Caractéristiques de la circulation de l'eau et de certaines substances dans la biosphère. Quelle fonction remplit le cycle des substances dans la biosphère ? La chimie autour du cycle de l'eau dans la biosphère ?

Le cycle des substances dans la biosphère est le « voyage » de certains éléments chimiques le long de la chaîne alimentaire des organismes vivants, grâce à l'énergie du Soleil. Au cours du « voyage », certains éléments, pour diverses raisons, tombent et restent, en règle générale, dans le sol. Leur place est prise par les mêmes qui proviennent habituellement de l'atmosphère. Il s’agit de la description la plus simplifiée de ce qui garantit la vie sur la planète Terre. Si un tel voyage est interrompu pour une raison quelconque, alors l’existence de tous les êtres vivants cessera.

Pour décrire brièvement le cycle des substances dans la biosphère, il est nécessaire de poser plusieurs points de départ. Premièrement, sur plus de quatre-vingt-dix éléments chimiques connus et trouvés dans la nature, une quarantaine sont nécessaires aux organismes vivants. Deuxièmement, la quantité de ces substances est limitée. Troisièmement, nous ne parlons que de la biosphère, c’est-à-dire de la coquille terrestre contenant la vie et, par conséquent, des interactions entre les organismes vivants. Quatrièmement, l’énergie qui contribue au cycle est l’énergie provenant du Soleil. L'énergie générée dans les entrailles de la Terre à la suite de diverses réactions ne participe pas au processus considéré. Et une dernière chose. Il faut anticiper le point de départ de ce « voyage ». C'est conditionnel, puisqu'il ne peut y avoir de fin et de début à un cercle, mais cela est nécessaire pour commencer quelque part pour décrire le processus. Commençons par le maillon le plus bas de la chaîne trophique - avec les décomposeurs ou les fossoyeurs.

Les crustacés, les vers, les larves, les micro-organismes, les bactéries et autres fossoyeurs, consommant de l'oxygène et utilisant de l'énergie, transforment des éléments chimiques inorganiques en une substance organique adaptée à l'alimentation des organismes vivants et à leur déplacement ultérieur le long de la chaîne alimentaire. De plus, ces substances déjà organiques sont consommées par les consommateurs, qui comprennent non seulement les animaux, les oiseaux, les poissons, etc., mais également les plantes. Ces derniers sont des producteurs ou des productrices. En utilisant ces nutriments et cette énergie, ils produisent de l'oxygène, qui est le principal élément permettant la respiration de tous les êtres vivants de la planète. Les consommateurs, les producteurs et même les décomposeurs meurent. Leurs restes, ainsi que les substances organiques qu'ils contiennent, « tombent » à la disposition des fossoyeurs.

Et tout se répète encore une fois. Par exemple, tout l'oxygène existant dans la biosphère achève son renouvellement en 2000 ans et le dioxyde de carbone en 300. Un tel cycle est généralement appelé cycle biogéochimique.

Certaines substances organiques au cours de leur « voyage » entrent en réactions et interactions avec d’autres substances. Il en résulte des mélanges qui, sous la forme sous laquelle ils existent, ne peuvent pas être traités par les décomposeurs. Ces mélanges restent « stockés » dans le sol. Toutes les substances organiques qui tombent sur la « table » des fossoyeurs ne peuvent pas être traitées par ceux-ci. Tout ne peut pas pourrir à l’aide de bactéries. Ces restes non pourris sont stockés. Tout ce qui reste en stock ou en réserve est retiré du processus et n'est pas inclus dans le cycle des substances de la biosphère.

Ainsi, dans la biosphère, le cycle des substances, dont le moteur est l'activité des organismes vivants, peut être divisé en deux composantes. L'un - le fonds de réserve - est une partie de la substance qui n'est pas associée aux activités des organismes vivants et ne participe pas à la circulation pour le moment. Et le deuxième est le fonds renouvelable. Il ne représente qu’une petite partie de la substance activement utilisée par les organismes vivants.

Atomes de quels éléments chimiques de base sont si nécessaires à la vie sur Terre ? Ce sont : l'oxygène, le carbone, l'azote, le phosphore et quelques autres. Parmi les composés, le principal en circulation est l’eau.

Oxygène

Le cycle de l'oxygène dans la biosphère devrait commencer par le processus de photosynthèse, à la suite duquel il est apparu il y a des milliards d'années. Il est libéré par les plantes à partir des molécules d'eau sous l'influence de l'énergie solaire. L'oxygène se forme également dans les couches supérieures de l'atmosphère lors de réactions chimiques dans la vapeur d'eau, où les composés chimiques se décomposent sous l'influence du rayonnement électromagnétique. Mais c'est une source mineure d'oxygène. La principale est la photosynthèse. L'oxygène se trouve également dans l'eau. Bien qu'il y en ait 21 fois moins que dans l'atmosphère.

L'oxygène qui en résulte est utilisé par les organismes vivants pour la respiration. C'est également un agent oxydant pour divers sels minéraux.

