al medio exterior.

Estos ciclos son de dos tipos: la circulación de sustancias gaseosas; ciclo sedimentario (reserva en la corteza terrestre).

Los ciclos en sí constan de dos partes:

• - fondo de reserva (esta es una parte de la sustancia que no está asociada con organismos vivos);
• - fondo móvil (intercambio) (una parte más pequeña de la sustancia asociada con el intercambio directo entre los organismos y su entorno inmediato).

Los ciclos se dividen en:

• - ciclos tipo de gas con un fondo de reserva en la corteza terrestre (ciclos de carbono, oxígeno, nitrógeno) - capaz de una rápida autorregulación;
• - ciclos sedimentarios con un fondo de reserva en la corteza terrestre (circulaciones de fósforo, calcio, hierro, etc.) - son más inertes, la mayor parte de la sustancia se encuentra en una forma "inaccesible" para los organismos vivos.

Los ciclos también se pueden dividir en:

• - cerrado (circulación de sustancias gaseosas, por ejemplo, oxígeno, carbono y nitrógeno, una reserva en la atmósfera y la hidrosfera del océano, por lo que la escasez se compensa rápidamente);
• - abierto (creando un fondo de reserva en la corteza terrestre, por ejemplo, fósforo; por lo tanto, las pérdidas se compensan mal, es decir, se crea un déficit).

La base energética para la existencia de los ciclos biológicos en la Tierra y su eslabón inicial es el proceso de fotosíntesis. Cada nuevo ciclo de circulación no es una repetición exacta del anterior. Por ejemplo, durante la evolución de la biosfera, algunos de los procesos fueron irreversibles, dando como resultado la formación y acumulación de precipitaciones biogénicas, un aumento en la cantidad de oxígeno en la atmósfera, un cambio en las proporciones cuantitativas de isótopos de varios elementos, etc

La circulación de sustancias se denomina comúnmente ciclos biogeoquímicos. Los principales ciclos biogeoquímicos (biosféricos) de sustancias: el ciclo del agua, el ciclo del oxígeno, el ciclo del nitrógeno (participación de bacterias fijadoras de nitrógeno), el ciclo del carbono (participación de bacterias aeróbicas; anualmente se descargan alrededor de 130 toneladas de carbono en el geológico ciclo), el ciclo del fósforo (participación de las bacterias del suelo; anualmente en 14 millones de toneladas de fósforo se eliminan de los océanos), el ciclo del azufre, el ciclo de los cationes metálicos.

El ciclo del agua

El ciclo del agua es un ciclo cerrado que se puede realizar, como se mencionó anteriormente, incluso en ausencia de vida, pero los organismos vivos lo modifican.

El ciclo se basa en el principio de que la evaporación total se compensa con la precipitación. Para el planeta en su conjunto, la evaporación y la precipitación se equilibran entre sí. Al mismo tiempo, se evapora más agua del océano de la que regresa con la precipitación. En la tierra, por el contrario, cae más precipitación, pero el exceso fluye hacia los lagos y ríos, y de allí nuevamente al océano. El equilibrio de humedad entre continentes y océanos se mantiene gracias a la escorrentía de los ríos.

Así, el ciclo hidrológico global tiene cuatro flujos principales: precipitación, evaporación, transferencia de humedad y transpiración.

El agua, la sustancia más común en la biosfera, sirve no solo como hábitat para muchos organismos, sino también como parte integral cuerpos de todos los seres vivos. A pesar de la enorme importancia del agua en todos los procesos de vida que ocurren en la biosfera, la materia viva no juega un papel decisivo en el gran ciclo del agua en el globo. La fuerza impulsora de este ciclo es la energía del sol, que se gasta en la evaporación del agua de la superficie de las cuencas de agua o de la tierra. La humedad evaporada se condensa en la atmósfera en forma de nubes arrastradas por el viento; A medida que las nubes se enfrían, cae la precipitación.

La cantidad total de agua libre no ligada (la proporción de océanos y mares donde hay agua salada líquida) representa del 86 al 98%. El resto del agua ( agua dulce) se almacena en casquetes polares y glaciares y forma cuencas de agua y sus aguas subterráneas. La precipitación que cae sobre la superficie de la tierra cubierta de vegetación es parcialmente retenida por la superficie de la hoja y posteriormente se evapora a la atmósfera. La humedad que llega al suelo puede unirse a la escorrentía superficial o ser absorbida por el suelo. Completamente absorbido por el suelo (esto depende del tipo de suelo, las características de las rocas y la cubierta vegetal), el exceso de sedimentos puede filtrarse profundamente en las aguas subterráneas. Si la cantidad de precipitación excede la capacidad de humedad de las capas superiores del suelo, comienza la escorrentía superficial, cuya velocidad depende de la condición del suelo, la inclinación de la pendiente, la duración de la precipitación y la naturaleza de la vegetación ( la vegetación puede proteger el suelo de la erosión del agua). El agua atrapada en el suelo puede evaporarse de su superficie o, después de ser absorbida por las raíces de las plantas, transpirarse (evaporarse) a la atmósfera a través de las hojas.

El flujo de transpiración del agua (suelo - raíces de plantas - hojas - atmósfera) es el principal camino del agua a través de la materia viva en su gran circulación en nuestro planeta.

El ciclo del carbono

Toda la variedad de sustancias orgánicas, procesos bioquímicos y formas de vida en la Tierra depende de las propiedades y características del carbono. El contenido de carbono en la mayoría de los organismos vivos es de alrededor del 45% de su biomasa seca. Toda la materia viva del planeta está involucrada en el ciclo de la materia orgánica y todo el carbono de la Tierra, que continuamente surge, muta, muere, se descompone, y en esta secuencia el carbono se transfiere de una sustancia orgánica a la construcción de otra a lo largo de La cadena de comida. Además, todos los seres vivos respiran, liberando dióxido de carbono.

El ciclo del carbono en la tierra. El ciclo del carbono se mantiene a través de la fotosíntesis. plantas de tierra y fitoplancton oceánico. Al absorber dióxido de carbono (fijar carbono inorgánico), las plantas usan energía para luz del sol convertirlo en compuestos orgánicos, creando su propia biomasa. Por la noche, las plantas, como todos los seres vivos, respiran y liberan dióxido de carbono.

Las plantas muertas, los cadáveres y los excrementos de animales sirven de alimento a numerosos organismos heterótrofos (animales, plantas saprofitas, hongos, microorganismos). Todos estos organismos viven principalmente en el suelo y en el proceso de la vida crean su propia biomasa, que incluye carbono orgánico. También liberan dióxido de carbono, creando "respiración del suelo". A menudo, la materia orgánica muerta no se descompone por completo y el humus (humus) se acumula en los suelos, lo que juega un papel importante en la fertilidad del suelo. El grado de mineralización y humificación de las sustancias orgánicas depende de muchos factores: humedad, temperatura, propiedades físicas del suelo, composición de los residuos orgánicos, etc. Bajo la acción de bacterias y hongos, el humus puede descomponerse en dióxido de carbono y compuestos minerales.

El ciclo del carbono en los océanos. El ciclo del carbono en el océano es diferente al de la tierra. En el océano, el eslabón débil de los organismos de los niveles tróficos superiores, y por tanto todos los eslabones del ciclo del carbono. El tiempo de tránsito del carbono a través del eslabón trófico del océano es breve y la cantidad de dióxido de carbono liberada es insignificante.

El océano juega el papel de principal regulador del contenido de dióxido de carbono en la atmósfera. Hay un intenso intercambio de dióxido de carbono entre el océano y la atmósfera. Las aguas del océano tienen un gran poder de disolución y capacidad amortiguadora. El sistema formado por el ácido carbónico y sus sales (carbonatos) es una especie de depósito de dióxido de carbono, conectado con la atmósfera a través de la difusión de CO? del agua a la atmósfera y viceversa.

