دورة جيولوجية عظيمة. الدورة الجيولوجية العظيمة للمواد

دورة المواد الكبيرة (الجيولوجية) والصغيرة (الجيوكيميائية الحيوية).

جميع المواد الموجودة على كوكبنا في طور الدورة الدموية. تسبب الطاقة الشمسية دورتين من المواد الموجودة على الأرض:

كبيرة (جيولوجية أو لاأحيائية)؛

صغيرة (حيوية أو حيوية أو بيولوجية).

دورات المادة وتدفقات الطاقة الكونية تخلق استقرار المحيط الحيوي. وتسمى دورة المادة الصلبة والماء التي تحدث نتيجة عمل العوامل اللاأحيائية (الطبيعة غير الحية) بالدورة الجيولوجية الكبرى. خلال دورة جيولوجية كبيرة (تدوم ملايين السنين)، يتم تدمير الصخور وتعرضها للعوامل الجوية وتذوب المواد وتدخل المحيط العالمي؛ تحدث التغيرات الجيوتكتونية والهبوط القاري وارتفاع قاع البحر. يبلغ زمن دورة المياه في الأنهار الجليدية 8000 عام وفي الأنهار 11 يومًا. إنها الدورة العظيمة التي تزود الكائنات الحية بالعناصر الغذائية وتحدد إلى حد كبير ظروف وجودها.

تتميز الدورة الجيولوجية الكبيرة في المحيط الحيوي بنقطتين مهمتين: الأكسجين، الكربون، الجيولوجية

أ) يتم تنفيذه طوال التطور الجيولوجي للأرض؛
ب) هي عملية كوكبية حديثة تلعب دورًا رائدًا في مواصلة تطوير المحيط الحيوي.

في المرحلة الحالية من التطور البشري، ونتيجة للدورة الكبيرة، تنتقل أيضًا الملوثات مثل أكاسيد الكبريت والنيتروجين والغبار والشوائب المشعة عبر مسافات طويلة. وكانت مناطق خطوط العرض المعتدلة في نصف الكرة الشمالي هي الأكثر تلوثا.

تحدث دورة المواد الحيوية أو البيولوجية الصغيرة في المراحل الصلبة والسائلة والغازية بمشاركة الكائنات الحية. تتطلب الدورة البيولوجية، على عكس الدورة الجيولوجية، طاقة أقل. الدورة الصغيرة هي جزء من دورة كبيرة، وتحدث على مستوى التكاثر الحيوي (داخل النظم البيئية) وتتكون من حقيقة أن مغذيات التربة والمياه والكربون تتراكم في المادة النباتية ويتم إنفاقها على بناء الجسم. تتحلل منتجات تحلل المواد العضوية إلى مكونات معدنية. الدورة الصغيرة ليست مغلقة، وترتبط بتدفق المواد والطاقة إلى النظام البيئي من الخارج وإطلاق بعضها في دورة المحيط الحيوي.

وتدخل العديد من العناصر الكيميائية ومركباتها في الدورات الكبيرة والصغيرة، لكن أهمها هي تلك التي تحدد المرحلة الحالية من تطور المحيط الحيوي المرتبطة بالنشاط الاقتصادي البشري. وتشمل هذه دورات الكربون والكبريت والنيتروجين (أكاسيدها هي الملوثات الرئيسية للغلاف الجوي)، وكذلك الفوسفور (الفوسفات هو الملوث الرئيسي للمياه القارية). تعمل جميع الملوثات تقريبًا كمواد ضارة وتصنف على أنها مواد غريبة حيوية. وفي الوقت الحالي، فإن دورات المواد الغريبة الحيوية - العناصر السامة - الزئبق (أحد الملوثات الغذائية) والرصاص (أحد مكونات البنزين) لها أهمية كبيرة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن العديد من المواد ذات الأصل البشري (الـ دي.دي.تي، والمبيدات الحشرية، والنويدات المشعة، وما إلى ذلك) التي تسبب ضرراً للكائنات الحية وصحة الإنسان، تأتي من الدورة الكبيرة إلى الدورة الصغيرة.

يكمن جوهر الدورة البيولوجية في حدوث عمليتين متعارضتين ولكن مترابطتين - خلق المادة العضوية وتدميرها بواسطة المادة الحية.

على عكس الدوامة الكبيرة، فإن الدوامة الصغيرة لها مدة مختلفة: حيث يتم التمييز بين الدوامات الصغيرة الموسمية والسنوية والدائمة والعلمانية. يُطلق على إعادة تدوير المواد الكيميائية من البيئة غير العضوية عبر النباتات والحيوانات مرة أخرى إلى البيئة غير العضوية باستخدام الطاقة الشمسية من التفاعلات الكيميائية الدورة الجيوكيميائية الحيوية.

يعتمد حاضر ومستقبل كوكبنا على مشاركة الكائنات الحية في عمل المحيط الحيوي. في دورة المواد، تؤدي المادة الحية أو الكتلة الحيوية وظائف جيوكيميائية حيوية: الغاز والتركيز والأكسدة والاختزال والكيمياء الحيوية.

تحدث الدورة البيولوجية بمشاركة الكائنات الحية وتتكون من تكاثر المادة العضوية من المواد غير العضوية وتحلل هذه المادة العضوية إلى غير العضوية من خلال السلسلة الغذائية. تعتمد شدة عمليات الإنتاج والتدمير في الدورة البيولوجية على كمية الحرارة والرطوبة. على سبيل المثال، يعتمد انخفاض معدل تحلل المواد العضوية في المناطق القطبية على نقص الحرارة.

من المؤشرات المهمة على شدة الدورة البيولوجية معدل دوران العناصر الكيميائية. وتتميز الشدة بمؤشر يساوي نسبة كتلة فضلات الغابات إلى القمامة. كلما ارتفع المؤشر، انخفضت كثافة الدورة الدموية.

مؤشر في الغابات الصنوبرية - 10 - 17؛ عريضة الأوراق 3 - 4؛ السافانا لا يزيد عن 0.2؛ في الغابات الاستوائية المطيرة لا يزيد عن 0.1، أي. هنا الدورة البيولوجية هي الأكثر كثافة.

يعد تدفق العناصر (النيتروجين والفوسفور والكبريت) عبر الكائنات الحية الدقيقة أعلى بكثير من تدفقها عبر النباتات والحيوانات. الدورة البيولوجية ليست قابلة للعكس تمامًا، فهي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالدورة البيوجيوكيميائية. تنتشر العناصر الكيميائية في المحيط الحيوي عبر مسارات مختلفة للدورة البيولوجية:

- تمتصها المادة الحية وتشحن بالطاقة؛
- ترك المادة الحية وإطلاق الطاقة في البيئة الخارجية.

وهذه الدورات على نوعين: دورة المواد الغازية؛ الدورة الرسوبية (احتياطي في القشرة الأرضية).

تتكون الدوامات نفسها من جزأين:

- صندوق الاحتياطي (هذا هو جزء من المادة غير المرتبطة بالكائنات الحية)؛
- صندوق متنقل (تبادل) (جزء أصغر من المادة مرتبط بالتبادل المباشر بين الكائنات الحية وبيئتها المباشرة).

وتنقسم الدوامات إلى:

- دورات من النوع الغازي مع احتياطي في القشرة الأرضية (دورات الكربون والأكسجين والنيتروجين) - قادرة على التنظيم الذاتي السريع؛
- الدورات الرسوبية ذات الاحتياطي في القشرة الأرضية (دورات الفوسفور والكالسيوم والحديد وما إلى ذلك) أكثر خاملة، والجزء الأكبر من المادة في شكل "لا يمكن الوصول إليه" للكائنات الحية.

يمكن أيضًا تقسيم الدوامات إلى:

- مغلقة (دورة المواد الغازية، على سبيل المثال، الأكسجين والكربون والنيتروجين - احتياطي في الغلاف الجوي والغلاف المائي للمحيط، لذلك يتم تعويض النقص بسرعة)؛
- مفتوح (إنشاء صندوق احتياطي في القشرة الأرضية، على سبيل المثال، الفوسفور - وبالتالي يتم تعويض الخسائر بشكل سيئ، أي يتم إنشاء العجز).

الأساس الطاقي لوجود الدورات البيولوجية على الأرض وارتباطها الأولي هو عملية التمثيل الضوئي. كل دورة جديدة ليست تكرارًا دقيقًا للدورة السابقة. على سبيل المثال، أثناء تطور المحيط الحيوي، كانت بعض العمليات لا رجعة فيها، مما أدى إلى تكوين وتراكم الرواسب الحيوية، وزيادة كمية الأكسجين في الغلاف الجوي، وتغيرات في النسب الكمية لنظائر عدد من العناصر ، إلخ.

يُطلق على تداول المواد عادةً اسم الدورات البيوجيوكيميائية. الدورات البيوجيوكيميائية الرئيسية (المحيط الحيوي) للمواد: دورة المياه، دورة الأكسجين، دورة النيتروجين (مشاركة البكتيريا المثبتة للنيتروجين)، دورة الكربون (مشاركة البكتيريا الهوائية؛ سنويًا يتم تصريف حوالي 130 طنًا من الكربون في الدورة الجيولوجية)، الفوسفور دورة (مشاركة بكتيريا التربة؛ يتم غسل 14 مليون طن من الفوسفور من المحيطات سنويًا)، ودورة الكبريت، ودورة الكاتيونات المعدنية.

دورة المياه

دورة الماء هي دورة مغلقة يمكن أن تحدث كما ذكرنا أعلاه حتى في غياب الحياة، إلا أن الكائنات الحية تعدلها.

تعتمد الدورة على مبدأ: يتم تعويض التبخر عن طريق هطول الأمطار. بالنسبة للكوكب ككل، يوازن التبخر وهطول الأمطار بعضهما البعض. وفي الوقت نفسه، يتبخر الماء من المحيط أكثر مما يعود مع هطول الأمطار. على الأرض، على العكس من ذلك، يسقط المزيد من الأمطار، لكن الفائض يتدفق إلى البحيرات والأنهار، ومن هناك مرة أخرى إلى المحيط. يتم الحفاظ على توازن الرطوبة بين القارات والمحيطات عن طريق تدفق الأنهار.

وبالتالي، فإن الدورة الهيدرولوجية العالمية لها أربعة تدفقات رئيسية: هطول الأمطار، والتبخر، ونقل الرطوبة، والنتح.

الماء، المادة الأكثر وفرة في المحيط الحيوي، لا يعمل فقط كموطن للعديد من الكائنات الحية، ولكنه أيضًا جزء لا يتجزأ من جسم جميع الكائنات الحية. على الرغم من الأهمية الهائلة للمياه في جميع العمليات الحيوية التي تحدث في المحيط الحيوي، إلا أن المادة الحية لا تلعب دورًا حاسمًا في دورة المياه الكبيرة على الكرة الأرضية. والقوة الدافعة لهذه الدورة هي طاقة الشمس التي تصرف على تبخر الماء من سطح الأحواض المائية أو الأرض. وتتكاثف الرطوبة المتبخرة في الجو على شكل سحب تحملها الرياح؛ عندما تبرد الغيوم، يحدث هطول الأمطار.

ويبلغ إجمالي كمية المياه الحرة غير المقيدة (نسبة المحيطات والبحار التي تحتوي على مياه مالحة سائلة) ما بين 86 إلى 98%. ويتم تخزين الكمية المتبقية من المياه (المياه العذبة) في القمم القطبية والأنهار الجليدية وتشكل أحواضًا مائية ومياهها الجوفية. يتم الاحتفاظ بالهطول المتساقط على سطح الأرض المغطاة بالنباتات جزئيًا بواسطة سطح الورقة ثم يتبخر بعد ذلك في الغلاف الجوي. الرطوبة التي تصل إلى التربة قد تنضم إلى الجريان السطحي أو تمتصها التربة. وبعد أن امتصتها التربة بالكامل (وهذا يعتمد على نوع التربة وخصائص الصخور والغطاء النباتي)، يمكن أن تتسرب الرواسب الزائدة إلى عمق أكبر في المياه الجوفية. إذا تجاوزت كمية الأمطار قدرة الطبقات العليا من التربة على الاحتفاظ بالرطوبة، يبدأ الجريان السطحي، وتعتمد سرعته على حالة التربة، ودرجة انحدار المنحدر، ومدة هطول الأمطار وطبيعة الغطاء النباتي ( يمكن للغطاء النباتي أن يحمي التربة من التآكل الناتج عن الماء). يمكن أن يتبخر الماء المحتجز في التربة من سطحها، أو بعد أن تمتصه جذور النباتات، يترشح (يتبخر) إلى الغلاف الجوي من خلال الأوراق.

إن جريان النتح للمياه (التربة - جذور النباتات - الأوراق - الغلاف الجوي) هو المسار الرئيسي للمياه عبر المادة الحية في دورتها الكبيرة على كوكبنا.

دورة الكربون

يعتمد التنوع الكامل للمواد العضوية والعمليات البيوكيميائية وأشكال الحياة على الأرض على خصائص الكربون وخصائصه. يبلغ محتوى الكربون في معظم الكائنات الحية حوالي 45% من كتلتها الحيوية الجافة. تشارك جميع المواد الحية على كوكب الأرض في دورة المادة العضوية وكل الكربون الموجود على الأرض، والذي ينشأ ويتغير ويموت ويتحلل بشكل مستمر، وفي هذا التسلسل ينتقل الكربون من مادة عضوية إلى بناء أخرى على طول السلسلة الغذائية . بالإضافة إلى ذلك، تتنفس جميع الكائنات الحية، وتطلق ثاني أكسيد الكربون.

دورة الكربون على الأرض. يتم الحفاظ على دورة الكربون عن طريق عملية التمثيل الضوئي بواسطة النباتات البرية والعوالق النباتية في المحيطات. من خلال امتصاص ثاني أكسيد الكربون (تثبيت الكربون غير العضوي)، تقوم النباتات، باستخدام طاقة ضوء الشمس، بتحويله إلى مركبات عضوية - مما يؤدي إلى تكوين الكتلة الحيوية الخاصة بها. في الليل، تتنفس النباتات، مثل جميع الكائنات الحية، وتطلق ثاني أكسيد الكربون.

تعمل النباتات الميتة والجثث والبراز الحيواني كغذاء للعديد من الكائنات غيرية التغذية (الحيوانات والنباتات الرمية والفطريات والكائنات الحية الدقيقة). تعيش كل هذه الكائنات بشكل رئيسي في التربة وفي عملية الحياة تقوم بتكوين الكتلة الحيوية الخاصة بها، والتي تشمل الكربون العضوي. كما أنها تطلق ثاني أكسيد الكربون، مما يخلق "تنفس التربة". في كثير من الأحيان، لا تتحلل المواد العضوية الميتة تمامًا ويتراكم الدبال (الدبال) في التربة، مما يلعب دورًا مهمًا في خصوبة التربة. تعتمد درجة تمعدن وترطيب المواد العضوية على العديد من العوامل: الرطوبة ودرجة الحرارة والخصائص الفيزيائية للتربة وتكوين المخلفات العضوية وما إلى ذلك. تحت تأثير البكتيريا والفطريات، يمكن أن تتحلل الدبال إلى ثاني أكسيد الكربون والمركبات المعدنية.

