Vandens ir kai kurių medžiagų cirkuliacijos biosferoje ypatumai. Kokią funkciją atlieka medžiagų ciklas biosferoje? Chemija aplink vandens ciklą biosferoje?

Medžiagų cirkuliacija biosferoje yra tam tikrų cheminių elementų „kelionė“ gyvų organizmų mitybos grandinėje saulės energijos dėka. „Kelionės“ metu kai kurie elementai dėl įvairių priežasčių iškrenta ir, kaip taisyklė, lieka žemėje. Jų vietą užima tie patys, kurie dažniausiai ateina iš atmosferos. Tai labiausiai supaprastintas aprašymas, kas garantuoja gyvybę Žemės planetoje. Jei tokia kelionė dėl kokių nors priežasčių nutrūks, tada visa gyva būtybė nutrūks.

Norint trumpai apibūdinti medžiagų ciklą biosferoje, būtina pateikti keletą atskaitos taškų. Pirma, iš daugiau nei devyniasdešimties gamtoje žinomų ir randamų cheminių elementų gyviems organizmams reikia apie keturiasdešimties. Antra, šių medžiagų kiekis yra ribotas. Trečia, mes kalbame tik apie biosferą, tai yra apie gyvybę turintį žemės apvalkalą, taigi ir apie gyvų organizmų sąveiką. Ketvirta, energija, kuri prisideda prie ciklo, yra energija, gaunama iš Saulės. Energija, susidaranti Žemės žarnyne dėl įvairių reakcijų, nagrinėjamame procese nedalyvauja. Ir paskutinis dalykas. Būtina aplenkti šios „kelionės“ pradžios tašką. Tai sąlyginė, nes negali būti apskritimo pabaigos ir pradžios, bet tai būtina norint kažkur pradėti apibūdinti procesą. Pradėkime nuo žemiausios trofinės grandinės grandies – nuo skaidytojų ar kapų.

Vėžiagyviai, kirminai, lervos, mikroorganizmai, bakterijos ir kiti kapai, vartodami deguonį ir naudodami energiją, perdirba neorganinius cheminius elementus į organinę medžiagą, tinkamą gyviems organizmams maitinti ir tolimesniam jos judėjimui mitybos grandine. Be to, šias jau organines medžiagas valgo vartotojai arba vartotojai, tarp kurių yra ne tik gyvūnai, paukščiai, žuvys ir panašiai, bet ir augalai. Pastarieji yra gamintojai arba gamintojai. Jie, naudodami šias maistines medžiagas ir energiją, gamina deguonį, kuris yra pagrindinis elementas, tinkamas kvėpuoti visoms gyvoms planetos būtybėms. Miršta vartotojai, gamintojai ir net skaidytojai. Jų palaikai kartu su juose esančiomis organinėmis medžiagomis „krenta“ į kapų kasėjų žinią.

Ir vėl viskas kartojasi. Pavyzdžiui, visas biosferoje esantis deguonis savo apyvartą užbaigia per 2000 metų, o anglies dioksidas – per 300. Toks ciklas paprastai vadinamas biogeocheminiu ciklu.

Kai kurios organinės medžiagos savo „kelionės“ metu reaguoja ir sąveikauja su kitomis medžiagomis. Dėl to susidaro mišiniai, kurių tokia forma, kokia jie yra, negali apdoroti skaidytojai. Tokie mišiniai lieka „sandėliuoti“ žemėje. Ne visų organinių medžiagų, kurios patenka ant kapų kasėjų „stalo“, jie negali apdoroti. Ne viskas gali supūti su bakterijų pagalba. Tokie nesupuvę palaikai patenka į saugyklą. Viskas, kas lieka saugykloje ar rezerve, pašalinama iš proceso ir neįtraukiama į biosferos medžiagų ciklą.

Taigi biosferoje medžiagų ciklą, kurio varomoji jėga yra gyvų organizmų veikla, galima suskirstyti į du komponentus. Vienas – rezervinis fondas – tai su gyvų organizmų veikla nesusijusi ir kol kas apyvartoje nedalyvaujanti medžiagos dalis. O antrasis – apyvartinis fondas. Tai tik nedidelė dalis medžiagos, kurią aktyviai naudoja gyvi organizmai.

Kurių pagrindinių cheminių elementų atomai taip reikalingi gyvybei Žemėje? Tai yra: deguonis, anglis, azotas, fosforas ir kai kurie kiti. Iš junginių pagrindinis apyvartoje yra vanduo.

Deguonis

Deguonies ciklas biosferoje turėtų prasidėti nuo fotosintezės proceso, dėl kurio jis atsirado prieš milijardus metų. Jį augalai išskiria iš vandens molekulių veikiami saulės energijos. Deguonis susidaro ir viršutiniuose atmosferos sluoksniuose vykstant cheminėms reakcijoms vandens garuose, kur veikiant elektromagnetinei spinduliuotei cheminiai junginiai suyra. Tačiau tai yra nedidelis deguonies šaltinis. Pagrindinė yra fotosintezė. Deguonies taip pat yra vandenyje. Nors jo yra 21 kartą mažiau nei atmosferoje.

Gautą deguonį gyvi organizmai naudoja kvėpavimui. Jis taip pat yra įvairių mineralinių druskų oksidatorius.