La fotosíntesis del fitoplancton se desarrolla intensamente en el océano durante el día, mientras que el dióxido de carbono libre se consume intensamente, los carbonatos sirven como fuente adicional para su formación. Por la noche, con un aumento en el contenido de ácido libre debido a la respiración de animales y plantas, una parte significativa vuelve a entrar en la composición de los carbonatos. Los procesos en curso van en las siguientes direcciones: ¿materia viva? ¿¿CO?? H?CO?? sa(NSO?)?? ¿CaCO?.

En la naturaleza, cierta cantidad de materia orgánica no se mineraliza por falta de oxígeno, alta acidez del ambiente, condiciones específicas de enterramiento, etc. Parte del carbono sale del ciclo biológico en forma de depósitos inorgánicos (piedra caliza, creta, corales) y orgánicos (esquisto, petróleo, carbón).

La actividad humana está provocando cambios significativos en el ciclo del carbono en nuestro planeta. Los paisajes, los tipos de vegetación, las biocenosis y sus cadenas alimentarias están cambiando, se drenan o riegan grandes extensiones de la superficie terrestre, mejora (o empeora) la fertilidad del suelo, se aplican fertilizantes y pesticidas, etc. El más peligroso es la liberación de dióxido de carbono a la atmósfera como resultado de la combustión de combustibles. Esto aumenta la tasa del ciclo del carbono y acorta su ciclo.

ciclo de oxigeno

El oxígeno es requisito previo la existencia de vida en la Tierra. Está incluido en casi todos los compuestos biológicos, participa en bio reacciones químicas oxidación de sustancias orgánicas que proporcionan energía para todos los procesos vitales de los organismos de la biosfera. El oxígeno asegura la respiración de animales, plantas y microorganismos en la atmósfera, suelo, agua, participa en las reacciones químicas de oxidación que ocurren en rocas, suelos, limos, acuíferos.

Las principales ramas del ciclo del oxígeno:

• - la formación de oxígeno libre durante la fotosíntesis y su absorción durante la respiración de los organismos vivos (plantas, animales, microorganismos en la atmósfera, suelo, agua);
• - formación de una pantalla de ozono;
• - creación de zonificación redox;
• - oxidación de monóxido de carbono durante erupciones volcánicas, acumulación de rocas sedimentarias sulfatadas, consumo de oxígeno en actividades humanas, etc.; en todas partes el oxígeno molecular está involucrado en la fotosíntesis.

ciclo del nitrógeno

El nitrógeno forma parte de las sustancias orgánicas biológicamente importantes de todos los organismos vivos: proteínas, ácidos nucleicos, lipoproteínas, enzimas, clorofila, etc. A pesar del contenido de nitrógeno (79%) en el aire, es deficiente para los organismos vivos.

El nitrógeno en la biosfera está en forma gaseosa (N2) inaccesible para los organismos; es químicamente poco activo, por lo tanto, no puede ser utilizado directamente por las plantas superiores (y la mayoría de las plantas inferiores) y el mundo animal. Las plantas absorben nitrógeno del suelo en forma de iones de amonio o iones de nitrato, es decir, llamado nitrógeno fijo.

Hay fijación de nitrógeno atmosférico, industrial y biológico.

La fijación atmosférica ocurre cuando la atmósfera es ionizada por rayos cósmicos y a fuertes descargas electricas durante las tormentas, se forman óxidos de nitrógeno y amoníaco a partir del nitrógeno molecular del aire, que, debido a la precipitación atmosférica, se convierten en amonio, nitrito, nitrato de nitrógeno y entran en el suelo y en las cuencas de agua.

La fijación industrial se produce como resultado actividad económica persona. La atmósfera está contaminada con compuestos de nitrógeno por las plantas que producen compuestos de nitrógeno. Las emisiones calientes de las centrales térmicas, las fábricas, las naves espaciales y los aviones supersónicos oxidan el nitrógeno del aire. Los óxidos de nitrógeno, que interactúan con el vapor de agua del aire con la precipitación, regresan al suelo, ingresan al suelo en forma iónica.

La fijación biológica juega un papel importante en el ciclo del nitrógeno. Lo llevan a cabo las bacterias del suelo:

• - bacterias fijadoras de nitrógeno (y algas verdeazuladas);
• - microorganismos que viven en simbiosis con plantas superiores (bacterias de nódulos);
• - amonificante;
• - nitrificante;
• - desnitrificante.

Viviendo libremente en el suelo, las bacterias aeróbicas fijadoras de nitrógeno (que existen en presencia de oxígeno) (Azotobacter) son capaces de fijar el nitrógeno molecular atmosférico debido a la energía obtenida de la oxidación de las sustancias orgánicas del suelo durante la respiración, uniéndolo finalmente con hidrógeno y introduciéndolo en forma de grupo amino (-NH2) en la composición de aminoácidos de tu organismo. El nitrógeno molecular también es capaz de fijar algunas bacterias anaerobias (que viven en ausencia de oxígeno) que existen en el suelo (Clostridium). Al morir, tanto esos como otros microorganismos enriquecen el suelo con nitrógeno orgánico.

Las algas verdeazuladas, que son especialmente importantes para los suelos de los campos de arroz, también son capaces de fijar biológicamente el nitrógeno molecular.

La fijación biológica más eficaz del nitrógeno atmosférico se produce en las bacterias que viven en simbiosis en los nódulos de las leguminosas (bacterias del nódulo).

Estas bacterias (Rizobium) utilizan la energía de la planta huésped para fijar nitrógeno mientras suministran a los órganos terrestres del huésped los compuestos de nitrógeno disponibles.

Los compuestos de nitrógeno asimilados del suelo en forma de nitrato y amonio, las plantas construyen los compuestos que contienen nitrógeno necesarios de su cuerpo (el nitrógeno de nitrato en las células vegetales se restaura preliminarmente). Las plantas productoras suministran sustancias nitrogenadas a todo el mundo animal y la humanidad Las plantas muertas son utilizadas, según la cadena trófica, por biorreductores.

Los microorganismos amonificantes descomponen sustancias orgánicas que contienen nitrógeno (aminoácidos, urea) con la formación de amoníaco. Parte del nitrógeno orgánico del suelo no se mineraliza, sino que se convierte en sustancias húmicas, betún y componentes de rocas sedimentarias.

El amoníaco (como el ion amonio) puede entrar en el sistema raíz plantas, o utilizados en procesos de nitrificación.

Los microorganismos nitrificantes son quimiosintéticos, utilizan la energía de la oxidación del amoníaco a nitratos y de los nitritos a nitratos para garantizar todos los procesos vitales. Debido a esta energía, los nitrificantes restauran el dióxido de carbono y construyen las sustancias orgánicas de su cuerpo. La oxidación del amoníaco durante la nitrificación procede de acuerdo con las siguientes reacciones:

¿NUEVA HAMPSHIRE? + 3O? ? 2HNO? + 2H?O + 600 kJ (148 kcal).

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

Los nitratos, formados en los procesos de nitrificación, ingresan nuevamente al ciclo biológico, son absorbidos del suelo por las raíces de las plantas o después de ingresar con la escorrentía del agua en las cuencas de agua: fitoplancton y fitobentos.

Junto con los organismos que fijan el nitrógeno atmosférico y lo nitrifican, existen microorganismos en la biosfera que pueden reducir los nitratos o nitritos a nitrógeno molecular. Dichos microorganismos, llamados desnitrificantes, ante la falta de oxígeno libre en el agua o el suelo, utilizan el oxígeno de los nitratos para oxidar sustancias orgánicas:

C?H??O?(glucosa) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6CO? + 12N? + 18H?O + energía

La energía liberada al mismo tiempo sirve como base para toda la actividad vital de los microorganismos desnitrificantes.

