Veliki ciklus tvari u prirodi zbog interakcije sunčeve energije s dubokom energijom Zemlje i preraspoređuje materiju između biosfere i dubljih horizonata Zemlje.

Sedimentni stijene, nastao zbog trošenja magmatskih stijena, u pokretnim zonama zemljine kore ponovno ponire u zonu visokih temperatura i pritisaka. Tamo se tope i stvaraju magmu - izvor novih magmatskih stijena. Nakon izdizanja ovih stijena na površinu zemlje i djelovanja procesa trošenja, one se ponovno pretvaraju u nove sedimentne stijene. Novi ciklus cirkulacije ne ponavlja točno stari, već uvodi nešto novo, što s vremenom dovodi do vrlo značajnih promjena.

pokretačka snaga velika (geološka) cirkulacija su egzogeni i endogeni geološki procesi.

Endogeni procesi(procesi unutarnje dinamike) nastaju pod utjecajem unutarnje energije Zemlje, koja se oslobađa kao rezultat radioaktivnog raspada, kemijskih reakcija nastajanja minerala, kristalizacije stijena itd. (npr. tektonski pokreti, potresi, magmatizam, metamorfizam).

Egzogeni procesi(procesi vanjska dinamika) teče pod utjecajem vanjske energije Sunca. Primjeri: trošenje stijena i minerala, uklanjanje produkata razaranja iz nekih područja zemljine kore i njihovo prenošenje u nova područja, taloženje i nakupljanje produkata razaranja uz stvaranje sedimentnih stijena. Za Ex.pr. odnos geološka aktivnost atmosfere, hidrosfere, kao i živih organizama i ljudi.

Najveći oblici reljefa (kontinenti i oceanske depresije) i veliki oblici reljefa (planine i ravnice) nastali su endogenim procesima, dok su srednji i mali oblici reljefa (riječne doline, brežuljci, jaruge, dine itd.) nastali iznad većih oblika reljefa. zbog egzogenih procesa. Dakle, endogeni i egzogeni procesi su suprotni. Prvi dovode do stvaranja velikih reljefa, a drugi do njihovog zaglađivanja.

Primjeri geološkog ciklusa. Magmatske stijene se pretvaraju u sedimentne stijene kao rezultat vremenskih uvjeta. U pokretnim zonama zemljine kore tonu u dubine Zemlje. Tamo se pod utjecajem visokih temperatura i pritisaka tope i tvore magmu, koja, izdižući se na površinu i skrućivanjem tvori magmatske stijene.

Primjer velikog ciklusa je kruženje vode između kopna i oceana kroz atmosferu (slika 2.1).

Riža. 2.1. Općeprihvaćena shema hidrološke (klimatske)

kruženje vode u prirodi

Vlaga isparena s površine oceana (koja troši gotovo polovicu sunčeve energije koja dolazi na površinu Zemlje) prenosi se na kopno, gdje pada u obliku oborina, koje se opet vraćaju u ocean u obliku površine i podzemlja. otjecanje. Kruženje vode također se odvija prema jednostavnijoj shemi: isparavanje vlage s površine oceana – kondenzacija vodene pare – oborine na istoj vodenoj površini oceana.

Vodeni ciklus u cjelini igra veliku ulogu u oblikovanju prirodni uvjeti na našem planetu. Uzimajući u obzir transpiraciju vode od strane biljaka i njezinu apsorpciju u biogeokemijskom ciklusu, cjelokupna zaliha vode na Zemlji propada i obnavlja se za 2 milijuna godina.

Dakle, geološka cirkulacija tvari odvija se bez sudjelovanja živih organizama i preraspoređuje tvar između biosfere i dubljih slojeva Zemlje.

Veliki (geološki) i mali (biogeokemijski) ciklusi tvari

Sve tvari na našem planetu su u procesu cirkulacije. Sunčeva energija uzrokuje dva ciklusa materije na Zemlji:

Veliki (geološki ili abiotski);

Mali (biotički, biogeni ili biološki).

Ciklusi materije i tokovi kozmičke energije stvaraju stabilnost biosfere. Krug krute tvari i vode koji nastaje kao rezultat djelovanja abiotički čimbenici(nežive prirode), naziva se velikim geološkim ciklusom. S velikim geološkim ciklusom (protječu milijuni godina), stijene se uništavaju, troše, tvari se otapaju i ulaze u Svjetski ocean; događaju se geotektonske promjene, potonuće kontinenata, izdizanje morskog dna. Vrijeme ciklusa vode u ledenjacima je 8000 godina, u rijekama - 11 dana. Velika je cirkulacija ta koja opskrbljuje žive organizme hranjivim tvarima i uvelike određuje uvjete za njihovo postojanje.

Veliki, geološki ciklus u biosferi karakteriziraju dva važne točke: kisik ugljik geološki

• a) provodi se kroz cjelokupni geološki razvoj Zemlje;
• b) je suvremeni planetarni proces koji ima vodeću ulogu u daljnjem razvoju biosfere.

U sadašnjoj fazi ljudskog razvoja, kao rezultat velike cirkulacije, zagađivači se prenose i na velike udaljenosti - oksidi sumpora i dušika, prašina, radioaktivne nečistoće. Područja umjerenih širina sjeverne hemisfere bila su podvrgnuta najvećem zagađenju.

Mala, biogena ili biološka cirkulacija tvari događa se u čvrstoj, tekućoj i plinovitoj fazi uz sudjelovanje živih organizama. Biološki ciklus, za razliku od geološkog, zahtijeva manje energije. Mali ciklus je dio velikog, javlja se na razini biogeocenoza (unutar ekosustava) i leži u činjenici da hranjive tvari tla, voda, ugljik nakupljaju se u tvari biljaka, troše se na izgradnju tijela. Produkti raspadanja organske tvari razlažu se na mineralne komponente. Mali ciklus nije zatvoren, što je povezano s ulaskom tvari i energije u ekosustav izvana te s oslobađanjem dijela njih u biosferni ciklus.

Mnogi su uključeni u velike i male cikluse. kemijski elementi i njihovi spojevi, no najvažniji od njih su oni koji određuju sadašnji stupanj razvoja biosfere, povezan s ljudskom gospodarskom djelatnošću. To uključuje cikluse ugljika, sumpora i dušika (njihovi oksidi su glavni zagađivači atmosfere), kao i fosfora (fosfati su glavni zagađivač kontinentalnih voda). Gotovo svi zagađivači djeluju štetno, a svrstavaju se u ksenobiotike. Trenutno su od velike važnosti ciklusi ksenobiotika - toksičnih elemenata - žive (zagađivač hrane) i olova (komponenta benzina). Osim toga, iz velike cirkulacije u mali promet ulaze mnoge tvari antropogenog podrijetla (DDT, pesticidi, radionuklidi i dr.), koje nanose štetu bioti i ljudskom zdravlju.

Bit biološkog ciklusa je tijek dvaju suprotnih, ali međusobno povezanih procesa – stvaranja organske tvari i njenog uništavanja živom tvari.

Za razliku od velikog ciklusa, mali ima drugačije trajanje: razlikuju se sezonski, godišnji, višegodišnji i sekularni mali ciklusi. Cirkulacija kemijske tvari iz anorganskog okoliša preko vegetacije i životinja natrag u anorganski okoliš pomoću kemijskih reakcija sunčeve energije naziva se biogeokemijski ciklus.

Sadašnjost i budućnost našeg planeta ovise o sudjelovanju živih organizama u funkcioniranju biosfere. U kruženju tvari, živa tvar, odnosno biomasa, obavlja biogeokemijske funkcije: plinsku, koncentracijsku, redoks i biokemijsku.

Biološki ciklus odvija se uz sudjelovanje živih organizama i sastoji se u reprodukciji organske tvari iz anorganske i razgradnji ove organske u anorgansku kroz trofički lanac hrane. Intenzitet procesa proizvodnje i uništavanja u biološkom ciklusu ovisi o količini topline i vlage. Na primjer, niska stopa razgradnje organske tvari u polarnim područjima ovisi o manjku topline.

Važan pokazatelj intenziteta biološkog ciklusa je brzina kruženja kemijskih elemenata. Intenzitet je karakteriziran indeksom jednakim omjeru mase šumske stelje i stelje. Što je indeks veći, to je niži intenzitet ciklusa.

Indeks u crnogorične šume- 10 - 17; širokolisne 3 - 4; savana ne više od 0,2; vlažne tropske šume ne više od 0,1, t.j. ovdje je biološki ciklus najintenzivniji.

Protok elemenata (dušik, fosfor, sumpor) kroz mikroorganizme je za red veličine veći nego kroz biljke i životinje. Biološki ciklus nije potpuno reverzibilan, usko je povezan s biogeokemijskim ciklusom. Kemijski elementi kruže u biosferi na različitim putovima biološkog ciklusa:

• - apsorbiran živom tvari i nabijen energijom;
• - napustiti živu tvar, oslobađajući energiju u vanjsko okruženje.