O žmogus yra deguonies vartotojas. Tačiau prasidėjus mokslo ir technologinei revoliucijai šis suvartojimas išaugo daug kartų, nes deguonis deginamas arba surišamas vykdant daugybę pramoninės gamybos, transporto, buitiniams ir kitiems žmogaus gyvenimo poreikiams tenkinti. Anksčiau buvęs vadinamasis deguonies mainų fondas atmosferoje sudarė 5% viso jos tūrio, tai yra, fotosintezės procese buvo pagaminta tiek deguonies, kiek buvo sunaudota. Dabar ši apimtis tampa katastrofiškai maža. Deguonis suvartojamas, galima sakyti, iš avarinio rezervo. Iš ten, kur nėra kam jo pridėti.

Šią problemą šiek tiek sušvelnina tai, kad dalis organinių atliekų nėra apdorojamos ir nepatenka į puvimo bakterijų įtaką, o lieka nuosėdinėse uolienose, sudarydamos durpes, anglį ir panašius mineralus.

Jei fotosintezės rezultatas yra deguonis, tai jo žaliava yra anglis.

Azotas

Azoto ciklas biosferoje yra susijęs su tokių svarbių organinių junginių kaip baltymai, nukleino rūgštys, lipoproteinai, ATP, chlorofilas ir kt. Molekulinės formos azotas randamas atmosferoje. Kartu su gyvais organizmais tai sudaro tik apie 2% viso Žemėje esančio azoto. Tokia forma jį gali vartoti tik bakterijos ir melsvadumbliai. Likusioje augalų pasaulio dalyje molekulinės formos azotas negali būti maistas, o gali būti perdirbamas tik neorganinių junginių pavidalu. Kai kurios tokių junginių rūšys susidaro per perkūniją ir su krituliais patenka į vandenį ir dirvą.

Aktyviausi azoto ar azoto fiksatorių „perdirbėjai“ yra mazginės bakterijos. Jie nusėda ankštinių augalų šaknų ląstelėse ir molekulinį azotą paverčia jo junginiais, tinkamais augalams. Po to, kai jie miršta, dirvožemis taip pat praturtinamas azotu.

Puvimo bakterijos skaido azoto turinčius organinius junginius į amoniaką. Dalis jo patenka į atmosferą, o likusią dalį kitų rūšių bakterijos oksiduoja iki nitritų ir nitratų. Jie, savo ruožtu, tiekiami kaip maistas augalams, o nitrifikuojančios bakterijos redukuoja iki oksidų ir molekulinio azoto. Kurie vėl patenka į atmosferą.

Taigi akivaizdu, kad azoto cikle pagrindinį vaidmenį atlieka įvairių tipų bakterijos. Ir jei sunaikinsite bent 20 šių rūšių, gyvenimas planetoje nutrūks.

Ir vėl nusistovėjusią grandinę nutraukė žmogus. Siekdamas padidinti pasėlių derlių, jis pradėjo aktyviai naudoti azoto turinčias trąšas.

Anglies

Anglies ciklas biosferoje yra neatsiejamai susijęs su deguonies ir azoto cirkuliacija.

Biosferoje anglies ciklo schema pagrįsta žaliųjų augalų gyvybine veikla ir jų gebėjimu anglies dioksidą paversti deguonimi, tai yra fotosinteze.

Anglis įvairiais būdais sąveikauja su kitais elementais ir yra beveik visų organinių junginių klasių dalis. Pavyzdžiui, tai yra anglies dioksido ir metano dalis. Jis ištirpsta vandenyje, kur jo kiekis yra daug didesnis nei atmosferoje.

Nors anglis nepatenka į dešimtuką pagal paplitimą, gyvuose organizmuose ji sudaro nuo 18 iki 45 % sausos masės.

Vandenynai tarnauja kaip anglies dioksido lygio reguliatorius. Kai tik jo dalis ore padidėja, vanduo išlygina pozicijas sugerdamas anglies dioksidą. Kitas anglies vartotojas vandenyne yra jūrų organizmai, kurie ją naudoja kriauklėms kurti.

Anglies ciklas biosferoje pagrįstas anglies dioksido buvimu atmosferoje ir hidrosferoje, kuri yra tam tikras mainų fondas. Jį papildo gyvų organizmų kvėpavimas. Atmosferos anglies dvideginio papildyme dalyvauja ir bakterijos, grybai ir kiti mikroorganizmai, dalyvaujantys organinių liekanų skaidymo procese dirvožemyje. Anglies ir rudųjų anglių, durpių, naftingųjų skalūnų ir panašiuose telkiniuose. Tačiau pagrindinis anglies atsargų fondas yra kalkakmenis ir dolomitas. Juose esanti anglis yra „saugiai paslėpta“ planetos gelmėse ir išsiskiria tik tektoninių poslinkių ir ugnikalnių dujų išmetimo metu išsiveržimų metu.

Dėl to, kad kvėpavimo procesas su anglies išsiskyrimu ir fotosintezės procesas su jos absorbcija labai greitai praeina per gyvus organizmus, cikle dalyvauja tik nedidelė dalis visos planetos anglies. Jei šis procesas būtų neabipusis, vien sušių augalai visą anglį sunaudotų vos per 4–5 metus.