Así, las sustancias vivas juegan un papel excepcional en todos los eslabones del ciclo.

En la actualidad, la fijación industrial de nitrógeno atmosférico por parte del ser humano juega un papel cada vez más importante en el balance nitrogenado de los suelos y, en consecuencia, en todo el ciclo del nitrógeno en la biosfera.

Ciclo del fósforo

El ciclo del fósforo es más simple. Mientras que el reservorio de nitrógeno es el aire, el reservorio de fósforo son las rocas, de las cuales se libera durante la erosión.

El carbono, el oxígeno, el hidrógeno y el nitrógeno migran más fácil y rápidamente en la atmósfera, ya que se encuentran en forma gaseosa, formando compuestos gaseosos en ciclos biológicos. Para todos los demás elementos, excepto el azufre, necesarios para la existencia de la materia viva, la formación de compuestos gaseosos en los ciclos biológicos no es característica. Estos elementos migran principalmente en forma de iones y moléculas disueltas en agua.

El fósforo, asimilado por las plantas en forma de iones de ácido ortofosfórico, juega un papel importante en la vida de todos los organismos vivos. Es parte de ADP, ATP, ADN, ARN y otros compuestos.

El ciclo del fósforo en la biosfera está abierto. En las biogeocenosis terrestres, el fósforo, después de ser absorbido por las plantas del suelo a través de la cadena alimentaria, vuelve a entrar en el suelo en forma de fosfatos. La cantidad principal de fósforo es nuevamente absorbida por el sistema de raíces de las plantas. Parcialmente, el fósforo se puede lavar con la escorrentía del agua de lluvia del suelo a las cuencas de agua.

En las biogeocenosis naturales suele haber falta de fósforo, y en un medio alcalino y oxidado suele encontrarse en forma de compuestos insolubles.

Una gran cantidad de fosfatos contienen rocas de la litosfera. Algunos de ellos pasan gradualmente al suelo, algunos son desarrollados por el hombre para la producción de fertilizantes de fosfato, la mayoría de ellos son lixiviados y arrastrados a la hidrosfera. Allí son utilizados por el fitoplancton y organismos relacionados en diferentes niveles tróficos de cadenas alimentarias complejas.

En el Océano Mundial, la pérdida de fosfatos del ciclo biológico se produce debido a la deposición de restos vegetales y animales a grandes profundidades. Dado que el fósforo se mueve principalmente de la litosfera a la hidrosfera con el agua, migra biológicamente a la litosfera (comiendo pescado por las aves marinas, usando algas bentónicas y harina de pescado como fertilizante, etc.).

De todos los elementos de la nutrición mineral de las plantas, el fósforo puede considerarse deficiente.

ciclo del azufre

Para los organismos vivos, el azufre es de gran importancia, ya que forma parte de los aminoácidos que contienen azufre (cistina, cisteína, metionina, etc.). Al estar en la composición de las proteínas, los aminoácidos que contienen azufre mantienen la estructura tridimensional necesaria de las moléculas de proteína.

El azufre es absorbido por las plantas del suelo solo en forma oxidada, en forma de ion. En las plantas, el azufre se reduce y forma parte de los aminoácidos en forma de grupos sulfhidrilo (-SH) y disulfuro (-S-S-).

Los animales asimilan únicamente el azufre reducido, que forma parte de la materia orgánica. Después de la muerte de organismos vegetales y animales, el azufre regresa al suelo, donde, como resultado de la actividad de numerosas formas de microorganismos, sufre transformaciones.

En condiciones aeróbicas, algunos microorganismos oxidan el azufre orgánico a sulfatos. Los iones de sulfato, al ser absorbidos por las raíces de las plantas, se incluyen nuevamente en el ciclo biológico. Algunos sulfatos pueden incluirse en la migración del agua y eliminarse del suelo. En suelos ricos en sustancias húmicas, se encuentra una cantidad importante de azufre en compuestos orgánicos, lo que impide su lixiviación.

En condiciones anaeróbicas, la descomposición de compuestos orgánicos de azufre produce sulfuro de hidrógeno. Si los sulfatos y las sustancias orgánicas se encuentran en un ambiente libre de oxígeno, se activa la actividad de las bacterias reductoras de sulfato. Utilizan el oxígeno de los sulfatos para oxidar la materia orgánica y así obtener la energía necesaria para su existencia.

Las bacterias reductoras de sulfato son comunes en las aguas subterráneas, el limo y el agua de mar estancada. El sulfuro de hidrógeno es un veneno para la mayoría de los organismos vivos, por lo que su acumulación en suelos llenos de agua, lagos, estuarios, etc. reduce significativamente o incluso detiene por completo los procesos vitales. Tal fenómeno se observa en el Mar Negro a una profundidad inferior a 200 m desde su superficie.

Por lo tanto, para crear un ambiente favorable, es necesario oxidar el sulfuro de hidrógeno a iones de sulfato, lo que destruirá el efecto nocivo del sulfuro de hidrógeno, el azufre se convertirá en una forma accesible para las plantas, en forma de sales de sulfato. Esta función la realiza en la naturaleza un grupo especial de bacterias sulfurosas (incoloras, verdes, moradas) y bacterias tiónicas.

Las bacterias incoloras del azufre son quimiosintéticas: utilizan la energía obtenida de la oxidación del sulfuro de hidrógeno por el oxígeno a azufre elemental y su posterior oxidación a sulfatos.

Las bacterias de azufre coloreadas son organismos fotosintéticos que utilizan sulfuro de hidrógeno como donante de hidrógeno para reducir el dióxido de carbono.

El azufre elemental resultante en las bacterias verdes del azufre se libera de las células, en las bacterias moradas se acumula dentro de las células.

La reacción general de este proceso es la fotorreducción:

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

Las bacterias tiónicas oxidan el azufre elemental y sus diversos compuestos reducidos a sulfatos a expensas del oxígeno libre, devolviéndolo a la corriente principal del ciclo biológico.

En los procesos del ciclo biológico, donde se convierte el azufre, los organismos vivos, especialmente los microorganismos, juegan un papel muy importante.

El principal reservorio de azufre en nuestro planeta es el Océano Mundial, ya que los iones de sulfato ingresan continuamente desde el suelo. Parte del azufre del océano regresa a la tierra a través de la atmósfera según el esquema sulfuro de hidrógeno - oxidándolo a dióxido de azufre - disolviendo este último en el agua de lluvia con la formación de ácido sulfúrico y sulfatos - regresando el azufre con precipitación a la cubierta del suelo del Tierra.

Ciclo de cationes inorgánicos

Además de los elementos principales que componen los organismos vivos (carbono, oxígeno, hidrógeno, fósforo y azufre), muchos otros macro y microelementos, cationes inorgánicos, son vitales. En las cuencas de agua, las plantas obtienen los cationes metálicos que necesitan directamente de medioambiente. En tierra, la principal fuente de cationes inorgánicos es el suelo, que los recibió en el proceso de destrucción de las rocas madre. En las plantas, los cationes absorbidos por los sistemas de raíces se trasladan a las hojas y otros órganos; algunos de ellos (magnesio, hierro, cobre y muchos otros) forman parte de moléculas biológicamente importantes (clorofila, enzimas); otros, permaneciendo en forma libre, participan en el mantenimiento de las propiedades coloidales necesarias del protoplasma celular y realizan otras funciones.

