Veľký kolobeh látok v prírode v dôsledku interakcie slnečnej energie s hlbokou energiou Zeme a prerozdeľuje hmotu medzi biosféru a hlbšie horizonty Zeme.

Sedimentárne skaly, vzniknuté v dôsledku zvetrávania vyvrelých hornín, sa v mobilných zónach zemskej kôry opäť ponárajú do zóny vysokých teplôt a tlakov. Tam sa roztavia a tvoria magmu - zdroj nových vyvrelých hornín. Po výstupe týchto hornín na zemský povrch a pôsobení zvetrávacích procesov sa opäť premieňajú na nové sedimentárne horniny. Nový cyklus obehu presne neopakuje ten starý, ale zavádza niečo nové, čo časom vedie k veľmi významným zmenám.

hnacia sila veľký (geologický) obeh sú exogénne a endogénne geologické procesy.

Endogénne procesy(procesy vnútornej dynamiky) sa vyskytujú pod vplyvom vnútornej energie Zeme, ktorá sa uvoľňuje v dôsledku rádioaktívneho rozpadu, chemických reakcií tvorby minerálov, kryštalizácie hornín a pod. (napr. tektonické pohyby zemetrasenia, magmatizmus, metamorfizmus).

Exogénne procesy(procesy vonkajšia dynamika) prúdi pod vplyvom vonkajšej energie Slnka. Príklady: zvetrávanie hornín a minerálov, odstraňovanie produktov deštrukcie z niektorých oblastí zemskej kôry a ich presun do nových oblastí, ukladanie a hromadenie produktov deštrukcie s tvorbou sedimentárnych hornín. Do Ex.pr. vzťah geologická aktivita atmosféry, hydrosféry, ako aj živých organizmov a ľudí.

Najväčšie tvary terénu (kontinenty a oceánske zníženiny) a veľké tvary (hory a roviny) sa vytvorili v dôsledku endogénnych procesov, zatiaľ čo stredné a malé tvary (údolia riek, kopce, rokliny, duny atď.), ktoré sa prekrývajú s väčšími tvarmi terénu, sa vytvorili v dôsledku exogénnych procesov. Endogénne a exogénne procesy sú teda opačné. Prvé vedú k vzniku veľkých terénnych útvarov, druhé k ich vyhladzovaniu.

Príklady geologického cyklu. Vyvreté horniny sa v dôsledku zvetrávania premieňajú na sedimentárne horniny. V mobilných zónach zemskej kôry sa ponárajú do hlbín Zeme. Tam sa vplyvom vysokých teplôt a tlakov topia a vytvárajú magmu, ktorá stúpa na povrch a tuhne a vytvára vyvreliny.

Príkladom veľkého cyklu je cirkulácia vody medzi pevninou a oceánom cez atmosféru (obr. 2.1).

Ryža. 2.1. Všeobecne akceptovaná schéma hydrologickej (klimatickej)

kolobeh vody v prírode

Vlhkosť vyparená z povrchu oceánov (ktorá spotrebuje takmer polovicu slnečnej energie prichádzajúcej na povrch Zeme) sa prenáša na pevninu, kde padá vo forme zrážok, ktoré sa opäť vracajú do oceánu vo forme povrchovej a podzemnej odtok. Kolobeh vody prebieha aj podľa jednoduchšej schémy: odparovanie vlhkosti z povrchu oceánu – kondenzácia vodnej pary – zrážky na tej istej vodnej ploche oceánu.

Vodný cyklus ako celok zohráva hlavnú úlohu pri formovaní prírodné podmienky na našej planéte. Ak vezmeme do úvahy transpiráciu vody rastlinami a jej absorpciu v biogeochemickom cykle, celá zásoba vody na Zemi sa rozpadne a obnoví sa za 2 milióny rokov.

Geologická cirkulácia látok teda prebieha bez účasti živých organizmov a prerozdeľuje hmotu medzi biosféru a hlbšie vrstvy Zeme.

Veľké (geologické) a malé (biogeochemické) cykly hmoty

Všetky látky na našej planéte sú v procese obehu. Slnečná energia spôsobuje na Zemi dva cykly hmoty:

Veľké (geologické alebo abiotické);

Malé (biotické, biogénne alebo biologické).

Cykly hmoty a toky kozmickej energie vytvárajú stabilitu biosféry. Kolobeh tuhej hmoty a vody, ku ktorému dochádza v dôsledku pôsobenia abiotické faktory(neživá príroda), sa nazýva veľký geologický cyklus. Pri veľkom geologickom cykle (plynú milióny rokov) sa horniny ničia, zvetrávajú, látky sa rozpúšťajú a vstupujú do Svetového oceánu; prebiehajú geotektonické zmeny, potápanie kontinentov, stúpanie morského dna. Doba cyklu vody v ľadovcoch je 8 000 rokov, v riekach - 11 dní. Práve veľká cirkulácia zásobuje živé organizmy živinami a do značnej miery určuje podmienky ich existencie.

Veľký, geologický cyklus v biosfére charakterizujú dva dôležité body: kyslík uhlík geologický

• a) sa vykonáva počas celého geologického vývoja Zeme;
• b) je moderný planetárny proces, ktorý zohráva vedúcu úlohu v ďalšom rozvoji biosféry.

V súčasnom štádiu vývoja človeka sa v dôsledku veľkej cirkulácie prenášajú aj škodliviny na veľké vzdialenosti - oxidy síry a dusíka, prach, rádioaktívne nečistoty. Územia miernych zemepisných šírok severnej pologule boli vystavené najväčšiemu znečisteniu.

Malý, biogénny alebo biologický obeh látok prebieha v pevnej, kvapalnej a plynnej fáze za účasti živých organizmov. Biologický cyklus si na rozdiel od geologického cyklu vyžaduje menej energie. Malý cyklus je súčasťou veľkého, prebieha na úrovni biogeocenóz (v rámci ekosystémov) a spočíva v tom, že živiny pôdy, vody, uhlíka sa hromadia v látke rastlín, vynakladajú sa na stavbu tela. Produkty rozkladu organickej hmoty sa rozkladajú na minerálne zložky. Malý cyklus nie je uzavretý, čo súvisí so vstupom látok a energie do ekosystému zvonku a s uvoľnením časti z nich do biosférického cyklu.

Mnohí sú zapojení do veľkých a malých cyklov. chemické prvky a ich zlúčeniny, ale najdôležitejšie z nich sú tie, ktoré určujú súčasnú fázu vývoja biosféry, spojenú s ekonomickou činnosťou človeka. Patria sem cykly uhlíka, síry a dusíka (ich oxidy sú hlavnými znečisťujúcimi látkami atmosféry), ako aj fosforu (fosfáty sú hlavným znečisťovateľom kontinentálnych vôd). Takmer všetky znečisťujúce látky pôsobia ako škodlivé a sú klasifikované ako xenobiotiká. V súčasnosti majú veľký význam cykly xenobiotík - toxických prvkov - ortuti (kontaminant potravín) a olova (zložka benzínu). Okrem toho sa do malého obehu z veľkého obehu dostávajú mnohé látky antropogénneho pôvodu (DDT, pesticídy, rádionuklidy a pod.), ktoré poškodzujú biotu a ľudské zdravie.

Podstatou biologického cyklu je prúdenie dvoch protikladných, ale vzájomne súvisiacich procesov – tvorby organickej hmoty a jej ničenia živou hmotou.

Na rozdiel od veľkého cyklu, malý má iné trvanie: rozlišujú sa sezónne, ročné, celoročné a sekulárne malé cykly. Obeh chemických látok z anorganického prostredia cez vegetáciu a živočíchy späť do anorganického prostredia pomocou slnečnej energie chemické reakcie sa nazývajú biogeochemický cyklus.

Súčasnosť a budúcnosť našej planéty závisí od účasti živých organizmov na fungovaní biosféry. Živá hmota alebo biomasa v obehu látok plní biogeochemické funkcie: plynové, koncentračné, redoxné a biochemické.

Biologický cyklus prebieha za účasti živých organizmov a spočíva v rozmnožovaní organickej hmoty z anorganickej a rozklade tejto organickej na anorganickú prostredníctvom potravinového trofického reťazca. Intenzita produkčných a deštrukčných procesov v biologickom cykle závisí od množstva tepla a vlhkosti. Napríklad nízka rýchlosť rozkladu organickej hmoty v polárnych oblastiach závisí od deficitu tepla.

Dôležitým ukazovateľom intenzity biologického cyklu je rýchlosť cirkulácie chemických prvkov. Intenzita je charakterizovaná indexom rovným pomeru hmotnosti lesnej podstielky k podstielke. Čím vyšší je index, tým nižšia je intenzita cyklu.

Index v ihličnaté lesy- 10 - 17; širokolisté 3 - 4; savana nie viac ako 0,2; vlhké tropické lesy nie viac ako 0,1, t.j. tu je biologický cyklus najintenzívnejší.

Tok prvkov (dusík, fosfor, síra) cez mikroorganizmy je rádovo vyšší ako cez rastliny a živočíchy. Biologický cyklus nie je úplne reverzibilný, úzko súvisí s biogeochemickým cyklom. Chemické prvky cirkulujú v biosfére rôznymi dráhami biologického cyklu:

• - absorbovaný živou hmotou a nabitý energiou;
• - opúšťajú živú hmotu, uvoľňujú energiu do vonkajšieho prostredia.