Et l'homme est un consommateur d'oxygène. Mais avec le début de la révolution scientifique et technologique, cette consommation a augmenté à plusieurs reprises, puisque l'oxygène est brûlé ou lié lors du fonctionnement de nombreuses productions industrielles, transports, pour satisfaire les besoins domestiques et autres au cours de la vie humaine. Le soi-disant fonds d'échange d'oxygène dans l'atmosphère qui existait auparavant s'élevait à 5 % de son volume total, c'est-à-dire qu'autant d'oxygène était produit au cours du processus de photosynthèse qu'il était consommé. Aujourd’hui, ce volume devient catastrophiquement faible. L'oxygène est consommé, pour ainsi dire, à partir de la réserve d'urgence. De là, où il n’y a personne pour l’ajouter.

Ce problème est légèrement atténué par le fait qu'une partie des déchets organiques n'est pas traitée et ne tombe pas sous l'influence de bactéries putréfactives, mais reste dans les roches sédimentaires, formant de la tourbe, du charbon et des minéraux similaires.

Si le résultat de la photosynthèse est l’oxygène, alors sa matière première est le carbone.

Azote

Le cycle de l'azote dans la biosphère est associé à la formation de composés organiques aussi importants que les protéines, les acides nucléiques, les lipoprotéines, l'ATP, la chlorophylle et autres. L'azote, sous forme moléculaire, se trouve dans l'atmosphère. Avec les organismes vivants, cela ne représente qu’environ 2 % de tout l’azote sur Terre. Sous cette forme, il ne peut être consommé que par les bactéries et les algues bleu-vert. Pour le reste du monde végétal, l’azote sous forme moléculaire ne peut pas servir d’aliment, mais ne peut être transformé que sous forme de composés inorganiques. Certains types de ces composés se forment lors d’orages et tombent dans l’eau et le sol sous l’effet des précipitations.

Les « recycleurs » les plus actifs d’azote ou de fixateurs d’azote sont les bactéries nodulaires. Ils s'installent dans les cellules des racines des légumineuses et transforment l'azote moléculaire en composés adaptés aux plantes. Après leur mort, le sol s’enrichit également en azote.

Les bactéries putréfactives décomposent les composés organiques contenant de l'azote en ammoniac. Une partie est rejetée dans l’atmosphère et le reste est oxydé par d’autres types de bactéries en nitrites et nitrates. Ceux-ci, à leur tour, servent de nourriture aux plantes et sont réduits en oxydes et en azote moléculaire par les bactéries nitrifiantes. Qui rentrent dans l'atmosphère.

Il est donc clair que différents types de bactéries jouent le rôle principal dans le cycle de l’azote. Et si vous détruisez au moins 20 de ces espèces, la vie sur la planète cessera.

Et encore une fois, le circuit établi a été rompu par l’homme. Afin d'augmenter les rendements des cultures, il a commencé à utiliser activement des engrais contenant de l'azote.

Carbone

Le cycle du carbone dans la biosphère est inextricablement lié à la circulation de l'oxygène et de l'azote.

Dans la biosphère, le schéma du cycle du carbone repose sur l'activité vitale des plantes vertes et leur capacité à convertir le dioxyde de carbone en oxygène, c'est-à-dire la photosynthèse.

Le carbone interagit avec d’autres éléments de diverses manières et fait partie de presque toutes les classes de composés organiques. Par exemple, il fait partie du dioxyde de carbone et du méthane. Il est dissous dans l'eau, où sa teneur est beaucoup plus élevée que dans l'atmosphère.

Bien que le carbone ne figure pas parmi les dix premiers en termes de prévalence, il représente dans les organismes vivants entre 18 et 45 % de la masse sèche.

Les océans servent de régulateur des niveaux de dioxyde de carbone. Dès que sa proportion dans l'air augmente, l'eau égalise les positions en absorbant le dioxyde de carbone. Les organismes marins sont un autre consommateur de carbone dans l’océan, qui l’utilise pour fabriquer des coquilles.

Le cycle du carbone dans la biosphère repose sur la présence de dioxyde de carbone dans l'atmosphère et l'hydrosphère, qui constitue une sorte de fonds d'échange. Il est reconstitué par la respiration des organismes vivants. Les bactéries, champignons et autres micro-organismes qui participent au processus de décomposition des résidus organiques du sol participent également à la reconstitution du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Le carbone est « conservé » dans des résidus organiques minéralisés et non pourris. Dans le charbon et le lignite, la tourbe, les schistes bitumineux et les gisements similaires. Mais le principal fonds de réserve de carbone est le calcaire et la dolomie. Le carbone qu’ils contiennent est « caché en toute sécurité » dans les profondeurs de la planète et n’est libéré que lors des changements tectoniques et des émissions de gaz volcaniques lors des éruptions.

Étant donné que le processus de respiration avec libération de carbone et le processus de photosynthèse avec son absorption traversent très rapidement les organismes vivants, seule une petite fraction du carbone total de la planète participe au cycle. Si ce processus n’était pas réciproque, les usines de sushi utiliseraient à elles seules tout le carbone en seulement 4 à 5 ans.