دورة الكربون في المحيطات العالمية. تختلف دورة الكربون في المحيط عن الدورة الموجودة على الأرض. المحيط هو الحلقة الضعيفة للكائنات الحية ذات المستويات الغذائية الأعلى، وبالتالي جميع حلقات دورة الكربون. الوقت الذي يستغرقه مرور الكربون عبر الرابط الغذائي للمحيطات قصير، وكمية ثاني أكسيد الكربون المنبعثة ضئيلة.

يعمل المحيط كمنظم رئيسي لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. هناك تبادل مكثف لثاني أكسيد الكربون بين المحيط والغلاف الجوي. تتمتع مياه المحيط بقدرة عالية على الذوبان وقدرة عازلة. النظام الذي يتكون من حمض الكربونيك وأملاحه (الكربونات) هو نوع من مستودع ثاني أكسيد الكربون، متصل بالغلاف الجوي من خلال انتشار ثاني أكسيد الكربون؟ من الماء إلى الغلاف الجوي والعودة.

في المحيط خلال النهار، يحدث التمثيل الضوئي للعوالق النباتية بشكل مكثف، في حين يتم استهلاك ثاني أكسيد الكربون الحر بشكل مكثف، وتعمل الكربونات كمصدر إضافي لتكوينه. في الليل، عندما يزيد محتوى الحمض الحر بسبب تنفس الحيوانات والنباتات، يدخل جزء كبير منه مرة أخرى في تكوين الكربونات. العمليات التي تجري تسير في الاتجاهات التالية: المادة الحية؟ لذا؟؟ ن ؟ هكذا ؟؟ سا(NSO؟)؟؟ كربونات الكالسيوم؟.

في الطبيعة، لا تخضع كمية معينة من المواد العضوية للتمعدن نتيجة لنقص الأكسجين، أو ارتفاع حموضة البيئة، أو ظروف الدفن المحددة، وما إلى ذلك. يترك بعض الكربون الدورة البيولوجية في شكل رواسب غير عضوية (الحجر الجيري والطباشير والمرجان) وعضوية (الصخر الزيتي والنفط والفحم).

تُحدث الأنشطة البشرية تغييرات كبيرة في دورة الكربون على كوكبنا. تتغير المناظر الطبيعية وأنواع النباتات والتكاثر الحيوي وسلاسلها الغذائية، ويتم تجفيف أو ري مساحات كبيرة من سطح الأرض، وتتحسن (أو تسوء) خصوبة التربة، ويتم إدخال الأسمدة والمبيدات الحشرية، وما إلى ذلك. والأخطر هو إطلاق ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي نتيجة احتراق الوقود. وفي الوقت نفسه، يزداد معدل دوران الكربون وتقصر دورته.

دورة الأكسجين

الأكسجين شرط أساسي لوجود الحياة على الأرض. يتم تضمينه في جميع المركبات البيولوجية تقريبًا، ويشارك في التفاعلات الكيميائية الحيوية لأكسدة المواد العضوية، مما يوفر الطاقة لجميع العمليات الحيوية للكائنات الحية في المحيط الحيوي. يضمن الأكسجين تنفس الحيوانات والنباتات والكائنات الحية الدقيقة في الغلاف الجوي والتربة والمياه، ويشارك في تفاعلات الأكسدة الكيميائية التي تحدث في الصخور والتربة والطمي وطبقات المياه الجوفية.

الفروع الرئيسية لدورة الأكسجين:

- تكوين الأكسجين الحر أثناء عملية التمثيل الضوئي وامتصاصه أثناء تنفس الكائنات الحية (النباتات والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة في الغلاف الجوي والتربة والمياه)؛
- تشكيل شاشة الأوزون.
- إنشاء مناطق الأكسدة والاختزال.
- أكسدة أول أكسيد الكربون أثناء الانفجارات البركانية، وتراكم الصخور الرسوبية الكبريتية، واستهلاك الأكسجين في النشاط البشري، وما إلى ذلك؛ ويشارك الأكسجين الجزيئي لعملية التمثيل الضوئي في كل مكان.

دورة النيتروجين

يعتبر النيتروجين جزءًا من المواد العضوية المهمة بيولوجيًا لجميع الكائنات الحية: البروتينات والأحماض النووية والبروتينات الدهنية والإنزيمات والكلوروفيل وما إلى ذلك. وعلى الرغم من نسبة النيتروجين في الهواء (79%) إلا أنه ناقص بالنسبة للكائنات الحية.

يوجد النيتروجين في المحيط الحيوي في شكل غازي (N2) لا يمكن للكائنات الحية الوصول إليه - فهو قليل النشاط كيميائيًا، لذلك لا يمكن استخدامه مباشرة بواسطة النباتات العليا (ومعظم النباتات السفلية) وعالم الحيوان. تمتص النباتات النيتروجين من التربة على شكل أيونات الأمونيوم أو أيونات النترات، أي على شكل أيونات. ما يسمى بالنيتروجين الثابت.

هناك تثبيت النيتروجين الجوي والصناعي والبيولوجي.

ويحدث التثبيت الجوي عندما يتأين الغلاف الجوي بفعل الأشعة الكونية وأثناء التفريغات الكهربائية القوية أثناء العواصف الرعدية، بينما تتشكل أكاسيد النيتروجين والأمونيا من النيتروجين الجزيئي الموجود في الهواء، والذي يتحول بفضل هطول الأمطار الجوية إلى أمونيوم ونتريت ونترات النيتروجين. ويدخل في أحواض التربة والمياه.

يحدث التثبيت الصناعي نتيجة للنشاط الاقتصادي البشري. يتلوث الجو بمركبات النيتروجين بسبب المصانع المنتجة لمركبات النيتروجين. تؤدي الانبعاثات الساخنة الصادرة عن محطات الطاقة الحرارية والمصانع والمركبات الفضائية والطائرات الأسرع من الصوت إلى أكسدة نيتروجين الهواء. أكاسيد النيتروجين، التي تتفاعل مع بخار الماء من الهواء والأمطار، تعود إلى الأرض وتدخل التربة في شكل أيوني.

يلعب التثبيت البيولوجي دورًا رئيسيًا في دورة النيتروجين. يتم تنفيذها بواسطة بكتيريا التربة:

- البكتيريا المثبتة للنيتروجين (والطحالب الخضراء المزرقة)؛
- الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في تكافل مع النباتات العليا (البكتيريا العقيدية)؛
- الأمونيا؛
- النترجة.
- نزع النتروجين.

البكتيريا الهوائية المثبتة للنيتروجين حرة المعيشة (الموجودة في وجود الأكسجين) (Azotobacter) في التربة قادرة على تثبيت النيتروجين الجزيئي في الغلاف الجوي باستخدام الطاقة التي تم الحصول عليها من أكسدة المواد العضوية في التربة أثناء التنفس، وفي النهاية ربطها بالهيدروجين وإدخالها. على شكل مجموعة أمينية (- NH2) في تركيب الأحماض الأمينية لجسمه. كما أن النيتروجين الجزيئي قادر على إصلاح بعض البكتيريا اللاهوائية (التي تعيش في غياب الأكسجين) الموجودة في التربة (كلوستريديوم). وعندما تموت، تقوم كلا الكائنات الحية الدقيقة بإثراء التربة بالنيتروجين العضوي.

الطحالب الخضراء المزرقة، والتي لها أهمية خاصة بالنسبة لتربة حقول الأرز، قادرة أيضًا على التثبيت البيولوجي للنيتروجين الجزيئي.

يحدث التثبيت البيولوجي الأكثر فعالية للنيتروجين الجوي في البكتيريا التي تعيش في تكافل في عقيدات النباتات البقولية (البكتيريا العقيدية).

تستخدم هذه البكتيريا (الريزوبيوم) طاقة النبات المضيف لتثبيت النيتروجين، وفي الوقت نفسه تزود الأعضاء الأرضية للمضيف بمركبات النيتروجين المتوفرة لديه.

من خلال استيعاب مركبات النيتروجين من التربة في أشكال النترات والأمونيوم، تقوم النباتات ببناء المركبات الضرورية المحتوية على النيتروجين في أجسامها (يتم تقليل نترات النيتروجين مسبقًا في الخلايا النباتية). توفر النباتات المنتجة المواد النيتروجينية لعالم الحيوان بأكمله والإنسانية. وتستخدم النباتات الميتة، بحسب السلسلة الغذائية، كمخفضات حيوية.

تقوم الكائنات الحية الدقيقة الأمونية بتحلل المواد العضوية التي تحتوي على النيتروجين (الأحماض الأمينية واليوريا) لتكوين الأمونيا. لا يتم تمعدن بعض النيتروجين العضوي الموجود في التربة، ولكنه يتحول إلى مواد الدبال والقار ومكونات الصخور الرسوبية.

يمكن أن تدخل الأمونيا (على شكل أيون الأمونيوم) إلى نظام جذر النباتات، أو يمكن استخدامها في عمليات النترجة.

الكائنات الحية الدقيقة الآزوتية هي مواد كيميائية تستخدم طاقة أكسدة الأمونيا إلى النترات والنتريت إلى النترات لضمان جميع العمليات الحيوية. وباستخدام هذه الطاقة، تقلل النترات ثاني أكسيد الكربون وتبني المواد العضوية في أجسامها. تتم أكسدة الأمونيا أثناء النترجة من خلال التفاعلات التالية:

نيو هامبشاير؟ + 3O؟ ؟ 2HNO؟ + 2HO + 600 كيلوجول (148 سعرة حرارية).

HNO؟ +يا؟ ؟ 2HNO؟ + 198 كيلوجول (48 سعرة حرارية).

تدخل النترات المتكونة أثناء عمليات النترجة مرة أخرى إلى الدورة البيولوجية، ويتم امتصاصها من التربة عن طريق جذور النباتات أو بعد دخولها مع جريان الماء إلى أحواض المياه - العوالق النباتية والنباتات النباتية.

إلى جانب الكائنات الحية التي تثبت النيتروجين في الغلاف الجوي ونترته، هناك كائنات دقيقة في المحيط الحيوي قادرة على اختزال النترات أو النتريت إلى نيتروجين جزيئي. مثل هذه الكائنات الحية الدقيقة، التي تسمى مزيلات النتروجين، عندما يكون هناك نقص في الأكسجين الحر في الماء أو التربة، تستخدم أكسجين النترات لأكسدة المواد العضوية:

C?H??O?(الجلوكوز) + 24KNO؟ ؟ 24KHCO؟ + 6CO؟ +12ن؟ + 18H؟O + الطاقة

تعمل الطاقة المنبعثة في هذه الحالة كأساس لجميع أنشطة الحياة الخاصة بإزالة النتروجين من الكائنات الحية الدقيقة.

وهكذا تلعب المواد الحية دورا استثنائيا في جميع أجزاء الدورة.

حاليًا، يلعب التثبيت الصناعي للنيتروجين الجوي بواسطة البشر دورًا متزايد الأهمية في توازن النيتروجين في التربة، وبالتالي في دورة النيتروجين بأكملها في المحيط الحيوي.

دورة الفوسفور

دورة الفوسفور أبسط. في حين أن خزان النيتروجين هو الهواء، فإن خزان الفوسفور هو الصخور التي يتحرر منها من خلال التآكل.

يهاجر الكربون والأكسجين والهيدروجين والنيتروجين بسهولة وسرعة أكبر في الغلاف الجوي، لأنها في شكل غازي، وتشكل مركبات غازية في الدورات البيولوجية. بالنسبة لجميع العناصر الأخرى، باستثناء الكبريت الضروري لوجود المادة الحية، فإن تكوين المركبات الغازية في الدورات البيولوجية أمر غير معهود. وتهاجر هذه العناصر بشكل رئيسي على شكل أيونات وجزيئات ذائبة في الماء.

يلعب الفوسفور، الذي تستوعبه النباتات على شكل أيونات حمض الأورثوفوسفوريك، دورًا كبيرًا في النشاط الحيوي لجميع الكائنات الحية. وهو جزء من ADP، ATP، DNA، RNA ومركبات أخرى.

دورة الفوسفور في المحيط الحيوي ليست مغلقة. في التكاثر الحيوي الأرضي، يدخل الفوسفور، بعد أن تمتصه النباتات من التربة عبر السلسلة الغذائية، إلى التربة مرة أخرى على شكل فوسفات. يتم إعادة امتصاص الكمية الرئيسية من الفوسفور بواسطة نظام جذر النباتات. يمكن غسل الفوسفور جزئيًا بجريان مياه الأمطار من التربة إلى أحواض المياه.

في التكاثر الحيوي الطبيعي غالبًا ما يكون هناك نقص في الفسفور، وفي البيئة القلوية والمؤكسدة يوجد عادة في شكل مركبات غير قابلة للذوبان.

تحتوي صخور الغلاف الصخري على كميات كبيرة من الفوسفات. ويمر بعضها تدريجيًا إلى التربة، وبعضها يطوره الإنسان لإنتاج الأسمدة الفوسفاتية، ويتم ترشيح معظمها وغسلها في الغلاف المائي. هناك يتم استخدامها من قبل العوالق النباتية والكائنات الحية المرتبطة بها الموجودة في مستويات غذائية مختلفة من السلاسل الغذائية المعقدة.

في المحيط العالمي، يحدث فقدان الفوسفات من الدورة البيولوجية بسبب ترسب البقايا النباتية والحيوانية في أعماق كبيرة. نظرًا لأن الفوسفور ينتقل بشكل أساسي من الغلاف الصخري إلى الغلاف المائي مع الماء، فإنه يهاجر إلى الغلاف الصخري بيولوجيًا (تناول الأسماك عن طريق الطيور البحرية، واستخدام الطحالب القاعية ودقيق السمك كسماد، وما إلى ذلك).

من بين جميع عناصر التغذية المعدنية النباتية، يمكن اعتبار الفوسفور ناقصًا.

دورة الكبريت

بالنسبة للكائنات الحية، فإن الكبريت ذو أهمية كبيرة، لأنه جزء من الأحماض الأمينية التي تحتوي على الكبريت (السيستين، السيستين، الميثيونين، إلخ). كونها جزءًا من البروتينات، تحافظ الأحماض الأمينية المحتوية على الكبريت على التركيب ثلاثي الأبعاد الضروري لجزيئات البروتين.

تمتص النباتات الكبريت من التربة فقط في صورة مؤكسدة، على شكل أيون. في النباتات، يتم تقليل الكبريت ويتم تضمينه في الأحماض الأمينية في شكل مجموعات سلفهيدريل (-SH) وثاني كبريتيد (-S-S-).

تستوعب الحيوانات فقط الكبريت المخفض الموجود في المواد العضوية. بعد موت الكائنات النباتية والحيوانية، يعود الكبريت إلى التربة، حيث يخضع لتحولات نتيجة لنشاط العديد من أشكال الكائنات الحية الدقيقة.