Šiuo metu dėl žmogaus veiklos augalų pasaulyje anglies dvideginio netrūksta. Jis papildomas iš karto ir vienu metu iš dviejų šaltinių. Deginant deguonį pramonės, gamybos ir transporto veiklos metu, taip pat naudojant tuos „konservuotus produktus“ - anglis, durpes, skalūnus ir pan. Kodėl anglies dvideginio kiekis atmosferoje padidėjo 25%.

Fosforas

Fosforo ciklas biosferoje yra neatsiejamai susijęs su organinių medžiagų, tokių kaip ATP, DNR, RNR ir kt., sinteze.

Fosforo kiekis dirvožemyje ir vandenyje yra labai mažas. Pagrindiniai jo rezervai yra tolimoje praeityje susidariusiose uolienose. Šioms uolienoms dūstant, prasideda fosforo ciklas.

Fosforą augalai pasisavina tik ortofosforo rūgšties jonų pavidalu. Tai daugiausia kapų kasėjų atliekamų organinių liekanų perdirbimo produktas. Bet jei dirvožemiai turi didelį šarminį ar rūgštinį faktorių, fosfatai juose praktiškai netirpsta.

Fosforas yra puiki maistinė medžiaga įvairių tipų bakterijoms. Ypač melsvadumbliai, kurie sparčiai vystosi esant padidėjusiam fosforo kiekiui.

Tačiau didžioji dalis fosforo su upėmis ir kitais vandenimis nunešama į vandenyną. Ten jį aktyviai minta fitoplanktonas, o kartu su juo ir jūros paukščiai bei kitos gyvūnų rūšys. Vėliau fosforas nukrenta į vandenyno dugną ir sudaro nuosėdines uolienas. Tai yra, jis grįžta į žemę, tik po jūros vandens sluoksniu.

Kaip matote, fosforo ciklas yra specifinis. Sunku tai pavadinti grandine, nes ji nėra uždaryta.

Siera

Biosferoje sieros ciklas būtinas aminorūgščių susidarymui. Jis sukuria trimatę baltymų struktūrą. Tai apima bakterijas ir organizmus, kurie sunaudoja deguonį energijai sintetinti. Jie sierą oksiduoja iki sulfatų, o vienaląsčiai ikibranduoliniai gyvi organizmai sulfatus redukuoja iki vandenilio sulfido. Be jų, ištisos sieros bakterijų grupės oksiduoja sieros vandenilį iki sieros, o vėliau į sulfatus. Augalai gali vartoti tik sieros jonus iš dirvožemio – SO 2-4 Taigi vieni mikroorganizmai yra oksidatoriai, kiti – reduktoriai.

Vietos, kur siera ir jos dariniai kaupiasi biosferoje, yra vandenynas ir atmosfera. Siera patenka į atmosferą, kai iš vandens išsiskiria vandenilio sulfidas. Be to, siera į atmosferą patenka dioksido pavidalu deginant iškastinį kurą gamyboje ir buityje. Visų pirma anglis. Ten jis oksiduojasi ir, lietaus vandenyje pavirtęs į sieros rūgštį, kartu su ja nukrenta ant žemės. Pats rūgštus lietus daro didelę žalą visam augalų ir gyvūnų pasauliui, be to, su audros ir tirpsmo vandeniu jis patenka į upes. Upės neša sieros sulfato jonus į vandenyną.

Sieros taip pat yra uolienose sulfidų pavidalu, o dujinėje - vandenilio sulfido ir sieros dioksido pavidalu. Jūrų dugne yra vietinės sieros telkinių. Bet visa tai yra „rezervas“.

Vanduo

Biosferoje nėra plačiau paplitusios medžiagos. Jo atsargos daugiausia yra sūriai karčios jūrų ir vandenynų vandenyse - apie 97%. Likusi dalis yra gėlas vanduo, ledynai ir požeminis bei požeminis vanduo.

Vandens ciklas biosferoje tradiciškai prasideda jo išgaravimu nuo rezervuarų paviršiaus ir augalų lapų ir siekia maždaug 500 000 kubinių metrų. km. Jis grįžta atgal kaip krituliai, kurie patenka arba tiesiai atgal į vandens telkinius, arba prasiskverbdami per dirvožemį ir gruntinius vandenis.

Vandens vaidmuo biosferoje ir jo evoliucijos istorija yra tokia, kad visa gyvybė nuo jo atsiradimo momento buvo visiškai priklausoma nuo vandens. Biosferoje vanduo daug kartų pergyveno gyvų organizmų skilimo ir gimimo ciklus.

Vandens ciklas daugiausia yra fizinis procesas. Tačiau gyvūnų ir ypač augalų pasaulis čia vaidina svarbų vaidmenį. Vanduo iš medžių lapų paviršiaus plotų išgaruoja toks, kad, pavyzdžiui, hektaras miško per parą išgaruoja iki 50 tonų vandens.

Jei vandens garavimas nuo rezervuarų paviršių yra natūralus jo cirkuliacijai, tai žemynams su jų miško zonomis toks procesas yra vienintelis ir pagrindinis būdas jį išsaugoti. Čia cirkuliacija vyksta tarsi uždarame cikle. Krituliai susidaro išgaruojant nuo dirvožemio ir augalų paviršių.