Tieto cykly sú dvoch typov: cirkulácia plynných látok; sedimentačný cyklus (rezerva v zemskej kôre).

Samotné cykly pozostávajú z dvoch častí:

• - rezervný fond (ide o časť látky, ktorá nie je spojená so živými organizmami);
• - mobilný (výmenný) fond (menšia časť látky spojená s priamou výmenou medzi organizmami a ich bezprostredným prostredím).

Cykly sa delia na:

• - cykly typ plynu s rezervným fondom v zemskej kôre (cykly uhlíka, kyslíka, dusíka) - schopné rýchlej samoregulácie;
• - sedimentačné cykly s rezervným fondom v zemskej kôre (obehy fosforu, vápnika, železa a pod.) - sú inertnejšie, prevažná časť látky je vo forme "neprístupnej" pre živé organizmy.

Cykly možno rozdeliť aj na:

• - uzavreté (cirkulácia plynných látok, napríklad kyslíka, uhlíka a dusíka - rezerva v atmosfére a hydrosfére oceánu, takže nedostatok je rýchlo kompenzovaný);
• - otvorený (tvorba rezervného fondu v zemskej kôre napr. fosfor - preto sa straty kompenzujú slabo, t.j. vzniká deficit).

Energetickým základom existencie biologických cyklov na Zemi a ich prvotným prepojením je proces fotosyntézy. Každý nový cyklus obehu nie je presným opakovaním predchádzajúceho. Napríklad počas evolúcie biosféry boli niektoré procesy nezvratné, čo malo za následok vznik a akumuláciu biogénnych zrážok, zvýšenie množstva kyslíka v atmosfére, zmenu kvantitatívnych pomerov izotopov mnohých prvky atď.

Obeh látok sa bežne nazýva biogeochemické cykly. Hlavné biogeochemické (biosférické) kolobehy látok: kolobeh vody, kolobeh kyslíka, kolobeh dusíka (účasť baktérií viažucich dusík), kolobeh uhlíka (účasť aeróbnych baktérií; ročne sa do geologického prostredia vypustí asi 130 ton uhlíka). cyklus), cyklus fosforu (účasť pôdnych baktérií; ročne sa z oceánov vyplaví 14 miliónov ton fosforu), cyklus síry, cyklus katiónov kovov.

Vodný cyklus

Kolobeh vody je uzavretý kolobeh, ktorý možno vykonávať, ako už bolo spomenuté vyššie, aj v neprítomnosti života, ale živé organizmy ho modifikujú.

Cyklus je založený na princípe, že celkový výpar je kompenzovaný zrážkami. Pre planétu ako celok sa vyparovanie a zrážky navzájom vyrovnávajú. Zároveň sa z oceánu vyparí viac vody, ako sa vráti so zrážkami. Naopak, na súši spadne viac zrážok, ale prebytok steká do jazier a riek a odtiaľ opäť do oceánu. Rovnováhu vlhkosti medzi kontinentmi a oceánmi udržiava riečny odtok.

Globálny hydrologický cyklus má teda štyri hlavné toky: zrážky, vyparovanie, prenos vlhkosti a transpirácia.

Voda – najbežnejšia látka v biosfére – slúži nielen ako biotop pre mnohé organizmy, ale aj je neoddeliteľnou súčasťou telá všetkých živých bytostí. Napriek obrovskému významu vody vo všetkých životných procesoch prebiehajúcich v biosfére, živá hmota nehrá rozhodujúcu úlohu vo veľkom kolobehu vody na zemeguli. Hnacou silou tohto cyklu je energia slnka, ktorá sa vynakladá na vyparovanie vody z povrchu vodných nádrží alebo pôdy. Vyparená vlhkosť kondenzuje v atmosfére vo forme vetrom unášaných oblakov; Keď sa mraky ochladzujú, zrážky klesajú.

Celkové množstvo voľnej neviazanej vody (podiel oceánov a morí s tekutou slanou vodou) predstavuje 86 až 98 %. Zvyšok vody ( sladká voda) je uložený v polárnych čiapkach a ľadovcoch a tvorí vodné nádrže a ich podzemné vody. Zrážky, ktoré padajú na povrch pôdy pokrytý vegetáciou, sú čiastočne zadržiavané povrchom listov a následne sa odparujú do atmosféry. Vlhkosť, ktorá sa dostane do pôdy, sa môže pripojiť k povrchovému odtoku alebo môže byť absorbovaná pôdou. Prebytočný sediment, ktorý je úplne absorbovaný pôdou (závisí to od typu pôdy, vlastností hornín a vegetačného krytu), môže preniknúť hlboko do podzemnej vody. Ak množstvo zrážok presiahne vodnú kapacitu vrchných vrstiev pôdy, začína sa povrchový odtok, ktorého rýchlosť závisí od stavu pôdy, strmosti svahu, dĺžky zrážok a charakteru vegetácie ( vegetácia môže chrániť pôdu pred vodnou eróziou). Voda zachytená v pôde sa môže z jej povrchu vypariť alebo po absorpcii koreňmi rastlín transpirovať (vypariť sa) cez listy do atmosféry.

Transpiračné prúdenie vody (pôda - korene rastlín - listy - atmosféra) je hlavnou cestou vody cez živú hmotu v jej veľkom obehu na našej planéte.

Cyklus uhlíka

Celá škála organických látok, biochemických procesov a foriem života na Zemi závisí od vlastností a charakteristík uhlíka. Obsah uhlíka vo väčšine živých organizmov je asi 45 % ich suchej biomasy. Všetka živá hmota planéty je zapojená do kolobehu organickej hmoty a všetok uhlík Zeme, ktorý nepretržite vzniká, mutuje, odumiera, rozkladá sa a v tomto poradí sa uhlík prenáša z jednej organickej látky na stavbu ďalšej. potravinový reťazec. Okrem toho všetky živé veci dýchajú a uvoľňujú oxid uhličitý.

Cyklus uhlíka na súši. Cyklus uhlíka je udržiavaný prostredníctvom fotosyntézy prízemné rastliny a oceánsky fytoplanktón. Absorbovaním oxidu uhličitého (fixáciou anorganického uhlíka) rastliny využívajú energiu na slnečné svetlo premieňajú ho na organické zlúčeniny – vytvárajú si vlastnú biomasu. V noci rastliny, rovnako ako všetky živé veci, dýchajú a uvoľňujú oxid uhličitý.

Mŕtve rastliny, mŕtvoly a exkrementy zvierat slúžia ako potrava pre početné heterotrofné organizmy (živočíchy, saprofytické rastliny, huby, mikroorganizmy). Všetky tieto organizmy žijú prevažne v pôde a pri svojej životnej činnosti si vytvárajú vlastnú biomasu, ktorej súčasťou je organický uhlík. Tiež uvoľňujú oxid uhličitý, čím vytvárajú "dýchanie pôdy". Odumretá organická hmota sa často úplne nerozloží a v pôdach sa hromadí humus (humus), ktorý zohráva dôležitú úlohu pri úrodnosti pôdy. Stupeň mineralizácie a humifikácie organických látok závisí od mnohých faktorov: vlhkosti, teploty, fyzikálnych vlastností pôdy, zloženia organických zvyškov atď. Pôsobením baktérií a húb sa humus môže rozložiť na oxid uhličitý a minerálne zlúčeniny.

Cyklus uhlíka v oceánoch. Cyklus uhlíka v oceáne je iný ako na súši. V oceáne je slabým článkom organizmov vyšších trofických úrovní, a teda všetkých článkov uhlíkového cyklu. Čas prechodu uhlíka cez trofické spojenie oceánu je krátky a množstvo uvoľneného oxidu uhličitého je zanedbateľné.

Oceán zohráva úlohu hlavného regulátora obsahu oxidu uhličitého v atmosfére. Medzi oceánom a atmosférou prebieha intenzívna výmena oxidu uhličitého. Oceánske vody majú veľkú rozpúšťaciu schopnosť a vyrovnávaciu kapacitu. Systém pozostávajúci z kyseliny uhličitej a jej solí (uhličitanov) je akýmsi zásobníkom oxidu uhličitého, spojeným s atmosférou difúziou CO? z vody do atmosféry a naopak.

V oceáne počas dňa intenzívne prebieha fotosyntéza fytoplanktónu, pričom voľný oxid uhličitý sa intenzívne spotrebúva, uhličitany slúžia ako doplnkový zdroj jeho tvorby. V noci, so zvýšením obsahu voľnej kyseliny v dôsledku dýchania zvierat a rastlín, jej významná časť opäť vstupuje do zloženia uhličitanov. Prebiehajúce procesy idú nasledujúcimi smermi: živá hmota? CO?? H?CO?? Sa (NSO?)?? CaCO?.

V prírode určité množstvo organickej hmoty neprechádza mineralizáciou v dôsledku nedostatku kyslíka, vysokej kyslosti prostredia, špecifických podmienok pochovávania a pod. Časť uhlíka opúšťa biologický cyklus vo forme anorganických (vápenec, krieda, koraly) a organických (bridlice, ropa, uhlie) ložísk.