في ظل الظروف الهوائية، تقوم بعض الكائنات الحية الدقيقة بأكسدة الكبريت العضوي إلى كبريتات. يتم تضمين أيونات الكبريتات، التي تمتصها جذور النباتات، مرة أخرى في الدورة البيولوجية. وقد تدخل بعض الكبريتات في هجرة المياه وإزالتها من التربة. في التربة الغنية بالمواد الدبالية، توجد كمية كبيرة من الكبريت في المركبات العضوية، مما يمنع ترشيحها.

في ظل الظروف اللاهوائية، يؤدي تحلل مركبات الكبريت العضوية إلى إنتاج كبريتيد الهيدروجين. إذا كانت الكبريتات والمواد العضوية في بيئة خالية من الأكسجين، يتم تنشيط نشاط البكتيريا المختزلة للكبريتات. يستخدمون أكسجين الكبريتات في أكسدة المواد العضوية وبالتالي الحصول على الطاقة اللازمة لوجودها.

البكتيريا التي تقلل الكبريتات شائعة في المياه الجوفية والطين ومياه البحر الراكدة. يعتبر كبريتيد الهيدروجين سمًا لمعظم الكائنات الحية، لذا فإن تراكمه في التربة المليئة بالمياه، والبحيرات، ومصبات الأنهار وغيرها. يقلل بشكل كبير أو حتى يوقف عمليات الحياة تمامًا. وتلاحظ هذه الظاهرة في البحر الأسود على عمق أقل من 200 متر من سطحه.

وبالتالي، لخلق بيئة مواتية، من الضروري أكسدة كبريتيد الهيدروجين إلى أيونات كبريتات، والتي سوف تدمر الآثار الضارة لكبريتيد الهيدروجين، وسوف يتحول الكبريت إلى شكل يمكن الوصول إليه للنباتات - في شكل أملاح كبريتات. وتقوم بهذا الدور في الطبيعة مجموعة خاصة من البكتيريا الكبريتية (عديمة اللون، الخضراء، الأرجوانية) والبكتيريا الثيونية.

بكتيريا الكبريت عديمة اللون هي مواد اصطناعية كيميائية: فهي تستخدم الطاقة الناتجة عن أكسدة كبريتيد الهيدروجين بواسطة الأكسجين إلى عنصر الكبريت ثم أكسدته الإضافية إلى الكبريتات.

بكتيريا الكبريت الملونة هي كائنات حية تقوم بالتمثيل الضوئي وتستخدم كبريتيد الهيدروجين كمانح للهيدروجين لتقليل ثاني أكسيد الكربون.

يتم إطلاق الكبريت العنصري الناتج في بكتيريا الكبريت الأخضر من الخلايا، وفي البكتيريا الأرجوانية يتراكم داخل الخلايا.

رد الفعل العام لهذه العملية هو التخفيض الضوئي:

ثاني أكسيد الكربون؟+ 2H؟S الضوء؟ (CH?O)+ H?O +2S.

تقوم البكتيريا الثيونية بأكسدة عنصر الكبريت ومركباته المختلفة المختزلة إلى كبريتات باستخدام الأكسجين الحر، مما يعيده مرة أخرى إلى التيار الرئيسي للدورة البيولوجية.

في عمليات الدورة البيولوجية، حيث يحدث تحول الكبريت، تلعب الكائنات الحية، وخاصة الكائنات الحية الدقيقة، دورا كبيرا.

الخزان الرئيسي للكبريت على كوكبنا هو المحيط العالمي، حيث تتدفق أيونات الكبريتات باستمرار من التربة إليه. يعود جزء من الكبريت من المحيط إلى اليابسة عبر الغلاف الجوي وفق مخطط كبريتيد الهيدروجين - أكسدته إلى ثاني أكسيد الكبريت - ذوبان الأخير في مياه الأمطار مع تكوين حامض الكبريتيك والكبريتات - عودة الكبريت مع الترسيب إلى غطاء التربة من الارض.

دورة الكاتيونات غير العضوية

بالإضافة إلى العناصر الأساسية التي تشكل الكائنات الحية (الكربون والأكسجين والهيدروجين والفوسفور والكبريت)، فإن العديد من العناصر الكبيرة والصغرى الأخرى - الكاتيونات غير العضوية - لها أهمية حيوية. في أحواض المياه، تتلقى النباتات الكاتيونات المعدنية التي تحتاجها مباشرة من البيئة. على الأرض، المصدر الرئيسي للكاتيونات غير العضوية هو التربة، التي استقبلتها أثناء تدمير الصخور الأم. في النباتات، تنتقل الكاتيونات التي تمتصها أنظمة الجذر إلى الأوراق والأعضاء الأخرى؛ بعضها (المغنيسيوم والحديد والنحاس وعدد آخر) جزء من جزيئات مهمة بيولوجيا (الكلوروفيل والإنزيمات)؛ والبعض الآخر، الذي يبقى في شكل حر، يشارك في الحفاظ على الخصائص الغروية اللازمة لبروتوبلازم الخلية ويؤدي وظائف أخرى مختلفة.

عندما تموت الكائنات الحية، تعود الكاتيونات غير العضوية إلى التربة أثناء تمعدن المواد العضوية. ويحدث فقدان هذه المكونات من التربة نتيجة الترشيح وإزالة الكاتيونات المعدنية بمياه الأمطار، ورفض وإزالة المواد العضوية من قبل الإنسان أثناء زراعة النباتات الزراعية، وقطع الغابات، وقص العشب لتغذية الماشية، وما إلى ذلك.

إن الاستخدام الرشيد للأسمدة المعدنية، واستصلاح التربة، واستخدام الأسمدة العضوية، والتكنولوجيا الزراعية المناسبة سيساعد على استعادة والحفاظ على توازن الكاتيونات غير العضوية في التكاثر الحيوي للمحيط الحيوي.

الدورة البشرية: دورة المواد الغريبة الحيوية (الزئبق والرصاص والكروم)

الإنسانية جزء من الطبيعة ولا يمكن أن توجد إلا في تفاعل مستمر معها.

هناك أوجه تشابه وتناقضات بين الدورة الطبيعية والبشرية للمواد والطاقة التي تحدث في المحيط الحيوي.

تتميز دورة الحياة الطبيعية (البيوجيوكيميائية) بالميزات التالية:

- استخدام الطاقة الشمسية كمصدر للحياة بكافة مظاهرها على أساس قوانين الديناميكا الحرارية.
- يتم تنفيذها دون هدر، أي. يتم تمعدن جميع منتجات نشاطها الحيوي وإدراجها مرة أخرى في الدورة التالية لتداول المواد. وفي الوقت نفسه، تتم إزالة النفايات والطاقة الحرارية المنخفضة خارج المحيط الحيوي. خلال الدورة البيوجيوكيميائية للمواد، تتشكل النفايات، أي. الاحتياطيات في شكل الفحم والنفط والغاز والموارد المعدنية الأخرى. على عكس الدورة الطبيعية الخالية من النفايات، فإن الدورة البشرية تكون مصحوبة بزيادة في النفايات كل عام.

لا يوجد شيء عديم الفائدة أو ضار في الطبيعة؛ فحتى الانفجارات البركانية لها فوائد، لأن العناصر الضرورية (مثل النيتروجين) تنطلق في الهواء مع الغازات البركانية.

هناك قانون الإغلاق العالمي للدورة البيوجيوكيميائية في المحيط الحيوي، والذي يعمل في جميع مراحل تطورها، وكذلك قاعدة الإغلاق المتزايد للدورة البيوجيوكيميائية أثناء الخلافة.

يلعب البشر دورًا كبيرًا في الدورة البيوجيوكيميائية، ولكن في الاتجاه المعاكس. يعطل الإنسان دورات المواد الموجودة، وهذا يظهر قوته الجيولوجية - المدمرة فيما يتعلق بالمحيط الحيوي. نتيجة للنشاط البشري، تنخفض درجة إغلاق الدورات البيوجيوكيميائية.

لا تقتصر الدورة البشرية على طاقة ضوء الشمس التي تلتقطها النباتات الخضراء على الكوكب. تستخدم البشرية طاقة الوقود ومحطات الطاقة المائية والنووية.

يمكن القول أن النشاط البشري في المرحلة الحالية يمثل قوة مدمرة هائلة للمحيط الحيوي.

يتمتع المحيط الحيوي بخاصية خاصة - وهي مقاومة كبيرة للملوثات. وترتكز هذه الاستدامة على القدرة الطبيعية لمختلف مكونات البيئة الطبيعية على التنقية الذاتية والشفاء الذاتي. ولكن ليس غير محدود. لقد استلزمت الأزمة العالمية المحتملة بناء نموذج رياضي للمحيط الحيوي ككل (نظام غايا) من أجل الحصول على معلومات حول الحالة المحتملة للمحيط الحيوي.

المادة الغريبة الحيوية هي مادة غريبة عن الكائنات الحية تظهر نتيجة للأنشطة البشرية (المبيدات الحشرية والمواد الكيميائية المنزلية والملوثات الأخرى) التي يمكن أن تسبب تعطيل العمليات الحيوية، بما في ذلك. المرض أو موت الجسد. ولا تخضع هذه الملوثات للتحلل البيولوجي، ولكنها تتراكم في سلاسل غذائية.

الزئبق عنصر نادر جدًا. وهو منتشر في جميع أنحاء القشرة الأرضية ولا يحتوي عليه سوى عدد قليل من المعادن، مثل الزنجفر، في شكل مركز. يشارك الزئبق في دورة المادة في المحيط الحيوي، حيث يهاجر في الحالة الغازية وفي المحاليل المائية.

يدخل الغلاف الجوي من الغلاف المائي أثناء التبخر، عند إطلاقه من الزنجفر، مع الغازات البركانية والغازات من الينابيع الحرارية. ويتحول جزء من الزئبق الغازي الموجود في الغلاف الجوي إلى الحالة الصلبة ويتم إزالته من الهواء. يتم امتصاص الزئبق المتساقط عن طريق التربة، وخاصة التربة الطينية والماء والصخور. تحتوي المعادن القابلة للاحتراق - النفط والفحم - على ما يصل إلى 1 ملجم/كجم من الزئبق. تحتوي الكتلة المائية للمحيطات على ما يقرب من 1.6 مليار طن، وفي الرواسب السفلية - 500 مليار طن، وفي العوالق - 2 مليون طن. وتحمل مياه النهر سنويا نحو 40 ألف طن من اليابسة، وهو أقل بعشر مرات مما يدخل إلى الغلاف الجوي أثناء التبخر (400 ألف طن). يسقط على سطح الأرض حوالي 100 ألف طن سنويًا.

لقد تحول الزئبق من مكون طبيعي للبيئة الطبيعية إلى واحد من أخطر الانبعاثات التي يتسبب فيها الإنسان في المحيط الحيوي على صحة الإنسان. يستخدم على نطاق واسع في الصناعات المعدنية والكيميائية والكهربائية والإلكترونية ولب الورق والورق والأدوية ويستخدم في إنتاج المتفجرات والورنيش والدهانات وكذلك في الطب. تعتبر النفايات الصناعية السائلة والانبعاثات الجوية، إلى جانب مناجم الزئبق ومحطات إنتاج الزئبق ومحطات الطاقة الحرارية (CHPs وبيوت الغلايات) التي تستخدم الفحم والنفط والمنتجات النفطية، المصادر الرئيسية لتلوث المحيط الحيوي بهذا المكون السام. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الزئبق جزء من مبيدات الآفات الزئبقية العضوية المستخدمة في الزراعة لمعالجة البذور وحماية المحاصيل من الآفات. يدخل جسم الإنسان مع الطعام (البيض، الحبوب المخللة، لحوم الحيوانات والطيور، الحليب، الأسماك).

الزئبق في الماء ورواسب الأنهار

وقد ثبت أن حوالي 80% من الزئبق الذي يدخل إلى المسطحات المائية الطبيعية يكون في صورة مذابة، مما يساهم في النهاية في توزيعه على مسافات طويلة مع تدفقات المياه. العنصر النقي غير سام.

ويوجد الزئبق غالباً في مياه الطمي القاعية بتركيزات غير ضارة نسبياً. يتم تحويل مركبات الزئبق غير العضوي إلى مركبات زئبق عضوية سامة، مثل ميثيل الزئبق CH?Hg وإيثيل الزئبق C?H?Hg، عن طريق البكتيريا التي تعيش في المخلفات والرواسب، وفي الطين السفلي للبحيرات والأنهار، وفي المخاط الذي يغطي أجسام الأسماك ، وفي مخاط معدة الأسماك. هذه المركبات قابلة للذوبان بسهولة ومتحركة وسامة للغاية. الأساس الكيميائي للتأثير العدواني للزئبق هو تقاربه مع الكبريت، وخاصة مع مجموعة كبريتيد الهيدروجين في البروتينات. ترتبط هذه الجزيئات بالكروموسومات وخلايا الدماغ. ويمكن أن تتراكم الأسماك والمحاريات بتركيزات تشكل خطورة على الإنسان الذي يتناولها، مما يسبب مرض ميناماتا.

يعمل الزئبق المعدني ومركباته غير العضوية بشكل رئيسي على الكبد والكلى والجهاز المعوي، ولكن في الظروف العادية يتم إخراجها من الجسم بسرعة نسبية ولا يوجد وقت لتراكم كمية خطيرة على جسم الإنسان. يعد ميثيل الزئبق ومركبات الزئبق الألكيل الأخرى أكثر خطورة بسبب حدوث تراكم - يدخل السم إلى الجسم بشكل أسرع من طرحه من الجسم، مما يؤثر على الجهاز العصبي المركزي.

تعتبر الرواسب السفلية سمة مهمة للنظم الإيكولوجية المائية. من خلال تراكم المعادن الثقيلة والنويدات المشعة والمواد العضوية شديدة السمية، تساهم الرواسب السفلية، من ناحية، في التنقية الذاتية للبيئات المائية، ومن ناحية أخرى، تمثل مصدرًا دائمًا للتلوث الثانوي للمسطحات المائية. تعتبر الرواسب القاعية موضوعاً واعداً للتحليل، حيث تعكس نمطاً طويل الأمد من التلوث (خاصة في المسطحات المائية منخفضة التدفق). علاوة على ذلك، لوحظ تراكم الزئبق غير العضوي في الرواسب السفلية خاصة عند مصبات الأنهار. قد ينشأ موقف متوتر عندما يتم استنفاد قدرة امتصاص الرواسب (الطمي والرواسب). عندما يتم الوصول إلى قدرة الامتزاز، المعادن الثقيلة، بما في ذلك. سيبدأ الزئبق بالتدفق إلى الماء.

ومن المعروف أنه في ظل الظروف اللاهوائية البحرية في رواسب الطحالب الميتة، يرتبط الزئبق بالهيدروجين ويتحول إلى مركبات متطايرة.

وبمشاركة الكائنات الحية الدقيقة، يمكن ميثيل الزئبق المعدني على مرحلتين:

CH?زئبق+؟ (CH؟)؟زئبق

يظهر ميثيل الزئبق في البيئة بشكل حصري تقريبًا من خلال مثيلة الزئبق غير العضوي.

عمر النصف البيولوجي للزئبق طويل بالنسبة لمعظم أنسجة الجسم البشري، فهو يتراوح بين 70 إلى 80 يومًا.