Fotosintezės metu augalai naudoja vandenilį, esantį vandens molekulėje, kad sukurtų naują organinį junginį ir išleistų deguonį. Ir atvirkščiai, kvėpuojant gyvuose organizmuose vyksta oksidacijos procesas ir vėl susidaro vanduo.

Apibūdindami įvairių rūšių cheminių medžiagų apyvartą, susiduriame su aktyvesne žmogaus įtaka šiems procesams. Šiuo metu gamta dėl kelių milijardų metų trukusios išlikimo istorijos susitvarko su sutrikusios pusiausvyros reguliavimu ir atkūrimu. Tačiau pirmieji "ligos" simptomai jau yra. Ir tai yra „šiltnamio efektas“. Kai dvi energijos: saulės ir Žemės atspindimos, gyvų organizmų neapsaugo, o, priešingai, stiprina viena kitą. Dėl to pakyla aplinkos temperatūra. Kokios gali būti tokio padidėjimo pasekmės, be pagreitėjusio ledynų tirpimo ir vandens išgaravimo nuo vandenyno, žemės ir augalų paviršių?

Vaizdo įrašas – medžiagų ciklas biosferoje

Biogeocheminiai ciklai. V.I. Vernadskis rašė: „Gyvoji medžiaga apima ir pertvarko visus biosferos cheminius procesus, jos efektyvi energija yra milžiniška. Gyvoji medžiaga yra pati galingiausia geologinė jėga, kuri auga kartu su laikui. Šis teiginys yra postulatas apie svarbiausią gyvų organizmų vaidmenį formuojant ir palaikant pagrindines fizines ir chemines Žemės lukštų savybes. Biosferos samprata atskleidžia funkcinės sistemos vientisumą gyvybės užimamoje erdvėje, kurioje realizuojasi geologinių ir biologinių jėgų vienybė mūsų planetoje. Pagrindinės gyvybės savybės realizuojamos dėl didelio gyvų organizmų cheminio aktyvumo, judrumo ir gebėjimo savarankiškai gamintis bei evoliucionuoti. Išlaikant gyvybę kaip planetinį reiškinį, itin svarbi biologinė įvairovė – įvairios gyvybės formos, kurios skiriasi savo vartojamų medžiagų ir į aplinką išmetamų atliekų kiekiu. Biologinė įvairovė yra tvaraus (savarankiško) biosferos funkcionavimo pagrindas, kuris sukuria biogeocheminius medžiagų ciklus, energijos konversiją ir informacijos panaudojimą.

Maistinių medžiagų ciklas. Iš beveik 100 natūralioje aplinkoje randamų cheminių elementų beveik 40 yra būtini gyvų organizmų funkcionavimui. Iš šių cheminių elementų N (azotas), C (anglis), H (vandenilis), O (deguonis), P (fosforas), B (siera) (įskaitant katijoninę formą) yra vienos iš pagrindinių maistinių medžiagų, kurių reikia daug. apimtis. Cheminiai elementai biosferoje cirkuliuoja įvairiais biologinio ciklo keliais: juos sugeria gyvoji medžiaga, „pasikrauna“ energija, tada palieka gyvąją medžiagą, išskirdami sukauptą energiją į išorinę aplinką (19 lentelė).

Biogeocheminiai ciklai su žiediniais funkcionavimo principais Žemės geosferose skirstomi į du pagrindinius tipus: 1) dujinių medžiagų cirkuliaciją su rezerviniu fondu atmosferoje arba hidrosferoje (vandenyne) ir 2) nuosėdų ciklą su rezerviniu fondu žemės gelmėse. pluta.

Ciklo procesai vyksta konkrečiose ekosistemose, tačiau biogeocheminiai ciklai visiškai realizuojami tik visos biosferos lygyje.

Anglies ciklas. Anglis yra turbūt vienas dažniausiai minimų cheminių elementų, sprendžiant geologines, biologines, o pastaraisiais metais ir technines problemas. Anglies (C) mūsų planetoje yra labai daug

įvairių junginių, pradedant nuo grynos anglies (grafito, anglies ir kt.), iki didelės molekulinės masės organinių junginių. Neorganinė medžiaga, kuria grindžiamas šio elemento biogeninis ciklas, yra anglies dioksidas (anglies dioksidas C0 2). Anglies dioksidas yra vienas iš pagrindinių atmosferos komponentų, taip pat randamas hidrosferoje ištirpusios būsenos. Apibūdinant fotosintezę, buvo atsižvelgta į anglies virsmo iš anglies dioksido į cukrų (gliukozę ir kt.) procesą. Po to įvairios kitos sintezės reakcijos biologinėse sistemose paverčia susidariusius angliavandenius į sudėtingesnius didelės molekulinės masės organinius junginius: lipidus, krakmolą, glikogeną ir kt. Dėl naujai susidarančių junginių palaipsniui formuojasi ir auga audiniai. Kartu šios medžiagos yra organinių junginių šaltinis kitiems gyviems organizmams. Vėlesniuose gyvybės procesuose dėl kvėpavimo metu tiekiamo deguonies vyksta organinių junginių oksidacija, kuri šiuo atveju reiškia eilę nuoseklių reakcijų, dėl kurių susidaro anglies dioksidas, kuris pašalinamas iš kūno ir patenka arba į atmosferą. arba ištirpsta vandenyje (97 pav.).