Ľudská činnosť výrazne mení uhlíkový cyklus na našej planéte. Menia sa krajiny, vegetačné typy, biocenózy a ich potravinové reťazce, rozsiahle plochy zemského povrchu sa odvodňujú alebo zavlažovajú, úrodnosť pôdy sa zlepšuje (alebo sa zhoršuje), používajú sa hnojivá a pesticídy atď. Najnebezpečnejšie je uvoľňovanie oxidu uhličitého do atmosféry v dôsledku spaľovania paliva. To zvyšuje rýchlosť uhlíkového cyklu a skracuje jeho cyklus.

Kyslíkový cyklus

Kyslík je predpokladom existenciu života na zemi. Je súčasťou takmer všetkých biologických zlúčenín, podieľa sa na bio chemické reakcie oxidácia organických látok, ktoré poskytujú energiu pre všetky životné procesy organizmov v biosfére. Kyslík zabezpečuje dýchanie živočíchov, rastlín a mikroorganizmov v atmosfére, pôde, vode, zúčastňuje sa chemických oxidačných reakcií vyskytujúcich sa v horninách, pôdach, kaloch, zvodnených vrstvách.

Hlavné vetvy kyslíkového cyklu:

• - tvorba voľného kyslíka pri fotosyntéze a jeho absorpcia pri dýchaní živých organizmov (rastliny, živočíchy, mikroorganizmy v atmosfére, pôde, vode);
• - vytvorenie ozónovej clony;
• - vytvorenie redoxného zónovania;
• - oxidácia oxidu uhoľnatého pri sopečných erupciách, akumulácia síranových sedimentárnych hornín, spotreba kyslíka pri ľudských činnostiach atď.; všade, kde sa molekulárny kyslík zúčastňuje fotosyntézy.

cyklus dusíka

Dusík je súčasťou biologicky dôležitých organických látok všetkých živých organizmov: bielkovín, nukleových kyselín, lipoproteínov, enzýmov, chlorofylu atď. Napriek obsahu dusíka (79 %) vo vzduchu je pre živé organizmy deficitný.

Dusík v biosfére je v plynnej forme (N2) pre organizmy neprístupný - je chemicky málo aktívny, preto ho vyššie rastliny (a väčšina nižších rastlín) a živočíšny svet nemôžu priamo využívať. Rastliny absorbujú dusík z pôdy vo forme amónnych iónov alebo dusičnanových iónov, t.j. takzvaný fixný dusík.

Existuje atmosferická, priemyselná a biologická fixácia dusíka.

Atmosférická fixácia nastáva, keď je atmosféra ionizovaná kozmickým žiarením a pri silnom elektrické výboje pri búrkach vznikajú z molekulárneho dusíka ovzdušia oxidy dusíka a amoniaku, ktoré sa vplyvom atmosférických zrážok menia na amónny, dusitanový, dusičnanový dusík a dostávajú sa do pôd a vodných nádrží.

V dôsledku toho dochádza k priemyselnej fixácii ekonomická aktivita osoba. Atmosféra je znečistená zlúčeninami dusíka rastlinami produkujúcimi zlúčeniny dusíka. Horúce emisie z tepelných elektrární, tovární, kozmických lodí, nadzvukových lietadiel oxidujú dusík vo vzduchu. Oxidy dusíka, ktoré interagujú so vzduchom a vodnou parou so zrážkami, sa vracajú na zem a vstupujú do pôdy v iónovej forme.

Biologická fixácia hrá hlavnú úlohu v cykle dusíka. Vykonávajú ho pôdne baktérie:

• - baktérie viažuce dusík (a modrozelené riasy);
• - mikroorganizmy žijúce v symbióze s vyššími rastlinami (uzlinové baktérie);
• - amonifikujúci;
• - nitrifikačné;
• - denitrifikačný.

Voľne žijúce v pôde aeróbne (existujúce v prítomnosti kyslíka) baktérie viažuce dusík (Azotobacter) sú schopné fixovať atmosférický molekulárny dusík vďaka energii získanej oxidáciou pôdnych organických látok počas dýchania, v konečnom dôsledku ho viažu na vodík a jeho zavedenie vo forme aminoskupiny (- NH2) do zloženia aminokyselín vo vašom tele. Molekulárny dusík je tiež schopný fixovať niektoré anaeróbne (žijúce v neprítomnosti kyslíka) baktérie, ktoré existujú v pôde (Clostridium). Tieto a ďalšie mikroorganizmy odumierajú a obohacujú pôdu organickým dusíkom.

Modrozelené riasy, ktoré sú dôležité najmä pre pôdy ryžových polí, sú schopné biologickej fixácie molekulárneho dusíka.

Najúčinnejšia biologická fixácia vzdušného dusíka nastáva u baktérií žijúcich v symbióze v uzlinách bôbovitých rastlín (nodulové baktérie).

Tieto baktérie (Rizobium) využívajú energiu hostiteľskej rastliny na fixáciu dusíka a zároveň zásobujú suchozemské orgány hostiteľa dostupnými zlúčeninami dusíka.

Asimilované zlúčeniny dusíka z pôdy v dusičnanovej a amónnej forme si rastliny budujú potrebné zlúčeniny obsahujúce dusík pre svoje telo (dusičnanový dusík v rastlinných bunkách je predbežne obnovený). Producentské závody dodávajú celému celku dusíkaté látky zvieracieho sveta a ľudskosti. Mŕtve rastliny využívajú podľa trofického reťazca bioreduktory.

Amonizujúce mikroorganizmy rozkladajú organické látky obsahujúce dusík (aminokyseliny, močovinu) za vzniku amoniaku. Časť organického dusíka v pôde nie je mineralizovaná, ale premieňa sa na humínové látky, bitúmen a zložky sedimentárnych hornín.

Amoniak (ako amónny ión) môže vstúpiť do koreňový systém rastlín, alebo sa používajú pri nitrifikačných procesoch.

Nitrifikačné mikroorganizmy sú chemosyntetiká, na zabezpečenie všetkých životných procesov využívajú energiu oxidácie amoniaku na dusičnany a dusitanov na dusičnany. Vďaka tejto energii nitrifikátory obnovujú oxid uhličitý a budujú organické látky svojho tela. Oxidácia amoniaku počas nitrifikácie prebieha podľa nasledujúcich reakcií:

NH? + 3O? ? 2HNO? + 2H2O + 600 kJ (148 kcal).

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

Dusičnany, vznikajúce v procesoch nitrifikácie, opäť vstupujú do biologického cyklu, sú absorbované z pôdy koreňmi rastlín alebo po vstupe s odtokom vody do vodných nádrží - fytoplanktónu a fytobentosu.

Spolu s organizmami, ktoré viažu vzdušný dusík a nitrifikujú ho, sú v biosfére mikroorganizmy, ktoré dokážu redukovať dusičnany alebo dusitany na molekulárny dusík. Takéto mikroorganizmy, nazývané denitrifikátory, s nedostatkom voľného kyslíka vo vode alebo v pôde využívajú kyslík dusičnanov na oxidáciu organických látok:

C?H??O? (glukóza) + 24 kNO? ? 24 KHCO? + 6CO? + 12N? + 18H2O + energia

Uvoľnená energia zároveň slúži ako základ pre všetku životne dôležitú činnosť denitrifikačných mikroorganizmov.

Živé látky teda zohrávajú výnimočnú úlohu vo všetkých článkoch cyklu.

Priemyselná fixácia atmosférického dusíka človekom v súčasnosti zohráva čoraz významnejšiu úlohu v dusíkovej bilancii pôd a následne aj v celom cykle dusíka v biosfére.

Cyklus fosforu

Cyklus fosforu je jednoduchší. Kým zásobárňou dusíka je vzduch, zásobárňou fosforu sú horniny, z ktorých sa uvoľňuje pri erózii.

Uhlík, kyslík, vodík a dusík migrujú v atmosfére ľahšie a rýchlejšie, keďže sú v plynnej forme, pričom v biologických cykloch vytvárajú plynné zlúčeniny. Pre všetky ostatné prvky, okrem síry, nevyhnutné pre existenciu živej hmoty, je tvorba plynných zlúčenín v biologických cykloch netypická. Tieto prvky migrujú najmä vo forme iónov a molekúl rozpustených vo vode.

Fosfor, asimilovaný rastlinami vo forme iónov kyseliny ortofosforečnej, hrá dôležitú úlohu v živote všetkých živých organizmov. Je súčasťou ADP, ATP, DNA, RNA a ďalších zlúčenín.

Kolobeh fosforu v biosfére je otvorený. V terestrických biogeocenózach sa fosfor po absorpcii rastlinami z pôdy prostredníctvom potravinového reťazca opäť dostáva do pôdy vo forme fosfátov. Hlavné množstvo fosforu je opäť absorbované koreňovým systémom rastlín. Čiastočne môže byť fosfor vymývaný odtokom dažďovej vody z pôdy do vodných nádrží.

V prirodzených biogeocenózach je fosfor často nedostatok a v alkalickom a oxidovanom prostredí sa väčšinou vyskytuje vo forme nerozpustných zlúčenín.