Actuellement, grâce à l’activité humaine, le monde végétal ne manque pas de dioxyde de carbone. Il est réapprovisionné immédiatement et simultanément à partir de deux sources. En brûlant de l'oxygène lors du fonctionnement de l'industrie, de la production et du transport, ainsi que dans le cadre de l'utilisation de ces « conserves » - charbon, tourbe, schiste, etc. - pour le travail de ce type d'activités humaines. Pourquoi la teneur en dioxyde de carbone dans l'atmosphère a-t-elle augmenté de 25 % ?

Phosphore

Le cycle du phosphore dans la biosphère est inextricablement lié à la synthèse de substances organiques telles que l'ATP, l'ADN, l'ARN et autres.

La teneur en phosphore du sol et de l'eau est très faible. Ses principales réserves se trouvent dans des roches formées dans un passé lointain. Avec l’altération de ces roches, le cycle du phosphore commence.

Le phosphore est absorbé par les plantes uniquement sous forme d’ions d’acide orthophosphorique. Il s'agit principalement du produit du traitement des restes organiques par les fossoyeurs. Mais si les sols ont un facteur alcalin ou acide élevé, les phosphates ne s'y dissolvent pratiquement pas.

Le phosphore est un excellent nutriment pour différents types de bactéries. Surtout les algues bleu-vert, qui se développent rapidement avec une teneur accrue en phosphore.

Cependant, la majeure partie du phosphore est emportée par les rivières et d’autres eaux dans l’océan. Là, il est activement consommé par le phytoplancton, ainsi que par les oiseaux marins et d'autres espèces animales. Par la suite, le phosphore tombe au fond de l’océan et forme des roches sédimentaires. C'est-à-dire qu'il retourne au sol, uniquement sous une couche d'eau de mer.

Comme vous pouvez le constater, le cycle du phosphore est spécifique. Il est difficile d’appeler cela un circuit, puisqu’il n’est pas fermé.

Soufre

Dans la biosphère, le cycle du soufre est nécessaire à la formation des acides aminés. Il crée la structure tridimensionnelle des protéines. Cela implique des bactéries et des organismes qui consomment de l’oxygène pour synthétiser de l’énergie. Ils oxydent le soufre en sulfates et les organismes vivants prénucléaires unicellulaires réduisent les sulfates en sulfure d'hydrogène. En plus d'eux, des groupes entiers de bactéries soufrées oxydent le sulfure d'hydrogène en soufre puis en sulfates. Les plantes ne peuvent consommer que l'ion soufre du sol - SO 2-4 Ainsi, certains micro-organismes sont des agents oxydants, tandis que d'autres sont des agents réducteurs.

Les endroits où le soufre et ses dérivés s'accumulent dans la biosphère sont l'océan et l'atmosphère. Le soufre pénètre dans l'atmosphère avec la libération de sulfure d'hydrogène provenant de l'eau. De plus, le soufre pénètre dans l’atmosphère sous forme de dioxyde lorsque des combustibles fossiles sont brûlés dans le cadre de la production et à des fins domestiques. Principalement du charbon. Là, il s'oxyde et, se transformant en acide sulfurique dans l'eau de pluie, tombe avec lui au sol. Les pluies acides elles-mêmes causent des dommages importants à l'ensemble du monde végétal et animal et, en outre, avec les eaux de tempête et de fonte, elles pénètrent dans les rivières. Les rivières transportent des ions sulfate de soufre dans l'océan.

Le soufre est également contenu dans les roches sous forme de sulfures et sous forme gazeuse - sulfure d'hydrogène et dioxyde de soufre. Au fond des mers se trouvent des gisements de soufre natif. Mais tout cela est une « réserve ».

Eau

Il n’existe pas de substance plus répandue dans la biosphère. Ses réserves se trouvent principalement sous la forme salée-amère des eaux des mers et des océans - environ 97 %. Le reste est constitué d’eau douce, de glaciers et d’eaux souterraines et souterraines.

Le cycle de l'eau dans la biosphère commence classiquement par son évaporation de la surface des réservoirs et des feuilles des plantes et s'élève à environ 500 000 mètres cubes. km. Elle revient sous forme de précipitations, qui retombent soit directement dans les plans d'eau, soit en passant par le sol et les eaux souterraines.

Le rôle de l'eau dans la biosphère et l'histoire de son évolution sont tels que toute vie dès son apparition était entièrement dépendante de l'eau. Dans la biosphère, l’eau a traversé plusieurs cycles de décomposition et de naissance par l’intermédiaire d’organismes vivants.

Le cycle de l'eau est en grande partie un processus physique. Mais le monde animal et surtout végétal y joue un rôle important. L'évaporation de l'eau à la surface des feuilles des arbres est telle que, par exemple, un hectare de forêt évapore jusqu'à 50 tonnes d'eau par jour.

