معدل الدورة البيولوجية في البيئة المائية. دورة العناصر في الطبيعة غير الحية

الدورة البيولوجية للعناصر الكيميائية في المجتمعات الاستوائية المشتركة

الظروف المناخية الحيوية للمناطق الاستوائية متنوعة للغاية. إن فكرة المناطق الاستوائية كشريط متواصل من الغابة غير صحيحة على الإطلاق. إن تغير نسب هطول الأمطار والتبخر والنتح، ومدة المواسم الجافة والممطرة تخلق مجموعة واسعة من النظم البيئية بدرجات متفاوتة من الرطوبة الجوية - من المناظر الطبيعية القاحلة للغاية أو الصحراوية إلى الغابات الاستوائية الرطبة باستمرار. في ظل وجود موسم يتجاوز فيه التبخر هطول الأمطار، توجد غابات متفرقة ذات حشائش طويلة فاتحة اللون تتساقط أوراقها خلال موسم الجفاف الطويل. في الظروف الأكثر جفافًا، تكون مجموعات الأشجار المتناثرة التي تتخللها مساحات مفتوحة مغطاة بالنباتات العشبية نموذجية. ومع زيادة الجفاف، يتم استبدال الأشجار بغابات من الشجيرات الشائكة، ويتم استبدال الغطاء الخصب من الأعشاب الطويلة بنباتات قصيرة العشب ذات درجة منخفضة من تغطية التربة.

نسب المناطق ذات درجات مختلفة من الرطوبة الجوية في القارات ليست هي نفسها. تشغل المناطق الجافة الغالبية العظمى من أستراليا، وجزءًا كبيرًا من الهند، ولكنها أقل شيوعًا في أمريكا الجنوبية. في الشريط الاستوائي لأفريقيا، يقتصر على 6 درجات شمالاً. ث. و6 درجات جنوبا. ث.تتوزع المناطق ذات درجات الرطوبة الجوية المتفاوتة على النحو التالي:

ويترتب على البيانات المذكورة أعلاه أن الغابات الرطبة تشغل حوالي "/5" فقط من الشريط الاستوائي لأفريقيا، ومعظمها يشغلها مزيج من الغابات الخفيفة والسافانا ذات العشب الطويل. وتغطي بقية الأراضي أكثر أو أقل المناظر الطبيعية القاحلة، حتى المناطق شبه المهجورة، حيث يقل معدل هطول الأمطار عن 200 ملم سنويًا. وفقًا لـ B.G Rozanov (1977)، فإن منطقة توزيع جميع أنواع الغابات الاستوائية تشغل 20.448 ألف كيلومتر مربع، أو 13.33٪ من أراضي العالم، منطقة السافانا - 14,259 ألف كم2 (9.56%)، ومناطق الصحاري الاستوائية - 4506 ألف كم2، أو 3.02%.

الدورة البيولوجية للعناصر في الغابات الاستوائية. تعتبر الغابات الاستوائية الرطبة بشكل دائم أقوى التكوينات النباتية. تحدد وفرة الحرارة والرطوبة أكبر كتلة حيوية بين الكائنات الحية في أراضي العالم - في المتوسط ​​50000 طن/كم2 من المادة الجافة، وفي بعض الحالات تصل إلى 170000 طن/كم2. العامل الذي يحد من نمو الكتلة الحيوية هو الطاقة الضوئية اللازمة لعملية التمثيل الضوئي. من أجل تعظيم استخدامه، تحت غطاء الأشجار التي يبلغ ارتفاعها 30-40 مترًا، هناك عدة طبقات أخرى من الأشجار تتكيف مع الضوء المنتشر. يتم اعتراض جزء كبير من أوراق الأشجار الطويلة المتساقطة والمحتضرة بواسطة العديد من النباتات الهوائية. ولهذا السبب، يتم إعادة العناصر الكيميائية الموجودة في الأوراق إلى الدورة البيولوجية دون الوصول إلى التربة. في الغابات الاستوائية المطيرة، يستمر موسم النمو طوال العام. متوسط ​​الإنتاج السنوي 2500 طن/كم2 .