Ovi ciklusi su dvije vrste: kruženje plinovitih tvari; sedimentni ciklus (rezerva u zemljinoj kori).

Sami ciklusi se sastoje od dva dijela:

• - rezervni fond (ovo je dio tvari koji nije povezan sa živim organizmima);
• - pokretni (razmjenski) fond (manji dio tvari povezan s izravnom razmjenom između organizama i njihove neposredne okoline).

Ciklusi se dijele na:

• - ciklusi vrsta plina s rezervnim fondom u zemljinoj kori (ciklusi ugljika, kisika, dušika) - sposobni za brzu samoregulaciju;
• - sedimentni ciklusi s rezervnim fondom u zemljinoj kori (kruženje fosfora, kalcija, željeza itd.) - inertniji su, glavnina tvari je u obliku "nedostupnom" živim organizmima.

Ciklusi se također mogu podijeliti na:

• - zatvoreno (kruženje plinovitih tvari, na primjer, kisika, ugljika i dušika - rezerva u atmosferi i hidrosferi oceana, pa se nedostatak brzo nadoknađuje);
• - otvoreni (stvaranje rezervnog fonda u zemljinoj kori, na primjer, fosfora - stoga se gubici slabo nadoknađuju, tj. stvara se deficit).

Energetska osnova za postojanje bioloških ciklusa na Zemlji i njihova početna poveznica je proces fotosinteze. Svaki novi ciklus cirkulacije nije točno ponavljanje prethodnog. Na primjer, tijekom evolucije biosfere neki od procesa bili su nepovratni, što je rezultiralo stvaranjem i nakupljanjem biogenih oborina, povećanjem količine kisika u atmosferi, promjenom kvantitativnih omjera izotopa niza elementi itd.

Kruženje tvari obično se naziva biogeokemijskim ciklusima. Glavni biogeokemijski (biosferski) ciklusi tvari: ciklus vode, ciklus kisika, ciklus dušika (sudjelovanje bakterija koje fiksiraju dušik), ciklus ugljika (sudjelovanje aerobnih bakterija; godišnje se oko 130 tona ugljika ispusti u geološki ciklus), ciklus fosfora (sudjelovanje bakterija u tlu; godišnje se iz oceana ispere 14 milijuna tona fosfora), ciklus sumpora, ciklus metalnih kationa.

Krug vode

Krug vode je zatvoreni ciklus koji se može izvoditi, kao što je gore spomenuto, čak i u odsutnosti života, ali ga živi organizmi modificiraju.

Ciklus se temelji na principu da se ukupno isparavanje kompenzira oborinama. Za planet u cjelini, isparavanje i oborine međusobno se uravnotežuju. Istodobno, više vode isparava iz oceana nego što se vraća s oborinama. Na kopnu, naprotiv, pada više oborina, ali višak se slijeva u jezera i rijeke, a odatle opet u ocean. Ravnoteža vlage između kontinenata i oceana održava se riječnim otjecanjem.

Dakle, globalni hidrološki ciklus ima četiri glavna toka: oborine, isparavanje, prijenos vlage i transpiraciju.

Voda – najčešća tvar u biosferi – služi ne samo kao stanište za mnoge organizme, već je i sastavni dio tijela svih živih bića. Unatoč ogromnoj važnosti vode u svim životnim procesima koji se odvijaju u biosferi, živa tvar ne igra odlučujuću ulogu u velikom ciklusu vode na Zemlji. Pokretačka snaga ovog ciklusa je energija sunca koja se troši na isparavanje vode s površine vodenih bazena ili kopna. Isparena vlaga kondenzira se u atmosferi u obliku oblaka nanesenih vjetrom; Kako se oblaci hlade, padavine padaju.

Ukupna količina slobodne nevezane vode (udio oceana i mora u kojima je tekuća slana voda) čini 86 do 98%. Ostatak vode ( svježa voda) pohranjuje se u polarnim kapama i glečerima te tvori vodene bazene i svoje podzemne vode. Oborine koje padaju na površinu zemljišta prekrivenu vegetacijom djelomično se zadržava na površini lista i potom isparavaju u atmosferu. Vlaga koja dospijeva u tlo može se pridružiti površinskom oticanju ili je tlo apsorbirati. Potpuno apsorbiran u tlo (to ovisi o vrsti tla, karakteristikama stijena i vegetacijskom pokrovu), višak sedimenta može prodrijeti duboko u podzemne vode. Ako količina oborina premašuje kapacitet vlage gornjih slojeva tla, počinje površinsko otjecanje čija brzina ovisi o stanju tla, strmini nagiba, trajanju oborina i prirodi vegetacije ( vegetacija može zaštititi tlo od vodene erozije). Voda zarobljena u tlu može ispariti s njegove površine ili nakon apsorpcije korijenjem biljke transpirirati (ispariti) u atmosferu kroz lišće.

Transpiracijski tok vode (tlo - korijenje biljaka - lišće - atmosfera) glavni je put vode kroz živu tvar u njenoj velikoj cirkulaciji na našem planetu.

Ugljični ciklus

Cijela raznolikost organskih tvari, biokemijskih procesa i oblika života na Zemlji ovisi o svojstvima i karakteristikama ugljika. Sadržaj ugljika u većini živih organizama iznosi oko 45% njihove suhe biomase. Sva živa tvar planete uključena je u kruženje organske tvari i sav ugljik Zemlje, koji kontinuirano nastaje, mutira, umire, razgrađuje se i tim se slijedom ugljik prenosi iz jedne organske tvari u izgradnju druge uzdužno. lanac ishrane. Osim toga, sva živa bića dišu, oslobađajući ugljični dioksid.

Krug ugljika na kopnu. Ciklus ugljika održava se fotosintezom prizemne biljke i oceanski fitoplankton. Apsorbirajući ugljični dioksid (fiksirajući anorganski ugljik), biljke koriste energiju za sunčeva svjetlost pretvaraju ga u organske spojeve – stvarajući vlastitu biomasu. Noću biljke, kao i sva živa bića, dišu, oslobađajući ugljični dioksid.

Mrtve biljke, leševi i izmet životinja služe kao hrana za brojne heterotrofne organizme (životinje, saprofitne biljke, gljive, mikroorganizme). Svi ti organizmi žive uglavnom u tlu i u procesu života stvaraju vlastitu biomasu, koja uključuje organski ugljik. Oni također oslobađaju ugljični dioksid, stvarajući "disanje tla". Često se mrtva organska tvar ne razgrađuje u potpunosti i u tlima se nakuplja humus (humus), koji ima važnu ulogu u plodnosti tla. Stupanj mineralizacije i humifikacije organskih tvari ovisi o mnogim čimbenicima: vlažnosti, temperaturi, fizičkim svojstvima tla, sastavu organskih ostataka itd. Pod djelovanjem bakterija i gljivica humus se može razgraditi na ugljični dioksid i mineralne spojeve.

Krug ugljika u oceanima. Ciklus ugljika u oceanu razlikuje se od onog na kopnu. U oceanu je slaba karika organizama viših trofičkih razina, a time i svih karika ciklusa ugljika. Vrijeme prolaska ugljika kroz trofičku vezu oceana je kratko, a količina oslobođenog ugljičnog dioksida je neznatna.

Ocean ima ulogu glavnog regulatora sadržaja ugljičnog dioksida u atmosferi. Između oceana i atmosfere dolazi do intenzivne izmjene ugljičnog dioksida. Vode oceana imaju veliku moć otapanja i puferski kapacitet. Sustav koji se sastoji od ugljične kiseline i njezinih soli (karbonata) svojevrsno je depo ugljičnog dioksida, povezan s atmosferom putem difuzije CO? iz vode u atmosferu i obrnuto.

U oceanu se tijekom dana intenzivno odvija fotosinteza fitoplanktona, dok se slobodni ugljični dioksid intenzivno troši, karbonati služe kao dodatni izvor njegovog stvaranja. Noću, s povećanjem sadržaja slobodne kiseline zbog disanja životinja i biljaka, značajan dio nje ponovno ulazi u sastav karbonata. Procesi koji su u tijeku idu u sljedećim smjerovima: živa tvar? CO?? H?CO?? Sa(NSO?)?? CaCO?.

U prirodi se određena količina organske tvari ne mineralizira zbog nedostatka kisika, visoke kiselosti okoliša, specifičnih uvjeta ukopavanja itd. Dio ugljika izlazi iz biološkog ciklusa u obliku anorganskih (vapnenac, kreda, koralji) i organskih (škriljavca, nafta, ugljen) naslaga.