Si l'évaporation de l'eau des surfaces des réservoirs est naturelle pour sa circulation, alors pour les continents avec leurs zones forestières, un tel processus est le seul et principal moyen de la préserver. Ici, la circulation se déroule comme dans un cycle fermé. Les précipitations sont formées par l'évaporation des surfaces du sol et des plantes.

Lors de la photosynthèse, les plantes utilisent l'hydrogène contenu dans une molécule d'eau pour créer un nouveau composé organique et libérer de l'oxygène. Et, à l’inverse, au cours du processus de respiration, les organismes vivants subissent un processus d’oxydation et de l’eau se forme à nouveau.

En décrivant la circulation de divers types de produits chimiques, nous sommes confrontés à une influence humaine plus active sur ces processus. Actuellement, la nature, grâce à son histoire de survie de plusieurs milliards d’années, est confrontée à la régulation et au rétablissement d’équilibres perturbés. Mais les premiers symptômes de la « maladie » sont déjà là. Et c’est « l’effet de serre ». Quand deux énergies : solaire et réfléchie par la Terre, ne protègent pas les organismes vivants, mais au contraire se renforcent mutuellement. En conséquence, la température ambiante augmente. Quelles conséquences pourrait avoir une telle augmentation, outre la fonte accélérée des glaciers et l’évaporation de l’eau de la surface des océans, des terres et des plantes ?

Vidéo - Cycle des substances dans la biosphère

Cycles biogéochimiques. V.I. Vernadsky a écrit : « La matière vivante embrasse et réorganise tous les processus chimiques de la biosphère, son énergie effective est énorme. La matière vivante est la force géologique la plus puissante, augmentant avec la convergence du temps. Cette affirmation est un postulat sur le rôle le plus important des organismes vivants dans la formation et le maintien des propriétés physiques et chimiques fondamentales des coquilles terrestres. Le concept de biosphère révèle l'intégrité du système fonctionnel dans l'espace occupé par la vie, où se réalise l'unité des forces géologiques et biologiques sur notre planète. Les propriétés fondamentales de la vie sont réalisées grâce à la forte activité chimique des organismes vivants, à leur mobilité et à leur capacité d'autoproduction et d'évolution. Pour maintenir la vie en tant que phénomène planétaire, la biodiversité est de la plus haute importance, une variété de formes de vie qui diffèrent par l'ensemble des substances qu'elles consomment et des déchets rejetés dans l'environnement. La biodiversité est la base du fonctionnement durable (auto-entretenu) de la biosphère, qui crée des cycles biogéochimiques de matière, de conversion d'énergie et d'utilisation de l'information.

Cycle des nutriments. Sur près de 100 éléments chimiques présents dans le milieu naturel, près de 40 sont indispensables au fonctionnement des organismes vivants. Parmi ces éléments chimiques, N (azote), C (carbone), H (hydrogène), O (oxygène), P (phosphore), B (soufre) (y compris sous forme cationique) font partie des principaux nutriments nécessaires dans une large mesure. tomes. Les éléments chimiques circulent dans la biosphère selon différentes voies du cycle biologique : ils sont absorbés par la matière vivante, « chargés » d'énergie, puis quittent la matière vivante, libérant l'énergie accumulée dans le milieu extérieur (tableau 19).

Les cycles biogéochimiques à principes circulaires de fonctionnement dans les géosphères terrestres sont divisés en deux types principaux : 1) la circulation de substances gazeuses avec un fonds de réserve dans l'atmosphère ou l'hydrosphère (océan) et 2) le cycle sédimentaire avec un fonds de réserve dans l'atmosphère terrestre. croûte.

Les processus cycliques se produisent dans des écosystèmes spécifiques, mais les cycles biogéochimiques ne sont pleinement réalisés qu'au niveau de la biosphère dans son ensemble.

Cycle du carbone. Le carbone est probablement l’un des éléments chimiques les plus fréquemment mentionnés lorsqu’on considère les problèmes géologiques, biologiques et, ces dernières années, techniques. Le carbone (C) se trouve sur notre planète dans des proportions extrêmement

divers composés, depuis le carbone pur (graphite, charbon, etc.), jusqu'aux composés organiques de haut poids moléculaire. La substance inorganique qui sous-tend le cycle biogénique de cet élément est le dioxyde de carbone (dioxyde de carbone C0 2). Le dioxyde de carbone est l'un des principaux composants de l'atmosphère et se trouve également dans l'hydrosphère à l'état dissous. Lors de la description de la photosynthèse, le processus de transition du carbone du dioxyde de carbone aux sucres (glucose, etc.) a été pris en compte. Par la suite, diverses autres réactions de synthèse dans les systèmes biologiques transforment les glucides résultants en composés organiques de haut poids moléculaire plus complexes : lipides, amidon, glycogène, etc. Progressivement, la formation et la croissance des tissus se produisent grâce aux composés nouvellement formés. En même temps, ces substances constituent une source de composés organiques pour d’autres organismes vivants. Dans les processus vitaux ultérieurs, en raison de l'oxygène fourni pendant la respiration, l'oxydation des composés organiques se produit, ce qui représente dans ce cas une série de réactions séquentielles, entraînant la formation de dioxyde de carbone, qui est éliminé à l'extérieur du corps et pénètre dans l'atmosphère. ou se dissout dans l'eau (Fig. 97).