Veľké množstvo fosfátov obsahuje horniny litosféry. Časť z nich postupne prechádza do pôdy, časť je vyvinutá človekom na výrobu fosfátových hnojív, väčšina je vylúhovaná a smývaná do hydrosféry. Tam ich využíva fytoplanktón a príbuzné organizmy na rôznych trofických úrovniach zložitých potravinových reťazcov.

Vo Svetovom oceáne dochádza k strate fosfátov z biologického cyklu v dôsledku ukladania rastlinných a živočíšnych zvyškov vo veľkých hĺbkach. Keďže sa fosfor presúva hlavne z litosféry do hydrosféry s vodou, migruje do litosféry biologicky (požieraním rýb morskými vtákmi, využívaním bentických rias a rybej múčky ako hnojiva atď.).

Zo všetkých prvkov minerálnej výživy rastlín možno považovať fosfor za nedostatok.

Cyklus síry

Pre živé organizmy má síra veľký význam, pretože je súčasťou aminokyselín obsahujúcich síru (cystín, cysteín, metionín atď.). Aminokyseliny obsahujúce síru, ktoré sú v zložení bielkovín, zachovávajú potrebnú trojrozmernú štruktúru molekúl bielkovín.

Síra je absorbovaná rastlinami z pôdy len v oxidovanej forme, vo forme iónu. V rastlinách je síra redukovaná a je súčasťou aminokyselín vo forme sulfhydrylových (-SH) a disulfidových (-S-S-) skupín.

Živočíchy asimilujú iba redukovanú síru, ktorá je súčasťou organickej hmoty. Po smrti rastlinných a živočíšnych organizmov sa síra vracia do pôdy, kde v dôsledku činnosti početných foriem mikroorganizmov dochádza k jej premenám.

V aeróbnych podmienkach niektoré mikroorganizmy oxidujú organickú síru na sírany. Síranové ióny, ktoré sú absorbované koreňmi rastlín, sú opäť zahrnuté do biologického cyklu. Niektoré sírany môžu byť zahrnuté do migrácie vody a odstránené z pôdy. V pôdach bohatých na humínové látky sa v organických zlúčeninách nachádza značné množstvo síry, čo zabraňuje jej vyplavovaniu.

V anaeróbnych podmienkach rozkladom organických zlúčenín síry vzniká sírovodík. Ak sú sírany a organické látky v prostredí bez kyslíka, aktivuje sa aktivita baktérií redukujúcich sírany. Kyslík síranov využívajú na oxidáciu organických látok a získavajú tak energiu potrebnú pre svoju existenciu.

Baktérie redukujúce sírany sú bežné v podzemných vodách, kaloch a stojatých morských vodách. Sírovodík je jed pre väčšinu živých organizmov, takže jeho akumulácia v pôde naplnenej vodou, jazerách, ústiach riek atď. výrazne znižuje alebo dokonca úplne zastavuje životne dôležité procesy. Takýto jav je pozorovaný v Čiernom mori v hĺbke pod 200 m od jeho hladiny.

Na vytvorenie priaznivého prostredia je teda potrebné oxidovať sírovodík na síranové ióny, ktoré zničia škodlivý účinok sírovodíka, síra sa premení na rastlinu prístupnú formu - vo forme síranových solí. Túto úlohu plní v prírode špeciálna skupina sírnych baktérií (bezfarebné, zelené, fialové) a tionové baktérie.

Bezfarebné sírne baktérie sú chemosyntetické: využívajú energiu získanú oxidáciou sírovodíka kyslíkom na elementárnu síru a jej ďalšou oxidáciou na sírany.

Farebné sírne baktérie sú fotosyntetické organizmy, ktoré využívajú sírovodík ako donor vodíka na redukciu oxidu uhličitého.

Výsledná elementárna síra v zelených sírnych baktériách sa z buniek uvoľňuje, vo fialových baktériách sa hromadí vo vnútri buniek.

Celková reakcia tohto procesu je fotoredukcia:

CO?+ 2H?S svetlo? (CH20) + H20 + 2S.

Tiónové baktérie oxidujú elementárnu síru a jej rôzne redukované zlúčeniny na sírany na úkor voľného kyslíka, čím ju vracajú späť do hlavného prúdu biologického cyklu.

V procesoch biologického cyklu, kde sa premieňa síra, hrajú obrovskú úlohu živé organizmy, najmä mikroorganizmy.

Hlavným rezervoárom síry na našej planéte je Svetový oceán, pretože síranové ióny doň neustále vstupujú z pôdy. Časť síry z oceánu sa vracia na súš cez atmosféru podľa schémy sírovodík - oxiduje ho na oxid siričitý - rozpúšťa ho v dažďovej vode za vzniku kyseliny sírovej a síranov - vracia síru so zrážkami do pôdneho krytu Zem.

Cyklus anorganických katiónov

Okrem hlavných prvkov, ktoré tvoria živé organizmy (uhlík, kyslík, vodík, fosfor a síra), sú životne dôležité mnohé ďalšie makro- a mikroprvky – anorganické katióny. Vo vodných nádržiach získavajú rastliny potrebné katióny kovov priamo z nich životné prostredie. Na súši je hlavným zdrojom anorganických katiónov pôda, ktorá ich prijala v procese ničenia materských hornín. V rastlinách sa katióny absorbované koreňovými systémami presúvajú do listov a iných orgánov; niektoré z nich (horčík, železo, meď a rad ďalších) sú súčasťou biologicky dôležitých molekúl (chlorofyl, enzýmy); iní, pobyt v voľná forma, sa podieľajú na udržiavaní potrebných koloidných vlastností bunkovej protoplazmy a vykonávajú rôzne ďalšie funkcie.

Pri smrti živých organizmov sa anorganické katióny vracajú do pôdy v procese mineralizácie organických látok. K strate týchto zložiek z pôdy dochádza v dôsledku vyplavovania a odstraňovania katiónov kovov dažďovou vodou, odmietania a odstraňovania organických látok človekom pri pestovaní poľnohospodárskych rastlín, ťažbe dreva, kosení trávy na kŕmenie hospodárskych zvierat atď.

Racionálna aplikácia minerálne hnojivá, rekultivácia pôdy, aplikácia organických hnojív, správna agrotechnika pomôže obnoviť a udržať rovnováhu anorganických katiónov v biocenózach biosféry.

Antropogénny cyklus: cyklus xenobiotík (ortuť, olovo, chróm)

Ľudstvo je súčasťou prírody a môže existovať len v neustálej interakcii s ňou.

Existujú podobnosti a rozpory medzi prirodzeným a antropogénnym obehom hmoty a energie vyskytujúcej sa v biosfére.

Prirodzený (biogeochemický) cyklus života má tieto vlastnosti:

• - využitie slnečnej energie ako zdroja života a všetkých jeho prejavov na základe termodynamických zákonov;
• - vykonáva sa bezodpadovo, t.j. všetky produkty jeho životnej činnosti sú mineralizované a znovu zaradené do ďalšieho cyklu obehu látok. Zároveň utratené, znehodnotené termálna energia. Pri biogeochemickom kolobehu látok vzniká odpad, t.j. zásoby vo forme uhlia, ropy, plynu a iných minerálne zdroje. Na rozdiel od bezodpadového prírodného cyklu je antropogénny cyklus každoročne sprevádzaný nárastom odpadu.

V prírode nie je nič zbytočné alebo škodlivé, dokonca aj sopečné erupcie majú výhody, pretože potrebné prvky (napríklad dusík) sa dostávajú do ovzdušia so sopečnými plynmi.

Existuje zákon globálneho uzavretia biogeochemickej cirkulácie v biosfére, ktorý pôsobí vo všetkých štádiách jej vývoja, ako aj pravidlo pre zvýšenie uzavretia biogeochemickej cirkulácie v priebehu sukcesie.

Ľudia zohrávajú obrovskú úlohu v biogeochemickom cykle, ale v opačnom smere. Človek narúša existujúce kolobehy látok, a to prejavuje jeho geologickú silu – deštruktívnu vo vzťahu k biosfére. V dôsledku antropogénnej činnosti klesá stupeň izolácie biogeochemických cyklov.

Antropogénny cyklus nie je obmedzený na energiu slnečného žiarenia zachytenú zelenými rastlinami planéty. Ľudstvo využíva energiu palivových, vodných a jadrových elektrární.

Dá sa tvrdiť, že antropogénna činnosť v súčasnej fáze predstavuje pre biosféru obrovskú ničivú silu.

Biosféra má špeciálnu vlastnosť – výraznú odolnosť voči škodlivinám. Táto stabilita je založená na prirodzenej schopnosti rôznych komponentov prírodné prostredie k sebaočisteniu a sebaliečeniu. Ale nie neobmedzené. Možná globálna kríza vyvolala potrebu vybudovať matematický model biosféry ako celku (systém „Gaia“) za účelom získania informácií o možnom stave biosféry.

Xenobiotikum je látka cudzia pre živé organizmy, ktorá vzniká v dôsledku antropogénnej činnosti (pesticídy, prípravky chemikálie pre domácnosť a iné škodliviny), ktoré môžu spôsobiť narušenie biotických procesov, vr. choroba alebo smrť. Takéto znečisťujúce látky nepodliehajú biodegradácii, ale akumulujú sa v trofických reťazcoch.