Ljudska aktivnost čini značajne promjene u ciklusu ugljika na našem planetu. Mijenjaju se krajolici, vrste vegetacije, biocenoze i njihovi lanci ishrane, dreniraju se ili navodnjavaju velike površine kopna, poboljšava se (ili pogoršava) plodnost tla, primjenjuju se gnojiva i pesticidi itd. Najopasnije je ispuštanje ugljičnog dioksida u atmosferu kao posljedica izgaranja goriva. To povećava brzinu ciklusa ugljika i skraćuje njegov ciklus.

Ciklus kisika

Kisik je preduvjet postojanje života na Zemlji. Uključen je u gotovo sve biološke spojeve, sudjeluje u bio kemijske reakcije oksidacija organskih tvari koje osiguravaju energiju za sve životne procese organizama u biosferi. Kisik osigurava disanje životinja, biljaka i mikroorganizama u atmosferi, tlu, vodi, sudjeluje u kemijskim reakcijama oksidacije koje se odvijaju u stijenama, tlima, muljevima, vodonosnicima.

Glavne grane ciklusa kisika:

• - stvaranje slobodnog kisika tijekom fotosinteze i njegova apsorpcija tijekom disanja živih organizama (biljke, životinje, mikroorganizmi u atmosferi, tlu, vodi);
• - formiranje ozonskog zaslona;
• - stvaranje redoks zoniranja;
• - oksidacija ugljičnog monoksida tijekom vulkanskih erupcija, nakupljanje sulfatnih sedimentnih stijena, potrošnja kisika u ljudskim aktivnostima itd.; posvuda je molekularni kisik uključen u fotosintezu.

ciklus dušika

Dušik je dio biološki važnih organskih tvari svih živih organizama: proteina, nukleinskih kiselina, lipoproteina, enzima, klorofila itd. Unatoč sadržaju dušika (79%) u zraku, on je deficitaran za žive organizme.

Dušik u biosferi je u plinovitom obliku (N2) nedostupan organizmima – kemijski je slabo aktivan, stoga ga više biljke (i većina nižih biljaka) i životinjski svijet ne mogu izravno koristiti. Biljke upijaju dušik iz tla u obliku amonijevih iona ili nitratnih iona, t.j. takozvani fiksirani dušik.

Postoje atmosferska, industrijska i biološka fiksacija dušika.

Atmosferska fiksacija nastaje kada je atmosfera ionizirana kozmičkim zrakama i to pri jakim električna pražnjenja tijekom grmljavine iz molekularnog dušika zraka nastaju dušikovi i amonijačni oksidi koji se uslijed atmosferskih oborina pretvaraju u amonij, nitrit, nitratni dušik i ulaze u tlo i vodene bazene.

Kao rezultat toga dolazi do industrijske fiksacije ekonomska aktivnost osoba. Atmosferu onečišćuju dušikovim spojevima biljke koje proizvode dušikove spojeve. Vruće emisije iz termoelektrana, tvornica, svemirskih letjelica, nadzvučnih zrakoplova oksidiraju dušik u zraku. Dušikovi oksidi, u interakciji sa zračnom vodenom parom s oborinama, vraćaju se u tlo, ulaze u tlo u ionskom obliku.

Biološka fiksacija igra glavnu ulogu u ciklusu dušika. Izvode ga bakterije u tlu:

• - bakterije koje fiksiraju dušik (i modrozelene alge);
• - mikroorganizmi koji žive u simbiozi s višim biljkama (kvržice);
• - amonificiranje;
• - nitrificiranje;
• - denitrifiranje.

Slobodno žive u tlu, aerobne bakterije koje fiksiraju dušik (postoje u prisutnosti kisika) (Azotobacter) mogu fiksirati atmosferski molekularni dušik zahvaljujući energiji dobivenoj oksidacijom organskih tvari tla tijekom disanja, u konačnici ga vežući s vodikom i uvodeći ga u obliku amino skupine (- NH2) u sastav aminokiselina u vašem tijelu. Molekularni dušik je također sposoban fiksirati neke anaerobne (koji žive u nedostatku kisika) bakterije koje postoje u tlu (Clostridium). Umirući, i ti i drugi mikroorganizmi obogaćuju tlo organskim dušikom.

Plavo-zelene alge, koje su posebno važne za tla rižinih polja, također su sposobne za biološku fiksaciju molekularnog dušika.

Najučinkovitija biološka fiksacija atmosferskog dušika događa se kod bakterija koje žive u simbiozi u kvržicama mahunarki (kvržice).

Ove bakterije (Rizobium) koriste energiju biljke domaćina za fiksiranje dušika dok opskrbljuju zemaljske organe domaćina dostupnim dušičnim spojevima.

Asimilirane dušikove spojeve iz tla u nitratnim i amonijevim oblicima, biljke izgrađuju potrebne spojeve koji sadrže dušik svog tijela (nitratni dušik u biljnim stanicama se prethodno obnavlja). Biljke proizvođači opskrbljuju dušičnim tvarima cjelinu životinjski svijet i čovječanstvo. Mrtve biljke, prema trofičkom lancu, koriste bioreduktori.

Amonificirajući mikroorganizmi razgrađuju organske tvari koje sadrže dušik (aminokiseline, ureu) uz stvaranje amonijaka. Dio organskog dušika u tlu nije mineraliziran, već se pretvara u humusne tvari, bitumen i komponente sedimentnih stijena.

Amonijak (kao amonijev ion) može ući u korijenski sustav biljke ili se koriste u procesima nitrifikacije.

Nitrifikacijski mikroorganizmi su kemosinteti, oni koriste energiju oksidacije amonijaka u nitrate i nitrita u nitrate kako bi osigurali sve životne procese. Zahvaljujući toj energiji, nitrifikatori obnavljaju ugljični dioksid i izgrađuju organske tvari svog tijela. Oksidacija amonijaka tijekom nitrifikacije odvija se prema sljedećim reakcijama:

NH? + 30? ? 2HNO? + 2H2O + 600 kJ (148 kcal).

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

Nitrati, nastali u procesima nitrifikacije, ponovno ulaze u biološki ciklus, apsorbiraju se iz tla korijenjem biljaka ili nakon ulaska s vodenim otjecanjem u vodene bazene - fitoplankton i fitobentos.

Uz organizme koji fiksiraju atmosferski dušik i nitrificiraju ga, u biosferi postoje mikroorganizmi koji mogu reducirati nitrate ili nitrite u molekularni dušik. Takvi mikroorganizmi, zvani denitrifikatori, s nedostatkom slobodnog kisika u vodi ili tlu, koriste kisik iz nitrata za oksidaciju organskih tvari:

C?H??O? (glukoza) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6CO? + 12N? + 18H2O + energija

Istodobno oslobođena energija služi kao osnova za svu vitalnu aktivnost denitrifikacijskih mikroorganizama.

Dakle, žive tvari igraju izuzetnu ulogu u svim karikama ciklusa.

Trenutno, industrijska fiksacija atmosferskog dušika od strane ljudi igra sve važniju ulogu u ravnoteži dušika u tlu i, posljedično, u cjelokupnom ciklusu dušika u biosferi.

Ciklus fosfora

Ciklus fosfora je jednostavniji. Dok je rezervoar dušika zrak, rezervoar fosfora su stijene iz kojih se oslobađa tijekom erozije.

Ugljik, kisik, vodik i dušik lakše i brže migriraju u atmosferi, budući da su u plinovitom obliku, tvoreći plinovite spojeve u biološkim ciklusima. Za sve ostale elemente, osim za sumpor, nužne za postojanje žive tvari, stvaranje plinovitih spojeva u biološkim ciklusima je nekarakteristično. Ti elementi migriraju uglavnom u obliku iona i molekula otopljenih u vodi.

Fosfor, kojeg biljke asimiliraju u obliku iona ortofosforne kiseline, igra važnu ulogu u životu svih živih organizama. Dio je ADP, ATP, DNK, RNA i drugih spojeva.

Krug fosfora u biosferi je otvoren. U kopnenim biogeocenozama, fosfor, nakon što ga biljke apsorbiraju iz tla kroz lanac ishrane, ponovno ulazi u tlo u obliku fosfata. Glavnu količinu fosfora ponovno apsorbira korijenski sustav biljaka. Djelomično se fosfor može isprati otjecanjem kišnice iz tla u vodene bazene.

U prirodnim biogeocenozama često nedostaje fosfor, a u alkalnoj i oksidiranoj sredini najčešće se nalazi u obliku netopivih spojeva.

Velika količina fosfata sadrži stijene litosfere. Neki od njih postupno prelaze u tlo, neke razvija čovjek za proizvodnju fosfatnih gnojiva, većina ih se izluži i ispere u hidrosferu. Tamo ih koriste fitoplankton i srodni organizmi na različitim trofičkim razinama složenih prehrambenih lanaca.