تكمن الخصوصية البيوجيوكيميائية للغابات الاستوائية المطيرة في حقيقة أن الكمية الكاملة تقريبًا من العناصر الكيميائية اللازمة لتغذية كتلة ضخمة من النباتات موجودة في النباتات نفسها. دورة نقل الكتلة البيوجيوكيميائية مغلقة للغاية. إذا قمت بقطع غابة مطيرة استوائية، فإلى جانب موت الأشجار، سيتم تعطيل نظام الدورة البيولوجية بأكمله الذي تم إنشاؤه على مدى آلاف السنين وستبقى الأراضي القاحلة تحت الغابة التي تم تطهيرها.

إن الوضع البيوجيوكيميائي في الغابات الاستوائية الخفيفة والسافانا قريب من ذلك في الغابات النفضية ذات المناخ المعتدل، لكن فترات قمع العمليات البيوجيوكيميائية لا تنتج عن انخفاض في درجة الحرارة، ولكن بسبب قلة الأمطار ونقص الرطوبة الموسمية. تبلغ الكتلة الحيوية للسافانا الجافة حوالي 200-600 طن/كم2. وتتوافق كمية القمامة (أقل من 150-200 طن/كم2) مع ظروف الصحاري الاستوائية. تحتل الكتلة الحيوية للغابات الاستوائية النفضية ذات درجات متفاوتة من الرطوبة والسافانا ذات العشب الطويل موقعًا متوسطًا بين الغابات الرطبة بشكل دائم والسافانا الجافة.

وفقًا للبيانات المتاحة من L.E.Rodina وN.I.Bazilevich (1965)، يتميز توزيع وديناميكيات الكتل في الغطاء النباتي للغابة الاستوائية الرطبة دائمًا بالمؤشرات التالية (t/km 2):

تجدر الإشارة إلى أن تركيز العناصر الكيميائية في خشب جذوع وأغصان الأشجار الاستوائية يكون عادة أقل منه في الأوراق التي تشكل الجزء الأكبر من القمامة. نادراً ما يصل تركيز النيتروجين في الخشب إلى 0.5٪ من كتلة المادة الجافة، وفي الأوراق - حوالي 2٪. في الأوراق، عادة ما يكون تركيز الكالسيوم والبوتاسيوم والمغنيسيوم والصوديوم والسيليكون والفوسفور أعلى عدة مرات منه في الخشب. يختلف محتوى العناصر الموجودة في أوراق الأشجار والنباتات العشبية الممثلة بكثرة في الغابات النفضية الخفيفة قليلاً. تركيز معظم العناصر النزرة في أوراق الأشجار والأعشاب أعلى أيضًا منه في الخشب، على الرغم من أن الباريوم وخاصة السترونتيوم أعلى في الخشب.

واستنادا إلى البيانات المتاحة، فإننا نعتبر أن متوسط ​​قيمة مجموع عناصر الرماد في الكتلة الحيوية للغابة الاستوائية الرطبة بشكل دائم يساوي 800 طن / كم 2؛ وتساوي كتلة هذه العناصر المشاركة في الدورة البيولوجية 150 طنًا/كم 2 سنويًا. بالنسبة للغابات الخفيفة، يبلغ متوسط ​​القيم 200 و50 طن/كم2 سنويًا على التوالي. وبناء على هذه الأرقام، تم تحديد القيم التقريبية لكتلة العناصر النزرة المشاركة سنويا في الدورة البيولوجية.