Après l'achèvement du cycle de vie - mort (mort) de l'organisme, ses tissus subissent une décomposition biologique sous l'influence de décomposeurs, ce qui entraîne également le rejet de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Ce processus est confiné aux horizons du sol et détermine l'essence de la respiration du sol.

Un autre processus qui entraîne le carbone est la formation d'humus à l'aide de saprophages et la minéralisation ultérieure de la substance sous l'action de champignons et de bactéries. Il s’agit d’un processus très lent dont la vitesse est déterminée par la quantité d’oxygène, la composition chimique du sol et la température. Avec un manque d'oxygène et une acidité élevée, le carbone s'accumule dans la tourbe. Des processus similaires à des époques géologiques lointaines ont formé des gisements de charbon et de pétrole, qui ont stoppé le processus du cycle du carbone.

Si tous les processus vitaux se déroulent dans l'hydrosphère, une suspension similaire se produit à la suite de la liaison du carbone dans la calcite (CaCO), qui fait partie du corail, de la fusuline, du calcaire coquillier, de la craie, etc. du carbone, dont la libération n'est possible qu'avec la régression de la mer et le lessivage ultérieur des roches carbonatées dues aux précipitations ou à l'altération biologique sous l'influence des lichens, des racines des plantes et des micro-organismes.

Éléments chimiques contenus dans les organismes vivants et leur présence dans l'environnement (B. Nebel, 1993)

	Molécules ou ions biologiquement importants contenant un élément donné	Présence dans l'environnement
	Nom		Roches et sols
	Dioxyde de carbone (dioxyde de carbone)

Oxygène (pour respirer)	Gazeux oxygène
Oxygène (libéré lors de la photosynthèse)
	Azote gazeux
	ion ammonium
	ion nitrate
	Ion sulfate
	Ion phosphate
	Ion potassium
	Ion calcium
	Ion magnésium
Microéléments :
	Ions de fer
Manganèse	Ion manganèse

	Ion zinc

Molybdène	Ion molybdène
	Ion chlore

Note. Les éléments répertoriés sont inclus dans tous les organismes vivants - plantes, animaux, microbes. Certaines espèces ont également besoin d’autres éléments (par exemple, les humains ont besoin de sodium et d’iode).

Reconstitution des ressources CO2 en cours je^ activité humaine

Atmosphère d'équilibre - eau

Calcaire

Riz. 97. Cycle du carbone dans la biosphère

Calcaire| P_07 et (corail) R' récifs x m

Cycle du phosphore. Le phosphore est l'un des éléments chimiques assez répandus qui font partie de divers minéraux, y compris rocheux, qui forment un certain nombre de roches. Lors de l'altération de ces roches, le phosphore pénètre dans les biogéocénoses en quantités importantes, ainsi que par lessivage par les précipitations atmosphériques et s'accumule finalement dans l'hydrosphère. Dans tous les cas, le phosphore aboutit dans les systèmes alimentaires, mais sa préparation n’est pas simple. Le phosphore est nécessaire aux organismes pour construire des gènes et des molécules de composés qui transfèrent l'énergie à l'intérieur des cellules (Fig. 98).

Les minéraux contiennent du phosphore sous forme d'ions phosphate inorganiques (PO4 3). Les phosphates sont solubles, mais ne forment pas de formes gazeuses, c'est-à-dire qu'ils sont non volatils. Les plantes sont capables d’absorber le phosphate d’une solution aqueuse pour l’inclure dans divers composés organiques. Dans les plantes, le phosphore apparaît sous forme de phosphate organique. Sous cette forme, il est déjà capable de se déplacer le long des chaînes alimentaires et de se transmettre aux organismes.

Graphique 98.

organismes des écosystèmes. À chaque transition d'un niveau trophique à un autre, une quantité suffisante de composé contenant du phosphore pour que le corps obtienne de l'énergie est soumise à une oxydation lors de la respiration cellulaire. Dans ce cas, le phosphore ne peut apparaître que dans l'urine ou ses analogues et être éliminé hors du corps dans l'environnement, où il peut commencer un nouveau cycle par absorption par les plantes.

Il est nécessaire de s'attarder plus en détail sur les différences entre les cycles du phosphore et du carbone. Le carbone sous forme de dioxyde de carbone pénètre dans l'atmosphère sous forme de gaz, où il est librement distribué partout par les courants d'air jusqu'à ce qu'il soit réabsorbé par les plantes. Le phosphore ne forme pas une forme gazeuse similaire et il n’y a pas de retour gratuit dans l’écosystème. Les composés de phosphore liquide pénètrent dans les plans d'eau, où ils saturent activement (même au point de sursaturer) les écosystèmes aquatiques. D'un plan d'eau, le phosphore ne peut pas retourner sur terre, à l'exception d'une petite quantité sous forme de déjections d'oiseaux piscivores, qui se déposent sur la côte, sur

Exemple de gisements de guano sur les côtes du Pérou, les phosphates se déposent au fond des réservoirs. Les roches contenant du phosphore retournent sur terre avec les processus de régression marine et pendant l'orogenèse.