ومن المعروف أن الأسماك الكبيرة مثل سمك أبو سيف والتونة تكون ملوثة بالزئبق في بداية السلسلة الغذائية. ولا يخلو من الاهتمام أن نلاحظ أن الزئبق يتراكم (يتراكم) في المحار، بدرجة أكبر مما هو الحال في الأسماك.

يدخل الزئبق إلى جسم الإنسان عن طريق التنفس والغذاء وعن طريق الجلد وفق المخطط التالي:

أولاً، يتم تحويل الزئبق. يحدث هذا العنصر بشكل طبيعي في عدة أشكال.

يتم التخلص من الزئبق المعدني المستخدم في موازين الحرارة وأملاحه غير العضوية (مثل الكلوريد) من الجسم بسرعة نسبية.

تعتبر مركبات الزئبق الألكيل أكثر سمية بكثير، وخاصة ميثيل وإيثيل الزئبق. يتم التخلص من هذه المركبات من الجسم ببطء شديد - حوالي 1٪ فقط من إجمالي الكمية يوميًا. على الرغم من أن معظم الزئبق الذي يدخل المياه الطبيعية يكون على شكل مركبات غير عضوية، فإنه يظهر دائمًا في الأسماك على شكل ميثيل الزئبق السام للغاية. إن البكتيريا الموجودة في الطمي السفلي للبحيرات والأنهار، وفي المخاط الذي يغطي أجسام الأسماك، وكذلك في مخاط معدة الأسماك، قادرة على تحويل مركبات الزئبق غير العضوية إلى ميثيل الزئبق.

ثانياً، يؤدي التراكم الانتقائي، أو التراكم البيولوجي (التركيز)، إلى زيادة مستويات الزئبق في الأسماك والمحاريات إلى مستويات أعلى بعدة مرات من مستوياتها في مياه الخليج. تتراكم الأسماك والمحاريات التي تعيش في النهر ميثيل الزئبق بتركيزات تشكل خطورة على البشر الذين يستخدمونها كغذاء.

تحتوي نسبة الأسماك التي يتم صيدها في العالم على زئبق بكميات لا تزيد عن 0.5 ملغم/كغم، و95% منها تحتوي على أقل من 0.3 ملغم/كغم. تقريبا كل الزئبق الموجود في الأسماك يكون على شكل ميثيل الزئبق.

ومع الأخذ في الاعتبار سمية مركبات الزئبق المختلفة للإنسان في المنتجات الغذائية، فمن الضروري تحديد الزئبق غير العضوي (الإجمالي) والزئبق المرتبط عضويا. نحن نحدد فقط إجمالي محتوى الزئبق. وفقًا للمتطلبات الطبية والبيولوجية، يُسمح بمحتوى الزئبق في أسماك المياه العذبة المفترسة بمقدار 0.6 ملجم/كجم، وفي الأسماك البحرية - 0.4 ملجم/كجم، وفي أسماك المياه العذبة غير المفترسة 0.3 ملجم/كجم فقط، وفي أسماك التونة حتى 0.7 ملجم. /كجم كجم. وفي منتجات أغذية الأطفال، يجب ألا يتجاوز محتوى الزئبق 0.02 ملغم/كغم في اللحوم المعلبة، و0.15 ملغم/كغم في الأسماك المعلبة، و0.01 ملغم/كغم في المنتجات الأخرى.

الرصاص موجود في جميع مكونات البيئة الطبيعية تقريبًا. القشرة الأرضية تحتوي على 0.0016%. المستوى الطبيعي للرصاص في الغلاف الجوي هو 0.0005 ملغم/م3. معظمها مترسب بالغبار، وحوالي 40% منها يسقط مع هطول الأمطار. تحصل النباتات على الرصاص من التربة والمياه والترسيب الجوي، وتحصل الحيوانات على الرصاص من استهلاك النباتات والمياه. يدخل المعدن جسم الإنسان مع الطعام والماء والغبار.

المصادر الرئيسية للتلوث بالرصاص في المحيط الحيوي هي محركات البنزين التي تحتوي غازات العادم منها على ثلاثي إيثيل الرصاص ومحطات الطاقة الحرارية التي تحرق الفحم والتعدين والمعادن والصناعات الكيماوية. يتم إدخال كميات كبيرة من الرصاص إلى التربة مع مياه الصرف الصحي المستخدمة كسماد. ولإطفاء المفاعل المحترق في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية، تم استخدام الرصاص أيضًا، حيث دخل إلى الحوض الهوائي وانتشر على مساحات واسعة. مع زيادة التلوث البيئي بالرصاص، يزداد ترسيبه في العظام والشعر والكبد.

الكروم. والأخطر هو الكروم السام (6+) الذي يتم تعبئته في التربة الحمضية والقلوية وفي المياه العذبة ومياه البحر. يوجد الكروم في مياه البحر بنسبة 10 - 20% ممثلة في الصورة Cr (3+)، و25 - 40% في الصورة Cr (6+)، و45 - 65% في الصورة العضوية. في نطاق الأس الهيدروجيني 5 - 7، يسود الكروم (3+)، وعند الأس الهيدروجيني > 7، يسود الكروم (6+). من المعروف أن الكروم (6+) ومركبات الكروم العضوية لا تتفاعل مع هيدروكسيد الحديد في مياه البحر.

الدورات الطبيعية للمواد مغلقة عمليا. في النظم البيئية الطبيعية، يتم استخدام المادة والطاقة بشكل ضئيل، كما أن نفايات بعض الكائنات الحية بمثابة شرط مهم لوجود كائنات أخرى. تترافق دورة المواد البشرية المنشأ مع استهلاك هائل للموارد الطبيعية وكمية كبيرة من النفايات التي تسبب التلوث البيئي. إن إنشاء مرافق المعالجة الأكثر تقدمًا لا يحل المشكلة، لذا فمن الضروري تطوير تقنيات منخفضة وخالية من النفايات تجعل الدورة البشرية مغلقة قدر الإمكان. من الناحية النظرية، من الممكن إنشاء تكنولوجيا خالية من النفايات، ولكن التقنيات منخفضة النفايات حقيقية.

التكيف مع الظواهر الطبيعية

التكيفات هي تكيفات مختلفة مع البيئة التي تطورت في الكائنات الحية (من الأبسط إلى الأعلى) في عملية التطور. تعد القدرة على التكيف إحدى الخصائص الرئيسية للكائنات الحية، مما يضمن إمكانية وجودها.

تشمل العوامل الرئيسية التي تطور عملية التكيف ما يلي: الوراثة، والتقلب، والاختيار الطبيعي (والاصطناعي).

قد يتغير التحمل إذا تعرض الجسم لظروف خارجية مختلفة. يجد نفسه في مثل هذه الظروف، بعد مرور بعض الوقت يعتاد عليها، يتكيف معها (من التكيف اللاتيني - التكيف). والنتيجة هي تغيير في الموقف الفسيولوجي الأمثل.

تسمى قدرة الكائنات الحية على التكيف مع الوجود في نطاق معين من العوامل البيئية باللدونة البيئية.

كلما اتسع نطاق العوامل البيئية التي يمكن لكائن معين أن يعيش فيها، زادت مرونته البيئية. وفقا لدرجة اللدونة، يتم تمييز نوعين من الكائنات الحية: ستينوبيونت (ستينوكي) ويوريبيونت (يوريك). وبالتالي، فإن Stenobionts غير بلاستيكية بيئيا (على سبيل المثال، يعيش السمك المفلطح فقط في المياه المالحة، وسمك الشبوط الصخري فقط في المياه العذبة)، أي. ليست شديدة التحمل، واليوربيونات بلاستيكية بيئيًا، أي. أكثر قدرة على التحمل (على سبيل المثال، يمكن أن تعيش شوكة الظهر ثلاثية الأشواك في المياه العذبة والمالحة).

التكيفات متعددة الأبعاد، حيث يجب على الكائن الحي أن يمتثل في الوقت نفسه للعديد من العوامل البيئية المختلفة.

هناك ثلاث طرق رئيسية لتكيف الكائنات الحية مع الظروف البيئية: نشطة؛ سلبي؛ تجنب الآثار الضارة.

المسار النشط للتكيف هو تعزيز المقاومة، وتطوير العمليات التنظيمية التي تسمح بتنفيذ جميع الوظائف الحيوية للجسم، على الرغم من انحرافات العامل عن المستوى الأمثل. على سبيل المثال، تحافظ الحيوانات ذوات الدم الحار على درجة حرارة ثابتة للجسم - وهي مثالية للعمليات الكيميائية الحيوية التي تحدث فيها.

المسار السلبي للتكيف هو إخضاع الوظائف الحيوية للكائنات الحية للتغيرات في العوامل البيئية. على سبيل المثال، في ظل الظروف البيئية غير المواتية، تدخل العديد من الكائنات الحية في حالة من الرسوم المتحركة المعلقة (الحياة الخفية)، حيث يتوقف التمثيل الغذائي في الجسم عمليا (حالة السكون الشتوي، سبات الحشرات، السبات، الحفاظ على الجراثيم في التربة في شكل الجراثيم والبذور).

تجنب الآثار الضارة - تطوير التكيفات وسلوك الكائنات الحية (التكيف)، مما يساعد على تجنب الظروف غير المواتية. في هذه الحالة، يمكن أن تكون التكيفات: مورفولوجية (تغير بنية الجسم: تعديل أوراق الصبار)، فسيولوجية (يزود الجمل نفسه بالرطوبة بسبب أكسدة احتياطيات الدهون)، سلوكية (تغيرات سلوكية: هجرات موسمية). للطيور السبات في الشتاء).

تتكيف الكائنات الحية بشكل جيد مع العوامل الدورية. يمكن للعوامل غير الدورية أن تسبب المرض وحتى موت الجسم (على سبيل المثال، الأدوية والمبيدات الحشرية). ومع ذلك، مع التعرض لفترات طويلة لهم، قد يحدث التكيف معهم.

تتكيف الكائنات الحية مع إيقاعات المد والجزر اليومية والموسمية وإيقاعات النشاط الشمسي والمراحل القمرية وغيرها من الظواهر الدورية بدقة. وهكذا يتميز التكيف الموسمي بأنه موسمي في الطبيعة وحالة من السكون الشتوي.

الموسمية في الطبيعة. إن الأهمية الرئيسية للنباتات والحيوانات في تكيف الكائنات الحية هي التغير السنوي في درجات الحرارة. تستمر الفترة المواتية للحياة، في المتوسط، في بلدنا، حوالي ستة أشهر (الربيع، الصيف). حتى قبل وصول الصقيع المستقر، تبدأ فترة السكون الشتوي في الطبيعة.

حالة السكون الشتوي. إن السكون الشتوي ليس مجرد توقف عن النمو نتيجة لانخفاض درجات الحرارة، ولكنه تكيف فسيولوجي معقد لا يحدث إلا في مرحلة معينة من التطور. على سبيل المثال، تقضي بعوضة الملاريا وفراشة الشرى الشتاء في مرحلة الحشرات البالغة، وعثة الملفوف في مرحلة العذراء، والعثة الغجرية في مرحلة البيض.

الإيقاعات الحيوية. في عملية التطور، طور كل نوع دورة سنوية مميزة من النمو والتطور المكثف والتكاثر والتحضير لفصل الشتاء والشتاء. وتسمى هذه الظاهرة بالإيقاع البيولوجي. إن تزامن كل فترة من دورة الحياة مع الوقت المناسب من السنة أمر بالغ الأهمية لوجود هذا النوع.

العامل الرئيسي في تنظيم الدورات الموسمية في معظم النباتات والحيوانات هو التغير في طول اليوم.

الإيقاعات الحيوية هي:

الإيقاعات الخارجية (الخارجية) (تنشأ كرد فعل للتغيرات الدورية في البيئة (تغير النهار والليل، الفصول، النشاط الشمسي) الإيقاعات الداخلية (الداخلية) يتولدها الجسم نفسه

بدورها، تنقسم الذاتية إلى:

الإيقاعات الفسيولوجية (نبض القلب، التنفس، عمل الغدد الصماء، تخليق DNA، RNA، البروتينات، عمل الإنزيمات، انقسام الخلايا، إلخ)

الإيقاعات البيئية (يومية، سنوية، مدية، قمرية، إلخ.)

إن عمليات الحمض النووي، والحمض النووي الريبي (RNA)، وتخليق البروتين، وانقسام الخلايا، ونبض القلب، والتنفس، وما إلى ذلك، لها إيقاع. يمكن للمؤثرات الخارجية أن تغير مراحل هذه الإيقاعات وتغير اتساعها.

تختلف الإيقاعات الفسيولوجية حسب حالة الجسم، فالإيقاعات البيئية أكثر استقرارًا وتتوافق مع الإيقاعات الخارجية. من خلال الإيقاعات الداخلية، يستطيع الجسم توجيه نفسه في الوقت المناسب والاستعداد مسبقًا للتغيرات البيئية القادمة - وهذه هي الساعة البيولوجية للجسم. تتميز العديد من الكائنات الحية بإيقاعات الساعة البيولوجية والإيقاعية.

إيقاعات الساعة البيولوجية (الإيقاعية) - تكرار شدة وطبيعة العمليات والظواهر البيولوجية بفترة تتراوح من 20 إلى 28 ساعة. ترتبط إيقاعات الساعة البيولوجية بنشاط الحيوانات والنباتات خلال النهار، وتعتمد عادة على درجة الحرارة وشدة الضوء. على سبيل المثال، تطير الخفافيش عند الغسق وتستريح أثناء النهار؛ وتبقى العديد من الكائنات العوالق بالقرب من سطح الماء ليلاً وتنزل إلى الأعماق أثناء النهار.

ترتبط الإيقاعات البيولوجية الموسمية بتأثير الضوء - الفترة الضوئية. تسمى استجابة الكائنات الحية لطول اليوم بالدورة الضوئية. تعتبر الفترة الضوئية تكيفًا عامًا ومهمًا ينظم الظواهر الموسمية في مجموعة واسعة من الكائنات الحية. أظهرت دراسة الفترة الضوئية في النباتات والحيوانات أن تفاعل الكائنات الحية مع الضوء يعتمد على فترات متناوبة من الضوء والظلام لمدة معينة خلال النهار. إن استجابة الكائنات الحية (من الكائنات وحيدة الخلية إلى الإنسان) لطول النهار والليل تظهر أنها قادرة على قياس الوقت، أي قياس الزمن. لديهم نوع من الساعة البيولوجية. الساعات البيولوجية، بالإضافة إلى الدورات الموسمية، تتحكم في العديد من الظواهر البيولوجية الأخرى وتحدد الإيقاع اليومي الصحيح لكل من نشاط الكائنات الحية بأكملها والعمليات التي تحدث حتى على المستوى الخلوي، على وجه الخصوص، انقسام الخلايا.

الخاصية العالمية لجميع الكائنات الحية، من الفيروسات والكائنات الحية الدقيقة إلى النباتات والحيوانات العليا، هي القدرة على إنتاج طفرات - تغيرات مفاجئة وطبيعية ومصطنعة وموروثة في المادة الوراثية، مما يؤدي إلى تغييرات في خصائص معينة للكائن الحي. التقلبات الطفرية لا تلبي الظروف البيئية، وكقاعدة عامة، تعطل التكيفات الحالية.