Ortuť je veľmi vzácny prvok. Je rozptýlený v zemskej kôre a len v niekoľkých mineráloch, ako napríklad rumelka, je obsiahnutý v koncentrovanej forme. Ortuť sa podieľa na kolobehu hmoty v biosfére, migruje v plynnom stave a vo vodných roztokoch.

Do atmosféry sa dostáva z hydrosféry pri vyparovaní, pri uvoľňovaní z rumelky, so sopečnými plynmi a plynmi z termálnych prameňov. Časť plynnej ortuti v atmosfére prechádza do pevnej fázy a odstraňuje sa zo vzduchu. Padnutá ortuť je absorbovaná pôdami, najmä hlinou, vodou a horninami. V horľavých mineráloch - oleji a uhlí - obsahuje ortuť až 1 mg / kg. Vo vodnej mase oceánov je približne 1,6 miliardy ton, 500 miliárd ton v sedimentoch na dne a 2 milióny ton v planktóne. Ročne sa riečnymi vodami z pevniny vyplaví asi 40 000 ton, čo je 10-krát menej, ako sa dostane do atmosféry pri vyparovaní (400 tis. ton). Ročne spadne na zemský povrch asi 100 tisíc ton.

Ortuť z prírodný komponent prírodné prostredie sa stalo jednou z najnebezpečnejších emisií spôsobených človekom do biosféry pre ľudské zdravie. Má široké využitie v metalurgickom, chemickom, elektrotechnickom, elektronickom, celulózovom a papierenskom a farmaceutickom priemysle a používa sa na výrobu výbušnín, lakov a farieb, ako aj v medicíne. Hlavnými zdrojmi znečistenia biosféry touto toxickou zložkou sú priemyselné odpadové vody a atmosférické emisie spolu s ortuťovými baňami, závodmi na výrobu ortuti a tepelnými elektrárňami (CHP a kotolne) využívajúcimi uhlie, ropu a ropné produkty. Okrem toho je ortuť súčasťou organoortuťových pesticídov používaných v poľnohospodárstve na ošetrenie semien a ochranu plodín pred škodcami. Do ľudského tela sa dostáva s potravou (vajcia, nakladané obilie, mäso zvierat a vtákov, mlieko, ryby).

Ortuť vo vode a spodných sedimentoch riek

Zistilo sa, že asi 80 % ortuti vstupujúcej do prírodných vodných útvarov je v rozpustenej forme, čo v konečnom dôsledku prispieva k jej šíreniu na veľké vzdialenosti spolu s vodnými tokmi. Čistý prvok je netoxický.

Ortuť sa nachádza v spodnej kalovej vode častejšie v relatívne neškodných koncentráciách. Anorganické zlúčeniny ortuti sa premieňajú na toxické organické zlúčeniny ortuti, ako je metylortuť CH?Hg a etylortuť C?H?Hg, baktériami žijúcimi v detrite a sedimentoch, v spodnom bahne jazier a riek, v hliene, ktoré pokrýva telá ryby, a tiež v rybom žalúdkovom hliene. Tieto zlúčeniny sú ľahko rozpustné, mobilné a vysoko toxické. Chemickým základom agresívneho pôsobenia ortuti je jej afinita k síre, najmä k sírovodíkovej skupine v bielkovinách. Tieto molekuly sa viažu na chromozómy a mozgové bunky. Ryby a mäkkýše ich môžu nahromadiť na nebezpečnú úroveň pre osobu, ktorá ich konzumuje, čo spôsobí chorobu Minamata.

Kovová ortuť a jej anorganické zlúčeniny pôsobia najmä na pečeň, obličky a črevný trakt, avšak za normálnych podmienok sa z tela vylučujú pomerne rýchlo a množstvo nebezpečné pre ľudský organizmus sa nestihne hromadiť. Metylortuť a iné zlúčeniny alkylortuti sú oveľa nebezpečnejšie, pretože dochádza ku kumulácii – toxín sa do tela dostane rýchlejšie, ako sa z tela vylúči, pričom pôsobí na centrálny nervový systém.

Dnové sedimenty sú dôležitou charakteristikou vodných ekosystémov. Akumuláciou ťažkých kovov, rádionuklidov a vysoko toxických organických látok dnové sedimenty na jednej strane prispievajú k samočisteniu vodného prostredia a na druhej strane sú trvalý zdroj sekundárne znečistenie vodných útvarov. Sľubným predmetom analýzy sú spodné sedimenty, ktoré odrážajú dlhodobý model znečistenia (najmä v pomaly tečúcich vodných útvaroch). Navyše akumulácia anorganickej ortuti v dnových sedimentoch sa pozoruje najmä v ústiach riek. Napätá situácia môže nastať pri vyčerpaní adsorpčnej kapacity sedimentov (bahno, zrážky). Pri dosiahnutí adsorpčnej kapacity sa ťažké kovy vr. ortuť sa dostane do vody.

Je známe, že v morských anaeróbnych podmienkach v sedimentoch mŕtvych rias ortuť viaže vodík a prechádza do prchavých zlúčenín.

Za účasti mikroorganizmov môže byť kovová ortuť metylovaná v dvoch fázach:

CH?Hg+? (CH?)? Hg

Metylortuť sa v životnom prostredí objavuje prakticky len pri metylácii anorganickej ortuti.

Biologický polčas ortuti je dlhý, pre väčšinu tkanív ľudského tela je to 70-80 dní.

Je známe, že kontaminácia ortuťou sa vyskytuje na začiatku potravinového reťazca veľká ryba napr.mečiar, tuniak. Zároveň nie je bez zaujímavosti, že v ešte väčšej miere ako v rybách sa ortuť hromadí (hromadí) v ustriciach.

Ortuť vstupuje do ľudského tela dýchaním, jedlom a pokožkou podľa nasledujúcej schémy:

Po prvé, dochádza k premene ortuti. Tento prvok sa prirodzene vyskytuje v niekoľkých formách.

Kovová ortuť, používaná v teplomeroch, a jej anorganické soli (napr. chlorid) sa z tela vylučujú pomerne rýchlo.

Oveľa toxickejšie sú zlúčeniny alkylortuti, najmä metyl a etylortuť. Tieto zlúčeniny sa z tela vylučujú veľmi pomaly – len asi 1 % z celkového množstva za deň. Hoci väčšina ortuti, ktorá vstupuje prírodné vody, je tam obsiahnutý vo forme anorganických zlúčenín, v rybách sa vždy ukáže, že je vo forme jedovatej metylortuti. Baktérie v bahne na dne jazier a riek, v hliene, ktorá pokrýva telá rýb, ako aj v hliene rybieho žalúdka, sú schopné premeniť anorganické zlúčeniny ortuti na metylortuť.

Po druhé, selektívna akumulácia alebo biologická akumulácia (koncentrácia) zvyšuje hladiny ortuti v rybách a mäkkýšoch na mnohonásobne vyššiu úroveň ako vo vode v zálive. Ryby a mäkkýše, ktoré žijú v rieke, akumulujú metylortuť v koncentráciách, ktoré sú nebezpečné pre ľudí, ktorí ich používajú na potravu.

% svetového úlovku rýb obsahuje ortuť v množstve nepresahujúcom 0,5 mg/kg a 95 % – menej ako 0,3 mg/kg. Takmer všetka ortuť v rybách je vo forme metylortuti.

Vzhľadom na rôznu toxicitu zlúčenín ortuti pre človeka v potravinárskych výrobkoch je potrebné stanoviť anorganickú (celkovú) a organicky viazanú ortuť. Zisťujeme len celkový obsah ortuti. Podľa medicínskych a biologických požiadaviek je povolený obsah ortuti v sladkovodných dravých rybách 0,6 mg/kg, v morských 0,4 mg/kg, v sladkovodných nedravých rybách len 0,3 mg/kg a v tuniakoch do 0,7 mg. /kg kg. V produktoch jedlo pre deti obsah ortuti by nemal prekročiť 0,02 mg / kg v mäsových konzervách, 0,15 mg / kg v rybích konzervách, vo zvyšku - 0,01 mg / kg.

Olovo je prítomné takmer vo všetkých zložkách prírodného prostredia. V zemskej kôre obsahuje 0,0016 %. Prirodzená hladina olova v atmosfére je 0,0005 mg/m3. Väčšina z nich je uložená v prachu, asi 40% spadá s atmosférickými zrážkami. Rastliny získavajú olovo z pôdy, vody a atmosférického spadu, zatiaľ čo zvieratá získavajú olovo z rastlín a vody. Kov vstupuje do ľudského tela s jedlom, vodou a prachom.

Hlavnými zdrojmi znečistenia biosféry olovom sú benzínové motory, ktorých výfukové plyny obsahujú trietylolovo, tepelné elektrárne spaľujúce uhlie, banský, hutnícky a chemický priemysel. Významné množstvo olova sa dostáva do pôdy spolu s odpadovou vodou používanou ako hnojivo. Na uhasenie horiaceho reaktora Černobyľská jadrová elektráreň Použilo sa aj olovo, ktoré sa dostalo do vzduchového bazéna a rozptýlilo sa po rozsiahlych oblastiach. So zvyšujúcim sa znečistením životného prostredia olovom sa zvyšuje jeho ukladanie v kostiach, vlasoch a pečeni.