Selon B. Nebel, les phosphates et nutriments minéraux similaires présents dans le sol ne circulent dans l'écosystème que si les « déchets » les contenant sont déposés dans les endroits où cet élément est absorbé. Ceci est typique de tous les écosystèmes naturels (B. Nebel, 1993).

Cycle de l'oxygène. Le cycle biochimique est un processus planétaire qui constitue un élément unificateur de l’atmosphère, de l’hydrosphère et de la lithosphère. Dans l'atmosphère, la forme prédominante d'oxygène est la molécule d'Og, mais, comme déjà indiqué, il existe également de l'oxygène O2-ozone et de l'oxygène atomique O. L’oxygène sous forme libre est à la fois un déchet et un élément vital. V.I. Vernadsky a écrit : « La vie, qui crée de l’oxygène libre dans la croûte terrestre, crée ainsi de l’ozone et protège la biosphère du rayonnement destructeur à court terme des corps célestes. » Sur la fig. La figure 99 montre le cycle de l'oxygène dans la biosphère, dont il ressort clairement qu'il s'agit de la somme de processus très complexes, puisque l'oxygène fait partie de nombreux composés organiques et inorganiques différents. Mais l’essentiel réside dans les échanges entre l’atmosphère et les organismes vivants. Processus photosynthétique

Ozone

écran

Riz. 99. Cycle de l'oxygène dans la biosphère (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Phytoplancton D'ACCORD "dans la zone éclairée G G

HgO+SRgNgCOgHCH^^H -2HC0 3 -H 2 0+C0^

la thèse produit de l'oxygène et les processus de décomposition le lient. Une petite quantité d'oxygène se forme lors de la dissociation des molécules d'eau et d'ozone dans la haute atmosphère sous l'influence du rayonnement ultraviolet. Une partie importante de l’oxygène est dépensée dans les processus oxydatifs de la croûte terrestre, lors des éruptions volcaniques, etc.

Cycle de l'azote. Le mouvement de l'azote est un processus assez complexe, différent du cycle des autres nutriments, car il comprend une phase gazeuse et minérale. L'atmosphère contient 78 % d'azote (N 2). Malgré l'énorme importance de l'azote pour la vie des organismes vivants, ceux-ci ne peuvent pas consommer directement ce gaz de l'atmosphère. Les plantes absorbent les ions ammonium (NH^) ou nitrate (N0^). Pour que l’azote soit transformé sous ces formes, la participation de certaines bactéries ou algues bleu-vert (cyanobactéries) est nécessaire. Le processus de conversion de l’azote gazeux (Ng) en forme d’ammonium est appelé fixation de l’azote. Le rôle le plus important parmi les micro-organismes fixateurs d'azote est joué par les bactéries du genre YugoYit, qui forment des relations symbiotiques avec les légumineuses. Parmi ces derniers, le trèfle et la luzerne revêtent la plus grande importance. Les bactéries fixatrices d'azote, créant une forme d'azote qui est absorbée par les plantes, par interaction symbiotique, permettent à l'azote de s'accumuler dans les parties aériennes et souterraines des plantes ; par exemple, de 150 à 400 kg d'azote s'accumulent sur un hectare de trèfle ou de luzerne par an. Les micro-organismes fixateurs d'azote eux-mêmes, parmi lesquels se trouvent des espèces qui synthétisent

.Azote atmosphérique

Protéine

Éruption

races

Biologistes- PlanteRestauration Denitri-

fixation du nitrate sur le cuir chevelu et le ventre

Fixation"être déchets,

)organismes morts

imiaque

iitri^je

Dans les eaux souterraines

Oxyde nitrique (!)

Nitrates

Riz. 100. Cycle de l'azote dans la biosphère

les protéines complexes, en mourant, enrichissent le sol en azote organique. Dans le même temps, environ 25 kg d'azote par hectare pénètrent dans le sol par an (I.A. Shilov, 2000) (Fig. 100).

Dans la nature, il existe également des micro-organismes qui entretiennent des relations symbiotiques non seulement avec les légumineuses, mais également avec d'autres plantes. Dans le milieu aquatique et sur les sols gorgés d'eau, la fixation de l'azote est réalisée par des algues bleu-vert (capables en même temps de photosynthèse). Dans tous les cas décrits, l'azote est consommé soit sous forme de nitrates, soit sous forme d'ammonium.