تدخل العديد من الحشرات مرحلة الكمون (توقف طويل في النمو) في مرحلة معينة من التطور، والتي لا ينبغي الخلط بينها وبين حالة الراحة في ظروف غير مواتية. يتأثر تكاثر العديد من الحيوانات البحرية بالإيقاعات القمرية.

الإيقاعات الدائرية (السنية) هي تغيرات متكررة في شدة وطبيعة العمليات والظواهر البيولوجية بفترة تتراوح من 10 إلى 13 شهرًا.

الحالة الجسدية والنفسية للشخص لها أيضًا طابع إيقاعي.

إن إيقاع العمل والراحة المضطرب يقلل من الأداء وله تأثير سلبي على صحة الإنسان. ستعتمد حالة الشخص في الظروف القاسية على درجة استعداده لهذه الظروف، حيث لا يوجد عمليا وقت للتكيف والتعافي.

ل ذاتية النمووتشمل العمليات: الصهارة، والتحول (عمل درجات الحرارة المرتفعة والضغط)، والبراكين، وحركة القشرة الأرضية (الزلازل، وبناء الجبال).

ل خارجي– التجوية ونشاط الغلاف الجوي والمياه السطحية للبحار والمحيطات والحيوانات والكائنات النباتية وخاصة البشر – التولد التكنولوجي.

التفاعل بين أشكال العمليات الداخلية والخارجية دورة جيولوجية كبيرة للمواد.

أثناء العمليات الداخلية، تتشكل الأنظمة الجبلية والتلال والمنخفضات المحيطية. أثناء العمليات الخارجية، يتم تدمير الصخور النارية، وتنتقل منتجات التدمير إلى الأنهار والبحار والمحيطات، وتتشكل الصخور الرسوبية. نتيجة لحركة القشرة الأرضية، تغوص الصخور الرسوبية في طبقات عميقة، وتخضع لعمليات التحول (عمل درجات الحرارة والضغط المرتفعة)، وتتشكل الصخور المتحولة. وفي الطبقات العميقة تتحول إلى مادة منصهرة.
الحالة (الصهارة). ثم، نتيجة للعمليات البركانية، فإنها تدخل الطبقات العليا من الغلاف الصخري، على سطحه في شكل صخور نارية. وهكذا تتشكل الصخور المكونة للتربة والأشكال الأرضية المختلفة.

الصخوروالتي تتكون منها التربة وتسمى بالتربة المكونة أو الأم. وفقا لظروف التكوين، يتم تقسيمها إلى ثلاث مجموعات: النارية والمتحولة والرسوبية.

صخور ناريةتتكون من مركبات السيليكون، Al، Fe، Mg، Ca، K، Na. اعتمادا على نسبة هذه المركبات، يتم التمييز بين الصخور الحمضية والقاعدية.

تحتوي الأحماض (الجرانيت، الليباريت، البغماتيت) على نسبة عالية من السيليكا (أكثر من 63٪)، وأكاسيد البوتاسيوم والصوديوم (7-8٪)، وأكاسيد الكالسيوم والمغنيسيوم (2-3٪). فهي فاتحة وبنية اللون. تتميز التربة المتكونة من هذه الصخور بقوام فضفاض وحموضة عالية وخصوبة منخفضة.

تتميز الصخور النارية الأساسية (البازلت، الدونيت، الدوريت) بمحتوى منخفض من SiO 2 (40-60٪)، ومحتوى عالي من CaO و MgO (يصل إلى 20٪)، وأكاسيد الحديد (10-20٪)، Na 2 O وأقل K2O أقل من 30%.

التربة المتكونة على منتجات التجوية للصخور الأساسية لها تفاعل قلوي ومحايد، والكثير من الدبال والخصوبة العالية.

تشكل الصخور النارية 95% من الكتلة الكلية للصخور، ولكنها باعتبارها صخورًا مكونة للتربة تحتل مساحات صغيرة (في الجبال).

الصخور المتحولةتتشكل نتيجة إعادة بلورة الصخور النارية والرسوبية. هذه هي الرخام والنيس والكوارتز. وهي تشغل نسبة صغيرة كالصخور المكونة للتربة.

صخور رسوبية. يرجع تكوينها إلى عمليات تجوية الصخور النارية والمتحولة، ونقل منتجات التجوية عن طريق المياه والتدفقات الجليدية والهواء وترسبها على سطح الأرض، في قاع المحيطات والبحار والبحيرات وفي سهول الأنهار الفيضية.

بناءً على تركيبها، تنقسم الصخور الرسوبية إلى فتاتية، وكيميائية، وبيولوجية.

الرواسب الفتاتيةتختلف أحجام الحطام والجزيئات: وهي الصخور والحجارة والحصى والحجر المسحوق والرمل والطمي والطين.

الرواسب الكيميائيةتتشكل نتيجة ترسيب الأملاح من المحاليل المائية في الخلجان البحرية والبحيرات في المناخات الحارة أو نتيجة التفاعلات الكيميائية.

وتشمل هذه الهاليدات (ملح الصخور والبوتاسيوم)، والكبريتات (الجبس، الأنهيدريد)، والكربونات (الحجر الجيري، مارل، الدولوميت)، السيليكات، والفوسفات. والعديد منها عبارة عن مواد خام لإنتاج الأسمنت والأسمدة الكيماوية وتستخدم كخامات زراعية.

الرواسب الحيويةتتشكل من تراكمات البقايا النباتية والحيوانية. وهي: الكربونات (الحجر الجيري والطباشير الحيوي)، والسيليسي (الدولوميت)، والصخور الكربونية (الفحم، والجفت، والسابروبيل، والنفط، والغاز).

الأنواع الجينية الرئيسية للصخور الرسوبية هي:

1. الودائع الطافية- منتجات التجوية للصخور المتبقية على صفيحة تكوينها. يقع Eluvium على قمم مستجمعات المياه، حيث يتم التعبير عن التآكل بشكل ضعيف.

2. الرواسب الطميية– منتجات التآكل المترسبة بواسطة تيارات مؤقتة من الأمطار والمياه الذائبة في الجزء السفلي من المنحدرات.

3. الودائع الطليقة– تتشكل نتيجة نقل وترسب منتجات التجوية بواسطة الأنهار الجبلية المؤقتة والفيضانات عند سفح المنحدرات.

4. الرواسب الغرينية– تتشكل نتيجة لترسب منتجات التجوية عن طريق مياه الأنهار التي تدخلها مع الجريان السطحي.

5. رواسب البحيرة– رواسب قاع البحيرات. يُطلق على الطمي الذي يحتوي على نسبة عالية من المواد العضوية (15-20٪) اسم السابروبيل.

6. الرواسب البحرية– رواسب قاع البحار. وأثناء تراجع البحار تبقى كالصخور المكونة للتربة.

7. الرواسب الجليدية (الجليدية) أو الركام- منتجات التجوية للصخور المختلفة التي يتم نقلها وترسبها بواسطة النهر الجليدي. وهي مادة خشنة غير مصنفة ذات لون أحمر-بني أو رمادي مع شوائب من الحجارة والصخور والحصى.

8. الرواسب الجليدية النهرية (الجليدية النهرية).تتشكل مجاري مائية مؤقتة وخزانات مغلقة عندما يذوب النهر الجليدي.

9. تغطية الطينتنتمي إلى رواسب خارج الجليدية وتعتبر بمثابة رواسب لفيضانات المياه الذائبة الضحلة. وتغطي الفوة من الأعلى بطبقة من 3-5 م، وهي ذات لون بني مصفر، ومرتبة بشكل جيد، ولا تحتوي على حجارة أو صخور. التربة الموجودة على الطميية المغطاة أكثر خصوبة من التربة الموجودة في الفوة.

10. اللوس والطميية الشبيهة باللوسوهي تتميز بلون تزلف، ونسبة عالية من الكسور المتربة والغرينية، وتركيبة فضفاضة، ومسامية عالية، ومحتوى عال من كربونات الكالسيوم. لقد شكلوا غابة رمادية خصبة وتربة كستناء وتربة تشيرنوزم وتربة رمادية.

11. الرواسب الأيوليةتشكلت نتيجة لنشاط الرياح. يتكون النشاط المدمر للرياح من التآكل (شحذ الصخور وطحن الرمال) والانكماش (تطاير ونقل جزيئات التربة الصغيرة بواسطة الرياح). وتشكل هاتان العمليتان معًا تآكلًا بالرياح.

الرسوم البيانية الأساسية والصيغ وما إلى ذلك، التي توضح المحتوى:عرض تقديمي مع صور لأنواع التجوية.

أسئلة لضبط النفس:

1. ما هي التجوية؟

2. ما هو الصهارة؟

3. ما الفرق بين التجوية الفيزيائية والكيميائية؟

4. ما هي الدورة الجيولوجية للمواد؟

5. صف بنية الأرض؟

6. ما هي الصهارة؟

7. ما هي الطبقات التي تتكون منها نواة الأرض؟

8. ما هي السلالات؟

9. كيف يتم تصنيف السلالات؟

10. ما هو اللوس؟

11. ما هو الفصيل؟

12. ما هي الخصائص التي تسمى الحسية؟

رئيسي:

1. دوبروفولسكي ف. جغرافية التربة مع أساسيات علوم التربة: كتاب مدرسي للجامعات. - م: إنساني. إد. مركز فلادوس، 1999.-384 ص.

2. علوم التربة / إد. يكون. كوريتشيفا. M.Agropromiadat إد. 4. 1989.

3. علوم التربة / إد. في.أ. كوفدي، ب.ج. روزانوف في جزأين م. المدرسة الثانوية 1988.

4. جلازوفسكايا إم إيه، جينادييف أ. جغرافية التربة مع أساسيات علوم التربة جامعة ولاية ميشيغان. 1995

5. رود أ.أ.، سميرنوف ف.ن. علم التربة. م.المدرسة العليا 1972

إضافي:

1. جلازوفسكايا م. علوم التربة العامة وجغرافيا التربة. م.المدرسة العليا 1981

2. كوفدا ف. أساسيات دراسة التربة. م. ناوكا.1973

3. ليفيروفسكي أ.س. تربة اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. م. ميسل 1974

4. روزانوف بي جي الغطاء الأرضي للكرة الأرضية. م. إد. ش. 1977

5. ألكساندروفا إل إن، نايدينوفا أو.أ. دروس مختبرية وعملية في علوم التربة. لام أجروبروميزدات. 1985

1) كبيرة (جيولوجية أو غير حيوية)؛

2) صغيرة (حيوية أو حيوية أو بيولوجية).

دورات المادة وتدفقات الطاقة الكونية تخلق استقرار المحيط الحيوي. تسمى دورة المادة الصلبة والماء التي تحدث نتيجة عمل العوامل اللاأحيائية (الطبيعة غير الحية). دورة جيولوجية عظيمة.خلال دورة جيولوجية كبيرة (تدوم ملايين السنين)، يتم تدمير الصخور وتعرضها للعوامل الجوية وتذوب المواد وتدخل المحيط العالمي؛ تحدث التغيرات الجيوتكتونية والهبوط القاري وارتفاع قاع البحر. يبلغ زمن دورة المياه في الأنهار الجليدية 8000 عام وفي الأنهار 11 يومًا. إنها الدورة العظيمة التي تزود الكائنات الحية بالعناصر الغذائية وتحدد إلى حد كبير ظروف وجودها.

دورة جيولوجية عظيمةفي المحيط الحيوي يتميز بنقطتين مهمتين:

أ) يتم تنفيذه طوال التطور الجيولوجي للأرض؛

ب) هي عملية كوكبية حديثة تلعب دورًا رائدًا في مواصلة تطوير المحيط الحيوي.

تحدث دورة المواد الحيوية أو البيولوجية الصغيرة في المراحل الصلبة والسائلة والغازية بمشاركة الكائنات الحية.تتطلب الدورة البيولوجية، على عكس الدورة الجيولوجية، طاقة أقل. الدورة الصغيرة هي جزء من دورة كبيرة وتحدث على مستوى التكاثر الحيوي (داخل النظم البيئية) ويكمن في حقيقة أن مغذيات التربة والمياه والكربون تتراكم في المادة النباتية ويتم إنفاقها على بناء الجسم. تتحلل منتجات تحلل المواد العضوية إلى مكونات معدنية. الدائرة الصغيرة ليست مغلقةوالذي يرتبط بتدفق المواد والطاقة إلى النظام البيئي من الخارج وإطلاق بعضها في دورة المحيط الحيوي.

في الوقت الحالي، تعتبر دورات المواد الغريبة الحيوية - العناصر السامة - ذات أهمية كبيرة الزئبق (ملوث غذائي) المنتجات) والرصاص (أحد مكونات البنزين). وبالإضافة إلى ذلك، فإن العديد من المواد ذات الأصل البشري (الـ دي.دي.تي، والمبيدات الحشرية، والنويدات المشعة، وما إلى ذلك) التي تسبب ضرراً للكائنات الحية وصحة الإنسان، تأتي من الدورة الكبيرة إلى الدورة الصغيرة.

يكمن جوهر الدورة البيولوجية في حدوث عمليتين متعارضتين ولكن مترابطتين - خلقالمادة العضوية ومكوناتها دمارمادة حية.

على عكس الدوامة الكبيرة، فإن الدوامة الصغيرة لها مدة مختلفة: حيث يتم التمييز بين الدوامات الصغيرة الموسمية والسنوية والدائمة والعلمانية.

يُطلق على إعادة تدوير المواد الكيميائية من البيئة غير العضوية عبر النباتات والحيوانات إلى البيئة غير العضوية باستخدام التفاعلات الكيميائية للطاقة الشمسية اسم الدورة البيوجيوكيميائية .

من المؤشرات المهمة على شدة الدورة البيولوجية معدل دوران العناصر الكيميائية. تتميز الشدة فِهرِس ، تساوي نسبة كتلة فضلات الغابات إلى القمامة. كلما ارتفع المؤشر، انخفضت كثافة الدورة الدموية.

يعد تدفق العناصر (النيتروجين والفوسفور والكبريت) عبر الكائنات الحية الدقيقة أعلى بكثير من تدفقها عبر النباتات والحيوانات.الدورة البيولوجية ليست قابلة للعكس تمامًا، فهي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالدورة البيوجيوكيميائية. تنتشر العناصر الكيميائية في المحيط الحيوي عبر مسارات مختلفة للدورة البيولوجية:

تمتصها المادة الحية وتشحن بالطاقة؛

ترك المادة الحية، وإطلاق الطاقة في البيئة الخارجية.

وهذه الدورات على نوعين: دورة المواد الغازية؛ الدورة الرسوبية (احتياطي في القشرة الأرضية).

تتكون الدوامات نفسها من جزأين:

- صندوق احتياطي(هذا هو الجزء من المادة الذي لا يرتبط بالكائنات الحية)؛

- صندوق الهاتف المحمول (التبادل).(جزء أصغر من المادة يرتبط بالتبادل المباشر بين الكائنات الحية وبيئتها المباشرة).