تركيز عناصر الرماد في الغطاء النباتي الاستوائي في شرق أفريقيا، النسبة المئوية للكتلة الجافة (وفقًا لـ V.V. Dobrovolsky 1975)

رقم العينة	عناصر										"الرماد النقي"	نجاسة
سي	أ1	الحديد	من	تي	سا	ملغ	نا	ر	س	جزيئات معدنية
52	2,27	0,41	0,40	0,008	0,006	0,24	0,12	0,03	0,06	0,01	7,29	3,21
76	0,05	0,01	0,02	0,001	0,001	0,29	0,02	0,01	0,02	0,04	0,79	0,40
42	1,06	1,87	1,48	0,05	0,07	0,45	0,27	0,22	0,06	0,04	9,07	11,33
210	0,69	0,01	0,08	0,02	0,001	0,08	0,08	0,05	0,08	0,06	6,32	0,68

العينات: 52 - غطاء عشبي متناثر من السافانا قصيرة العشب مع غلبة ممثلي أجناس Sporobolus، Cynodon، KyUinga، شمال غرب تنزانيا.

76 - جذع بودوكاربوس، غابة مطيرة على المنحدر الجنوبي لكليمنجارو، تنزانيا.

42- قاع الغابة المطيرة على المنحدر الجنوبي لجزيرة كليمنجارو بتنزانيا.

210 - سيقان ورق البردي (Cyperus papyrus)، سهل فيضان النيل الأبيض بالقرب من منبع بحيرة ألبرت، أوغندا.

كتل من العناصر النزرة المشاركة في الدورة البيولوجية في الغابات الاستوائية

مستويات تركيز العناصر النزرة في الركيزة المكونة للتربة في مناطق مختلفة من الأراضي الاستوائية ليست هي نفسها. وينعكس هذا في محتوى العناصر الموجودة في النباتات. على سبيل المثال، في شرق أفريقيا، في أعشاب الحبوب التي تم جمعها في منطقة الصخور البلورية في الطابق السفلي من عصر ما قبل الكمبري، يبلغ تركيز النحاس 71 * 10 -4٪، وفي الأعشاب المماثلة في منطقة الحمم البركانية - 120 * 10 -4%. يتغير تركيز الزنك وفقًا لذلك من 120 إلى 450 10-4%)، TiOz - من 200 إلى 1800 10-4%.

يقارن الجدول محتوى العناصر النزرة في رماد العشب وفروع الأشجار (السنط) من السافانا في شرق إفريقيا. ويمكن ملاحظة أن المعادن الثقيلة تتراكم بقوة أكبر في الأعشاب، ويتراكم الباريوم والسترونتيوم في الأشجار. وتجدر الإشارة إلى أن تركيز الأخير يزداد مع زيادة الجفاف. في المناطق القاحلة في جنوب تنزانيا، وجدنا أن تركيزات السترونتيوم في رماد أغصان الباوباب تبلغ حوالي 4500 ميكروغرام/غرام، وفي حالة واحدة في أغصان السنط أعلى بثلاث مرات.

شدة الامتصاص البيولوجي وتركيز العناصر النزرة في رماد الأعشاب والأشجار في السافانا في شرق إفريقيا (وفقًا لـ V.V. Dobrovolsky، 1973)

عناصر	التركيز، ميكروغرام / غرام		معامل بيولوجي
"	استيعاب كيلو بايت
أعشاب،	فروع السنط،	أعشاب	فروع السنط
6 عينات	9 عينات
تي	1140	230	0,1	0,03
من	1880	943	1,9	0,9
الخامس	59	45	0,3	0,2
سان جرمان	28	12	0,2	0,08
№	39	144	0,6	2,0
شركة	20	12	0,6	0,4
سي	" 85	39	1,5	0,7
الرصاص	34	21	1.5	0,9
الزنك	118	79	1,2	0,8
شهر	57	6	7,1	0,8
ملحوظة	59	18	0,9	0,3
زر	165	92	0,5	0,3
جا	36	4	1,6	0,2
ريال سعودى	450	3340	3,5	25,7
با	440	630	3,0	4,3

يحتوي الجزء الموجود فوق سطح الأرض من أعشاب السافانا على نسبة عالية من الرماد - من 6 إلى 10٪، ويرجع ذلك جزئيًا إلى خليط جزيئات صغيرة من الغبار المعدني، يمكن اكتشافها تحت المجهر وأحيانًا بالعين المجردة. تبلغ كمية الغبار المعدني 2-3٪ من كتلة المادة الجافة تمامًا للأجزاء الهوائية من الأعشاب. على ما يبدو، يؤثر خليط الغبار المعدني على زيادة تركيز الغاليوم، الذي تمتصه النباتات بشكل سيئ، ولكنه موجود في مادة طينية شديدة التشتت، تنقلها الرياح بقوة. ولكن حتى بعد استبعاد غبار السيليكات غير القابل للذوبان، فإن كمية عناصر الرماد في حبوب السافانا أكبر مرتين من حبوب المروج الجبلية العالية.