Pasibaigus gyvavimo ciklui - organizmo mirtis (mirtis), jo audiniai, veikiant skaidytojams, vyksta biologiškai skaidosi, o tai taip pat sukelia anglies dioksido išsiskyrimą į atmosferą. Šis procesas apsiriboja dirvožemio horizontais ir lemia dirvožemio kvėpavimo esmę.

Kitas procesas, skatinantis anglį, yra humuso susidarymas saprofagų pagalba ir vėliau vykstanti medžiagos mineralizacija, veikiant grybeliams ir bakterijoms. Tai labai lėtas procesas, kurio greitį lemia deguonies kiekis, dirvožemio cheminė sudėtis ir temperatūra. Trūkstant deguonies ir esant dideliam rūgštingumui, durpėse kaupiasi anglis. Panašūs procesai tolimose geologinėse epochose formavo anglies ir naftos telkinius, kurie sustabdė anglies ciklo procesą.

Jei visi gyvybės procesai vyksta hidrosferoje, tai panaši suspensija susidaro dėl anglies surišimo kalcite (CaCO), kuris yra koralų, fusulino, kriauklių kalkakmenio, kreidos ir kt. dalis. Tai yra giliausias anglies, kurios išsiskyrimas įmanomas tik regresuojant jūrai ir toliau išplovus karbonatines uolienas dėl kritulių ar biologinio oro poveikio, veikiant kerpėms, augalų šaknims ir mikroorganizmams.

Cheminiai elementai, esantys gyvuose organizmuose, ir jų buvimas aplinkoje (B. Nebel, 1993)

	Biologiškai svarbios molekulės arba jonai, turintys tam tikrą elementą	Buvimas aplinkoje
	Vardas		Uolos ir dirvožemiai
	Anglies dioksidas (anglies dioksidas)

Deguonis (kvėpavimui)	Dujinis deguonies
Deguonis (išsiskiria fotosintezės metu)
	Azoto dujos
	amonio jonas
	nitratų jonų
	Sulfato jonai
	Fosfato jonai
	Kalio jonai
	Kalcio jonas
	Magnio jonas
Mikroelementai:
	Geležies jonai
Manganas	Mangano jonas

	Cinko jonas

Molibdenas	Molibdeno jonas
	Chloro jonas

Pastaba. Išvardyti elementai yra įtraukti į visus gyvus organizmus – augalus, gyvūnus, mikrobus. Kai kurioms rūšims reikia ir kitų elementų (pavyzdžiui, žmogui reikia natrio ir jodo).

Vyksta CO2 išteklių papildymas l^ žmogaus veikla

Pusiausvyros atmosfera – vanduo

Kalkakmenis

Ryžiai. 97. Anglies ciklas biosferoje

Kalkakmenis| P_07 ir (koralas) R ‘rifai x m

Fosforo ciklas. Fosforas yra vienas iš gana plačiai paplitusių cheminių elementų, kurie yra įvairių, įskaitant uolienas formuojančių, mineralų, sudarančių daugybę uolienų, dalis. Šių uolienų dūlėjimo metu fosforas dideliais kiekiais patenka į biogeocenozes, taip pat išplaunamas atmosferos krituliais ir galiausiai kaupiasi hidrosferoje. Visais atvejais fosforas patenka į maisto sistemas, tačiau jo paruošimas nėra paprastas. Fosforas būtinas, kad organizmai galėtų kurti genus ir junginių molekules, kurios perduoda energiją ląstelių viduje (98 pav.).

Mineraluose yra fosforo neorganinio fosfato jonų (PO4 3) pavidalu. Fosfatai yra tirpūs, bet nesudaro dujinių formų, t. y. yra nelakūs. Augalai gali absorbuoti fosfatą iš vandeninio tirpalo ir įtraukti juos į įvairius organinius junginius. Augaluose fosforas atsiranda vadinamojo organinio fosfato pavidalu. Tokia forma jis jau gali judėti maisto grandinėmis ir perduoti organizmams.

98 pav.

ekosistemų organizmai. Kiekvieną kartą pereinant iš vieno trofinio lygio į kitą, ląstelių kvėpavimo metu oksiduojamas pakankamas fosforo turinčio junginio kiekis, kad organizmas galėtų gauti energijos. Šiuo atveju fosforas gali atsirasti tik šlapime arba jo analoguose ir būti pašalintas iš organizmo į aplinką, kur jis gali pradėti tolesnį ciklą per augalų absorbciją.

Būtina išsamiau aptarti fosforo ir anglies ciklų skirtumus. Anglis anglies dioksido pavidalu patenka į atmosferą kaip dujos, kur oro srovėmis laisvai pasiskirsto visur, kol vėl ją sugeria augalai. Fosforas nesudaro panašios dujų formos ir nėra laisvo grįžimo į ekosistemą. Skystieji fosforo junginiai patenka į vandens telkinius, kur aktyviai prisotina (net iki persisotinimo) vandens ekosistemas. Iš vandens telkinio fosforas negali grįžti į žemę, išskyrus nedidelį kiekį žuvimis mintančių paukščių išmatų, kurios nusėda pakrantėje,

Guano telkinių Peru pakrantėje pavyzdys – fosfatai nusėda rezervuarų dugne. Fosforo turinčios uolienos grįžta į žemę kartu su jūros regresijos procesais ir orogenezės metu.