L'azote, après avoir été consommé par les plantes, participe à la synthèse des protéines qui, concentrées dans les feuilles des plantes, fournissent ensuite une nutrition azotée aux phytophages. Les organismes morts et les déchets (excréments) fournissent un habitat et servent de nourriture aux saprophages qui, comme nous l'avons noté ci-dessus, décomposent progressivement les composés organiques contenant de l'azote en composés inorganiques. Selon Y.A. Selon Shilov (2000), le dernier maillon de cette chaîne est constitué d'organismes ammonifiants qui produisent de l'ammoniac (N14), qui peut d'ailleurs être impliqué dans le cycle de nitrification. Shggozotopa oxyder l'ammoniac en nitrites, et Non (goac (euh oxyder les nitrites en nitrates et ainsi le cycle de l'azote peut se poursuivre. Parallèlement aux processus décrits, il existe un retour constant d'azote dans l'atmosphère dû à l'activité de bactéries dénitrifiantes capables de décomposer les nitrates en azote (N2). Ces bactéries ont tendance à être répandues dans les sols fertiles où l'azote et le carbone sont abondants. Ces bactéries libèrent jusqu'à 50 à 60 kg d'azote dans l'atmosphère par an et par hectare de surface du sol (Fig. 101).

En plus des processus de fixation de l'azote ci-dessus, la formation d'oxydes d'azote lors des décharges électriques de foudre est possible dans le milieu naturel. Ces oxydes, sous forme de nitrate ou d'acide nitrique, mélangés aux précipitations, pénètrent ensuite dans le sol (lors des décharges de foudre, de 4 à 10 kg d'azote pour 1 ha sont enregistrés). Une fixation photochimique de l'azote se produit également.

Riz. 101. *Nodules" sur les racines des légumineuses (B. Nebel, 1992)

Atmosphère

sphère

Sol et * précipitations

Sulfures de fer

Riz. 102. Cycle du soufre dans la biosphère

Il est possible d'exclure l'azote des processus de cycle en accumulant ses composés dans les sédiments océaniques profonds, ce qui est toutefois compensé par la libération partielle d'azote (N2) lors des éruptions volcaniques.

Cycle du soufre. C'est l'un des principaux nutriments qui pénètrent dans les horizons du sol à la suite de la décomposition naturelle de roches individuelles contenant des minéraux tels que la pyrite - pyrite de soufre (Pe8 2), la pyrite de cuivre (CuPe8 3) et lors de la décomposition de substances organiques, principalement de origine végétale. Du sol, à travers le système racinaire, le soufre pénètre dans les plantes, où les acides aminés soufrés - cystine, cystéine, méthionine - sont synthétisés. Pour les processus vitaux, les animaux ont besoin de soufre en quantités importantes ; il leur parvient avec de la nourriture (Fig. 102).

À partir de composés organiques, le soufre pénètre dans le sol lors de la décomposition des résidus principalement végétaux par des micro-organismes. Le soufre d'origine organique est réduit en sulfure d'hydrogène (H 2 3), en soufre minéral ou oxydé en sulfates, qui peuvent à nouveau être absorbés par les racines des plantes, c'est-à-dire qu'il réintègre le cycle biologique.

Cycle de l'eau. Dans ce cas, nous ne parlons pas d'un biogène séparé, mais d'une combinaison de deux biogènes les plus importants, l'hydrogène (H) et l'oxygène (O), c'est-à-dire l'eau, dont l'importance pour la vie sur Terre est absolue. Le cycle de l’eau est le processus de mouvement continu et interconnecté de l’eau à l’échelle mondiale. Le cycle de l'eau s'effectue sous l'influence de l'énergie solaire,

gravité, activité vitale des organismes. En général, pour la planète, la principale source d'approvisionnement en eau sont les précipitations, et le débit est l'évaporation, qui s'élève au total à 525 000 km ! soit 1030 mm par an.

Sur la fig. 103 montre le cycle de l'eau, dans lequel on peut distinguer ce qu'on appelle le petit et le grand. Avec un petit cycle, l'eau qui s'est évaporée de la surface de l'océan y retourne sous forme de précipitations. Au cours d'un grand cycle, une partie de l'humidité évaporée de la surface de l'eau tombe non seulement dans l'océan, mais également sur la terre ferme, où elle alimente les rivières et autres plans d'eau, pour finalement retourner dans l'océan avec le ruissellement souterrain ou de surface.

Les aspects du bilan hydrique de l’hydrosphère ont été discutés ci-dessus. Il est à noter que les eaux des rivières ont la plus grande activité d'échange d'eau (renouvelée tous les 11 jours) par rapport, par exemple, aux eaux des glaciers polaires (l'échange s'effectue sur 8000 ans). L'eau des rivières dans des conditions naturelles est presque toujours fraîche et est utilisée pour la consommation par de nombreux organismes vivants. Selon de nombreux scientifiques, le cycle de l’eau est une usine de dessalement géante à l’échelle mondiale.