Cuando los organismos vivos mueren, los cationes inorgánicos regresan al suelo en el proceso de mineralización de las sustancias orgánicas. La pérdida de estos componentes del suelo se produce como consecuencia de la lixiviación y eliminación de cationes metálicos con el agua de lluvia, el rechazo y eliminación de materia orgánica por parte del hombre durante el cultivo de plantas agrícolas, la tala de árboles, la siega de pasto para la alimentación del ganado, etc.

Aplicación racional fertilizantes minerales, la recuperación de suelos, la aplicación de fertilizantes orgánicos, la tecnología agrícola adecuada ayudarán a restablecer y mantener el equilibrio de los cationes inorgánicos en las biocenosis de la biosfera.

Ciclo antropogénico: ciclo de xenobióticos (mercurio, plomo, cromo)

La humanidad es parte de la naturaleza y solo puede existir en constante interacción con ella.

Existen similitudes y contradicciones entre la circulación natural y antropogénica de materia y energía que ocurre en la biosfera.

El ciclo natural (biogeoquímico) de la vida tiene las siguientes características:

• - el uso de la energía solar como fuente de vida y todas sus manifestaciones en base a las leyes termodinámicas;
• - se lleva a cabo sin residuos, es decir, todos los productos de su actividad vital se mineralizan y se reincorporan al siguiente ciclo de circulación de sustancias. Al mismo tiempo, gastado, devaluado energía térmica. Durante el ciclo biogeoquímico de las sustancias se generan residuos, es decir, reservas en forma de carbón, petróleo, gas y otros recursos minerales. A diferencia del ciclo natural sin residuos, el ciclo antropogénico va acompañado de un aumento de residuos cada año.

No hay nada inútil o dañino en la naturaleza, incluso las erupciones volcánicas tienen beneficios, porque los elementos necesarios (por ejemplo, el nitrógeno) ingresan al aire con los gases volcánicos.

Existe una ley de cierre global de la circulación biogeoquímica en la biosfera, que opera en todas las etapas de su desarrollo, así como una regla para aumentar el cierre de la circulación biogeoquímica en el curso de la sucesión.

Los humanos juegan un papel muy importante en el ciclo biogeoquímico, pero en la dirección opuesta. El hombre viola los ciclos existentes de sustancias, y esto manifiesta su fuerza geológica: destructiva en relación con la biosfera. Como resultado de la actividad antrópica, el grado de aislamiento de los ciclos biogeoquímicos disminuye.

El ciclo antropogénico no se limita a la energía de la luz solar captada por las plantas verdes del planeta. La humanidad utiliza la energía de las centrales eléctricas de combustible, hidroeléctricas y nucleares.

Se puede argumentar que la actividad antropogénica en la etapa actual es una enorme fuerza destructiva para la biosfera.

La biosfera tiene una propiedad especial: una resistencia significativa a los contaminantes. Esta estabilidad se basa en la capacidad natural de los diversos componentes entorno natural a la autopurificación y la autocuración. Pero no ilimitado. La posible crisis global provocó la necesidad de construir un modelo matemático de la biosfera en su conjunto (el sistema "Gaia") para poder obtener información sobre el posible estado de la biosfera.

Un xenobiótico es una sustancia ajena a los organismos vivos que aparece como resultado de actividades antropogénicas (plaguicidas, preparados productos químicos para el hogar y otros contaminantes) que pueden causar la interrupción de los procesos bióticos, incl. enfermedad o muerte. Dichos contaminantes no sufren biodegradación, sino que se acumulan en cadenas tróficas.

El mercurio es un elemento muy raro. Se encuentra disperso en la corteza terrestre y sólo en unos pocos minerales, como el cinabrio, se encuentra en forma concentrada. El mercurio está involucrado en el ciclo de la materia en la biosfera, migrando en estado gaseoso y en soluciones acuosas.

Entra a la atmósfera desde la hidrosfera durante la evaporación, cuando se libera del cinabrio, con gases volcánicos y gases de fuentes termales. Parte del mercurio gaseoso de la atmósfera pasa a la fase sólida y se elimina del aire. El mercurio caído es absorbido por los suelos, especialmente la arcilla, el agua y las rocas. En minerales combustibles -petróleo y carbón- el mercurio contiene hasta 1 mg/kg. Hay aproximadamente 1.600 millones de toneladas en la masa de agua de los océanos, 500.000 millones de toneladas en los sedimentos del fondo y 2 millones de toneladas en el plancton. Unas 40 mil toneladas son arrastradas por las aguas de los ríos desde la tierra cada año, lo que es 10 veces menos de lo que ingresa a la atmósfera durante la evaporación (400 mil toneladas). Unas 100 mil toneladas caen sobre la superficie terrestre anualmente.

Mercurio de componente natural el medio ambiente natural se ha convertido en una de las emisiones más peligrosas hechas por el hombre a la biosfera para la salud humana. Es ampliamente utilizado en las industrias metalúrgica, química, eléctrica, electrónica, de pulpa y papel y farmacéutica y se utiliza para la producción de explosivos, barnices y pinturas, así como en medicina. Los efluentes industriales y las emisiones atmosféricas, junto con las minas de mercurio, las plantas de producción de mercurio y las centrales térmicas (CHP y salas de calderas) que utilizan carbón, petróleo y derivados, son las principales fuentes de contaminación de la biosfera con este componente tóxico. Además, el mercurio es un ingrediente de los plaguicidas organomercúricos que se utilizan en la agricultura para tratar las semillas y proteger los cultivos de las plagas. Entra en el cuerpo humano con los alimentos (huevos, cereales en escabeche, carne de animales y aves, leche, pescado).

Mercurio en el agua y sedimentos del fondo de los ríos

Se ha establecido que alrededor del 80% del mercurio que ingresa a los cuerpos de agua naturales se encuentra en forma disuelta, lo que en última instancia contribuye a su propagación a largas distancias junto con los flujos de agua. El elemento puro no es tóxico.

El mercurio se encuentra en el agua sedimentaria del fondo con mayor frecuencia en concentraciones relativamente inofensivas. Los compuestos inorgánicos de mercurio se convierten en compuestos orgánicos tóxicos de mercurio, como el metilmercurio CH?Hg y el etilmercurio C?H?Hg, por bacterias que viven en los detritos y sedimentos, en el sedimento del fondo de lagos y ríos, en la mucosidad que cubre los cuerpos de pescado, y también en la mucosidad del estómago de pescado. Estos compuestos son fácilmente solubles, móviles y altamente tóxicos. La base química de la acción agresiva del mercurio es su afinidad por el azufre, en particular por el grupo sulfuro de hidrógeno de las proteínas. Estas moléculas se unen a los cromosomas y las células cerebrales. Los pescados y mariscos pueden acumularlos a niveles peligrosos para la persona que los come, causando la enfermedad de Minamata.

El mercurio metálico y sus compuestos inorgánicos actúan principalmente sobre el hígado, los riñones y el tracto intestinal, sin embargo, en condiciones normales, se excretan del cuerpo con relativa rapidez y la cantidad peligrosa para el cuerpo humano no tiene tiempo de acumularse. El metilmercurio y otros compuestos de alquilmercurio son mucho más peligrosos porque se acumulan: la toxina ingresa al cuerpo más rápido de lo que se excreta del cuerpo, actuando sobre el sistema nervioso central.

Los sedimentos del fondo son una característica importante de los ecosistemas acuáticos. Al acumular metales pesados, radionúclidos y sustancias orgánicas altamente tóxicas, los sedimentos del fondo, por un lado, contribuyen a la autodepuración de los medios acuáticos y, por otro lado, son fuente permanente contaminación secundaria de los cuerpos de agua. Los sedimentos del fondo son un objeto de análisis prometedor, que refleja un patrón de contaminación a largo plazo (especialmente en cuerpos de agua de flujo lento). Además, la acumulación de mercurio inorgánico en los sedimentos del fondo se observa especialmente en las desembocaduras de los ríos. Puede surgir una situación tensa cuando se agota la capacidad de adsorción de los sedimentos (limo, precipitación). Cuando se alcanza la capacidad de adsorción, los metales pesados, incl. el mercurio entrará en el agua.