وتنقسم الدوامات إلى:

الدوامات نوع الغاز مع صندوق الاحتياطيفي قشرة الأرض (دورات الكربون والأكسجين والنيتروجين) - قادرة على التنظيم الذاتي السريع؛

الدوامات نوع رسوبي مع صندوق احتياطيفي قشرة الأرض (دورات الفوسفور والكالسيوم والحديد وما إلى ذلك) - أكثر خاملة، والجزء الأكبر من المادة في شكل "لا يمكن الوصول إليه" للكائنات الحية.

يمكن أيضًا تقسيم الدوامات إلى:

- مغلق(تداول المواد الغازية، مثل الأكسجين والكربون والنيتروجين، هو احتياطي في الغلاف الجوي والغلاف المائي للمحيط، لذلك يتم تعويض النقص بسرعة)؛

- يفتح(إنشاء صندوق احتياطي في القشرة الأرضية، على سبيل المثال، الفوسفور - وبالتالي يتم تعويض الخسائر بشكل سيء، أي يتم إنشاء عجز).

الأساس الطاقي لوجود الدورات البيولوجية على الأرض وارتباطها الأولي هو عملية التمثيل الضوئي.كل دورة جديدة ليست تكرارًا دقيقًا للدورة السابقة. على سبيل المثال، أثناء تطور المحيط الحيوي، كانت بعض العمليات لا رجعة فيها، مما أدى إلى تكوين وتراكم الرواسب الحيوية، وزيادة كمية الأكسجين في الغلاف الجوي، وتغيرات في النسب الكمية لنظائر عدد من العناصر ، إلخ.

عادة ما يسمى تداول المواد الدورات البيوجيوكيميائية . الدورات البيوجيوكيميائية الأساسية (المحيط الحيوي) للمواد: دورة الماء، دورة الأكسجين، دورة النيتروجين(تورط البكتيريا المثبتة للنيتروجين) ، دورة الكربون(مشاركة البكتيريا الهوائية؛ سنويا يتم إطلاق حوالي 130 طنًا من الكربون في الدورة الجيولوجية). دورة الفوسفور(تورط بكتيريا التربة؛ 14 مليون طن من الفوسفور). دورة الكبريت، دورة الكاتيون المعدني.

أساس الحياة المستدامة على الأرض هو الدورات البيوجيوكيميائية. جميع العناصر الكيميائية المستخدمة في العمليات الحياتية للكائنات الحية تخضع لحركات مستمرة، فتنتقل من الأجسام الحية إلى المركبات ذات الطبيعة الجامدة وبالعكس. إن إمكانية إعادة استخدام نفس الذرات تجعل الحياة على الأرض شبه أبدية، بشرط وجود إمدادات ثابتة من الكمية المطلوبة من الطاقة.

أنواع دورات المادة.يتميز المحيط الحيوي للأرض بدورة معينة من المواد وتدفق الطاقة. دورة المواد – المشاركة المتكررة للمواد في العمليات التي تحدث في الغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الصخري، بما في ذلك تلك الطبقات التي تشكل جزءًا من المحيط الحيوي للأرض. يحدث تداول المواد مع الإمداد المستمر (التدفق) للطاقة الخارجية للشمس والطاقة الداخلية للأرض.

اعتمادًا على القوة الدافعة، وبدرجة معينة من الاتفاقية، يمكن التمييز بين الدورات الجيولوجية والبيولوجية والبشرية ضمن دورة المواد. قبل ظهور الإنسان على الأرض، لم يتحقق إلا الأولين.

الدورة الجيولوجية (دورة كبيرة من المواد في الطبيعة) – دورة المواد التي تكون القوة الدافعة لها هي العمليات الجيولوجية الخارجية والداخلية.

العمليات الداخلية(عمليات الديناميكيات الداخلية) تحدث تحت تأثير الطاقة الداخلية للأرض. هذه هي الطاقة المنبعثة نتيجة للتحلل الإشعاعي، والتفاعلات الكيميائية لتشكيل المعادن، وتبلور الصخور، وما إلى ذلك. وتشمل العمليات الداخلية: الحركات التكتونية، والزلازل، والصهارة، والتحول. العمليات الخارجية(عمليات الديناميكيات الخارجية) تحدث تحت تأثير الطاقة الخارجية للشمس. تشمل العمليات الخارجية تجوية الصخور والمعادن وإزالة منتجات التدمير من بعض مناطق القشرة الأرضية ونقلها إلى مناطق جديدة وترسب وتراكم منتجات التدمير مع تكوين الصخور الرسوبية. تشمل العمليات الخارجية النشاط الجيولوجي للغلاف الجوي والغلاف المائي (الأنهار والجداول المؤقتة والمياه الجوفية والبحار والمحيطات والبحيرات والمستنقعات والجليد)، وكذلك الكائنات الحية والبشر.

تشكلت الأشكال الأرضية الأكبر (القارات وأحواض المحيطات) والأشكال الكبيرة (الجبال والسهول) بسبب عمليات داخلية، أما الأشكال الأرضية المتوسطة والصغيرة (أودية الأنهار والتلال والوديان والكثبان الرملية وما إلى ذلك) المتراكبة على أشكال أكبر، فهي ترجع إلى إلى العمليات الخارجية. وبالتالي، فإن العمليات الداخلية والخارجية تتعارض في عملها. الأول يؤدي إلى تشكيل أشكال الإغاثة الكبيرة، وهذا الأخير – إلى تجانسها.

تتحول الصخور النارية إلى صخور رسوبية نتيجة للعوامل الجوية. في المناطق المتحركة من القشرة الأرضية، يغرقون في عمق الأرض. هناك، تحت تأثير درجات الحرارة والضغوط المرتفعة، تذوب وتشكل الصهارة، التي ترتفع إلى السطح وتتصلب وتشكل صخورًا نارية.

وهكذا فإن الدورة الجيولوجية للمواد تحدث دون مشاركة الكائنات الحية وتعيد توزيع المواد بين المحيط الحيوي والطبقات العميقة للأرض.

الدورة البيولوجية (الجيوكيميائية الحيوية) (دورة صغيرة من المواد في المحيط الحيوي) – دورة المواد التي القوة الدافعة لها هي نشاط الكائنات الحية. وعلى النقيض من الدورة الجيولوجية الكبيرة، تحدث الدورة البيوجيوكيميائية الصغيرة للمواد داخل المحيط الحيوي. المصدر الرئيسي للطاقة في الدورة هو الإشعاع الشمسي الذي يولد عملية التمثيل الضوئي. في النظام البيئي، يتم تصنيع المواد العضوية عن طريق الكائنات ذاتية التغذية من المواد غير العضوية. ثم يتم استهلاكها من قبل المتغايرين. نتيجة للإفراز أثناء عمليات الحياة أو بعد وفاة الكائنات الحية (سواء ذاتية التغذية أو غير ذاتية التغذية)، تخضع المواد العضوية للتمعدن، أي التحول إلى مواد غير عضوية. يمكن إعادة استخدام هذه المواد غير العضوية لتخليق المواد العضوية بواسطة الكائنات ذاتية التغذية.

في الدورات البيوجيوكيميائية، ينبغي التمييز بين جزأين:

1) صندوق احتياطي -وهذا جزء من مادة لا ترتبط بالكائنات الحية؛

2) صندوق الصرف –جزء أصغر بكثير من المادة يرتبط بالتبادل المباشر بين الكائنات الحية وبيئتها المباشرة. اعتمادًا على موقع الصندوق الاحتياطي، يمكن تقسيم الدورات البيوجيوكيميائية إلى نوعين:

1) الدوامات من نوع الغازمع احتياطي من المواد الموجودة في الغلاف الجوي والغلاف المائي (دورات الكربون والأكسجين والنيتروجين).

2) الدوامات الرسوبيةمع احتياطي في القشرة الأرضية (دورات الفوسفور والكالسيوم والحديد وغيرها).

تعد عمليات التداول من نوع الغاز أكثر مثالية، نظرًا لوجود صندوق تبادل كبير، وبالتالي فهي قادرة على التنظيم الذاتي السريع. الدورات الرسوبية أقل كمالا، فهي أكثر خاملة، لأن الجزء الأكبر من المادة موجود في الصندوق الاحتياطي لقشرة الأرض في شكل "لا يمكن الوصول إليه" للكائنات الحية. يتم تعطيل هذه الدورات بسهولة من خلال أنواع مختلفة من التأثيرات، ويخرج جزء من المادة المتبادلة من الدورة. ولا يمكن أن يعود مرة أخرى إلى الدورة إلا نتيجة للعمليات الجيولوجية أو من خلال الاستخراج بواسطة المادة الحية. إلا أن استخلاص المواد التي تحتاجها الكائنات الحية من القشرة الأرضية أصعب بكثير من استخلاصها من الغلاف الجوي.

يتم تحديد شدة الدورة البيولوجية في المقام الأول من خلال درجة الحرارة المحيطة وكمية الماء. على سبيل المثال، تكون الدورة البيولوجية أكثر كثافة في الغابات الاستوائية المطيرة منها في منطقة التندرا.

مع ظهور الإنسان، نشأ تداول أو تبادل المواد البشرية المنشأ. الدورة البشرية (التبادل) – دورة (استقلاب) المواد التي القوة الدافعة لها هي النشاط البشري. هناك مكونان فيه: بيولوجي،المرتبطة بعمل الإنسان ككائن حي، و اِصطِلاحِيّ،المتعلقة بالأنشطة الاقتصادية البشرية (الدورة التكنولوجية).

الدورات الجيولوجية والبيولوجية مغلقة إلى حد كبير، والتي لا يمكن قولها عن الدورة البشرية. لذلك، غالبا ما يتحدثون ليس عن الدورة البشرية، ولكن عن عملية التمثيل الغذائي البشرية. يؤدي انفتاح دورة المواد البشرية إلى - استنزاف الموارد الطبيعية وتلوث البيئة الطبيعيةالأسباب الرئيسية لجميع المشاكل البيئية للإنسانية.

دورات العناصر الغذائية والعناصر الأساسية.دعونا ننظر في دورات أهم المواد والعناصر للكائنات الحية. تشير دورة المياه إلى الدورة الجيولوجية الكبيرة، ودورات العناصر الحيوية (الكربون والأكسجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت وغيرها من العناصر الحيوية) تشير إلى الدورة الجيوكيميائية الحيوية الصغيرة.

دورة المياهبين الأرض والمحيط عبر الغلاف الجوي يشير إلى الدورة الجيولوجية الكبرى. يتبخر الماء من سطح المحيطات وينتقل إما إلى اليابسة حيث يهطل على شكل أمطار، والتي تعود إلى المحيط على شكل جريان سطحي وتحت الأرض، أو يهطل على سطح المحيط. ويشارك ما يزيد عن 500 ألف كيلومتر مكعب من المياه سنوياً في دورة المياه على الأرض. تلعب دورة المياه ككل دورًا رئيسيًا في تشكيل الظروف الطبيعية على كوكبنا. مع الأخذ في الاعتبار نتح المياه عن طريق النباتات وامتصاصها في الدورة البيوجيوكيميائية، فإن إمدادات المياه بأكملها على الأرض تتفكك ويتم استعادتها خلال مليوني عام.

دورة الكربون.يلتقط المنتجون ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي ويحولونه إلى مواد عضوية، ويمتص المستهلكون الكربون على شكل مواد عضوية بأجسام المنتجين والمستهلكين من الرتب الدنيا، وتقوم المحللات بتمعدن المواد العضوية وإعادة الكربون إلى الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون . في المحيط العالمي، تكون دورة الكربون معقدة بسبب حقيقة أن بعض الكربون الموجود في الكائنات الميتة يغوص إلى القاع ويتراكم في الصخور الرسوبية. يتم استبعاد هذا الجزء من الكربون من الدورة البيولوجية ويدخل في الدورة الجيولوجية للمواد.

الخزان الرئيسي للكربون المرتبط بيولوجيا هو الغابات، فهي تحتوي على ما يصل إلى 500 مليار طن من هذا العنصر، وهو ما يمثل ثلثي احتياطيها في الغلاف الجوي. يؤدي التدخل البشري في دورة الكربون (حرق الفحم والنفط والغاز وإزالة الرطوبة) إلى زيادة محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وتطور ظاهرة الاحتباس الحراري.

ويبلغ معدل دوران ثاني أكسيد الكربون، أي الوقت الذي يمر فيه كل ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي عبر المادة الحية، حوالي 300 عام.

دورة الأكسجين.تحدث دورة الأكسجين بشكل رئيسي بين الغلاف الجوي والكائنات الحية. في الأساس، يدخل الأكسجين الحر (0^) إلى الغلاف الجوي نتيجة لعملية التمثيل الضوئي للنباتات الخضراء، ويتم استهلاكه في عملية التنفس بواسطة الحيوانات والنباتات والكائنات الحية الدقيقة وأثناء تمعدن المخلفات العضوية. تتشكل كمية صغيرة من الأكسجين من الماء والأوزون تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية. يتم استهلاك كمية كبيرة من الأكسجين عن طريق عمليات الأكسدة في القشرة الأرضية، أثناء الانفجارات البركانية، وما إلى ذلك. يتم إنتاج الحصة الرئيسية من الأكسجين بواسطة النباتات البرية - ما يقرب من 3/4، والباقي - بواسطة كائنات التمثيل الضوئي في المحيط العالمي. سرعة الدورة حوالي 2 ألف سنة.

لقد ثبت أن 23% من الأكسجين الناتج أثناء عملية التمثيل الضوئي يتم استهلاكه سنويًا لتلبية الاحتياجات الصناعية والمنزلية، وهذا الرقم في تزايد مستمر.

دورة النيتروجين.إن مخزون النيتروجين (N 2) في الغلاف الجوي ضخم (78٪ من حجمه). ومع ذلك، لا تستطيع النباتات امتصاص النيتروجين الحر، ولكن فقط في شكل مرتبط، بشكل رئيسي في شكل NH 4 + أو NO 3 –. يتم تثبيت النيتروجين الحر من الغلاف الجوي بواسطة البكتيريا المثبتة للنيتروجين وتحويله إلى أشكال متاحة للنباتات. في النباتات، يتم تثبيت النيتروجين في المواد العضوية (في البروتينات، والأحماض النووية، وما إلى ذلك) وينتقل عبر السلاسل الغذائية. بعد موت الكائنات الحية، تقوم المحللات بتمعدن المواد العضوية وتحويلها إلى مركبات الأمونيوم والنترات والنتريت وكذلك النيتروجين الحر الذي يعود إلى الغلاف الجوي.

النترات والنتريت قابلة للذوبان بدرجة عالية في الماء ويمكن أن تنتقل إلى المياه الجوفية والنباتات وتنتقل عبر السلسلة الغذائية. إذا كانت كميتها كبيرة جدًا، وهو ما يتم ملاحظته غالبًا عند الاستخدام الخاطئ للأسمدة النيتروجينية، فإن الماء والغذاء يتلوثان ويسببان أمراضًا للإنسان.