Chromium. Najnebezpečnejší je toxický chróm (6+), ktorý sa mobilizuje v kyslých a zásaditých pôdach, v sladkých a morských vodách. AT morská voda chróm je z 10 - 20 % zastúpený formou Cr (3+), 25 - 40 % - Cr (6+), 45 - 65 % - organickou formou. V rozmedzí pH 5 - 7 prevláda Cr (3+) a pri pH > 7 - Cr (6+). Je známe, že Cr (6+) a organické zlúčeniny chrómu sa nezrážajú spolu s hydroxidom železa v morskej vode.

Prírodné kolobehy látok sú prakticky uzavreté. V prírodných ekosystémoch sa hmota a energia míňajú šetrne a odpad niektorých organizmov je dôležitou podmienkou existencie iných. Antropogénny kolobeh látok je sprevádzaný obrovskou spotrebou prírodných zdrojov a veľkým množstvom odpadu, ktorý spôsobuje znečisťovanie životného prostredia. Vytváranie aj tých najdokonalejších liečebné zariadenia nerieši problém, preto je potrebné vyvíjať nízkoodpadové a bezodpadové technológie, ktoré umožňujú čo najviac uzavrieť antropogénny cyklus. Teoreticky je možné vytvoriť bezodpadovú technológiu, ale nízkoodpadové technológie sú reálne.

Prispôsobenie sa prírodným javom

Adaptácie sú rôzne adaptácie na prostredie vyvinuté organizmami (od najjednoduchších po najvyššie) v procese evolúcie. Schopnosť prispôsobiť sa je jednou z hlavných vlastností živých, poskytujúcich možnosť ich existencie.

Medzi hlavné faktory, ktoré rozvíjajú proces adaptácie, patria: dedičnosť, variabilita, prirodzený (a umelý) výber.

Tolerancia sa môže zmeniť, ak telo vstúpi do iných vonkajších podmienok. Keď sa dostane do takýchto podmienok, po čase si na to zvykne, prispôsobí sa im (z lat. prispôsobenie - prispôsobiť sa). Dôsledkom toho je zmena ustanovení fyziologického optima.

Vlastnosť organizmov prispôsobiť sa existencii v určitom rozsahu environmentálnych faktorov sa nazýva ekologická plasticita.

Čím širší rozsah ekologického faktora, v rámci ktorého môže daný organizmus žiť, tým väčšia je jeho ekologická plasticita. Podľa stupňa plasticity sa rozlišujú dva typy organizmov: stenobiont (stenoeks) a eurybiont (euryeks). Stenobionty sú teda ekologicky neplastické (napr. platesa žije len v slanej vode a karas len v sladkej), t.j. krátkoodolné, a eurybionty sú ekologicky plastové, t.j. sú odolnejšie (napr. lipkavec trojcíp môže žiť v sladkých aj slaných vodách).

Adaptácie sú multidimenzionálne, pretože organizmus sa musí súčasne prispôsobiť mnohým rôznym environmentálnym faktorom.

Existujú tri hlavné spôsoby prispôsobenia organizmov podmienkam prostredia: aktívne; pasívny; vyhýbanie sa nepriaznivým účinkom.

Aktívnou cestou adaptácie je posilnenie odolnosti, rozvoj regulačných procesov, ktoré umožňujú vykonávať všetky životne dôležité funkcie tela napriek odchýlke faktora od optima. Napríklad teplokrvné živočíchy udržiavajú stálu telesnú teplotu - optimálnu pre biochemické procesy, ktoré sa v nich vyskytujú.

Pasívna cesta adaptácie je podriadenie životných funkcií organizmov zmenám faktorov prostredia. Napríklad mnohé organizmy sa za nepriaznivých podmienok prostredia dostanú do stavu anabiózy (skrytý život), v ktorom sa metabolizmus v organizme prakticky zastaví (zimný pokoj, otupenosť hmyzu, hibernácia, spóry pretrvávajú v pôde vo forme spór a semená).

Vyhýbanie sa nepriaznivým vplyvom – rozvoj adaptácií, správania organizmov (adaptácia), ktoré pomáhajú predchádzať nepriaznivým podmienkam. Adaptácie môžu byť v tomto prípade: morfologické (zmena stavby tela: úprava listov kaktusu), fyziologické (ťava si zabezpečuje vlhkosť vďaka oxidácii tukových zásob), etologické (zmeny správania: sezónne migrácie vtákov, zimný spánok).

Živé organizmy sú dobre prispôsobené periodickým faktorom. Neperiodické faktory môžu spôsobiť ochorenie až smrť organizmu (napríklad lieky, pesticídy). Pri dlhšom pôsobení však môže dôjsť aj k adaptácii na ne.

Organizmy sa prispôsobili denným, sezónnym, prílivovým rytmom, rytmom slnečná aktivita, fázy mesiaca a iné prísne periodické javy. Sezónne prispôsobenie sa teda rozlišuje ako sezónnosť v prírode a stav zimného pokoja.

Sezónnosť v prírode. Hlavnou hodnotou pre rastliny a zvieratá pri adaptácii organizmov je ročné kolísanie teploty. Obdobie priaznivé pre život u nás v priemere trvá asi šesť mesiacov (jar, leto). Ešte pred príchodom stabilných mrazov v prírode začína obdobie zimného pokoja.

Zimný spánok. Zimný kľud nie je len zastavenie vývoja v dôsledku nízke teploty, ale komplexná fyziologická adaptácia, ktorá sa navyše vyskytuje iba v určitom štádiu vývoja. Napríklad komár malarický a molica žihľavová prezimujú v štádiu dospelého hmyzu, motýľ kapustový v štádiu kukly, cikán v štádiu vajíčka.

Biorytmy. Každý druh v procese evolúcie vyvinul charakteristický ročný cyklus intenzívneho rastu a vývoja, rozmnožovania, prípravy na zimu a zimovania. Tento jav sa nazýva biologický rytmus. Pre existenciu druhu je rozhodujúca zhoda každého obdobia životného cyklu s príslušným ročným obdobím.

Hlavným faktorom regulácie sezónnych cyklov u väčšiny rastlín a živočíchov je zmena dĺžky dňa.

Biorytmy sú:

exogénne (vonkajšie) rytmy (vznikajú ako reakcia na periodické zmeny prostredia (zmena dňa a noci, ročných období, slnečná aktivita) endogénne (vnútorné rytmy) si telo vytvára samo

Endogénne sa zase delia na:

Fyziologické rytmy (srdcový tep, dýchanie, endokrinné žľazy, DNA, RNA, syntéza bielkovín, enzýmy, delenie buniek atď.)

Ekologické rytmy (denné, ročné, prílivové, mesačné atď.)

Rytmus majú procesy DNA, RNA, syntéza bielkovín, delenie buniek, tlkot srdca, dýchanie atď. Vonkajšie vplyvy môžu posunúť fázy týchto rytmov a zmeniť ich amplitúdu.

Fyziologické rytmy sa líšia v závislosti od stavu tela, zatiaľ čo rytmy prostredia sú stabilnejšie a zodpovedajú vonkajším rytmom. S endogénnymi rytmami sa telo dokáže orientovať v čase a vopred sa pripraviť na nadchádzajúce zmeny v prostredí – to sú biologické hodiny tela. Mnohé živé organizmy sa vyznačujú cirkadiánnymi a cirkaniálnymi rytmami.

Cirkadiánne rytmy (cirkadiánne) - opakujúce sa intenzity a vzorce biologické procesy a udalosti v trvaní 20 až 28 hodín. Cirkadiánne rytmy sú spojené s aktivitou zvierat a rastlín počas dňa a spravidla závisia od teploty a intenzity svetla. Napríklad netopiere lietajú za súmraku a cez deň odpočívajú, mnohé planktónové organizmy sa zdržujú pri hladine vody v noci a cez deň zostupujú do hlbín.

Sezónne biologické rytmy sú spojené s vplyvom svetla – fotoperiódou. Reakcia organizmov na dĺžku dňa sa nazýva fotoperiodizmus. Fotoperiodizmus je bežné dôležité prispôsobenie, ktoré najviac reguluje sezónne javy rôzne organizmy. Štúdium fotoperiodizmu u rastlín a živočíchov ukázalo, že reakcia organizmov na svetlo je založená na striedaní periód svetla a tmy určitého trvania počas dňa. Reakcia organizmov (od jednobunkovcov až po človeka) na dĺžku dňa a noci ukazuje, že sú schopné merať čas, t.j. majú nejaké biologické hodiny. Biologické hodiny okrem sezónnych cyklov riadia mnohé ďalšie biologické javy, určujú správny denný rytmus tak činnosti celých organizmov, ako aj procesov, ktoré prebiehajú aj na úrovni buniek, najmä bunkových delení.

Univerzálna vlastnosť všetkých živých vecí, od vírusov a mikroorganizmov až po vyššie rastliny a zvierat, je schopnosť dávať mutácie - náhle, prirodzené a umelo vyvolané, dedičné zmeny v genetickom materiáli, vedúce k zmene určitých znakov organizmu. Mutačná variabilita nezodpovedá podmienkam prostredia a spravidla narúša existujúce adaptácie.