Anot B. Nebelio, fosfatas ir panašios mineralinės maistinės medžiagos, esančios dirvožemyje, ekosistemoje cirkuliuoja tik tada, kai jų turinčios „atliekos“ nusėda tose vietose, kur šis elementas įsisavinamas. Tai būdinga visoms natūralioms ekosistemoms (B. Nebel, 1993).

Deguonies ciklas. Biocheminis ciklas yra planetinis procesas, vienijantis atmosferą, hidrosferą ir litosferą. Atmosferoje vyraujanti deguonies forma yra Og molekulė, tačiau, kaip jau minėta, taip pat yra O2-ozonas ir O-atominis deguonis. Laisvos formos deguonis yra ir atliekos, ir gyvybę palaikantis elementas. V.I. Vernadskis rašė: „Gyvybė, kuri sukuria laisvą deguonį žemės plutoje, taip sukuria ozoną ir apsaugo biosferą nuo griaunančios trumpalaikės dangaus kūnų spinduliuotės“. Fig. 99 paveiksle parodytas deguonies ciklas biosferoje, iš kurio aišku, kad tai labai sudėtingų procesų suma, nes deguonis yra daugelio skirtingų organinių ir neorganinių junginių dalis. Tačiau pagrindinis dalykas yra mainai tarp atmosferos ir gyvų organizmų. Fotosin procesas

Ozonas

ekranas

Ryžiai. 99. Deguonies ciklas biosferoje (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Fitoplanktonas Gerai “ apšviestoje zonoje G G

HgO+SRgNgCOgHCH^^H -2HC03 -H20+C0^

baigiamasis darbas gamina deguonį, o skilimo procesai jį suriša. Viršutinės atmosferos sluoksnio vandens ir ozono molekulių disociacijos metu, veikiant ultravioletinei spinduliuotei, susidaro nedidelis deguonies kiekis. Nemaža dalis deguonies išleidžiama oksidaciniams procesams žemės plutoje, ugnikalnių išsiveržimų metu ir kt.

Azoto ciklas. Azoto judėjimas yra gana sudėtingas procesas, kuris skiriasi nuo kitų maistinių medžiagų ciklo, nes apima dujinę ir mineralinę fazę. Atmosferoje yra 78% azoto (N 2). Nepaisant didžiulės azoto svarbos gyvų organizmų gyvenimui, jie negali tiesiogiai vartoti šių dujų iš atmosferos. Augalai sugeria amonio jonus (NH^) arba nitratus (N0^). Kad azotas virstų šiomis formomis, būtinas tam tikrų bakterijų arba melsvadumblių (cianobakterijų) dalyvavimas. Azoto dujų (N) pavertimo amonio forma procesas vadinamas azoto fiksavimu. Tarp azotą fiksuojančių mikroorganizmų svarbiausią vaidmenį atlieka genties bakterijos YugoYit, kurios formuoja simbiotinius ryšius su ankštiniais augalais. Iš pastarųjų didžiausią reikšmę turi dobilai ir liucerna. Azotą fiksuojančios bakterijos, sukurdamos augalų pasisavinamą azoto formą simbiotinės sąveikos būdu, leidžia azotui kauptis antžeminėse ir požeminėse augalų dalyse; pavyzdžiui, per metus viename dobilų ar liucernos hektare susikaupia nuo 150 iki 400 kg azoto. Patys azotą fiksuojantys mikroorganizmai, tarp kurių yra rūšių, kurios sintetina

.Atmosferos azotas

Baltymai

Išsiveržė

veislių

Biologai- Augalą atkuriantis denitri-

galvos odos ir pilvo nitratų fiksacija

Fiksavimas"b/e atliekos,

) negyvi organizmai

imiac

iitri^i

Į požeminį vandenį

Azoto oksidas (!)

Nitratai

Ryžiai. 100. Azoto ciklas biosferoje

kompleksiniai baltymai, miršta, praturtina dirvą organiniu azotu. Tuo pačiu metu į dirvą per metus patenka apie 25 kg azoto iš 1 hektaro (I.A. Shilov, 2000) (100 pav.).

Gamtoje taip pat yra mikroorganizmų, turinčių simbiotinius ryšius ne tik su ankštiniais, bet ir su kitais augalais. Vandens aplinkoje ir užmirkusiuose dirvožemiuose azotą fiksuoja melsvadumbliai (tuo pačiu metu galintys fotosintezuoti). Bet kuriuo iš aprašytų atvejų azotas suvartojamas arba nitratų, arba amonio pavidalu.