L'évapotranspiration, qui est la quantité d'humidité qui passe dans l'atmosphère à la suite de la transpiration des plantes vertes et de l'évaporation de la surface du sol, c'est-à-dire l'évaporation totale (généralement mesurée en mg/h) joue un rôle important dans le processus du cycle de l'eau. (jour 5 h). La transpiration est l'évaporation de l'eau des parties vertes des plantes, et elle s'évapore de toutes les surfaces externes et internes des plantes en contact avec

air. La transpiration totale dépend de nombreux facteurs environnementaux (éclairage, air sec, vent, relief, etc.). La plus grande transpiration est caractérisée par les plantes des marais et flottantes (quenouilles, chastuha, potamot - jusqu'à 4000 mg/(dm 2 -h)). Parmi les plantes terrestres, les plantes herbacées des habitats ensoleillés transpirent le plus fortement - jusqu'à 2 500 mg/(dm 2 - h) ; les arbustes de la toundra ne donnent que 150 mg/(dm 2 -h) et les arbres tropicaux des forêts de la région du brouillard seulement jusqu'à 120 mg/(dm 2 -h). Chez les conifères à feuilles persistantes, les aiguilles en forme d'aiguille situées à l'avant de l'appareil stomatique présentent un bouchon haut qui constitue un obstacle supplémentaire à la transpiration. Chez les plantes du désert, la transpiration est le seul moyen de protéger l’organisme des effets mortels des températures élevées.

Des évaluations quantitatives du rôle de l'évapotranspiration dans le cycle de l'eau réalisées par des spécialistes allemands ont montré ce qui suit : avec des précipitations annuelles moyennes de 771 mm, moins de la moitié - 367 mm - pénètre dans la mer avec le ruissellement souterrain et superficiel, et le reste 404 mm sont évapotranspirés. Des scientifiques suédois ont découvert qu'un hectare de forêt d'épicéas transpire jusqu'à 2 100 m 1 d'eau en un an sur un sol sec. La quantité d'évapotranspiration des formations végétales en Europe centrale peut atteindre 7 000 tonnes par hectare et par an. Certains types d’espèces d’arbres peuvent être utilisés avec succès pour drainer les marécages. Un exemple classique est le drainage des marécages de Colchide en Géorgie par la plantation d'eucalyptus [25, 42].

Cycle des cations biogènes. Les processus métaboliques des organismes vivants nécessitent la participation de divers cations. Certains d'entre eux sont contenus en quantités assez importantes et sont donc classés comme microéléments - sodium (Na), potassium (K), calcium (Ca), magnésium (Q). D'autres sont contenus en petites quantités (ppm de matière sèche), mais sont également nécessaires au fonctionnement durable des organismes vivants. Ce sont des microéléments sous forme de cations fer (Fe), zinc (Ъп), cuivre (Cu), manganèse (Mn) et quelques autres.

La principale source de cations biogènes sur terre est le sol, où ils pénètrent lors de l'altération des roches. À partir du sol, à l'aide du système racinaire des plantes, les cations pénètrent d'abord dans les tissus végétaux, puis sont absorbés par les herbivores, etc. Un certain nombre d'animaux sont capables d'obtenir partiellement des cations biogènes directement du sol - le processus de solonetzation. La minéralisation des excréments et des restes d'organismes vivants permet aux macro et microéléments de retourner dans le sol, ce qui les rend à nouveau disponibles pour être inclus dans le cycle biogénique répété.

Ce cycle plutôt simple est perturbé par l’élimination des nutriments dans les rivières et de là dans les mers et les océans. Le lessivage par les eaux de pluie entraîne une dégradation du complexe d'absorption colloïdale et un affaiblissement du système racinaire des plantes. Ce processus est particulièrement visible dans les climats humides ; en zone tempérée, cela conduit à une podzolisation des sols.

Processus biogéochimiques dans divers organismes. Divers composés biologiques et éléments inorganiques inclus dans les cycles biogéochimiques sont impliqués dans des processus très divers et en plusieurs étapes : synthèse organique, transformation répétée de substances organiques au cours du métabolisme et leur décomposition en composants minéraux lors de la réduction. Les éléments individuels des processus de recyclage des principaux nutriments, évoqués ci-dessus, constituent le cycle biologique des substances. Les principaux niveaux trophiques qui constituent la base de ce cycle sont représentés par des types spécifiques de producteurs, de consommateurs, de décomposeurs et, bien entendu, ils diffèrent considérablement les uns des autres par le type de métabolisme, c'est-à-dire par la fonction spécifique exercée à un niveau trophique donné. niveau.

Les autotrophes et les hétérotrophes représentent la principale division des organismes vivants en fonction de leurs caractéristiques nutritionnelles ; les autotrophes sont classés comme producteurs et les hétérotrophes sont classés respectivement comme consommateurs et décomposeurs.

Les autotrophes, utilisant l'énergie solaire (photosynthétique) ou l'énergie des liaisons chimiques (chimiosynthétiques) du dioxyde de carbone, de l'eau et des composants minéraux essentiels, synthétisent les principales classes de substances organiques : glucides, graisses (lipides), protéines, acides nucléiques, etc. de ces substances ont leur importance pour la vie des organismes.

Les glucides. La formule fondamentale de ces composés de carbone, d'hydrogène et d'oxygène est C t (H.0)". La classe des glucides comprend les sucres : monosaccharides - C 6 H)