Mnoho hmyzu v určitom štádiu vývoja upadá do diapauzy (dlhé zastavenie vývoja), čo by sa nemalo zamieňať so stavom pokoja za nepriaznivých podmienok. Rozmnožovanie mnohých morských živočíchov je ovplyvnené lunárnymi rytmami.

Circanian (skoro-ročné) rytmy sú opakujúce sa zmeny intenzity a charakteru biologických procesov a javov s periódou 10 až 13 mesiacov.

Rytmický charakter má aj fyzický a psychický stav človeka.

Narušený rytmus práce a odpočinku znižuje efektivitu a má nepriaznivý vplyv na zdravie človeka. Stav človeka v extrémnych podmienkach bude závisieť od stupňa jeho pripravenosti na tieto podmienky, pretože prakticky nie je čas na adaptáciu a zotavenie.

V biosfére existuje globálny (veľký alebo geologický) obeh látok, ktoré existovali ešte pred objavením sa prvých živých organizmov. Zahŕňa širokú škálu chemických prvkov. Geologický cyklus sa uskutočňuje vďaka slnečnej, gravitačnej, tektonickej a kozmickej energii.

S príchodom živej hmoty na základe geologického cyklu vznikol kolobeh organickej hmoty - malý (biotický, resp. biologický) cyklus.

Biotický cyklus látok je nepretržitý, cyklický, časovo a priestorovo nerovnomerný proces pohybu a premeny látok, ku ktorému dochádza za priamej účasti živých organizmov. Ide o nepretržitý proces tvorby a ničenia organickej hmoty a realizuje sa za účasti všetkých troch skupín organizmov: producentov, konzumentov a rozkladačov. V biotických cykloch sa zúčastňuje asi 40 biogénnych prvkov. Pre živé organizmy majú najväčší význam cykly uhlíka, vodíka, kyslíka, dusíka, fosforu, síry, železa, draslíka, vápnika a horčíka.

Ako sa živá hmota vyvíja, stále viac a viac prvkov je neustále extrahovaných z geologického cyklu a vstupuje do nového, biologického cyklu. Celková váha látok popola, zapojených ročne do biotického kolobehu látok len na súši, je asi 8 miliárd ton. To je niekoľkonásobok hmotnosti produktov erupcie všetkých sopiek na svete počas celého roka. Rýchlosť obehu hmoty v biosfére je rôzna. Živá hmota biosféry sa aktualizuje v priemere 8 rokov, množstvo fytoplanktónu v oceáne sa aktualizuje denne. Všetok kyslík biosféry prechádza živou hmotou za 2000 rokov a oxid uhličitý za 300 rokov.

V ekosystémoch prebiehajú miestne biotické cykly a v biosfére sa uskutočňujú biogeochemické cykly atómovej migrácie, ktoré nielen spájajú všetky tri vonkajšie obaly planéty do jedného celku, ale určujú aj nepretržitý vývoj jej zloženia.

ATMOSFÉRA HYDROSFÉRA

­ ¯ ­ ¯

ŽIVÁ LÁTKA

PÔDA

Evolúcia biosféry

Biosféra sa objavila s narodením prvých živých organizmov asi pred 3,5 miliardami rokov. V priebehu vývoja života sa to menilo. Etapy vývoja biosféry možno rozlíšiť s prihliadnutím na charakteristiky typu ekosystémov.

1. Vznik a vývoj života vo vode. Etapa je spojená s existenciou vodných ekosystémov. V atmosfére nebol žiadny kyslík.

2. Vznik živých organizmov na súši, vývoj súš-vzduchového prostredia a pôdy a vznik suchozemských ekosystémov. Bolo to možné vďaka objaveniu sa kyslíka v atmosfére a ozónovej clony. Stalo sa to pred 2,5 miliardami rokov.

3. Vznik človeka, jeho premena na biosociálnu bytosť a vznik antropoekosystémov nastal pred 1 miliónom rokov.

4. Prechod biosféry pod vplyvom inteligentnej ľudskej činnosti do nového kvalitatívneho stavu - do noosféry.

Noosféra

Najvyšším štádiom vývoja biosféry je noosféra – štádium rozumnej regulácie vzťahu človeka a prírody. Tento termín zaviedol v roku 1927 francúzsky filozof E. Leroy. Veril, že noosféra zahŕňa ľudskú spoločnosť s jej priemyslom, jazykom a ďalšími atribútmi inteligentnej činnosti. V 30-40 rokoch. XX storočia V.I. Vernadsky vyvinul materialistické predstavy o noosfére. Veril, že noosféra vzniká ako výsledok interakcie biosféry a spoločnosti, je riadená úzkym vzťahom medzi prírodnými zákonmi, myslením a sociálno-ekonomickými zákonmi spoločnosti a zdôraznil, že

noosféra (sféra mysle) - štádium rozvoja biosféry, keď sa inteligentná činnosť ľudí stane hlavným určujúcim faktorom jej trvalo udržateľného rozvoja.

Noosféra je nové, vyššie štádium biosféry, spojené so vznikom a rozvojom ľudstva v nej, ktoré sa po poznaní prírodných zákonov a zdokonaľovaní techniky stáva najväčšou silou porovnateľnou v rozsahu s geologickými a začína mať rozhodujúci vplyv na priebeh procesov na Zemi, hlboko ju meniac.svojou prácou. Formovanie a rozvoj ľudstva sa prejavilo vznikom nových foriem výmeny hmoty a energie medzi spoločnosťou a prírodou, v neustále sa zvyšujúcom vplyve človeka na biosféru. Noosféra príde vtedy, keď bude ľudstvo s pomocou vedy schopné zmysluplne riadiť prírodné a spoločenské procesy. Noosféru preto nemožno považovať za špeciálnu škrupinu Zeme.

Veda o riadení vzťahu medzi ľudskou spoločnosťou a prírodou sa nazýva noogenika.

Hlavným cieľom noogeniky je plánovanie súčasnosti pre budúcnosť a jej hlavnými úlohami je náprava porušení vo vzťahu medzi človekom a prírodou spôsobených pokrokom techniky, vedomá kontrola vývoja biosféry. . Malo by sa vytvoriť plánované, vedecky podložené využívanie prírodných zdrojov, ktoré by zabezpečilo obnovenie v obehu látok toho, čo človek porušil, na rozdiel od spontánneho, dravého prístupu k prírode, ktorý vedie k degradácii životného prostredia. To si vyžaduje trvalo udržateľný rozvoj spoločnosti, ktorá uspokojuje potreby súčasnosti bez toho, aby bola ohrozená schopnosť budúcich generácií uspokojovať svoje vlastné potreby.

V súčasnosti sa planéta sformovala biotechnosféra - časť biosféry, radikálne pretvorená človekom na inžinierske stavby: mestá, továrne a továrne, lomy a bane, cesty, priehrady a nádrže atď.

BIOSFÉRA A ČLOVEK

Biosféra pre človeka je a biotop a zdroj prírodných zdrojov.

Prírodné zdroje – prírodné predmety a javy, ktoré človek využíva v pracovnom procese. Poskytujú ľuďom jedlo, oblečenie, prístrešie. Podľa stupňa vyčerpania sa delia na vyčerpateľné a nevyčerpateľné . Vyčerpateľné zdroje sa delia na obnoviteľné a neobnoviteľné . Neobnoviteľné zdroje zahŕňajú tie zdroje, ktoré sa neoživujú (alebo sa obnovujú stokrát pomalšie, ako sa míňajú): ropa, uhlie, kovové rudy a väčšina nerastov. Obnoviteľné prírodné zdroje – pôda, flóra a fauna, minerály (kuchynská soľ). Tieto zdroje sa neustále obnovujú rôznym tempom: zvieratá - niekoľko rokov, lesy - 60-80 rokov, pôdy, ktoré stratili svoju úrodnosť - niekoľko tisícročí. Prekročenie miery spotreby nad mieru reprodukcie vedie k úplnému zániku zdroja.

Nevyčerpateľné zdroje zahŕňajú vodu, klímu ( atmosférický vzduch a veterná energia) a vesmír: slnečné žiarenie, energia morského prílivu a odlivu. Rastúce znečistenie životného prostredia si však vyžaduje implementáciu environmentálnych opatrení na zachovanie týchto zdrojov.

Spokojnosť ľudské potreby nemysliteľné bez využívania prírodných zdrojov.

Všetky druhy ľudskej činnosti v biosfére možno spojiť do štyroch foriem.

1. Zmena štruktúry zemského povrchu (orba pôdy, odvodňovanie vodných plôch, odlesňovanie, budovanie kanálov). Ľudstvo sa stáva mocnou geologickou silou. Človek využíva 75 % pôdy, 15 % riečnych vôd, každú minútu sa vyrúbe 20 hektárov lesov.

· Geologické a geomorfologické zmeny - zintenzívnenie tvorby roklín, vznik a frekvencia bahnotok a zosuvov.

· Komplexné (krajinné) zmeny - narušenie celistvosti a prírodnej štruktúry krajiny, jedinečnosť prírodných pamiatok, strata úrodnej pôdy, dezertifikácia.

Všetky látky na našej planéte sú v procese obehu. Slnečná energia spôsobuje na Zemi dva cykly hmoty, veľký alebo biosférický (pokrývajúci celú biosféru) a malý alebo biologický (v rámci ekosystémov).