دورة الفوسفور.الجزء الأكبر من الفوسفور موجود في الصخور التي تشكلت في العصور الجيولوجية الماضية. يتم تضمين الفوسفور في الدورة البيوجيوكيميائية نتيجة لعمليات التجوية الصخرية. في النظم البيئية الأرضية، تستخرج النباتات الفوسفور من التربة (أساسًا على شكل PO 4 3–) وتدمجه في مركبات عضوية (البروتينات، والأحماض النووية، والدهون الفوسفاتية، وما إلى ذلك) أو تتركه في صورة غير عضوية. ثم يتم نقل الفوسفور عبر السلاسل الغذائية. بعد موت الكائنات الحية ومع إفرازاتها يعود الفوسفور إلى التربة.

مع الاستخدام غير السليم للأسمدة الفوسفورية، وتآكل التربة بسبب الماء والرياح، تتم إزالة كميات كبيرة من الفوسفور من التربة. من ناحية، يؤدي ذلك إلى الاستهلاك المفرط للأسمدة الفوسفورية واستنفاد احتياطيات الخامات المحتوية على الفوسفور (الفوسفوريت، الأباتيت، إلخ). ومن ناحية أخرى، فإن دخول كميات كبيرة من العناصر الحيوية مثل الفوسفور والنيتروجين والكبريت وما إلى ذلك من التربة إلى المسطحات المائية يؤدي إلى التطور السريع للبكتيريا الزرقاء والنباتات المائية الأخرى (“تفتح” الماء) و التخثثالخزانات. لكن معظم الفوسفور يُنقل إلى البحر.

في النظم الإيكولوجية المائية، تمتص العوالق النباتية الفوسفور وتنتقل عبر السلسلة الغذائية إلى الطيور البحرية. وينتهي برازهم على الفور مرة أخرى في البحر، أو يتراكم أولاً على الشاطئ ثم يُجرف إلى البحر على أي حال. من الحيوانات البحرية المحتضرة، وخاصة الأسماك، يدخل الفوسفور مرة أخرى إلى البحر وفي الدورة، لكن بعض الهياكل العظمية للأسماك تصل إلى أعماق كبيرة، وينتهي الفوسفور الموجود فيها مرة أخرى في الصخور الرسوبية، أي أنه مفصول عن الدورة البيوجيوكيميائية .

دورة الكبريت.الاحتياطي الرئيسي للكبريت موجود في الرواسب والتربة، ولكن على عكس الفسفور يوجد احتياطي في الغلاف الجوي. الدور الرئيسي في إشراك الكبريت في الدورة البيوجيوكيميائية ينتمي إلى الكائنات الحية الدقيقة. بعضها عوامل مختزلة والبعض الآخر عوامل مؤكسدة.

يوجد الكبريت في الصخور على شكل كبريتيدات (FeS 2، وما إلى ذلك)، في المحاليل - على شكل أيون (SO 4 2–)، في الطور الغازي على شكل كبريتيد الهيدروجين (H 2 S) أو ثاني أكسيد الكبريت (SO 2). في بعض الكائنات الحية، يتراكم الكبريت في صورته النقية، وعندما يموت، تتشكل رواسب الكبريت الأصلي في قاع البحار.

في النظم البيئية الأرضية، يدخل الكبريت إلى النباتات من التربة بشكل رئيسي على شكل كبريتات. يوجد الكبريت في الكائنات الحية في البروتينات، على شكل أيونات، وما إلى ذلك. بعد موت الكائنات الحية، يتم تقليل جزء من الكبريت في التربة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة إلى H 2 S، ويتأكسد الجزء الآخر إلى كبريتات ويتم إدراجه مرة أخرى في الدورة. ويتبخر كبريتيد الهيدروجين الناتج في الغلاف الجوي، حيث يتأكسد ويعود إلى التربة مع هطول الأمطار.

يؤدي احتراق الإنسان للوقود الأحفوري (خاصة الفحم)، وكذلك الانبعاثات الناتجة عن الصناعات الكيميائية، إلى تراكم ثاني أكسيد الكبريت (SO 2) في الغلاف الجوي، والذي يتفاعل مع بخار الماء ويسقط على الأرض على شكل أمطار حمضية. .

الدورات البيوجيوكيميائية ليست واسعة النطاق مثل الدورات الجيولوجية وتخضع إلى حد كبير للتأثير البشري. النشاط الاقتصادي ينتهك عزلتهم، ويصبحون غير دوريين.

تحدث الدورة الجيولوجية الكبيرة للمعادن والمياه تحت تأثير عدد كبير من العوامل اللاأحيائية.

4.3.1. تداول المواد في الدورة الجيولوجية الكبيرة.

وفقًا لنظرية الصفائح الحجرية، يتكون الغلاف الخارجي للأرض من عدة كتل (صفائح) كبيرة جدًا. تفترض هذه النظرية وجود حركات أفقية للصفائح الصخرية القوية بسمك 100-150 كم.

علاوة على ذلك، توجد داخل مرتفعات وسط المحيط ما يسمى بمنطقة الصدع. تنفجر الصفائح الليثوسفيرية وتتباعد لتشكل قشرة محيطية شابة

وتسمى هذه الظاهرة انتشار قاع المحيط. وهكذا، يرتفع تدفق المواد المعدنية من أعماق الوشاح، مكونًا صخورًا بلورية شابة.

على النقيض من هذه العملية، في منطقة الخنادق المحيطية في أعماق البحار، يتم دفع جزء من القشرة القارية باستمرار إلى آخر، وهو ما يصاحبه غمر الجزء المحيطي من اللوحة في الوشاح، أي جزء من تنتقل المادة الصلبة لقشرة الأرض إلى تركيبة عباءة الأرض. العملية التي تحدث في خنادق المحيطات العميقة تسمى اندساس القشرة المحيطية.

تعمل دورة المياه على الكوكب بشكل مستمر وفي كل مكان. القوى الدافعة لدورة المياه هي الطاقة الحرارية والجاذبية. تحت تأثير الحرارة يحدث التبخر وتكثيف بخار الماء وغيرها من العمليات التي تستهلك حوالي 50٪ من الطاقة القادمة من الشمس. تحت تأثير الجاذبية - سقوط قطرات المطر، وتدفق الأنهار، وحركة التربة والمياه الجوفية. غالبًا ما تعمل هذه الأسباب معًا، على سبيل المثال، تؤثر كل من العمليات الحرارية والجاذبية على دوران الماء في الغلاف الجوي.

4.3.2. دورة العناصر في الطبيعة غير الحية

ويتم ذلك بطريقتين: هجرة الماء والهواء. تشمل المهاجرين الجويين: الأكسجين والهيدروجين والنيتروجين واليود.

تشمل المهاجرات المائية تلك المواد التي تهاجر بشكل أساسي في التربة والمياه السطحية والجوفية، بشكل رئيسي على شكل جزيئات وأيونات: الصوديوم والمغنيسيوم والألومنيوم والسيليكون والفوسفور والكبريت والكلور والبوتاسيوم والمنغنيز والحديد والكوبالت والنيكل والسترونتيوم، الرصاص، وما إلى ذلك. كما أن المهاجرات الجوية هي أيضًا جزء من الأملاح التي تهاجر في الماء. ومع ذلك، فإن الهجرة الجوية هي أكثر سمة بالنسبة لهم.

4.4 دورة صغيرة (بيولوجية).

كتلة المادة الحية في المحيط الحيوي صغيرة نسبيًا. وإذا تم توزيعها على سطح الأرض، تكون النتيجة طبقة يبلغ سمكها 1.5 سم فقط. ويقارن الجدول 4.1 بعض الخصائص الكمية للمحيط الحيوي والمجالات الجغرافية الأخرى للأرض. إن المحيط الحيوي، الذي يشكل أقل من 10 إلى 6 أضعاف كتلة الأصداف الأخرى للكوكب، يتمتع بتنوع أكبر بما لا يقاس ويتجدد تكوينه أسرع بمليون مرة.

الجدول 4.1

مقارنة المحيط الحيوي مع المجالات الجغرافية الأخرى للأرض

* المادة الحية على أساس الوزن الحي

4.4.1. وظائف المحيط الحيوي

بفضل الكائنات الحية في المحيط الحيوي، يحدث الجزء السائد من التحولات الكيميائية على الكوكب. ومن هنا حكم ف. فيرنادسكي حول الدور الجيولوجي التحويلي الهائل للمادة الحية. أثناء التطور العضوي، مرت الكائنات الحية عبر أعضائها وأنسجتها وخلاياها ودمها والغلاف الجوي بأكمله وحجم المحيط العالمي بأكمله ومعظم كتلة التربة وكتلة ضخمة من المعادن ألف مرة (بالنسبة لـ دورات مختلفة من 103 إلى 105 مرات). ولم يفوتوا ذلك فحسب، بل قاموا أيضًا بتعديل بيئة الأرض وفقًا لاحتياجاتهم.

بفضل قدرتها على تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة الروابط الكيميائية، تؤدي النباتات والكائنات الحية الأخرى عددًا من الوظائف البيوجيوكيميائية الأساسية على نطاق الكوكب.

وظيفة الغاز. تقوم الكائنات الحية بتبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون باستمرار مع البيئة من خلال عمليات التمثيل الضوئي والتنفس. لعبت النباتات دورًا حاسمًا في التحول من بيئة مختزلة إلى بيئة مؤكسدة في التطور الجيوكيميائي للكوكب وفي تكوين التركيبة الغازية للغلاف الجوي الحديث. تتحكم النباتات بشكل صارم في تركيزات O2 وCO2، والتي تعتبر مثالية لجميع الكائنات الحية الحديثة.

وظيفة التركيز. من خلال تمرير كميات كبيرة من الهواء والمحاليل الطبيعية عبر أجسامها، تقوم الكائنات الحية بالهجرة الحيوية (حركة المواد الكيميائية) وتركيز العناصر الكيميائية ومركباتها. ويتعلق ذلك بالتخليق الحيوي للمادة العضوية، وتكوين الجزر المرجانية، وبناء الأصداف والهياكل العظمية، وظهور طبقات الحجر الجيري الرسوبية، وترسبات بعض الخامات المعدنية، وتراكم عقيدات الحديد والمنغنيز في قاع المحيط، وما إلى ذلك. حدثت المراحل المبكرة من التطور البيولوجي في البيئة المائية. لقد تعلمت الكائنات الحية استخلاص المواد التي تحتاجها من محلول مائي مخفف، مما أدى إلى زيادة تركيزها في أجسامها بشكل متكرر.

ترتبط وظيفة الأكسدة والاختزال في المادة الحية ارتباطًا وثيقًا بالهجرة الحيوية للعناصر وتركيز المواد. العديد من المواد في الطبيعة مستقرة ولا تخضع للأكسدة في الظروف العادية، على سبيل المثال، يعتبر النيتروجين الجزيئي أحد أهم العناصر الحيوية. لكن الخلايا الحية لديها محفزات قوية - إنزيمات - بحيث تكون قادرة على تنفيذ العديد من تفاعلات الأكسدة والاختزال أسرع بملايين المرات مما يمكن أن تحدث في بيئة غير حيوية.

وظيفة المعلومات من المادة الحية في المحيط الحيوي. مع ظهور الكائنات الحية البدائية الأولى ظهرت على الكوكب معلومات نشطة ("حية")، والتي تختلف عن تلك المعلومات "الميتة"، والتي هي انعكاس بسيط للبنية. تبين أن الكائنات الحية قادرة على الحصول على المعلومات من خلال الجمع بين تدفق الطاقة والبنية الجزيئية النشطة التي تلعب دور البرنامج. لقد شهدت القدرة على إدراك المعلومات الجزيئية وتخزينها ومعالجتها تطورًا سريعًا في الطبيعة وأصبحت أهم عامل في تكوين النظام البيئي. ويقدر إجمالي المعروض من المعلومات الوراثية للكائنات الحية بـ 1015 بت. تصل الطاقة الإجمالية لتدفق المعلومات الجزيئية المرتبطة بعملية التمثيل الغذائي والطاقة في جميع خلايا الكائنات الحية العالمية إلى 1036 بت / ثانية (Gorshkov et al.، 1996).

4.4.2. مكونات الدورة البيولوجية.

وتحدث الدورة البيولوجية بين جميع مكونات المحيط الحيوي (أي بين التربة والهواء والماء والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة وغيرها). ويحدث بالمشاركة الإجبارية للكائنات الحية.

يحمل الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى المحيط الحيوي طاقة تبلغ حوالي 2.5 * 1024 جول سنويًا. يتم تحويل 0.3٪ فقط منه مباشرة أثناء عملية التمثيل الضوئي إلى طاقة الروابط الكيميائية للمواد العضوية، أي. يشارك في الدورة البيولوجية. وتبين أن 0.1 - 0.2٪ من الطاقة الشمسية التي تسقط على الأرض موجودة في الإنتاج الأولي النقي. يرتبط المصير الإضافي لهذه الطاقة بنقل المواد العضوية الغذائية من خلال شلالات من السلاسل الغذائية.

يمكن تقسيم الدورة البيولوجية بشكل مشروط إلى مكونات مترابطة: دورة المواد ودورة الطاقة.

4.4.3. دورة الطاقة. تحويل الطاقة في المحيط الحيوي

يمكن وصف النظام البيئي بأنه مجموعة من الكائنات الحية التي تتبادل الطاقة والمادة والمعلومات بشكل مستمر. يمكن تعريف الطاقة بأنها القدرة على بذل شغل. يتم وصف خصائص الطاقة، بما في ذلك حركة الطاقة في النظم البيئية، من خلال قوانين الديناميكا الحرارية.

ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية أو قانون حفظ الطاقة على أن الطاقة لا تختفي ولا تنشأ من جديد، بل تنتقل فقط من شكل إلى آخر.

ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنه في النظام المغلق، يمكن للإنتروبيا أن تزداد فقط. فيما يتعلق بالطاقة في النظم الإيكولوجية، فإن الصياغة التالية ملائمة: يمكن أن تحدث العمليات المرتبطة بتحويل الطاقة بشكل عفوي فقط بشرط أن تنتقل الطاقة من شكل مركز إلى شكل مشتت، أي أنها تتحلل. إن قياس كمية الطاقة التي تصبح غير متاحة للاستخدام، أو قياس التغير في الترتيب الذي يحدث أثناء تحلل الطاقة، هو الإنتروبيا. كلما ارتفع ترتيب النظام، انخفضت الإنتروبيا.

بمعنى آخر، تستقبل المادة الحية طاقة الفضاء والشمس وتحولها إلى طاقة العمليات الأرضية (الكيميائية والميكانيكية والحرارية والكهربائية). تتضمن هذه الطاقة والمواد غير العضوية في الدورة المستمرة للمواد في المحيط الحيوي. إن تدفق الطاقة في المحيط الحيوي له اتجاه واحد - من الشمس عبر النباتات (ذاتية التغذية) إلى الحيوانات (غيرية التغذية). تعد النظم البيئية الطبيعية التي لم يمسها أحد في حالة مستقرة مع مؤشرات بيئية حرجة ثابتة (التوازن) هي الأنظمة الأكثر ترتيبًا وتتميز بأقل إنتروبيا.

4.4.4. دورة المواد في الطبيعة الحية

إن تكوين المادة الحية وتحللها وجهان لعملية واحدة تسمى الدورة البيولوجية للعناصر الكيميائية. الحياة هي دورة العناصر الكيميائية بين الكائنات الحية والبيئة.