Se sabe que bajo condiciones anaerobias marinas en los sedimentos de algas muertas, el mercurio se une al hidrógeno y pasa a compuestos volátiles.

Con la participación de microorganismos, el mercurio metálico se puede metilar en dos etapas:

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

El metilmercurio aparece en el medio ambiente prácticamente solo durante la metilación del mercurio inorgánico.

La vida media biológica del mercurio es larga, es de 70 a 80 días para la mayoría de los tejidos del cuerpo humano.

Se sabe que la contaminación por mercurio ocurre al principio de la cadena alimentaria gran pez por ejemplo, pez espada, atún. Al mismo tiempo, no carece de interés observar que, en mayor medida que en el pescado, el mercurio se acumula (acumula) en las ostras.

El mercurio ingresa al cuerpo humano a través de la respiración, con los alimentos y a través de la piel de acuerdo con el siguiente esquema:

Primero, hay una transformación del mercurio. Este elemento ocurre naturalmente en varias formas.

El mercurio metálico, utilizado en los termómetros, y sus sales inorgánicas (por ejemplo, el cloruro) se eliminan del cuerpo con relativa rapidez.

Mucho más tóxicos son los compuestos de alquilmercurio, en particular el metilo y el etilmercurio. Estos compuestos se excretan muy lentamente del cuerpo, solo alrededor del 1% de la cantidad total por día. Aunque la mayor parte del mercurio que entra aguas naturales, está contenido allí en forma de compuestos inorgánicos, en el pescado siempre resulta estar en forma de mucho metilmercurio venenoso. Las bacterias en el sedimento del fondo de los lagos y ríos, en la mucosidad que cubre el cuerpo de los peces, así como en la mucosidad del estómago de los peces, pueden convertir los compuestos inorgánicos de mercurio en metilmercurio.

En segundo lugar, la acumulación selectiva, o acumulación biológica (concentración), eleva los niveles de mercurio en pescados y mariscos a niveles mucho más altos que en el agua de la bahía. Los peces y mariscos que viven en el río acumulan metilmercurio en concentraciones que son peligrosas para los humanos que los usan como alimento.

El % de las capturas de pescado del mundo contiene mercurio en una cantidad que no excede los 0,5 mg/kg y el 95 %, por debajo de los 0,3 mg/kg. Casi todo el mercurio del pescado se encuentra en forma de metilmercurio.

Dada la diferente toxicidad de los compuestos de mercurio para los humanos en los productos alimenticios, es necesario determinar el mercurio inorgánico (total) y el ligado orgánicamente. Solo determinamos el contenido total de mercurio. De acuerdo con los requisitos médicos y biológicos, el contenido de mercurio en peces depredadores de agua dulce está permitido en 0,6 mg/kg, en peces marinos - 0,4 mg/kg, en peces no depredadores de agua dulce solo 0,3 mg/kg, y en atún hasta 0,7 mg /kg.kg. en productos comida para bebé el contenido de mercurio no debe exceder 0,02 mg/kg en carne enlatada, 0,15 mg/kg en conservas de pescado, en el resto - 0,01 mg/kg.

El plomo está presente en casi todos los componentes del entorno natural. Contiene 0.0016% en la corteza terrestre. El nivel natural de plomo en la atmósfera es de 0,0005 mg/m3. La mayor parte se deposita con polvo, alrededor del 40% cae con la precipitación atmosférica. Las plantas obtienen plomo del suelo, el agua y las lluvias atmosféricas, mientras que los animales obtienen plomo de las plantas y el agua. El metal ingresa al cuerpo humano con alimentos, agua y polvo.

Las principales fuentes de contaminación de la biosfera con plomo son los motores de gasolina, cuyos gases de escape contienen trietilo de plomo, las centrales térmicas que queman carbón, las industrias mineras, metalúrgicas y químicas. Una cantidad significativa de plomo se introduce en el suelo junto con las aguas residuales que se utilizan como fertilizante. Para extinguir un reactor en llamas Central nuclear de Chernóbil también se utilizó plomo, que entró en la piscina de aire y se dispersó en vastas áreas. Con un aumento en la contaminación ambiental con plomo, aumenta su depósito en los huesos, el cabello y el hígado.

Cromo. El más peligroso es el cromo tóxico (6+), que se moviliza en suelos ácidos y alcalinos, en aguas dulces y marinas. EN agua de mar el cromo es 10 - 20% representado por la forma Cr (3+), 25 - 40% - por Cr (6+), 45 - 65% - por la forma orgánica. En el rango de pH 5 - 7 predomina el Cr (3+), ya pH > 7 - Cr (6+). Se sabe que el Cr (6+) y los compuestos orgánicos de cromo no coprecipitan con el hidróxido de hierro en el agua de mar.

Los ciclos naturales de las sustancias están prácticamente cerrados. En los ecosistemas naturales, la materia y la energía se gastan con moderación, y el desperdicio de algunos organismos es una condición importante para la existencia de otros. El ciclo antropogénico de las sustancias va acompañado de un enorme consumo de recursos naturales y una gran cantidad de residuos que provocan la contaminación ambiental. Creando incluso lo más perfecto. instalaciones de tratamiento no resuelve el problema, por lo que es necesario desarrollar tecnologías de bajo desperdicio y sin residuos que permitan hacer que el ciclo antropogénico sea lo más cerrado posible. Teóricamente, es posible crear una tecnología libre de desperdicios, pero las tecnologías de bajo desperdicio son reales.

Adaptación a los fenómenos naturales

Las adaptaciones son diversas adaptaciones al medio ambiente desarrolladas por los organismos (desde la más simple hasta la más alta) en el proceso de evolución. La capacidad de adaptación es una de las principales propiedades de los vivos, brindando la posibilidad de su existencia.

Los principales factores que desarrollan el proceso de adaptación incluyen: herencia, variabilidad, selección natural (y artificial).

La tolerancia puede cambiar si el cuerpo entra en otras condiciones externas. Al entrar en tales condiciones, después de un tiempo se acostumbra, por así decirlo, se adapta a ellas (del lat. adaptación - adaptarse). La consecuencia de esto es un cambio en las disposiciones del óptimo fisiológico.

La propiedad de los organismos para adaptarse a la existencia en un rango particular de factores ambientales se llama plasticidad ecológica.

Cuanto más amplio sea el rango del factor ecológico dentro del cual puede vivir un organismo dado, mayor será su plasticidad ecológica. Según el grado de plasticidad, se distinguen dos tipos de organismos: stenobiont (stenoeks) y eurybiont (euryeks). Por lo tanto, los estenobiontes son ecológicamente no plásticos (por ejemplo, la platija vive solo en agua salada y la carpa cruciana solo en agua dulce), es decir corto-resistentes, y los eurybiontes son ecológicamente plásticos, es decir, son más resistentes (por ejemplo, el espinoso de tres espinas puede vivir tanto en agua dulce como salada).

Las adaptaciones son multidimensionales, ya que un organismo debe adaptarse simultáneamente a muchos factores ambientales diferentes.

Hay tres formas principales de adaptar los organismos a las condiciones ambientales: activa; pasivo; evitación de efectos adversos.