دورة المواد في الطبيعة هي مجموعة من العمليات المتكررة للتحول أو حركة المواد، والتي لها طبيعة دورية أكثر أو أقل وضوحا.

لنبدأ بدورة الماء. وهي عملية جيوفيزيائية معقدة، روابطها الرئيسية هي: تبخر الماء، وانتقال بخاره عن طريق التيارات الهوائية، وتشكل السحب والأمطار، وتدفق المياه السطحية والجوفية إلى المحيط.

الدورة البيولوجية (أو الحيوية) مدمجة في دورة المياه الجيولوجية هذه. تمتص النباتات الماء من التربة ثم تبخره (انظر النتح). يتم استخدام جزء من الماء الذي تمتصه النباتات في بناء المواد العضوية، والتي عند أكسدتها تشكل الماء مرة أخرى (انظر الأكسدة البيولوجية). يمتص أي كائن حي الماء ويطلقه، وذلك باستخدام الطاقة التي تحصل عليها النباتات الخضراء من ضوء الشمس (انظر التمثيل الضوئي). وبالتالي، فإن طاقة الشمس المنبعثة في شكل ضوء هي التي "تدير العجلة" لدورة المياه، وليس الماء فقط، ولكن أيضًا جميع المواد الأخرى.

النظر في دورة النيتروجين. يوجد نيتروجين الأرض بشكل رئيسي في غلافها الجوي. بعض الكائنات الحية الدقيقة، سواء حرة المعيشة (على سبيل المثال، البكتيريا الزرقاء، الآزوتوباكتر) والتكافلية (على سبيل المثال، البكتيريا العقدية البقولية)، قادرة على امتصاص النيتروجين من الهواء وتثبيته في أجسامها على شكل مركبات عضوية تحتوي على النيتروجين، تحويل النتروجين الجزيئي إلى أمونيا التي تمتصها النباتات جيداً. من النباتات، يدخل النيتروجين في تكوين المركبات العضوية إلى الكائنات الحية للحيوانات وغيرها من الكائنات غير المتجانسة.

عند الروابط النهائية للسلاسل الغذائية، تعمل المواد العضوية التي تدخل التربة أثناء تحلل الجثث ومع إفرازات الكائنات الحية كغذاء للبكتيريا والفطريات. تقوم مجموعات معينة من الكائنات الحية الدقيقة في التربة (المدمرة) بتحليل المواد العضوية إلى مواد غير عضوية، والتي يمكن أن تمتصها النباتات الخضراء. وبالتالي، يتم تحويل مركبات النيتروجين العضوية في التربة إلى الأمونيا، والتي يمكن أن تمتصها النباتات مرة أخرى. تعمل البكتيريا المصنعة كيميائيًا في التربة (انظر التركيب الكيميائي) على أكسدة الأمونيا إلى النتريت والنترات، التي تدخل النباتات بالماء ويتم اختزالها هناك إلى الأمونيا. كما توجد في التربة كائنات دقيقة تقوم بتحويل الأمونيا إلى نيتروجين جزيئي يدخل الغلاف الجوي.

في الأماكن التي يكون فيها هطول الأمطار قليلا، تتراكم النترات المتكونة من ذرق الطائر - فضلات الطيور الاستعمارية التي تتغذى على الأسماك التي تعيش في المحيط - في شكل رواسب الملح الصخري (على سبيل المثال، في تشيلي). ويعيده الناس إلى دورة النيتروجين مرة أخرى، وذلك باستخدام الملح الصخري لتخصيب الحقول.