U Svjetskom oceanu do gubitka fosfata iz biološkog ciklusa dolazi zbog taloženja biljnih i životinjskih ostataka na velikim dubinama. Budući da se fosfor uglavnom kreće iz litosfere u hidrosferu s vodom, on migrira u litosferu biološki (jedući ribu morskih ptica, koristeći bentosne alge i riblje brašno kao gnojivo, itd.).

Od svih elemenata mineralne prehrane biljaka, fosfor se može smatrati nedostatkom.

Ciklus sumpora

Za žive organizme sumpor je od velike važnosti, jer je dio aminokiselina koje sadrže sumpor (cistin, cistein, metionin itd.). Budući da su u sastavu proteina, aminokiseline koje sadrže sumpor održavaju potrebnu trodimenzionalnu strukturu proteinskih molekula.

Biljke apsorbiraju sumpor iz tla samo u oksidiranom obliku, u obliku iona. U biljkama je sumpor reduciran i dio je aminokiselina u obliku sulfhidrilnih (-SH) i disulfidnih (-S-S-) skupina.

Životinje asimiliraju samo smanjeni sumpor, koji je dio organske tvari. Nakon odumiranja biljnih i životinjskih organizama, sumpor se vraća u tlo, gdje, kao rezultat djelovanja brojnih oblika mikroorganizama, prolazi kroz transformacije.

U aerobnim uvjetima neki mikroorganizmi oksidiraju organski sumpor u sulfate. Sulfatni ioni, apsorbirani u korijenu biljaka, ponovno su uključeni u biološki ciklus. Neki sulfati se mogu uključiti u migraciju vode i ukloniti iz tla. U tlima bogatim humusnim tvarima značajna količina sumpora se nalazi u organskim spojevima, što sprječava njegovo ispiranje.

U anaerobnim uvjetima, razgradnjom organskih spojeva sumpora nastaje sumporovodik. Ako se sulfati i organske tvari nalaze u okruženju bez kisika, tada se aktivira aktivnost sulfat-reducirajućih bakterija. Koriste kisik sulfata za oksidaciju organske tvari i tako dobivaju energiju potrebnu za njihovo postojanje.

Bakterije koje reduciraju sulfate česte su u podzemnim vodama, mulju i stajaćoj morskoj vodi. Sumporovodik je otrov za većinu živih organizama, pa se nakuplja u tlu ispunjenom vodom, jezerima, estuarijima itd. značajno smanjuje ili čak potpuno zaustavlja vitalne procese. Takav se fenomen opaža u Crnom moru na dubini ispod 200 m od njegove površine.

Dakle, za stvaranje povoljnog okoliša, potrebno je oksidirati sumporovodik u sulfatne ione, što će uništiti štetni učinak sumporovodika, sumpor će se pretvoriti u oblik dostupan biljkama - u obliku sulfatnih soli. Tu ulogu u prirodi obavlja posebna skupina sumpornih bakterija (bezbojne, zelene, ljubičaste) i tionske bakterije.

Bezbojne sumporne bakterije su kemosintetske: koriste energiju dobivenu oksidacijom sumporovodika kisikom u elementarni sumpor i njegovom daljnjom oksidacijom u sulfate.

Obojene sumporne bakterije su fotosintetski organizmi koji koriste sumporovodik kao donora vodika za smanjenje ugljičnog dioksida.

Nastali elementarni sumpor u zelenim sumpornim bakterijama oslobađa se iz stanica, u ljubičastim bakterijama nakuplja se unutar stanica.

Ukupna reakcija ovog procesa je fotoredukcija:

CO?+ 2H?S svjetlo? (CH2O) + H20 +2S.

Tionske bakterije oksidiraju elementarni sumpor i njegove različite reducirane spojeve u sulfate na račun slobodnog kisika, vraćajući ga natrag u glavni tok biološkog ciklusa.

U procesima biološkog ciklusa, gdje se sumpor pretvara, živi organizmi, posebice mikroorganizmi, imaju veliku ulogu.

Glavni rezervoar sumpora na našem planetu je Svjetski ocean, budući da sulfatni ioni kontinuirano ulaze u njega iz tla. Dio sumpora iz oceana vraća se na kopno kroz atmosferu prema shemi sumporovodik - oksidirajući ga u sumporov dioksid - otapanje potonjeg u kišnici uz stvaranje sumporne kiseline i sulfata - vraćanje sumpora s oborinama u pokrov tla Zemlja.

Ciklus anorganskih kationa

Osim glavnih elemenata koji čine žive organizme (ugljik, kisik, vodik, fosfor i sumpor), vitalni su i mnogi drugi makro- i mikroelementi - anorganski kationi. U vodenim bazenima biljke dobivaju metalne katione koje su im potrebne izravno iz okoliš. Na kopnu, glavni izvor anorganskih kationa je tlo, koje ih je primilo u procesu uništavanja matičnih stijena. U biljkama kationi koje apsorbira korijenski sustav prelaze u lišće i druge organe; neki od njih (magnezij, željezo, bakar i niz drugih) dio su biološki važnih molekula (klorofil, enzimi); drugi, ostajući unutra slobodnom obliku, sudjeluju u održavanju potrebnih koloidnih svojstava stanične protoplazme i obavljaju razne druge funkcije.

Kada živi organizmi umru, anorganski kationi se vraćaju u tlo u procesu mineralizacije organskih tvari. Gubitak ovih komponenti iz tla nastaje kao posljedica ispiranja i uklanjanja kationa metala kišnicom, odbacivanja i uklanjanja organske tvari od strane čovjeka tijekom uzgoja poljoprivrednog bilja, sječe, košnje trave za ishranu stoke itd.

Racionalna primjena mineralna gnojiva, melioracija tla, primjena organskih gnojiva, pravilna poljoprivredna tehnologija pomoći će obnovi i održavanju ravnoteže anorganskih kationa u biocenozama biosfere.

Antropogeno kruženje: kruženje ksenobiotika (živa, olovo, krom)

Čovječanstvo je dio prirode i može postojati samo u stalnoj interakciji s njom.

Postoje sličnosti i proturječnosti između prirodnog i antropogenog kruženja tvari i energije u biosferi.

Prirodni (biogeokemijski) ciklus života ima sljedeće značajke:

• - korištenje sunčeve energije kao izvora života i sve njezine manifestacije temeljene na termodinamičkim zakonima;
• - provodi se bez otpada, t.j. svi proizvodi njegove vitalne aktivnosti mineralizirani su i ponovno uključeni u sljedeći ciklus kruženja tvari. U isto vrijeme, potrošeno, obezvrijeđeno Termalna energija. Tijekom biogeokemijskog ciklusa tvari nastaje otpad, t.j. rezerve u obliku ugljena, nafte, plina i dr mineralni resursi. Za razliku od prirodnog ciklusa bez otpada, antropogeni ciklus svake godine prati porast otpada.

U prirodi nema ništa beskorisno ili štetno, čak i vulkanske erupcije imaju koristi, jer potrebni elementi (na primjer, dušik) ulaze u zrak s vulkanskim plinovima.

Postoji zakon globalnog zatvaranja biogeokemijske cirkulacije u biosferi, koji djeluje u svim fazama njezina razvoja, kao i pravilo za povećanje zatvorenosti biogeokemijske cirkulacije u tijeku sukcesije.

Ljudi igraju veliku ulogu u biogeokemijskom ciklusu, ali u suprotnom smjeru. Čovjek narušava postojeće cikluse supstanci, a time se očituje njegova geološka sila – destruktivna u odnosu na biosferu. Kao rezultat antropogenog djelovanja smanjuje se stupanj izoliranosti biogeokemijskih ciklusa.

Antropogeni ciklus nije ograničen na energiju sunčeve svjetlosti koju hvataju zelene biljke planeta. Čovječanstvo koristi energiju goriva, hidro i nuklearnih elektrana.

Može se tvrditi da je antropogena aktivnost u sadašnjoj fazi ogromna destruktivna sila za biosferu.

Biosfera ima posebno svojstvo - značajnu otpornost na onečišćujuće tvari. Ta se stabilnost temelji na prirodnoj sposobnosti različitih komponenti prirodno okruženje do samopročišćenja i samoiscjeljenja. Ali ne bezgranično. Moguća globalna kriza izazvala je potrebu za izgradnjom matematičkog modela biosfere u cjelini (sustav "Gaia") kako bi se dobile informacije o mogućem stanju biosfere.

Ksenobiotik je tvar strana živim organizmima koja se pojavljuje kao rezultat antropogenih aktivnosti (pesticidi, pripravci kemikalije za kućanstvo i drugi zagađivači) koji mogu uzrokovati poremećaj biotičkih procesa, uklj. bolesti ili smrti. Takvi zagađivači ne podliježu biorazgradnji, već se nakupljaju u trofičkim lancima.