El camino activo de la adaptación es el fortalecimiento de la resistencia, el desarrollo de procesos reguladores que permiten llevar a cabo todas las funciones vitales del cuerpo, a pesar de la desviación del factor del óptimo. Por ejemplo, los animales de sangre caliente mantienen una temperatura corporal constante, óptima para los procesos bioquímicos que ocurren en él.

El camino pasivo de la adaptación es la subordinación de las funciones vitales de los organismos a los cambios en los factores ambientales. Por ejemplo, bajo condiciones ambientales desfavorables, muchos organismos entran en un estado de anabiosis (vida oculta), en el que el metabolismo en el cuerpo prácticamente se detiene (latencia invernal, estupor de insectos, hibernación, las esporas persisten en el suelo en forma de esporas y semillas).

Evitación de efectos adversos: el desarrollo de adaptaciones, el comportamiento de los organismos (adaptación), que ayudan a evitar condiciones adversas. En este caso, las adaptaciones pueden ser: morfológicas (cambia la estructura del cuerpo: modificación de las hojas de un cactus), fisiológicas (el camello se abastece de humedad debido a la oxidación de las reservas de grasa), etológicas (cambios de comportamiento: estacionales). migraciones de aves, hibernación en invierno).

Los organismos vivos están bien adaptados a los factores periódicos. Los factores no periódicos pueden causar enfermedades e incluso la muerte del organismo (por ejemplo, medicamentos, pesticidas). Sin embargo, con una exposición prolongada, también puede ocurrir una adaptación a ellos.

Los organismos se han adaptado a ritmos diarios, estacionales, de marea, ritmos actividad solar, Fases de la luna y otros fenómenos estrictamente periódicos. Entonces, la adaptación estacional se distingue como la estacionalidad en la naturaleza y el estado de latencia invernal.

Estacionalidad en la naturaleza. El principal valor para las plantas y los animales en la adaptación de los organismos es la variación anual de la temperatura. El período favorable para la vida, en promedio para nuestro país, dura unos seis meses (primavera, verano). Incluso antes de la llegada de las heladas estables, comienza en la naturaleza un período de letargo invernal.

Latencia invernal. La latencia invernal no es sólo una detención del desarrollo como resultado de temperaturas bajas, sino una adaptación fisiológica compleja, además, que ocurre solo en una cierta etapa de desarrollo. Por ejemplo, el mosquito de la malaria y la polilla urticante pasan el invierno en la etapa de insecto adulto, la mariposa de la col en la etapa de pupa y la polilla gitana en la etapa de huevo.

Biorritmos. Cada especie en proceso de evolución ha desarrollado un ciclo anual característico de crecimiento y desarrollo intensivo, reproducción, preparación para el invierno e invernada. Este fenómeno se llama ritmo biológico. La coincidencia de cada período del ciclo vital con la estación correspondiente es crucial para la existencia de la especie.

El factor principal en la regulación de los ciclos estacionales en la mayoría de las plantas y animales es el cambio en la duración del día.

Los biorritmos son:

ritmos exógenos (externos) (surgen como reacción a cambios periódicos en el medio ambiente (cambio de día y noche, estaciones, actividad solar) endógenos (ritmos internos) son generados por el propio cuerpo

A su vez, las endógenas se dividen en:

Ritmos fisiológicos (latido del corazón, respiración, glándulas endocrinas, ADN, ARN, síntesis de proteínas, enzimas, división celular, etc.)

Ritmos ecológicos (diario, anual, mareal, lunar, etc.)

Los procesos de ADN, ARN, síntesis de proteínas, división celular, latidos del corazón, respiración, etc. tienen ritmo. Las influencias externas pueden cambiar las fases de estos ritmos y cambiar su amplitud.

Los ritmos fisiológicos varían según el estado del cuerpo, mientras que los ritmos ambientales son más estables y corresponden a ritmos externos. Con ritmos endógenos, el cuerpo puede navegar en el tiempo y prepararse con anticipación para los próximos cambios en el medio ambiente: este es el reloj biológico del cuerpo. Muchos organismos vivos se caracterizan por ritmos circadianos y circanianos.

Ritmos circadianos (circadianos): intensidades y patrones repetitivos procesos biológicos y eventos con un plazo de 20 a 28 horas. Los ritmos circadianos están asociados con la actividad de los animales y las plantas durante el día y, por regla general, dependen de la temperatura y la intensidad de la luz. Por ejemplo, los murciélagos vuelan al anochecer y descansan durante el día, muchos organismos planctónicos permanecen en la superficie del agua durante la noche y descienden a las profundidades durante el día.

Los ritmos biológicos estacionales están asociados con la influencia de la luz: el fotoperíodo. La reacción de los organismos a la duración del día se denomina fotoperiodismo. El fotoperiodismo es una importante adaptación común que regula los fenómenos estacionales en la mayoría de los casos. diferentes organismos. El estudio del fotoperiodismo en plantas y animales mostró que la reacción de los organismos a la luz se basa en la alternancia de periodos de luz y oscuridad de cierta duración durante el día. La reacción de los organismos (desde los unicelulares hasta los humanos) a la duración del día y la noche demuestra que son capaces de medir el tiempo, es decir, tienen algún tipo de reloj biológico. El reloj biológico, además de los ciclos estacionales, controla muchos otros fenómenos biológicos, determina el ritmo diario correcto tanto de la actividad de organismos completos como de los procesos que ocurren incluso a nivel de las células, en particular, las divisiones celulares.

Una propiedad universal de todos los seres vivos, desde virus y microorganismos hasta plantas superiores y animales, es la capacidad de dar mutaciones - cambios hereditarios repentinos, naturales y artificialmente inducidos en el material genético, que conducen a un cambio en ciertos signos del organismo. La variabilidad mutacional no se corresponde con las condiciones ambientales y, por regla general, interrumpe las adaptaciones existentes.

Muchos insectos entran en diapausa (una larga parada en el desarrollo) en una determinada etapa de desarrollo, que no debe confundirse con un estado de reposo en condiciones adversas. La reproducción de muchos animales marinos está influenciada por los ritmos lunares.

Los ritmos circanianos (casi anuales) son cambios recurrentes en la intensidad y naturaleza de los procesos y fenómenos biológicos con un período de 10 a 13 meses.

El estado físico y psicológico de una persona también tiene un carácter rítmico.

El ritmo alterado de trabajo y descanso reduce la eficiencia y tiene un efecto adverso en la salud humana. El estado de una persona en condiciones extremas dependerá de su grado de preparación para estas condiciones, ya que prácticamente no hay tiempo para la adaptación y recuperación.

En la biosfera, hay una circulación global (grande o geológica) de sustancias, que existía incluso antes de la aparición de los primeros organismos vivos. Se trata de una amplia variedad de elementos químicos. El ciclo geológico se lleva a cabo gracias a energías de tipo solar, gravitacional, tectónica y cósmica.

Con el advenimiento de la materia viva, sobre la base del ciclo geológico, surgió el ciclo de la materia orgánica, un pequeño ciclo (biótico o biológico).

El ciclo biótico de las sustancias es un proceso continuo, cíclico, desigual en el tiempo y en el espacio de movimiento y transformación de las sustancias que se produce con la participación directa de los organismos vivos. Es un proceso continuo de creación y destrucción de materia orgánica y se implementa con la participación de los tres grupos de organismos: productores, consumidores y descomponedores. Alrededor de 40 elementos biogénicos están involucrados en los ciclos bióticos. Los ciclos del carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre, hierro, potasio, calcio y magnesio son de suma importancia para los organismos vivos.