يتدخل الإنسان بشكل متزايد في دورة المواد. على سبيل المثال، يتم تصنيع مئات الملايين من الأطنان من الأسمدة النيتروجينية، ولكن من حيث الكثافة، فإن التثبيت الصناعي للنيتروجين الجوي أدنى من التثبيت البيولوجي ويرتبط بالتسمم البيئي: يتم غسل الأسمدة النيتروجينية الزائدة عن طريق هطول الأمطار من الحقول إلى الأنهار. وهكذا ينتهي بهم الأمر في الماء للاستهلاك البشري. اتضح أن النترات ليست ضارة للإنسان - ففائضها يساهم في تكوين الأورام الخبيثة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن تصنيع الأسمدة النيتروجينية يتطلب كميات كبيرة من الطاقة. ولذلك، يدرس العلماء بشكل مكثف آلية التثبيت البيولوجي للنيتروجين في الغلاف الجوي من أجل تطوير طرق أكثر كفاءة لتزويد النباتات بالنيتروجين (انظر تثبيت النيتروجين).

مصدر الفوسفور في المحيط الحيوي هو بشكل رئيسي الأباتيت، الموجود في العديد من الصخور. تستخرجه الكائنات الحية من التربة والمحاليل المائية، بما في ذلك في العديد من المركبات العضوية المحتوية على الفوسفور. مع موت الكائنات الحية، تعود إلى التربة وطمي البحار، حيث يمكن أن تتركز على شكل رواسب (ذرق الطائر، ورواسب عظام الأسماك، وما إلى ذلك). وبما أن معظم أنواع التربة تحتوي على كميات غير كافية من الفوسفور، فإن استخدام الأسمدة الفوسفورية مهم للغاية للحصول على إنتاجية عالية من المحاصيل.

يمكنك أيضًا وصف دورة العديد من العناصر الأخرى. ولكل منها خصائصها الخاصة، ولكن من المهم التأكيد على أن الطاقة اللازمة لأي دورة تأتي في النهاية من الشمس.

إن دورة المواد معقدة، والعنصر "يتدفق" من مركب إلى مركب ليس عبر قناة واحدة، بل عبر عدة قنوات، تتفرع وتندمج مرة أخرى، وتكون دورات العناصر المختلفة مترابطة.

إن الدورة البيولوجية ليست سوى جزء من الدورة الجيولوجية، ولكن سرعتها أكبر بمئات الآلاف وملايين المرات، حيث يتم تحفيز جميع التحولات البيولوجية بواسطة إنزيمات أكثر نشاطا بمئات الآلاف وملايين المرات من المحفزات غير العضوية.

ميزة أخرى للدورة البيولوجية هي التركيز القوي للغاية للعناصر الكيميائية المهمة بيولوجيًا، مثل الفوسفور، وأحيانًا العناصر الأرضية النادرة (على سبيل المثال، الإيتريوم في ذيل الحصان).

الدورة البيولوجية دورية لأن السلاسل الغذائية مغلقة. وهذا يضمن وجود حياة طويلة الأمد على الأرض، وإلا فسيتم استنفاد أغنى الاحتياطيات من أي مادة بسرعة.

بسبب التدخل البشري النشط في العمليات التي تحدث في الطبيعة، نشأت مشكلة حمايتها (انظر الحفاظ على الطبيعة).

يتم فقدان عدد من المواد نتيجة العمليات الجيولوجية والكونية وتترك الدورة. وهكذا فإن الهيدروجين المتكون أثناء تحلل الماء يتبخر من الأرض إلى الفضاء الخارجي. تترسب الكربونات الحيوية في قاع المحيط، مما يؤدي إلى إزالة الكربون من الدورة. ويأتي الكربون وعدد من العناصر الأخرى إلى الأرض من الفضاء الخارجي مع الرياح الشمسية والنيازك. عندما تثور البراكين، ينطلق ثاني أكسيد الكربون والماء والمركبات الأخرى من أحشاء الأرض إلى السطح. وبالتالي، يرتبط تداول المواد على الأرض بالعمليات الجيولوجية والبيولوجية والفلكية العالمية، وكذلك مع النشاط الواعي للإنسانية.