Merkur je vrlo rijedak element. Raspršen je u zemljinoj kori i samo u nekoliko minerala, kao što je cinobar, sadržan je u koncentriranom obliku. Živa je uključena u kruženje tvari u biosferi, migrira u plinovitom stanju i u vodenim otopinama.

U atmosferu ulazi iz hidrosfere tijekom isparavanja, prilikom oslobađanja iz cinobera, s vulkanskim plinovima i plinovima iz termalnih izvora. Dio plinovite žive u atmosferi prelazi u čvrstu fazu i uklanja se iz zraka. Otpalu živu upijaju tla, posebno glina, voda i stijene. U zapaljivim mineralima - nafti i ugljenu - živa sadrži do 1 mg / kg. U vodenoj masi oceana ima oko 1,6 milijardi tona, u sedimentima dna 500 milijardi tona i u planktonu 2 milijuna tona. Godišnje se riječnim vodama s kopna odnese oko 40 tisuća tona, što je 10 puta manje od onoga što u atmosferu dospijeva tijekom isparavanja (400 tisuća tona). Godišnje na kopno padne oko 100 tisuća tona.

Merkur iz prirodna komponenta prirodni okoliš postao je jedna od najopasnijih emisija koje je čovjek stvorio u biosferu za ljudsko zdravlje. Široko se koristi u metalurgiji, kemijskoj, električnoj, elektroničkoj, celulozno-papirnoj i farmaceutskoj industriji te se koristi za proizvodnju eksploziva, lakova i boja, kao i u medicini. Industrijske otpadne vode i atmosferske emisije, uz rudnike žive, postrojenja za proizvodnju žive i termoelektrane (CHP i kotlovnice) na ugljen, naftu i naftne derivate, glavni su izvori onečišćenja biosfere ovom otrovnom komponentom. Osim toga, živa je sastojak organoživih pesticida koji se koriste u poljoprivredi za tretiranje sjemena i zaštitu usjeva od štetnika. U ljudski organizam ulazi s hranom (jaja, kiselo žito, meso životinja i ptica, mlijeko, riba).

Živa u vodi i donjem sedimentu rijeka

Utvrđeno je da je oko 80% žive koja ulazi u prirodna vodna tijela u otopljenom obliku, što u konačnici doprinosi njenom širenju na velike udaljenosti zajedno s vodenim tokovima. Čisti element je netoksičan.

Živa se češće nalazi u pridnenoj muljnoj vodi u relativno bezopasnim koncentracijama. Anorganske spojeve žive pretvaraju u otrovne organske spojeve žive, kao što su metil živa CH?Hg i etil živa C?H?Hg, bakterijama koje žive u detritusu i sedimentu, u donjem mulju jezera i rijeka, u sluzi koja prekriva tijela riba, a također i sluz želuca ribe. Ovi spojevi su lako topljivi, pokretni i vrlo toksični. Kemijska osnova agresivnog djelovanja žive njezin je afinitet prema sumporu, posebice prema skupini sumporovodika u proteinima. Te se molekule vežu za kromosome i moždane stanice. Ribe i školjke mogu ih nakupiti do opasnih razina za osobu koja ih jede, uzrokujući bolest Minamata.

Metalna živa i njezini anorganski spojevi djeluju uglavnom na jetru, bubrege i crijevni trakt, ali se u normalnim uvjetima relativno brzo izlučuju iz tijela i količina opasna za ljudski organizam nema vremena da se akumulira. Metil živa i drugi spojevi alkil žive mnogo su opasniji, jer dolazi do kumulacije – toksin ulazi u tijelo brže nego što se izlučuje iz tijela, djelujući na središnji živčani sustav.

Donji sedimenti važna su karakteristika vodenih ekosustava. Akumuliranjem teških metala, radionuklida i vrlo otrovnih organskih tvari, sedimenti dna, s jedne strane, doprinose samopročišćavanju vodenog okoliša, a s druge strane su stalni izvor sekundarno onečišćenje vodnih tijela. Donji sedimenti obećavajući su objekt analize, koji odražava dugotrajni obrazac onečišćenja (osobito u vodnim tijelima s sporom protokom). Štoviše, akumulacija anorganske žive u donjim sedimentima uočava se osobito u ušćima rijeka. Napeta situacija može nastati kada se iscrpi sposobnost adsorpcije sedimenata (mulj, oborine). Kada se postigne kapacitet adsorpcije, teški metali, uklj. živa će ući u vodu.

Poznato je da u morskim anaerobnim uvjetima u sedimentima mrtvih algi živa veže vodik i prelazi u hlapljive spojeve.

Uz sudjelovanje mikroorganizama, metalna živa se može metilirati u dvije faze:

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

Metil živa se u okolišu pojavljuje praktički samo tijekom metilacije anorganske žive.

Biološki poluživot žive je dug, iznosi 70-80 dana za većinu tkiva ljudskog tijela.

Poznato je da se kontaminacija živom javlja rano u lancu ishrane velika riba npr. sabljarka, tuna. Pritom nije bez interesa primijetiti da se u kamenicama u još većoj mjeri nego u ribi živa nakuplja (akumulira).

Živa ulazi u ljudsko tijelo kroz disanje, s hranom i kroz kožu prema sljedećoj shemi:

Prvo, postoji transformacija žive. Ovaj element se prirodno pojavljuje u nekoliko oblika.

Metalna živa, koja se koristi u termometrima, i njezine anorganske soli (npr. klorid) relativno se brzo eliminiraju iz tijela.

Mnogo otrovniji su spojevi alkil žive, posebice metil i etil živa. Ovi spojevi se vrlo sporo izlučuju iz tijela – samo oko 1% ukupne količine dnevno. Iako većina žive koja ulazi prirodne vode, tamo se nalazi u obliku anorganskih spojeva, u ribi se uvijek ispostavi da je u obliku mnogo otrovne metil žive. Bakterije u donjem mulju jezera i rijeka, u sluzi koja prekriva tijela riba, kao i u sluzi ribljeg želuca, sposobne su pretvoriti anorganske spojeve žive u metil živu.

Drugo, selektivna akumulacija ili biološka akumulacija (koncentracija) podiže sadržaj žive u ribama i školjkama na razine višestruko veće nego u vodi zaljeva. Ribe i školjke koje žive u rijeci akumuliraju metil živu do koncentracija koje su opasne za ljude koji ih koriste za hranu.

% svjetskog ulova ribe sadrži živu u količini koja ne prelazi 0,5 mg/kg, a 95% - ispod 0,3 mg/kg. Gotovo sva živa u ribi je u obliku metil žive.

S obzirom na različitu toksičnost živinih spojeva za čovjeka u prehrambenim proizvodima, potrebno je odrediti anorgansku (ukupnu) i organski vezanu živu. Određujemo samo ukupni sadržaj žive. Prema medicinsko-biološkim zahtjevima, sadržaj žive u slatkovodnim ribama grabežljivicama dopušten je 0,6 mg/kg, u morskoj ribi - 0,4 mg/kg, u slatkovodnoj negrabežljivoj ribi samo 0,3 mg/kg, a u tuni do 0,7 mg. /kg kg U proizvodima dječja hrana sadržaj žive ne smije prelaziti 0,02 mg/kg u mesnim konzervama, 0,15 mg/kg u ribljim konzervama, u ostatku - 0,01 mg/kg.

Olovo je prisutno u gotovo svim komponentama prirodnog okoliša. Sadrži 0,0016% u zemljinoj kori. Prirodna razina olova u atmosferi je 0,0005 mg/m3. Najviše se taloži prašinom, oko 40% pada s atmosferskim oborinama. Biljke dobivaju olovo iz tla, vode i atmosferskih padavina, dok životinje dobivaju olovo iz biljaka i vode. Metal ulazi u ljudsko tijelo s hranom, vodom i prašinom.

Glavni izvori onečišćenja biosfere olovom su benzinski motori, čiji ispušni plinovi sadrže trietil olovo, termoelektrane na ugljen, rudarska, metalurška i kemijska industrija. Značajna količina olova se unosi u tlo zajedno s otpadnom vodom koja se koristi kao gnojivo. Za gašenje zapaljenog reaktora nuklearna elektrana u Černobilu korišteno je i olovo koje je ušlo u zračni bazen i raspršilo se po golemim područjima. S povećanjem onečišćenja okoliša olovom, povećava se njegovo taloženje u kostima, kosi i jetri.

Krom. Najopasniji je otrovni krom (6+), koji se mobilizira u kiselim i alkalnim tlima, u slatkim i morskim vodama. NA morska voda krom je 10 - 20% predstavljen Cr (3+) oblikom, 25 - 40% - Cr (6+), 45 - 65% - organskim oblikom. U području pH 5 - 7 prevladava Cr (3+), a kod pH > 7 - Cr (6+). Poznato je da se Cr (6+) i organski spojevi kroma ne talože zajedno sa željeznim hidroksidom u morskoj vodi.