Azotas, suvartotas augalų, dalyvauja baltymų sintezėje, kurie, susikoncentravę augalų lapuose, aprūpina fitofagus azotu. Negyvi organizmai ir atliekos (ekskrementai) suteikia buveinę ir yra maistas saprofagams, kurie, kaip minėjome aukščiau, palaipsniui skaido organinius azoto turinčius junginius į neorganinius. Pasak Y.A. Shilov (2000), paskutinė šios grandinės grandis yra amonifikuojantys organizmai, gaminantys amoniaką (N14), kuris, beje, gali dalyvauti nitrifikacijos cikle. Shggozotopa oksiduoti amoniaką į nitritus ir Ne(goac(er oksiduoti nitritus į nitratus ir taip azoto ciklas gali būti tęsiamas. Lygiagrečiai su aprašytais procesais vyksta nuolatinis azoto grąžinimas į atmosferą dėl denitrifikuojančių bakterijų, galinčių nitratus skaidyti į azotą (N2), veiklos. Šios bakterijos paprastai yra plačiai paplitusios derlingose dirvose, kur yra daug azoto ir anglies. Šios bakterijos per metus į atmosferą išskiria iki 50-60 kg azoto iš hektaro dirvožemio paviršiaus (101 pav.).

Be minėtų azoto fiksavimo procesų, azoto oksidų susidarymas elektros žaibo išlydžių metu galimas ir natūralioje aplinkoje. Tada šie oksidai nitratų arba azoto rūgšties pavidalu, susimaišę su krituliais, patenka į dirvą (žaibo iškrovų metu fiksuojama nuo 4 iki 10 kg azoto 1 ha). Taip pat vyksta fotocheminė azoto fiksacija.

Ryžiai. 101. * Mazgeliai“ ant ankštinių augalų šaknų (B. Nebel, 1992)

Atmo

sfera

Dirvožemis ir * krituliai

Geležies sulfidai

Ryžiai. 102. Sieros ciklas biosferoje

Azotą galima pašalinti iš ciklo procesų, kaupiant jo junginius giliuose vandenynų nuosėdose, tačiau tai kompensuoja dalinis azoto (N2) išsiskyrimas ugnikalnių išsiveržimų metu.

Sieros ciklas. Tai viena iš pagrindinių maistinių medžiagų, patenkančių į dirvožemio horizontus dėl natūralaus atskirų uolienų, turinčių mineralų, tokių kaip piritas - sieros piritas (Pe8 2), vario piritas (CuPe8 3), irimo ir organinių medžiagų, daugiausia augalinės kilmės. Iš dirvožemio per šaknų sistemas siera patenka į augalus, kur sintetinamos sieros turinčios aminorūgštys – cistinas, cisteinas, metioninas. Gyvūnams sieros reikia dideliais kiekiais, kai jie patenka su maistu (102 pav.).

Iš organinių junginių siera patenka į dirvą mikroorganizmams skaidant daugiausia augalų liekanas. Organinės kilmės siera redukuojama iki vandenilio sulfido (H 2 3), mineralinės sieros arba oksiduojama į sulfatus, kuriuos vėl gali absorbuoti augalų šaknys, t.y. ji vėl patenka į biologinį ciklą.

Vandens ciklas. Šiuo atveju kalbame ne apie atskirą biogeną, o apie dviejų svarbiausių biogenų – vandenilio (H) ir deguonies (O) – derinį, tai yra vandenį, kurio svarba gyvybei Žemėje yra absoliuti. Vandens ciklas yra nuolatinio, tarpusavyje susijusio vandens judėjimo pasauliniu mastu procesas. Vandens ciklas vyksta veikiant saulės energijai,

gravitacija, gyvybinė organizmų veikla. Apskritai planetoje pagrindinis vandens srauto šaltinis yra krituliai, o pagrindinis vandens srauto šaltinis yra garavimas, kuris subalansuotas siekia 525 tūkst. arba 1030 mm per metus.

Fig. 103 parodytas vandens ciklas, kuriame galima atskirti vadinamuosius mažuosius ir didelius. Nedideliu ciklu nuo vandenyno paviršiaus išgaravęs vanduo vėl grįžta į jį kritulių pavidalu. Per didelį ciklą dalis nuo vandens paviršiaus išgaravusios drėgmės nukrenta ne tik į vandenyną, bet ir į sausumą, kur maitina upes ir kitus vandens telkinius, bet galiausiai su požeminiu ar paviršiniu nuotėkiu grįžta į vandenyną.

Hidrosferos vandens balanso aspektai buvo aptarti aukščiau. Reikėtų pažymėti, kad upių vandenys turi didžiausią vandens mainų aktyvumą (atnaujinami kas 11 dienų), palyginti su, pavyzdžiui, poliarinių ledynų vandenimis (keitimas vyksta per 8000 metų). Upių vanduo natūraliomis sąlygomis beveik visada yra šviežias ir yra naudojamas daugelio gyvų organizmų maistui. Daugelio mokslininkų nuomone, vandens ciklas yra pasaulinė milžiniška gėlinimo gamykla.