تشكل دورات النقل الجماعي ذات الأطوال المتفاوتة في المكان والمدة غير المتساوية في الزمن نظامًا ديناميكيًا للمحيط الحيوي. يعتقد V. I. Vernadsky أن تاريخ معظم العناصر الكيميائية، التي تشكل أكثر من 99٪ من كتلة المحيط الحيوي، لا يمكن فهمه إلا مع مراعاة الهجرات الدائرية (الدورات). وأكد في الوقت نفسه أن “هذه الدورات قابلة للعكس فقط في الجزء الرئيسي من الذرات، في حين أن بعض العناصر تخرج من الدورة حتما وباستمرار، وهذا الخروج طبيعي، أي أن العملية الدائرية ليست قابلة للعكس تماما”. تسمح القابلية العكسية غير الكاملة وعدم توازن دورات الهجرة بتركيزات معينة من العنصر المهاجر، والتي يمكن للكائنات الحية التكيف معها، ولكن في الوقت نفسه، تضمن إزالة الكميات الزائدة من العنصر من دورة معينة.

أي أن سلامة المحيط الحيوي كنظام ترجع إلى التبادل المستمر للمادة بين مكوناته، حيث تلعب العمليات المرتبطة بتركيب وتحلل المادة العضوية دورًا رئيسيًا. يتم تحقيقها أثناء عملية التمثيل الغذائي بين الكائنات الحية والبيئة، وفي عمليات تمعدن المواد العضوية بعد وفاة الكائن الحي ككل أو وفاة أعضائه الفردية. بالإضافة إلى ذلك، فإن عمليات تبادل المادة، غير الحيوية بطبيعتها، بين مختلف مكونات الغلاف الجغرافي تساهم أيضًا في دورة المادة في المحيط الحيوي.

تتشابك الدورات اللاأحيائية والبيولوجية بشكل وثيق، وتشكل دورة جيوكيميائية كوكبية ونظام دورات محلية للمادة. وهكذا، على مدى مليارات السنين من التاريخ البيولوجي لكوكبنا، تطورت دورة بيوجيوكيميائية كبيرة وتمايز العناصر الكيميائية في الطبيعة، وهو الأساس للعمل الطبيعي للغلاف الحيوي. وهذا هو، في ظروف المحيط الحيوي المتقدم، يتم توجيه دورة المواد من خلال العمل المشترك للعوامل البيولوجية والجيولوجية والجيوكيميائية. قد تكون العلاقة بينهما مختلفة، ولكن العمل يجب أن يكون مشتركا! وبهذا المعنى يتم استخدام مصطلحات الدورة البيوجيوكيميائية للمواد والدورات البيوجيوكيميائية.

الدورة البيولوجية ليست دورة مغلقة معوضة بالكامل.

تم عرض الأهمية البيولوجية والكيميائية الحيوية والجيوكيميائية للعمليات التي تتم في الدورة البيولوجية للمواد لأول مرة بواسطة V.V Dokuchaev. تم الكشف عنه أيضًا في أعمال V. I. Vernadsky، B. B. Polynov، D. N. Pryanishnikov، V. N. Sukachev، L. E. Rodin، N. I. Bazilevich، V. A. Kovda وغيرهم من الباحثين.

قبل أن نبدأ بدراسة الدورات البيولوجية الطبيعية للعناصر الكيميائية، لا بد من التعرف على المصطلحات الأكثر استخداماً.

الكتلة الحيوية - كتلة المادة الحية المتراكمة في وقت معين.

فيتوماس (أو الكتلة الحيوية النباتية0 - كتلة الكائنات الحية والميتة للمجتمعات النباتية التي احتفظت ببنيتها التشريحية في لحظة معينة في أي منطقة محددة أو على الكوكب ككل.