Prirodni ciklusi tvari su praktički zatvoreni. U prirodnim ekosustavima materija i energija troše se štedljivo, a otpad jednih organizama važan je uvjet za postojanje drugih. Antropogeni ciklus tvari prati velika potrošnja prirodnih resursa i velika količina otpada koji uzrokuje onečišćenje okoliša. Stvaranje čak i najsavršenijih postrojenja za tretman ne rješava problem, stoga je potrebno razviti tehnologije s malo otpada i bez otpada koje omogućuju da se antropogeni ciklus učini što zatvorenijim. Teoretski, moguće je stvoriti tehnologiju bez otpada, ali tehnologije s malo otpada su stvarne.

Prilagodba prirodnim pojavama

Prilagodbe su različite prilagodbe okolini koje su organizmi (od najjednostavnijih do najviših) razvili u procesu evolucije. Sposobnost prilagodbe jedno je od glavnih svojstava živih, pružajući mogućnost njihovog postojanja.

Glavni čimbenici koji razvijaju proces prilagodbe su: nasljednost, varijabilnost, prirodna (i umjetna) selekcija.

Tolerancija se može promijeniti ako tijelo uđe u druge vanjske uvjete. Ulazeći u takve uvjete, nakon nekog vremena, navikava se, takoreći, prilagođava im se (od lat. adaptacija - prilagoditi se). Posljedica toga je promjena odredbi fiziološkog optimuma.

Svojstvo organizama da se prilagode postojanju u određenom nizu okolišnih čimbenika naziva se ekološka plastičnost.

Što je širi raspon ekološkog čimbenika unutar kojeg određeni organizam može živjeti, to je veća njegova ekološka plastičnost. Prema stupnju plastičnosti razlikuju se dvije vrste organizama: stenobiont (stenoeks) i euribiont (euryeks). Dakle, stenobioti su ekološki neplastični (npr. iverak živi samo u slanoj vodi, a karas samo u slatkoj vodi), t.j. kratkotrajni, a euribionti su ekološki plastični, t.j. otporniji su (primjerice, trobodnjak može živjeti iu slatkim i slanim vodama).

Prilagodbe su višedimenzionalne, jer se organizam istovremeno mora prilagoditi mnogim različitim čimbenicima okoliša.

Tri su glavna načina prilagodbe organizama uvjetima okoline: aktivan; pasivno; izbjegavanje štetnih učinaka.

Aktivni put prilagodbe je jačanje otpora, razvoj regulatornih procesa koji omogućuju izvršavanje svih vitalnih funkcija tijela, unatoč odstupanju čimbenika od optimalnog. Na primjer, toplokrvne životinje održavaju stalnu tjelesnu temperaturu - optimalnu za biokemijske procese koji se u njemu odvijaju.

Pasivni put prilagodbe je podređivanje vitalnih funkcija organizama promjenama okolišnih čimbenika. Primjerice, pod nepovoljnim okolišnim uvjetima mnogi organizmi prelaze u stanje anabioze (skrivenog života), u kojem se metabolizam u tijelu praktički zaustavlja (zimsko mirovanje, stupor insekata, hibernacija, spore opstaju u tlu u obliku spora i sjemenke).

Izbjegavanje štetnih učinaka - razvoj prilagodbi, ponašanje organizama (prilagodba), koji pomažu u izbjegavanju nepovoljnih uvjeta. Prilagodbe u ovom slučaju mogu biti: morfološke (mijenja se struktura tijela: modifikacija listova kaktusa), fiziološke (deva si osigurava vlagu zbog oksidacije masnih rezervi), etološka (promjene ponašanja: sezonske seobe ptica, hibernacija zimi).

Živi organizmi su dobro prilagođeni periodičnim čimbenicima. Neperiodični čimbenici mogu uzrokovati bolest, pa čak i smrt organizma (npr. lijekovi, pesticidi). Međutim, kod produljenog izlaganja može doći i do prilagodbe na njih.

Organizmi su se prilagodili dnevnim, sezonskim, plimnim ritmovima, ritmovima solarna aktivnost, mjesečeve faze i druge striktno periodične pojave. Dakle, sezonsku prilagodbu razlikujemo kao sezonskost u prirodi i stanje zimskog mirovanja.

Sezonalnost u prirodi. Vodeća vrijednost za biljke i životinje u prilagodbi organizama je godišnja temperaturna varijacija. Razdoblje povoljno za život, u prosjeku za našu zemlju, traje oko šest mjeseci (proljeće, ljeto). Već prije dolaska stabilnih mrazeva u prirodi počinje razdoblje zimskog mirovanja.

Zimsko mirovanje. Zimsko mirovanje nije samo zastoj u razvoju kao posljedica niske temperature, ali složena fiziološka prilagodba, štoviše, koja se događa samo u određenoj fazi razvoja. Na primjer, malarični komarac i kopriva prezimljuju u stadiju odraslog kukca, kupusnjača u stadiju kukuljice, a ciganska moljac u stadiju jaja.

Bioritmovi. Svaka vrsta u procesu evolucije razvila je karakterističan godišnji ciklus intenzivnog rasta i razvoja, razmnožavanja, pripreme za zimu i zimovanje. Taj se fenomen naziva biološki ritam. Podudarnost svakog razdoblja životnog ciklusa s odgovarajućim godišnjim dobima ključna je za postojanje vrste.

Glavni čimbenik u regulaciji sezonskih ciklusa kod većine biljaka i životinja je promjena duljine dana.

Bioritmovi su:

egzogeni (vanjski) ritmovi (nastaju kao reakcija na periodične promjene u okolišu (promjena dana i noći, godišnja doba, sunčeva aktivnost) endogeni (unutarnji ritmovi) generira samo tijelo

Zauzvrat, endogeni se dijele na:

Fiziološki ritmovi (otkucaji srca, disanje, endokrine žlijezde, DNA, RNA, sinteza proteina, enzimi, dioba stanica, itd.)

Ekološki ritmovi (dnevni, godišnji, plimni, lunarni itd.)

Procesi DNA, RNA, sinteza proteina, dioba stanica, otkucaji srca, disanje itd. imaju ritam. Vanjski utjecaji mogu pomaknuti faze ovih ritmova i promijeniti njihovu amplitudu.

Fiziološki ritmovi variraju ovisno o stanju tijela, dok su okolišni ritmovi stabilniji i odgovaraju vanjskim ritmovima. Uz endogene ritmove tijelo se može kretati u vremenu i unaprijed se pripremati za nadolazeće promjene u okolišu – to je biološki sat tijela. Mnoge žive organizme karakteriziraju cirkadijalni i cirkanski ritmovi.

Cirkadijalni ritmovi (cirkadijanski) - ponavljajući intenziteti i obrasci biološki procesi i događaji u trajanju od 20 do 28 sati. Cirkadijalni ritmovi povezani su s aktivnostima životinja i biljaka tijekom dana i u pravilu ovise o temperaturi i intenzitetu svjetlosti. Primjerice, šišmiši lete u sumrak i odmaraju se danju, mnogi planktonski organizmi noću ostaju na površini vode, a danju se spuštaju u dubinu.

Sezonski biološki ritmovi povezani su s utjecajem svjetlosti – fotoperioda. Reakcija organizama na duljinu dana naziva se fotoperiodizam. Fotoperiodizam je uobičajena važna prilagodba koja u najvećoj mjeri regulira sezonske pojave različitih organizama. Proučavanje fotoperiodizma kod biljaka i životinja pokazalo je da se reakcija organizama na svjetlost temelji na izmjeni razdoblja svjetlosti i tame određenog trajanja tijekom dana. Reakcija organizama (od jednostaničnih do ljudi) na duljinu dana i noći pokazuje da su u stanju mjeriti vrijeme, t.j. imati nekakav biološki sat. Biološki sat, osim sezonskih ciklusa, kontrolira i mnoge druge biološke pojave, određuje ispravan dnevni ritam kako aktivnosti cijelih organizama tako i procesa koji se događaju čak i na razini stanica, posebno stanične diobe.

Univerzalno svojstvo svih živih bića, od virusa i mikroorganizama do više biljke i životinja, je sposobnost davanja mutacija - iznenadnih, prirodnih i umjetno izazvanih, nasljednih promjena u genetskom materijalu, koje dovode do promjene određenih znakova organizma. Mutacijska varijabilnost ne odgovara uvjetima okoline i, u pravilu, remeti postojeće prilagodbe.

Mnogi kukci padaju u dijapauzu (dugi zastoj u razvoju) u određenoj fazi razvoja, što se ne smije miješati sa stanjem mirovanja u nepovoljnim uvjetima. Na reprodukciju mnogih morskih životinja utječu lunarni ritmovi.