A medida que se desarrolla la materia viva, más y más elementos se extraen constantemente del ciclo geológico y entran en un nuevo ciclo biológico. peso total Las sustancias de ceniza, involucradas anualmente en el ciclo biótico de sustancias solo en la tierra, es de aproximadamente 8 mil millones de toneladas. Esto es varias veces la masa de los productos de la erupción de todos los volcanes del mundo durante todo el año. La tasa de circulación de la materia en la biosfera es diferente. La materia viva de la biosfera se actualiza en promedio durante 8 años, la masa de fitoplancton en el océano se actualiza diariamente. Todo el oxígeno de la biosfera pasa a través de la materia viva en 2000 años y el dióxido de carbono en 300 años.

Los ciclos bióticos locales se llevan a cabo en los ecosistemas, y los ciclos biogeoquímicos de migración atómica se llevan a cabo en la biosfera, que no solo unen las tres capas externas del planeta en un solo todo, sino que también determinan la evolución continua de su composición.

ATMÓSFERA HIDROSFERA

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SUSTANCIA VIVA

LA TIERRA

Evolución de la biosfera

La biosfera apareció con el nacimiento de los primeros organismos vivos hace unos 3.500 millones de años. En el curso del desarrollo de la vida, cambió. Las etapas de evolución de la biosfera se pueden distinguir teniendo en cuenta las características del tipo de ecosistemas.

1. El surgimiento y desarrollo de la vida en el agua. La etapa está asociada a la existencia de ecosistemas acuáticos. No había oxígeno en la atmósfera.

2. El surgimiento de organismos vivos en la tierra, el desarrollo del medio ambiente tierra-aire y suelo, y el surgimiento de ecosistemas terrestres. Esto fue posible gracias a la aparición de oxígeno en la atmósfera y la pantalla de ozono. Ocurrió hace 2.500 millones de años.

3. El surgimiento del hombre, su transformación en un ser biosocial y el surgimiento de los antropoecosistemas ocurrió hace 1 millón de años.

4. La transición de la biosfera bajo la influencia de la actividad humana inteligente a un nuevo estado cualitativo: a la noosfera.

noosfera

La etapa más alta en el desarrollo de la biosfera es la noosfera, la etapa de regulación razonable de la relación entre el hombre y la naturaleza. Este término fue introducido en 1927 por el filósofo francés E. Leroy. Creía que la noosfera incluye a la sociedad humana con su industria, lenguaje y otros atributos de actividad inteligente. En los años 30-40. siglo XX VI Vernadsky desarrolló ideas materialistas sobre la noosfera. Creía que la noosfera surge como resultado de la interacción de la biosfera y la sociedad, está controlada por la estrecha relación entre las leyes de la naturaleza, el pensamiento y las leyes socioeconómicas de la sociedad, y enfatizó que

noosfera (esfera de la mente) - la etapa de desarrollo de la biosfera, cuando la actividad inteligente de las personas se convertirá en el principal factor determinante en su desarrollo sostenible.

La noosfera es una nueva etapa superior de la biosfera, asociada con el surgimiento y desarrollo de la humanidad en ella, que, conociendo las leyes de la naturaleza y mejorando la tecnología, se convierte en la fuerza más grande comparable en escala a las geológicas, y comienza a tener un influencia decisiva en el curso de los procesos en la Tierra, cambiándolo profundamente con su trabajo. La formación y desarrollo de la humanidad se expresó en el surgimiento de nuevas formas de intercambio de materia y energía entre la sociedad y la naturaleza, en el impacto cada vez mayor del hombre sobre la biosfera. La noosfera llegará cuando la humanidad, con la ayuda de la ciencia, sea capaz de gestionar de manera significativa los procesos naturales y sociales. Por lo tanto, la noosfera no puede considerarse una capa especial de la Tierra.

La ciencia de gestionar la relación entre la sociedad humana y la naturaleza se llama noogenicidad.

El objetivo principal de la noogenia es la planificación del presente por el bien del futuro, y sus tareas principales son la corrección de las violaciones en la relación entre el hombre y la naturaleza causadas por el progreso de la tecnología, el control consciente de la evolución de la biosfera. . Debe formarse un uso planificado y científicamente fundamentado de los recursos naturales, que prevea la restauración en la circulación de las sustancias de lo que ha sido violado por el hombre, en contraposición a una actitud espontánea y depredadora de la naturaleza, que conduce a la degradación ambiental. Esto requiere el desarrollo sostenible de una sociedad que satisfaga las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades.

En la actualidad, el planeta se ha formado biotecnosfera - una parte de la biosfera, transformada radicalmente por el hombre en estructuras de ingeniería: ciudades, fábricas y fábricas, canteras y minas, carreteras, presas y embalses, etc.

BIOSFERA Y HOMBRE

La biosfera para el hombre es y hábitat y fuente de recursos naturales.

Recursos naturales – objetos y fenómenos naturales que una persona utiliza en el proceso de trabajo. Proporcionan a las personas comida, ropa, refugio. Según el grado de agotamiento, se dividen en agotable e inagotable . Agotable los recursos se dividen en renovable y no renovable . Los recursos no renovables incluyen aquellos recursos que no se reactivan (o se renuevan cientos de veces más lentamente de lo que se gastan): petróleo, carbón, minerales metálicos y la mayoría de los minerales. Recursos naturales renovables: suelo, flora y fauna, minerales (sal de mesa). Estos recursos se restauran constantemente a diferentes ritmos: animales - varios años, bosques - 60-80 años, suelos que han perdido su fertilidad - durante varios milenios. Exceder la tasa de consumo sobre la tasa de reproducción conduce a la completa desaparición del recurso.

Inagotable Los recursos incluyen agua, clima ( aire atmosférico y energía eólica) y el espacio: radiación solar, la energía de las mareas marinas. Sin embargo, la creciente contaminación del medio ambiente exige la implementación de medidas ambientales para conservar estos recursos.

Satisfacción necesidades humanas impensable sin la explotación de los recursos naturales.

Todos los tipos de actividad humana en la biosfera se pueden combinar en cuatro formas.

1. Cambiar la estructura superficie de la Tierra (arado de tierras, drenaje de cuerpos de agua, deforestación, construcción de canales). La humanidad se está convirtiendo en una poderosa fuerza geológica. Una persona utiliza el 75% de la tierra, el 15% de las aguas de los ríos, cada minuto se talan 20 hectáreas de bosques.

· Cambios geológicos y geomorfológicos - intensificación de la formación de quebradas, aparición y frecuencia de flujos de lodo y deslizamientos.

· Cambios complejos (del paisaje) - violación de la integridad y estructura natural de los paisajes, la singularidad de los monumentos naturales, pérdida de tierras productivas, desertificación.

Todas las sustancias en nuestro planeta están en proceso de circulación. La energía solar provoca dos ciclos de materia en la Tierra, uno grande o biosférico (que cubre toda la biosfera) y uno pequeño o biológico (dentro de los ecosistemas).

La circulación biosférica de sustancias fue precedida por una geológica, asociada con la formación y destrucción de rocas y el posterior movimiento de productos de destrucción: material detrítico y elementos químicos. Las propiedades térmicas de la superficie de la tierra y el agua desempeñaron y continúan desempeñando un papel importante en estos procesos: la absorción en la reflexión. rayos de sol, conductividad térmica a capacidad calorífica. El agua absorbe más energía solar y la superficie terrestre en las mismas latitudes se calienta más. El régimen hidrotermal inestable de la superficie terrestre, junto con el sistema de circulación atmosférica planetaria, determinaron la circulación geológica de sustancias, que en la etapa inicial del desarrollo de la Tierra, junto con procesos endógenos, estuvo asociada a la formación de continentes, océanos y modernos geosferas. Su manifestación geológica también se evidencia por la transferencia de productos de meteorización por masas de aire y por agua, compuestos minerales disueltos en ella. Con la formación de la biosfera, los productos de la actividad vital de los organismos fueron incluidos en el gran ciclo. El ciclo geológico, sin dejar de existir, ha adquirido nuevas características: es la etapa inicial del movimiento biosférico de la materia. Es él quien suministra nutrientes a los organismos vivos y determina en gran medida las condiciones para su existencia.