هيكل الكتلة النباتية - نسبة الأجزاء تحت الأرض وفوق الأرض من النباتات، وكذلك الأجزاء السنوية والدائمة، والأجزاء الضوئية وغير الضوئية من النباتات.

رايات – الأجزاء الميتة من النباتات التي احتفظت باتصال ميكانيكي مع النبات.

فساد - كمية المادة العضوية للنباتات التي ماتت في أجزائها الموجودة فوق الأرض وتحت الأرض لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.

قمامة – كتلة من الرواسب المعمرة من بقايا النباتات بدرجات متفاوتة من التمعدن.

نمو – كتلة الكائن الحي أو مجتمع الكائنات الحية المتراكمة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.

الربح الحقيقي – نسبة كمية النمو إلى كمية المخلفات لكل وحدة زمنية لكل وحدة مساحة.

الإنتاج الأولي – كتلة المادة الحية التي تنشأ عن الكائنات ذاتية التغذية (النباتات الخضراء) لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.

المنتجات الثانوية - كتلة المادة العضوية الناتجة عن الكائنات غيرية التغذية لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.

ومن الضروري أيضًا التمييز بين سعة الدورة البيولوجية وسرعتها.

قدرة الدورة البيولوجية – عدد العناصر الكيميائية الموجودة في كتلة التكاثر الحيوي الناضج (التكاثر النباتي).

شدة الدورة البيولوجية – كمية العناصر الكيميائية الموجودة في نمو الكتلة الحيوية لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.

معدل الدوران البيولوجي - الفترة الزمنية التي ينتقل خلالها العنصر من امتصاصه بالمادة الحية إلى تحرره من المادة الحية.

وفقًا لـ L. E. Rodin وN. I. Bazilevich (1965)، تتكون الدورة الكاملة للدورة البيولوجية للعناصر على الأرض من المكونات التالية:

1. امتصاص النباتات للكربون من الجو، والنيتروجين وعناصر الرماد والماء من التربة، وتثبيتها في أجسام الكائنات النباتية، ودخولها إلى التربة مع النباتات الميتة أو أجزائها، وتحلل الفضلات وإطلاق العناصر. الواردة فيها.

2. أكل أجزاء من النباتات بواسطة الحيوانات التي تتغذى عليها، وتحولها في أجسام الحيوانات إلى مركبات عضوية جديدة وتثبيت بعضها في الكائنات الحيوانية، ثم دخولها بعد ذلك إلى التربة مع فضلات الحيوانات أو مع جثثها، وتحلل كليهما وخروج العناصر التي تحتويهما.

3. تبادل الغازات بين النباتات والجو (بما في ذلك هواء التربة).

4. الإفرازات مدى الحياة لبعض العناصر بواسطة أعضاء النبات الموجودة فوق الأرض وأنظمتها الجذرية إلى التربة مباشرة.

يمثل هيكل المحيط الحيوي في شكله الأكثر عمومية اثنين من أكبر المجمعات الطبيعية من الدرجة الأولى - القارية والمحيطية. وفي العصر الحديث، أصبحت الأرض ككل عبارة عن نظام طيني، والمحيط نظام تراكمي. وينعكس تاريخ "العلاقة الجيوكيميائية" بين المحيط والأرض في التركيب الكيميائي للتربة ومياه المحيطات. العناصر التي تشكل أساس الحياة - Si، Al، Fe، Mn، C، P، N، Ca، K - تتراكم في التربة، و H، O، Na، Cl، S، Mg - تشكل الأساس الكيميائي للحياة. المحيط.

تشكل النباتات والحيوانات والغطاء الأرضي للأرض في العالم نظامًا معقدًا. من خلال ربط وإعادة توزيع الطاقة الشمسية والكربون الجوي والرطوبة والأكسجين والهيدروجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت والكالسيوم وغيرها من العناصر الحيوية، يشكل هذا النظام باستمرار كتلة حيوية جديدة ويولد الأكسجين الحر.