Cirkanski (skoro godišnji) ritmovi su ponavljajuće promjene intenziteta i prirode bioloških procesa i pojava u razdoblju od 10 do 13 mjeseci.

Fizičko i psihičko stanje osobe također ima ritmički karakter.

Poremećen ritam rada i odmora smanjuje učinkovitost i štetno utječe na zdravlje ljudi. Stanje osobe u ekstremnim uvjetima ovisit će o stupnju njegove pripremljenosti za te uvjete, budući da praktički nema vremena za prilagodbu i oporavak.

U biosferi postoji globalna (velika ili geološka) cirkulacija tvari, koja je postojala i prije pojave prvih živih organizama. Uključuje široku paletu kemijskih elemenata. Geološki ciklus se odvija zahvaljujući sunčevoj, gravitacijskoj, tektonskoj i kozmičkoj vrsti energije.

Pojavom žive tvari, na temelju geološkog ciklusa, nastao je ciklus organske tvari – mali (biotički, odnosno biološki) ciklus.

Biotički ciklus tvari je kontinuirani, ciklički, vremenski i prostorno neravnomjerni proces kretanja i pretvorbe tvari koji se događa uz izravno sudjelovanje živih organizama. To je kontinuirani proces stvaranja i uništavanja organske tvari i provodi se uz sudjelovanje sve tri skupine organizama: proizvođača, potrošača i razlagača. Oko 40 biogenih elemenata uključeno je u biotičke cikluse. Ciklusi ugljika, vodika, kisika, dušika, fosfora, sumpora, željeza, kalija, kalcija i magnezija od najveće su važnosti za žive organizme.

Kako se živa tvar razvija, sve više elemenata se neprestano izdvaja iz geološkog ciklusa i ulazi u novi, biološki ciklus. Totalna tezina tvari pepela, uključenih godišnje u biotički ciklus tvari samo na kopnu, iznosi oko 8 milijardi tona. To je nekoliko puta veća masa proizvoda erupcije svih vulkana na svijetu tijekom cijele godine. Brzina kruženja materije u biosferi je različita. Živa tvar biosfere ažurira se u prosjeku 8 godina, masa fitoplanktona u oceanu se ažurira svakodnevno. Sav kisik biosfere prolazi kroz živu tvar za 2000 godina, a ugljični dioksid - za 300 godina.

Lokalni biotički ciklusi provode se u ekosustavima, a biogeokemijski ciklusi atomske migracije provode se u biosferi, koji ne samo da povezuju sve tri vanjske ljuske planeta u jedinstvenu cjelinu, već i određuju kontinuiranu evoluciju njegova sastava.

ATMOSFERA HIDROSFERA

­ ¯ ­ ¯

ŽIVA TVAR

TLO

Evolucija biosfere

Biosfera se pojavila rođenjem prvih živih organizama prije oko 3,5 milijardi godina. Tijekom razvoja života to se mijenjalo. Faze evolucije biosfere mogu se razlikovati uzimajući u obzir karakteristike vrste ekosustava.

1. Nastanak i razvoj života u vodi. Stadij je povezan s postojanjem vodenih ekosustava. U atmosferi nije bilo kisika.

2. Pojava živih organizama na kopnu, razvoj kopneno-zračnog okoliša i tla, te nastanak kopnenih ekosustava. To je postalo moguće zbog pojave kisika u atmosferi i ozonskog zaslona. To se dogodilo prije 2,5 milijarde godina.

3. Pojava čovjeka, njegova transformacija u biosocijalno biće i nastanak antropoekosustava dogodili su se prije 1 milijun godina.

4. Prijelaz biosfere pod utjecajem inteligentne ljudske aktivnosti u novo kvalitativno stanje – u noosferu.

Noosfera

Najviša faza u razvoju biosfere je noosfera – stupanj razumne regulacije odnosa čovjeka i prirode. Ovaj termin je 1927. uveo francuski filozof E. Leroy. Vjerovao je da noosfera uključuje ljudsko društvo sa svojom industrijom, jezikom i drugim atributima inteligentne aktivnosti. U 30-40-im godinama. XX. stoljeće V.I. Vernadsky je razvio materijalističke ideje o noosferi. Vjerovao je da noosfera nastaje kao rezultat interakcije biosfere i društva, da je kontrolirana bliskim odnosom između zakona prirode, mišljenja i društveno-ekonomskih zakona društva, te je naglasio da

noosfera (sfera uma) - faza razvoja biosfere, kada će inteligentna aktivnost ljudi postati glavni odlučujući čimbenik u njegovom održivom razvoju.

Noosfera je nova, viša faza biosfere, povezana s nastankom i razvojem čovječanstva u njoj, koja, poznavajući prirodne zakone i usavršavajući tehnologiju, postaje najveća sila usporediva po mjerilima s geološkim i počinje imati odlučujući utjecaj na tijek procesa na Zemlji, duboko ga mijenjajući svojim radom. Nastanak i razvoj čovječanstva izrazio se u nastanku novih oblika razmjene materije i energije između društva i prirode, u sve većem utjecaju čovjeka na biosferu. Noosfera će doći kada će čovječanstvo, uz pomoć znanosti, moći smisleno upravljati prirodnim i društvenim procesima. Stoga se noosfera ne može smatrati posebnom ljuskom Zemlje.

Znanost o upravljanju odnosom između ljudskog društva i prirode naziva se noogenika.

Glavni cilj noogenike je planiranje sadašnjosti radi budućnosti, a njezini glavni zadaci su ispravljanje povreda u odnosu čovjeka i prirode uzrokovanih napretkom tehnologije, svjesna kontrola evolucije biosfere. . Trebalo bi oblikovati plansko, znanstveno utemeljeno korištenje prirodnih resursa koje bi omogućilo vraćanje u promet tvari onoga što je čovjek narušio, nasuprot spontanom, grabežljivom odnosu prema prirodi koji vodi degradaciji okoliša. To zahtijeva održivi razvoj društva koje zadovoljava potrebe sadašnjosti bez ugrožavanja sposobnosti budućih generacija da zadovolje vlastite potrebe.

Trenutno je planet formiran biotehnosfera - dio biosfere, koji je čovjek radikalno transformirao u inženjerske strukture: gradove, tvornice i tvornice, kamenolome i rudnike, ceste, brane i rezervoare itd.

BIOSFERA I ČOVJEK

Biosfera za čovjeka je i stanište i izvor prirodnih resursa.

Prirodni resursi – prirodnih predmeta i pojava koje osoba koristi u procesu rada. Oni ljudima pružaju hranu, odjeću, sklonište. Prema stupnju iscrpljenosti dijele se na iscrpna i neiscrpna . Iscrpljujući resursi se dijele na obnovljivi i neobnovljivi . Neobnovljivi resursi uključuju one resurse koji se ne oživljavaju (ili se obnavljaju stotine puta sporije nego što se troše): nafta, ugljen, rude metala i većina minerala. Obnovljivi prirodni resursi - tlo, flora i fauna, minerali (kuhinjska sol). Ti se resursi neprestano obnavljaju različitim brzinama: životinje - nekoliko godina, šume - 60-80 godina, tla koja su izgubila svoju plodnost - nekoliko tisućljeća. Prekoračenje stope potrošnje u odnosu na stopu reprodukcije dovodi do potpunog nestanka resursa.

Neiscrpan resursi uključuju vodu, klimu ( atmosferski zrak i energija vjetra) i prostor: solarno zračenje, energija morske plime. Međutim, rastuće onečišćenje okoliša zahtijeva provedbu ekoloških mjera za očuvanje tih resursa.

Zadovoljstvo ljudske potrebe nezamislivo bez iskorištavanja prirodnih resursa.

Sve vrste ljudske aktivnosti u biosferi mogu se kombinirati u četiri oblika.

1. Promjena strukture Zemljina površina (oranje, isušivanje vodnih tijela, krčenje šuma, izgradnja kanala). Čovječanstvo postaje moćna geološka sila. Čovjek koristi 75% zemlje, 15% riječnih voda, 20 hektara šuma se posječe svake minute.

· Geološke i geomorfološke promjene - intenziviranje formiranja jaruga, pojava i učestalost muljnih tokova i klizišta.

· Složene (krajolike) promjene - kršenje cjelovitosti i prirodne strukture krajolika, jedinstvenost prirodnih spomenika, gubitak produktivnog zemljišta, dezertifikacija.

Sve tvari na našem planetu su u procesu cirkulacije. Sunčeva energija uzrokuje dva ciklusa tvari na Zemlji, veliki ili biosferski (koji pokriva cijelu biosferu) i mali ili biološki (unutar ekosustava).