Svarbų vaidmenį vandens ciklo procese atlieka evapotranspiracija, tai yra drėgmės kiekis, patenkantis į atmosferą dėl žalių augalų transpiracijos ir išgaravimo nuo dirvožemio paviršiaus, t. y. bendras išgaravimas (dažniausiai matuojamas mg/ (dm 5 val.). Transpiracija – tai vandens išgarinimas iš žaliųjų augalų dalių ir išgaruoja iš viso išorinio ir visų vidinių augalų paviršių, kurie liečiasi su

oro. Bendra transpiracija priklauso nuo daugelio aplinkos veiksnių (apšvietimas, sausas oras, vėjas, reljefas ir kt.). Didžiausia transpiracija būdinga pelkiniams ir plaukiojantiems augalams (kačiukas, častucha, tvenkinis - iki 4000 mg/(dm 2 -h)). Iš sausumos augalų stipriausiai išsiskleidžia saulėtų buveinių žoliniai augalai - iki 2500 mg/(dm 2 - h); krūmai tundroje duoda tik 150 mg/(dm 2 -h), o tropiniai medžiai rūko regiono miškuose tik iki 120 mg/(dm 2 -h). Visžalių spygliuočių spygliuočių adatos formos adatos priekinėje stomato aparato dalyje turi aukštą kamštį, kuris yra papildoma kliūtis transpiracijai. Dykumos augaluose transpiracija yra vienintelis būdas apsaugoti organizmą nuo mirtino aukštos temperatūros poveikio.

Vokiečių specialistų atlikti kiekybiniai evapotranspiracijos vaidmens vandens cikle vertinimai parodė: esant vidutiniam metiniam kritulių kiekiui 771 mm, mažiau nei pusė jų - 367 mm - patenka į jūrą su požeminiu ir paviršiniu nuotėkiu, o likusi dalis Išgaruoja 404 mm. Švedų mokslininkai nustatė, kad 1 hektaras eglyno per vienerius metus sausoje dirvoje išsiurbia iki 2100 m 1 vandens. Vidurio Europos augalų formacijų evapotranspiracijos kiekis siekia iki 7000 tonų 1 hektare per metus. Tam tikrų rūšių medžių rūšys gali būti sėkmingai naudojamos pelkėms nusausinti. Klasikinis pavyzdys – Kolchis pelkių sausinimas Gruzijoje sodinant eukaliptus [25, 42].

Biogeninių katijonų ciklas. Gyvų organizmų medžiagų apykaitos procesuose dalyvauja įvairūs katijonai. Kai kurie iš jų yra gana dideliais kiekiais, todėl priskiriami mikroelementams - natris (Na), kalis (K), kalcis (Ca), magnis (Q). Kiti jų yra nedideliais kiekiais (sausosios medžiagos ppm), tačiau taip pat reikalingi tvariam gyvų organizmų funkcionavimui. Tai mikroelementai geležies katijonų (Fe), cinko pavidalu (Ъп), varis (Cu), manganas (Mn) ir kai kurie kiti.

Pagrindinis biogeninių katijonų šaltinis sausumoje yra dirvožemis, į kurį jie patenka uolienų dūlėjimo metu. Iš dirvožemio, padedant augalų šaknų sistemai, katijonai pirmiausia patenka į augalų audinius, o po to juos absorbuoja žolėdžiai gyvūnai ir kt. Nemažai gyvūnų sugeba iš dalies gauti biogeninius katijonus tiesiai iš dirvožemio – tai solonecavimo procesas. Išmatų ir gyvų organizmų liekanų mineralizacija leidžia makro- ir mikroelementams sugrįžti į dirvožemį, o tai vėl leidžia juos įtraukti į kartotinį biogeninį ciklą.

Šis gana paprastas ciklas yra sutrikdytas dėl maistinių medžiagų pašalinimo į upes, o iš jų - į jūras ir vandenynus. Išplovimas lietaus vandeniu sukelia koloidinio absorbcijos komplekso degradaciją ir augalų šaknų sistemų susilpnėjimą. Šis procesas ypač pastebimas drėgno klimato sąlygomis; vidutinio klimato zonoje tai veda prie dirvožemių podzolizacijos.

Biogeocheminiai procesai įvairiuose organizmuose. Įvairūs biologiniai junginiai ir neorganiniai elementai, įtraukiami į biogeocheminius ciklus, dalyvauja labai įvairiuose, daugiapakopiuose procesuose: organinėje sintezėje, daugkartinėje organinių medžiagų transformacijoje metabolizmo metu ir jų skilime į mineralinius komponentus redukuojant. Pirmiau aptarti atskiri pagrindinių maistinių medžiagų ciklo procesų elementai sudaro biologinį medžiagų ciklą. Pagrindinius trofinius lygius, sudarančius šio ciklo pagrindą, atstovauja specifiniai gamintojų, vartotojų, skaidytojų tipai ir, žinoma, jie vienas nuo kito labai skiriasi medžiagų apykaitos rūšimi, o tai reiškia specifine funkcija, atliekama tam tikrame trofiniame cikle. lygiu.

Autotrofai ir heterotrofai yra pagrindinis gyvų organizmų padalinys, pagrįstas mitybos ypatumais; autotrofai priskiriami gamintojams, o heterotrofai – vartotojai ir skaidytojai.

Autotrofai, naudodami saulės energiją (fotosintezę) arba cheminių ryšių (chemosintezės) energiją iš anglies dioksido, vandens ir esminių mineralinių komponentų, sintezuoja pagrindines organinių medžiagų klases: angliavandenius, riebalus (lipidus), baltymus, nukleino rūgštis ir kt. šių medžiagų turi savo reikšmę organizmų gyvenimui.

Angliavandeniai. Pagrindinė šių anglies, vandenilio ir deguonies junginių formulė yra Ct (H.0)„. Angliavandenių klasė apima cukrų: monosacharidus - C 6 H)