وسبب الدورة هو قلة عدد العناصر التي تبنى منها أجسام الكائنات الحية. يستخرج كل كائن حي من البيئة المواد الضرورية للحياة ويعيد المواد غير المستخدمة. حيث:

تستهلك بعض الكائنات الحية المعادن مباشرة من البيئة؛

ويستخدم آخرون المنتجات المعالجة والمعزولة أولاً؛

الثالث - الثاني، الخ، حتى تعود المواد إلى البيئة بحالتها الأصلية.

وفي المحيط الحيوي، فإن الحاجة إلى التعايش بين مختلف الكائنات الحية القادرة على استخدام نفايات بعضها البعض أمر واضح. نحن نرى إنتاجًا بيولوجيًا خاليًا من النفايات تقريبًا.

يمكن اختزال دوران المواد في الكائنات الحية تقريبًا إلى أربع عمليات:

1. التمثيل الضوئي. نتيجة لعملية التمثيل الضوئي، تمتص النباتات وتراكم الطاقة الشمسية وتقوم بتصنيع المواد العضوية - المنتجات البيولوجية الأولية - والأكسجين من المواد غير العضوية. المنتجات البيولوجية الأولية متنوعة للغاية - فهي تحتوي على الكربوهيدرات (الجلوكوز) والنشا والألياف والبروتينات والدهون.

يحتوي مخطط التمثيل الضوئي لأبسط الكربوهيدرات (الجلوكوز) على المخطط التالي:

تحدث هذه العملية فقط خلال النهار ويصاحبها زيادة في كتلة النبات.

على الأرض، تتشكل سنويا حوالي 100 مليار طن من المواد العضوية نتيجة لعملية التمثيل الضوئي، ويتم امتصاص حوالي 200 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون، ويتم إطلاق ما يقرب من 145 مليار طن من الأكسجين.

يلعب التمثيل الضوئي دورًا حاسمًا في ضمان وجود الحياة على الأرض. تفسر أهميتها العالمية من خلال حقيقة أن عملية التمثيل الضوئي هي العملية الوحيدة التي لا تتبدد فيها الطاقة في العملية الديناميكية الحرارية، وفقًا لمبدأ الحد الأدنى، بل تتراكم.

ومن خلال تصنيع الأحماض الأمينية اللازمة لبناء البروتينات، يمكن للنباتات أن توجد بشكل مستقل نسبيًا عن الكائنات الحية الأخرى. وهذا يتجلى في التغذية الذاتية للنباتات (الاستقلال في التغذية). وفي الوقت نفسه، فإن الكتلة الخضراء للنباتات والأكسجين الناتج أثناء عملية التمثيل الضوئي هي الأساس لدعم حياة المجموعة التالية من الكائنات الحية - الحيوانات والكائنات الحية الدقيقة. وهذا يدل على تغاير هذه المجموعة من الكائنات الحية.

2. التنفس. هذه العملية هي عكس عملية التمثيل الضوئي. يحدث في جميع الخلايا الحية. أثناء التنفس، تتأكسد المواد العضوية بواسطة الأكسجين، مما يؤدي إلى تكوين ثاني أكسيد الكربون والماء وإطلاق الطاقة.

3. الروابط الغذائية (الغذائية) بين الكائنات ذاتية التغذية وغيرية التغذية. وفي هذه الحالة تنتقل الطاقة والمادة على طول روابط السلسلة الغذائية التي ناقشناها بمزيد من التفصيل سابقًا.

4. عملية النتح. واحدة من أهم العمليات في الدورة البيولوجية.

ويمكن وصفها تخطيطيا على النحو التالي. تمتص النباتات رطوبة التربة من خلال جذورها. وفي الوقت نفسه، يحصلون على معادن مذابة في الماء، والتي يتم امتصاصها، وتتبخر الرطوبة بشكل مكثف أو أقل حسب الظروف البيئية.

4.4.5. الدورات البيوجيوكيميائية

ترتبط الدورات الجيولوجية والبيولوجية - فهي موجودة كعملية واحدة، مما يؤدي إلى تداول المواد، ما يسمى بالدورات البيوجيوكيميائية (BGCC). ترجع دورة العناصر هذه إلى تخليق وتحلل المواد العضوية في النظام البيئي (الشكل 4.1). ولا تشارك جميع عناصر المحيط الحيوي في BGCC، ولكن العناصر الحيوية فقط. وتتكون الكائنات الحية منها، وتدخل هذه العناصر في تفاعلات عديدة وتشارك في العمليات التي تحدث في الكائنات الحية. من حيث النسبة المئوية، تتكون الكتلة الإجمالية للمادة الحية في المحيط الحيوي من العناصر الحيوية الرئيسية التالية: الأكسجين - 70٪، الكربون - 18٪، الهيدروجين - 10.5٪، الكالسيوم - 0.5٪، البوتاسيوم - 0.3٪، النيتروجين - 0، 3% (الأكسجين والهيدروجين والنيتروجين والكربون موجودة في جميع المناظر الطبيعية وهي أساس الكائنات الحية - 98%).

جوهر الهجرة الحيوية للعناصر الكيميائية.

وهكذا، توجد في المحيط الحيوي دورة حيوية للمواد (أي دورة ناجمة عن النشاط الحيوي للكائنات الحية) وتدفق أحادي الاتجاه للطاقة. يتم تحديد الهجرة الحيوية للعناصر الكيميائية بشكل أساسي من خلال عمليتين متعارضتين:

1. تكوين المادة الحية من العناصر البيئية بواسطة الطاقة الشمسية.

2. تدمير المواد العضوية مع إطلاق الطاقة. في هذه الحالة، تدخل عناصر المواد المعدنية مرارا وتكرارا إلى الكائنات الحية، وبالتالي تصبح جزءا من المركبات العضوية المعقدة، والأشكال، وبعد ذلك، عندما يتم تدمير الأخير، فإنها تكتسب مرة أخرى شكلا معدنيا.

هناك عناصر هي جزء من الكائنات الحية، ولكنها لا تصنف على أنها حيوية. وتصنف هذه العناصر حسب نسبة وزنها في الكائنات الحية:

العناصر الكبرى – تشكل ما لا يقل عن 10-2% من الكتلة؛

العناصر الدقيقة – المكونات من 9*10-3 إلى 1*10-3% من الكتلة؛

العناصر الدقيقة للغاية - أقل من 9*10-6% من الكتلة؛

لتحديد مكان العناصر الغذائية بين العناصر الكيميائية الأخرى للمحيط الحيوي، دعونا ننظر في التصنيف المقبول في علم البيئة. وفقًا لنشاطها في العمليات التي تحدث في المحيط الحيوي، تنقسم جميع العناصر الكيميائية إلى 6 مجموعات:

الغازات النبيلة - الهيليوم والنيون والأرجون والكريبتون والزينون. الغازات الخاملة ليست جزءا من الكائنات الحية.

المعادن النبيلة - الروثينيوم والراديوم والبلاديوم والأوزميوم والإيريديوم والبلاتين والذهب. لا تشكل هذه المعادن أي مركبات تقريبًا في القشرة الأرضية.

العناصر الدورية أو الحيوية (وتسمى أيضًا العناصر المهاجرة). تمثل هذه المجموعة من العناصر الحيوية الموجودة في القشرة الأرضية 99.7% من الكتلة الكلية، والمجموعات الخمس المتبقية 0.3%. وبالتالي فإن الجزء الأكبر من العناصر هم من المهاجرين الذين يتجولون في الغلاف الجغرافي، والجزء الخامل من العناصر صغير جداً.

عناصر متناثرة تتميز بغلبة الذرات الحرة. وهي تدخل في التفاعلات الكيميائية، ولكن مركباتها نادراً ما توجد في القشرة الأرضية. وهي مقسمة إلى مجموعتين فرعيتين. الأول - الروبيديوم، السيزيوم، النيوبيوم، التنتالوم - يخلق مركبات في أعماق القشرة الأرضية، ويتم تدمير معادنها على السطح. والثاني - اليود والبروم - يتفاعل فقط على السطح.

العناصر المشعة - البولونيوم والرادون والراديوم واليورانيوم والنبتونيوم والبلوتونيوم.

العناصر الأرضية النادرة - الإيتريوم، السماريوم، اليوروبيوم، الثوليوم، إلخ.

على مدار السنة، تؤدي الدورات الكيميائية الحيوية إلى تحريك حوالي 480 مليار طن من المادة.

في و. صاغ فيرنادسكي ثلاثة مبادئ جيوكيميائية حيوية تشرح جوهر الهجرة الحيوية للعناصر الكيميائية:

تسعى الهجرة الحيوية للعناصر الكيميائية في المحيط الحيوي دائمًا إلى تحقيق أقصى قدر من مظاهرها.

إن تطور الأنواع عبر الزمن الجيولوجي، مما أدى إلى خلق أشكال مستقرة من الحياة، يسير في اتجاه يعزز الهجرة الحيوية للذرات.

إن المادة الحية في حالة تبادل كيميائي مستمر مع بيئتها، وهو العامل الذي يعيد تكوين المحيط الحيوي ويحافظ عليه.

دعونا نفكر في كيفية تحرك بعض هذه العناصر في المحيط الحيوي.

دورة الكربون. المشارك الرئيسي في الدورة الحيوية هو الكربون كأساس للمواد العضوية. تحدث دورة الكربون في المقام الأول بين المادة الحية وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من خلال عملية التمثيل الضوئي. يتم الحصول عليه من الغذاء بواسطة الحيوانات العاشبة، ومن الحيوانات العاشبة بواسطة الحيوانات آكلة اللحوم. أثناء عملية التنفس والتحلل، يعود ثاني أكسيد الكربون جزئيًا إلى الغلاف الجوي؛ وتحدث العودة عند حرق المعادن العضوية.

وفي حالة عدم عودة الكربون إلى الغلاف الجوي، فسوف تستهلكه النباتات الخضراء خلال 7-8 سنوات. معدل دوران الكربون البيولوجي من خلال عملية التمثيل الضوئي هو 300 سنة. تلعب المحيطات دورًا كبيرًا في تنظيم محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. إذا زاد محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، يذوب جزء منه في الماء، ويتفاعل مع كربونات الكالسيوم.

دورة الأكسجين.

يمتلك الأكسجين نشاطًا كيميائيًا عاليًا ويتحد مع جميع عناصر القشرة الأرضية تقريبًا. ويوجد بشكل رئيسي في شكل مركبات. كل ذرة رابعة من المادة الحية هي ذرة أكسجين. ينشأ كل الأكسجين الجزيئي الموجود في الغلاف الجوي تقريبًا ويتم الحفاظ عليه عند مستوى ثابت بسبب نشاط النباتات الخضراء. يمر الأكسجين الجوي، المرتبط أثناء التنفس ويتم إطلاقه أثناء عملية التمثيل الضوئي، عبر جميع الكائنات الحية خلال 200 عام.

دورة النيتروجين. النيتروجين جزء لا يتجزأ من جميع البروتينات. النسبة العامة للنيتروجين الثابت، كعنصر مكون للمادة العضوية، إلى النيتروجين في الطبيعة هي 1:100000. طاقة الرابطة الكيميائية في جزيء النيتروجين عالية جدًا. ولذلك، فإن مزيج النيتروجين مع العناصر الأخرى - الأكسجين، الهيدروجين (عملية تثبيت النيتروجين) - يتطلب الكثير من الطاقة. يحدث تثبيت النيتروجين الصناعي في وجود محفزات عند درجة حرارة -500 درجة مئوية وضغط -300 ضغط جوي.

وكما تعلم فإن الغلاف الجوي يحتوي على أكثر من 78% من النيتروجين الجزيئي، لكنه في هذه الحالة لا يتوفر للنباتات الخضراء. لتغذيتها، يمكن للنباتات استخدام أملاح أحماض النيتريك والنيتروز فقط. ما هي الطرق التي تتشكل بها هذه الأملاح؟ وهنا بعض منهم:

في المحيط الحيوي، يتم تثبيت النيتروجين بواسطة عدة مجموعات من البكتيريا اللاهوائية والبكتيريا الزرقاء عند درجة حرارة وضغط عاديين بسبب الكفاءة العالية للتحفيز الحيوي. يُعتقد أن البكتيريا تحول ما يقرب من مليار طن من النيتروجين سنويًا إلى شكل مقيد (يبلغ الحجم العالمي للتثبيت الصناعي حوالي 90 مليون طن).

البكتيريا المثبتة للنيتروجين في التربة قادرة على امتصاص النيتروجين الجزيئي من الهواء. إنها تثري التربة بمركبات النيتروجين، لذا فإن أهميتها كبيرة للغاية.

نتيجة تحلل المركبات المحتوية على النيتروجين من المواد العضوية ذات الأصل النباتي والحيواني.

وتحت تأثير البكتيريا يتحول النيتروجين إلى نترات ونتريت ومركبات الأمونيوم. في النباتات، تشارك مركبات النيتروجين في تركيب مركبات البروتين، والتي تنتقل من كائن حي إلى آخر في السلسلة الغذائية.

دورة الفوسفور. عنصر مهم آخر، بدونه يكون تخليق البروتين مستحيلا، وهو الفوسفور. المصادر الرئيسية هي الصخور النارية (الأباتيت) والصخور الرسوبية (الفوسفوريت).

ويشارك الفوسفور غير العضوي في الدورة نتيجة لعمليات الترشيح الطبيعية. يتم امتصاص الفوسفور من قبل الكائنات الحية التي تقوم بمشاركتها بتصنيع عدد من المركبات العضوية ونقلها إلى مستويات غذائية مختلفة.

وبعد أن أكمل رحلته عبر السلاسل الغذائية، يتحلل الفوسفات العضوي بواسطة الميكروبات ويتحول إلى فوسفات معدني متاح للنباتات الخضراء.

وفي عملية الدورة البيولوجية التي تضمن حركة المادة والطاقة، لا يوجد مكان لتراكم النفايات. توفر منتجات النفايات (أي النفايات) لكل شكل من أشكال الحياة أرضًا خصبة للكائنات الحية الأخرى.

من الناحية النظرية، ينبغي دائمًا الحفاظ على التوازن في المحيط الحيوي بين إنتاج الكتلة الحيوية وتحللها. ومع ذلك، في فترات جيولوجية معينة، اختل توازن الدورة البيولوجية عندما لم يتم استيعاب وتحويل جميع المنتجات البيولوجية بسبب بعض الظروف الطبيعية والكوارث. في هذه الحالات، تم تشكيل المنتجات البيولوجية الزائدة، والتي تم الحفاظ عليها وترسبها في قشرة الأرض، تحت سمك الماء، والرواسب، وانتهت في منطقة التربة الصقيعية. وهكذا تشكلت رواسب الفحم والنفط والغاز والحجر الجيري. وتجدر الإشارة إلى أنها لا تلوث المحيط الحيوي. تتركز طاقة الشمس المتراكمة أثناء عملية التمثيل الضوئي في المعادن العضوية. الآن، من خلال حرق المعادن العضوية القابلة للاحتراق، يطلق الشخص هذه الطاقة.