Biosférickej cirkulácii hmoty predchádzala geologická, spojená s tvorbou a deštrukciou hornín a následným pohybom produktov deštrukcie - troskového materiálu a chemických prvkov. Významnú úlohu v týchto procesoch zohrávali a naďalej zohrávajú tepelné vlastnosti povrchu zeme a vody: absorpcia do odrazu slnečné lúče, tepelná vodivosť na tepelnú kapacitu. Voda absorbuje viac slnečnej energie a povrch zeme v rovnakých zemepisných šírkach sa viac zahrieva. Nestabilný hydrotermálny režim zemského povrchu spolu s planetárnym atmosférickým obehovým systémom determinovali geologický obeh látok, ktorý v počiatočnom štádiu vývoja Zeme spolu s endogénnymi procesmi súvisel so vznikom kontinentov, oceánov a moderných geosféry. O jeho geologickom prejave svedčí aj prenos splodín zvetrávania vzduchovými hmotami a voda - minerálne zlúčeniny v nej rozpustené. S vytvorením biosféry boli produkty životnej činnosti organizmov zahrnuté do veľkého cyklu. Geologický cyklus bez toho, aby prestal existovať, nadobudol nové črty: je to počiatočná fáza biosférického pohybu hmoty. Práve on zásobuje živé organizmy živinami a do značnej miery určuje podmienky ich existencie.

Veľký obeh látok v biosfére charakterizujú dva dôležité body:

Vykonáva sa počas celého geologického vývoja Zeme;

Ide o moderný planetárny proces, ktorý zohráva vedúcu úlohu v ďalšom vývoji biosféry (Radkevich, 1983).

V súčasnom štádiu ľudského vývoja sa v dôsledku veľkej cirkulácie prenášajú na veľké vzdialenosti aj znečisťujúce látky ako oxidy síry a dusíka, prach a rádioaktívne nečistoty. Územie miernych zemepisných šírok severnej pologule bolo vystavené najväčšiemu znečisteniu.

Malý alebo biologický obeh látok sa rozvíja na pozadí veľkého, geologického, pokrývajúceho biosféru ako celok. Vyskytuje sa v rámci ekosystémov, ale nie je uzavretý, čo súvisí so vstupom hmoty a energie do ekosystému zvonku a s uvoľnením časti z nich do biosférického cyklu. Z tohto dôvodu niekedy hovoria nie o biologickom cykle, ale o výmene energie v ekosystémoch a jednotlivých organizmoch.

Rastliny, zvieratá a pôdny kryt na súši tvoria komplex svetový systém, ktorý tvorí biomasu, viaže a prerozdeľuje slnečnú energiu, atmosférický uhlík, vlhkosť, kyslík, vodík, dusík, fosfor, síru, vápnik a ďalšie prvky zapojené do života organizmov. Rastliny, živočíchy a mikroorganizmy vodného prostredia tvoria ďalší planetárny systém, ktorý plní rovnakú funkciu viazania slnečnej energie a biologického cyklu látok.

Podstatou biologického cyklu je prúdenie dvoch protikladných, ale vzájomne súvisiacich procesov – tvorby organickej hmoty a jej ničenia. Počiatočné štádium vzniku organickej hmoty má na svedomí fotosyntéza zelených rastlín, t.j. vznik tejto látky z oxidu uhličitého, vody a minerálnych zlúčenín pomocou žiarivej energie slnka. Rastliny získavajú z pôdy síru, fosfor, vápnik, draslík, horčík, mangán, kremík, hliník, meď, zinok a ďalšie prvky v rozpustenej forme. Bylinožravé živočíchy už absorbujú zlúčeniny týchto prvkov vo forme potravy rastlinného pôvodu. Dravce sa živia bylinožravými živočíchmi, konzumujú potravu zložitejšieho zloženia vrátane bielkovín, tukov, aminokyselín atď. V procese ničenia organickej hmoty odumretých rastlín a zvyškov živočíchov mikroorganizmami vstupujú do rastlín jednoduché minerálne zlúčeniny dostupné na asimiláciu. pôdne a vodné prostredie a ďalšie kolo začína biologický cyklus.

Na rozdiel od veľkého cyklu, malý má iné trvanie: rozlišujú sa sezónne, ročné, celoročné a sekulárne malé cykly. Pri štúdiu biologického cyklu látok sa hlavná pozornosť venuje ročnému rytmu, ktorý je určený ročnou dynamikou vývoja vegetačného krytu.

Strana 1

Veľký geologický cyklus zahŕňa sedimentárne horniny hlboko v zemskej kôre, ktoré na dlhú dobu vypínajú prvky v nich obsiahnuté zo systému biologickej cirkulácie. V priebehu geologickej histórie sa premenené sedimentárne horniny opäť na povrchu Zeme postupne ničia činnosťou živých organizmov, vody a vzduchu a opäť sa zaraďujú do kolobehu biosféry.

Veľký geologický cyklus prebieha počas stoviek tisícov alebo miliónov rokov. Spočíva v nasledovnom: skaly sú zničené, zvetrané a nakoniec odplavené vodou, ktorá prúdi do oceánov. Tu sa ukladajú na dne, tvoria sedimentárne horniny a len čiastočne sa vracajú na pevninu s organizmami, ktoré z vody odstránili ľudia alebo iné živočíchy.

V srdci veľkého geologického cyklu je proces prenosu minerálnych zlúčenín z jedného miesta na druhé v planetárnom meradle bez účasti živej hmoty.

Okrem malého obehu existuje veľký, geologický obeh. Niektoré z látok sa dostávajú do hlbokých vrstiev Zeme (cez spodné sedimenty morí alebo iným spôsobom), kde dochádza k pomalým premenám za vzniku rôznych zlúčenín, minerálnych i organických. Procesy geologického cyklu podporuje najmä vnútorná energia Zeme, jej aktívne jadro. Rovnaká energia prispieva k uvoľňovaniu látok na povrch Zeme. Uzatvára sa tak veľký obeh látok. Trvá to milióny rokov.

Čo sa týka rýchlosti a intenzity veľkého geologického obehu látok, v súčasnosti, akokoľvek presné sa dajú uviesť údaje, existujú len približné odhady, a to len pre exogénnu zložku všeobecného cyklu, t.j. bez zohľadnenia prílevu hmoty z plášťa do zemskej kôry.

Tento uhlík sa zúčastňuje veľkého geologického cyklu. Tento uhlík v procese malého biotického cyklu udržiava plynovú rovnováhu biosféry a života vo všeobecnosti.

Príspevok biosférických a technosférických zložiek k veľkému geologickému cyklu látok Zeme je veľmi významný: dochádza k neustále progresívnemu rastu technosférických zložiek v dôsledku rozširovania sféry ľudskej výrobnej činnosti.

Keďže na zemskom povrchu je hlavný technobio-geochemický tok nasmerovaný v rámci veľkej geologickej cirkulácie látok na 70 % pevniny do oceánu a na 30 % do uzavretých bezodtokových depresií, vždy však z vyšších po nižšie nadmorské výšky, v dôsledku pôsobenia gravitačných síl, respektíve diferenciácie hmoty zemskej kôry od vysokých po nízke nadmorské výšky, od pevniny po oceán. Spätné toky (atmosférický transport, ľudská činnosť, tektonické pohyby, vulkanizmus, migrácia organizmov) tento všeobecný pohyb hmoty smerom nadol do určitej miery komplikujú, vytvárajú miestne migračné cykly, ale vo všeobecnosti ho nemenia.

Cirkulácia vody medzi pevninou a oceánom cez atmosféru sa vzťahuje na veľký geologický cyklus. Voda sa vyparuje z povrchu oceánov a buď sa prenáša na pevninu, kde padá vo forme zrážok, ktoré sa opäť vracajú do oceánu vo forme povrchového a podzemného odtoku, alebo padá ako zrážky na povrch oceánu. Na kolobehu vody na Zemi sa každoročne zúčastňuje viac ako 500 tisíc km3 vody. Vodný cyklus ako celok zohráva veľkú úlohu pri formovaní prírodných podmienok na našej planéte. Ak vezmeme do úvahy transpiráciu vody rastlinami a jej absorpciu v biogeochemickom cykle, celá zásoba vody na Zemi sa rozpadne a obnoví sa za 2 milióny rokov.

Podľa jeho formulácie sa biologický cyklus látok vyvíja na časti trajektórie veľkého, geologického kolobehu látok v prírode.

Transport hmoty po povrchu a podzemnej vody- to je hlavný faktor z hľadiska pozemkovej diferenciácie glóbus geochemicky, ale nie jediný, a ak hovoríme o veľkej geologickej cirkulácii látok na zemskom povrchu ako celku, tak veľmi významnú úlohu v nej zohrávajú toky, najmä oceánsky a atmosférický transport.

Čo sa týka rýchlosti a intenzity veľkého geologického obehu látok, v súčasnosti nie je možné uviesť žiadne presné údaje, existujú len približné odhady a to len pre exogénnu zložku všeobecného cyklu, t.j. bez zohľadnenia prílevu hmoty z plášťa do zemskej kôry. Exogénnou zložkou veľkého geologického obehu látok je neustále prebiehajúci proces denudácie zemského povrchu.