Biosferskom kruženju tvari prethodio je geološki, povezan s nastankom i uništavanjem stijena i kasnijim kretanjem produkata razaranja - detritnog materijala i kemijskih elemenata. Značajnu ulogu u tim procesima igrala su i igraju toplinska svojstva površine kopna i vode: apsorpcija u refleksiju sunčeve zrake, toplinska vodljivost prema toplinskom kapacitetu. Voda apsorbira više sunčeve energije, a površina kopna na istim geografskim širinama se više zagrijava. Nestabilan hidrotermalni režim Zemljine površine, zajedno s planetarnim atmosferskim cirkulacijskim sustavom, odredio je geološku cirkulaciju tvari, koja je u početnoj fazi razvoja Zemlje, uz endogene procese, bila povezana s formiranjem kontinenata, oceana i suvremenih geosfere. O njegovoj geološkoj manifestaciji svjedoči i prijenos produkata vremenskih uvjeta zračnim masama, te vodom - mineralnih spojeva otopljenih u njoj. S formiranjem biosfere, proizvodi vitalne aktivnosti organizama uključeni su u veliki ciklus. Geološki ciklus, bez prestanka svog postojanja, dobio je nova obilježja: to je početna faza biosferskog kretanja materije. On je taj koji opskrbljuje žive organizme hranjivim tvarima i uvelike određuje uvjete za njihovo postojanje.

Veliku cirkulaciju tvari u biosferi karakteriziraju dvije važne točke:

Provodi se kroz cjelokupni geološki razvoj Zemlje;

To je suvremeni planetarni proces koji ima vodeću ulogu u daljnjem razvoju biosfere (Radkevich, 1983).

U današnjem stupnju ljudskog razvoja, kao rezultat velike cirkulacije, zagađivači kao što su oksidi sumpora i dušika, prašina i radioaktivne nečistoće također se prenose na velike udaljenosti. Područje umjerenih geografskih širina sjeverne hemisfere bilo je podvrgnuto najvećem zagađenju.

Mala ili biološka cirkulacija tvari odvija se na pozadini velike, geološke, pokrivajući biosferu u cjelini. Javlja se unutar ekosustava, ali nije zatvorena, što je povezano s ulaskom tvari i energije u ekosustav izvana te s oslobađanjem dijela njih u biosferni ciklus. Zbog toga se ponekad ne govori o biološkom ciklusu, već o razmjeni energije u ekosustavima i pojedinačnim organizmima.

Biljke, životinje i pokrivač tla na kopnu čine kompleks svjetski sustav, koji tvori biomasu, veže i redistribuira sunčevu energiju, atmosferski ugljik, vlagu, kisik, vodik, dušik, fosfor, sumpor, kalcij i druge elemente uključene u život organizama. Biljke, životinje i mikroorganizmi vodenog okoliša tvore drugi planetarni sustav koji obavlja istu funkciju vezanja sunčeve energije i biološkog ciklusa tvari.

Bit biološkog ciklusa je tijek dvaju suprotnih, ali međusobno povezanih procesa - stvaranja organske tvari i njezinog uništavanja. Početna faza nastanka organske tvari je posljedica fotosinteze zelenih biljaka, t.j. stvaranje ove tvari iz ugljičnog dioksida, vode i mineralnih spojeva korištenjem zračeće energije sunca. Biljke iz tla izvlače sumpor, fosfor, kalcij, kalij, magnezij, mangan, silicij, aluminij, bakar, cink i druge elemente u otopljenom obliku. Biljojedi životinje već apsorbiraju spojeve ovih elemenata u obliku hrane biljnog podrijetla. Grabežljivci se hrane biljojedima, konzumiraju hranu složenijeg sastava, uključujući bjelančevine, masti, aminokiseline itd. U procesu uništavanja organske tvari mrtvih biljaka i životinjskih ostataka mikroorganizmima ulaze jednostavni mineralni spojevi dostupni biljkama za asimilaciju. tlo i vodeni okoliš, a sljedeći krug započinje biološki ciklus.

Za razliku od velikog ciklusa, mali ima drugačije trajanje: razlikuju se sezonski, godišnji, višegodišnji i sekularni mali ciklusi. Pri proučavanju biološkog ciklusa tvari glavna se pozornost posvećuje godišnjem ritmu, određenom godišnjom dinamikom razvoja vegetacijskog pokrova.

Stranica 1

Veliki geološki ciklus uključuje sedimentne stijene duboko u zemljinu koru, dugo vremena isključujući elemente sadržane u njima iz sustava biološkog ciklusa. Tijekom geološke povijesti, transformirane sedimentne stijene, ponovno na površini Zemlje, postupno se uništavaju djelovanjem živih organizama, vode i zraka, te se ponovno uključuju u ciklus biosfere.

Veliki geološki ciklus događa se tijekom stotina tisuća ili milijuna godina. Sastoji se u sljedećem: stijene se uništavaju, troše i na kraju ispiru vodenim tokovima u oceane. Ovdje se talože na dnu, tvoreći sedimentne stijene, a samo se djelomično vraćaju na kopno s organizmima koje su ljudi ili druge životinje uklonili iz vode.

U središtu velikog geološkog ciklusa je proces prijenosa mineralnih spojeva s jednog mjesta na drugo na planetarnoj razini bez sudjelovanja žive tvari.

Osim male cirkulacije, postoji i velika, geološka cirkulacija. Neke od tvari ulaze u duboke slojeve Zemlje (kroz donje sedimente mora ili na drugi način), gdje se odvijaju spore transformacije s stvaranjem različitih spojeva, mineralnih i organskih. Procese geološkog ciklusa podupire uglavnom unutarnja energija Zemlje, njezina aktivna jezgra. Ista energija pridonosi oslobađanju tvari na površinu Zemlje. Tako se zatvara velika cirkulacija tvari. Za to su potrebni milijuni godina.

Što se tiče brzine i intenziteta velike geološke cirkulacije tvari, za sada, koliko god se točni podaci mogli dati, postoje samo približne procjene, i to samo za egzogenu komponentu općeg ciklusa, t.j. ne uzimajući u obzir dotok materije iz plašta u zemljinu koru.

Ovaj ugljik sudjeluje u velikom geološkom ciklusu. Taj ugljik, u procesu malog biotičkog ciklusa, održava ravnotežu plinova biosfere i života općenito.

Doprinos biosferskih i tehnosferskih komponenti velikom geološkom ciklusu Zemljinih tvari je vrlo značajan: postoji konstantan progresivni rast tehnosferskih komponenti zbog širenja sfere ljudske proizvodne aktivnosti.

Budući da je glavni tehnobiogeokemijski tok na zemljinoj površini usmjeren u okviru velike geološke cirkulacije tvari za 70% kopna u ocean, a za 30% - u zatvorene bezodvodne depresije, ali uvijek od viših ka nižim kotama, kao rezultat djelovanja gravitacijskih sila, odnosno diferencijacije materije zemljine kore od visokih do niskih nadmorskih visina, od kopna do oceana. Obrnuti tokovi (atmosferski transport, ljudska aktivnost, tektonska kretanja, vulkanizam, migracija organizama) donekle kompliciraju ovo opće kretanje tvari prema dolje, stvarajući lokalne cikluse migracije, ali ga općenito ne mijenjaju.

Kruženje vode između kopna i oceana kroz atmosferu odnosi se na veliki geološki ciklus. Voda isparava s površine oceana i ili se prenosi na kopno, gdje pada u obliku oborina, koje se opet vraćaju u ocean u obliku površinskog i podzemnog otjecanja, ili pada kao oborina na površinu oceana. U kruženju vode na Zemlji svake godine sudjeluje više od 500 tisuća km3 vode. Vodeni ciklus u cjelini igra veliku ulogu u oblikovanju prirodnih uvjeta na našem planetu. Uzimajući u obzir transpiraciju vode od strane biljaka i njezinu apsorpciju u biogeokemijskom ciklusu, cjelokupna zaliha vode na Zemlji propada i obnavlja se za 2 milijuna godina.

Prema njegovoj formulaciji, biološki ciklus tvari razvija se na dijelu putanje velikog, geološkog ciklusa tvari u prirodi.

Prijevoz tvari po površini i podzemne vode- ovo je glavni čimbenik u smislu diferencijacije zemljišta globus geokemijski, ali ne i jedini, a ako govorimo o velikom geološkom kruženju tvari na površini zemlje u cjelini, onda tokovi igraju vrlo značajnu ulogu u tome, posebice oceanski i atmosferski transport.

Što se tiče brzine i intenziteta velike geološke cirkulacije tvari, trenutno je nemoguće dati točne podatke, postoje samo približne procjene, i to samo za egzogenu komponentu općeg ciklusa, t.j. ne uzimajući u obzir dotok materije iz plašta u zemljinu koru. Egzogeni sastavni dio velike geološke cirkulacije tvari je proces denudacije zemljine površine koji je u tijeku.