La gran circulación de sustancias en la biosfera se caracteriza por dos puntos importantes:

Se lleva a cabo a lo largo de todo el desarrollo geológico de la Tierra;

Es un proceso planetario moderno que toma una parte principal en el desarrollo posterior de la biosfera (Radkevich, 1983).

En la etapa actual del desarrollo humano, como resultado de una gran circulación, los contaminantes como los óxidos de azufre y nitrógeno, el polvo y las impurezas radiactivas también se transportan a largas distancias. El territorio de las latitudes templadas del Hemisferio Norte estuvo sujeto a la mayor contaminación.

Una circulación pequeña o biológica de sustancias se desarrolla sobre el fondo de una gran circulación geológica, que cubre la biosfera en su conjunto. Se da dentro de los ecosistemas, pero no es cerrado, lo que se asocia con la entrada de materia y energía al ecosistema desde el exterior y con la liberación de parte de ellas al ciclo biosférico. Por eso, a veces no se habla del ciclo biológico, sino del intercambio de energía en ecosistemas y organismos individuales.

Las plantas, los animales y la cubierta del suelo en la tierra forman un complejo sistema mundial, que forma biomasa, liga y redistribuye la energía solar, el carbono atmosférico, la humedad, el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, el fósforo, el azufre, el calcio y otros elementos que intervienen en la vida de los organismos. Las plantas, los animales y los microorganismos del medio acuático forman otro sistema planetario que cumple la misma función de vincular la energía solar y el ciclo biológico de las sustancias.

La esencia del ciclo biológico es el flujo de dos procesos opuestos pero interrelacionados: la creación de materia orgánica y su destrucción. La etapa inicial del origen de la materia orgánica se debe a la fotosíntesis de las plantas verdes, es decir. la formación de esta sustancia a partir de dióxido de carbono, agua y compuestos minerales utilizando la energía radiante del sol. Las plantas extraen azufre, fósforo, calcio, potasio, magnesio, manganeso, silicio, aluminio, cobre, zinc y otros elementos del suelo en forma disuelta. Los animales herbívoros ya absorben compuestos de estos elementos en forma de alimento de origen vegetal. Los depredadores se alimentan de animales herbívoros, consumen alimentos de una composición más compleja, que incluye proteínas, grasas, aminoácidos, etc. En el proceso de destrucción de la materia orgánica de plantas muertas y restos de animales por parte de los microorganismos, entran compuestos minerales simples disponibles para la asimilación de las plantas. el suelo y el medio ambiente acuático, y la siguiente ronda comienza el ciclo biológico.

En contraste con el ciclo grande, el pequeño tiene una duración diferente: se distinguen ciclos pequeños estacionales, anuales, perennes y seculares. Al estudiar el ciclo biológico de las sustancias, se presta atención principal al ritmo anual, determinado por la dinámica anual del desarrollo de la cubierta vegetal.

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Un gran ciclo geológico involucra rocas sedimentarias en lo profundo de la corteza terrestre, durante mucho tiempo apagando los elementos contenidos en ellas del sistema de circulación biológica. En el curso de la historia geológica, las rocas sedimentarias transformadas, una vez más en la superficie de la Tierra, son gradualmente destruidas por la actividad de los organismos vivos, el agua y el aire, y se incluyen nuevamente en el ciclo biosférico.

Un gran ciclo geológico ocurre durante cientos de miles o millones de años. Consiste en lo siguiente: las rocas son destruidas, erosionadas y finalmente arrastradas por el agua que fluye hacia los océanos. Aquí se depositan en el fondo, formando rocas sedimentarias, y solo regresan parcialmente a la tierra con organismos extraídos del agua por humanos u otros animales.

En el corazón de un gran ciclo geológico se encuentra el proceso de transferir compuestos minerales de un lugar a otro a escala planetaria sin la participación de materia viva.

Además de la pequeña circulación, existe una gran circulación geológica. Algunas de las sustancias ingresan a las capas profundas de la Tierra (a través de los sedimentos del fondo de los mares o de otra manera), donde ocurren lentas transformaciones con la formación de diversos compuestos, minerales y orgánicos. Los procesos del ciclo geológico se sustentan principalmente en la energía interna de la Tierra, su núcleo activo. La misma energía contribuye a la liberación de sustancias a la superficie de la Tierra. Así, se cierra una gran circulación de sustancias. Lleva millones de años.

En cuanto a la velocidad y la intensidad de la gran circulación geológica de sustancias, en la actualidad, por muy precisos que se puedan dar los datos, solo hay estimaciones aproximadas, y solo para el componente exógeno del ciclo general, es decir, sin tener en cuenta la entrada de materia desde el manto a la corteza terrestre.

Este carbono participa en un gran ciclo geológico. Este carbono, en el proceso de un pequeño ciclo biótico, mantiene el equilibrio gaseoso de la biosfera y de la vida en general.

La contribución de los componentes biosféricos y tecnosféricos al gran ciclo geológico de las sustancias de la Tierra es muy significativa: hay un crecimiento constantemente progresivo de los componentes tecnosféricos debido a la expansión de la esfera de la actividad productiva humana.

Dado que el principal flujo tecnobio-geoquímico en la superficie de la tierra se dirige dentro del marco de una gran circulación geológica de sustancias para el 70% de la tierra hacia el océano y para el 30%, hacia depresiones cerradas sin drenaje, pero siempre desde elevaciones más altas a más bajas, como resultado de la acción de las fuerzas gravitatorias, respectivamente, la diferenciación de la materia de la corteza terrestre de las elevaciones altas a las bajas, de la tierra al océano. Los flujos inversos (transporte atmosférico, actividad humana, movimientos tectónicos, vulcanismo, migración de organismos) hasta cierto punto complican este movimiento descendente general de la materia, creando ciclos de migración local, pero no lo modifican en general.

La circulación del agua entre la tierra y el océano a través de la atmósfera se refiere a un gran ciclo geológico. El agua se evapora de la superficie de los océanos y se transporta a la tierra, donde cae en forma de precipitación, que nuevamente regresa al océano en forma de escorrentía superficial y subterránea, o cae como precipitación a la superficie del océano. Más de 500 mil km3 de agua participan en el ciclo del agua en la Tierra cada año. El ciclo del agua en su conjunto juega un papel importante en la configuración de las condiciones naturales de nuestro planeta. Teniendo en cuenta la transpiración del agua por las plantas y su absorción en el ciclo biogeoquímico, todo el suministro de agua en la Tierra decae y se restaura en 2 millones de años.

Según su formulación, el ciclo biológico de las sustancias se desarrolla en parte de la trayectoria de un gran ciclo geológico de sustancias en la naturaleza.

El transporte de materia por superficie y agua subterránea- este es el factor principal en términos de diferenciación de la tierra el mundo geoquímicamente, pero no el único, y si hablamos de la gran circulación geológica de sustancias en la superficie terrestre en su conjunto, entonces los flujos juegan un papel muy importante en ella, en particular el transporte oceánico y atmosférico.

En cuanto a la velocidad y la intensidad de la gran circulación geológica de sustancias, actualmente es imposible dar datos exactos, solo hay estimaciones aproximadas, y solo para el componente exógeno del ciclo general, es decir. sin tener en cuenta la afluencia de materia desde el manto hacia la corteza terrestre. El componente exógeno de la gran circulación geológica de sustancias es el proceso constante de denudación de la superficie terrestre.