في المحيط، هناك نظام ثانٍ (النباتات والحيوانات المائية) يؤدي نفس الوظائف على الكوكب من ربط الطاقة الشمسية والكربون والنيتروجين والفوسفور وغيرها من الكائنات الحيوية من خلال تكوين الكتلة الحيوية النباتية وإطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي.

أنت تعلم بالفعل أن هناك ثلاثة أشكال لتراكم وإعادة توزيع الطاقة الكونية (طاقة الشمس في المقام الأول) في المحيط الحيوي.

جوهر أولهم هو هذا. أن الكائنات الحية، ومن خلال السلاسل الغذائية وما يرتبط بها من حيوانات وبكتيريا، تبني أنسجتها باستخدام العديد من العناصر الكيميائية ومركباتها. من بين أهمها العناصر الكبيرة - H، O، N، P، S، Ca، K، Mg، Si، Al، Mn، وكذلك العناصر الدقيقة I، Co، Cu، Zn، Mo، إلخ. في هذه الحالة ، يحدث الاختيار الانتقائي للنظائر الخفيفة الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكبريت من النظائر الأثقل.

طوال حياتها وحتى بعد الموت، تكون الكائنات الحية من الأرض والماء والهواء في حالة من التبادل المستمر مع البيئة. في هذه الحالة، فإن الكتلة الإجمالية وحجم منتجات التمثيل الغذائي للكائنات الحية والبيئة (الأيضات) أعلى بعدة مرات من الكتلة الحيوية للمادة الحية.

عناصر الدورة البيوجيوكيميائية هي المكونات التالية:

1. العمليات المستمرة أو المتكررة بانتظام لتدفق الطاقة وتكوين وتخليق المركبات الجديدة.

2. العمليات المستمرة أو الدورية لنقل أو إعادة توزيع الطاقة وعمليات الإزالة والحركة الاتجاهية للمركبات المركبة تحت تأثير العوامل الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية.

3. العمليات الإيقاعية الموجهة للتحول المتسلسل: التحلل وتدمير المركبات التي تم تصنيعها مسبقًا تحت تأثير التأثيرات البيئية الحيوية وغير الحيوية.

4. التكوين المستمر أو الدوري لأبسط المكونات المعدنية أو العضوية في الحالة الغازية أو السائلة أو الصلبة، والتي تلعب دور المكونات الأولية لدورات المواد المنتظمة الجديدة.

أسباب بيولوجية ناجمة عن النشاط الحيوي للكائنات الحية (التغذية، الروابط الغذائية، التكاثر، النمو، حركة المنتجات الأيضية، الموت، التحلل، التمعدن)

المعلمات الإلزامية التي تؤخذ في الاعتبار عند دراسة الدورات البيوجيوكيميائية هي المؤشرات الرئيسية التالية:

1. إجمالي الكتلة الحيوية وزيادتها الفعلية (الكتلة النباتية، والحيوانية، والميكروبية بشكل منفصل).

2. القمامة العضوية (الكمية والتركيب)

3. المواد العضوية في التربة (الدبال، المخلفات العضوية غير المتحللة).

4. تكوين المواد الأولية للتربة والمياه والهواء وهطول الأمطار والأجزاء الفردية من الكتلة الحيوية.

5. الاحتياطيات الجوفية والجوفية من الطاقة الحيوية.

6. المستقلبات مدى الحياة

7. عدد أنواع الكائنات الحية وأعدادها وتكوينها

8. متوسط ​​العمر المتوقع للكائنات الحية من كل نوع، وديناميكيات الحياة لمجموعات الكائنات الحية والتربة.

9. البيئة الإيكولوجية والأرصاد الجوية: خلفية وتقييم التدخل البشري.

10. خصائص المناظر الطبيعية المختلفة وعناصرها.

11. كمية الملوثات وخصائصها الكيميائية والفيزيائية والبيولوجية.

يتم تقييم الأهمية الفردية لعنصر كيميائي معين من خلال معامل الامتصاص البيولوجي، والذي يتم تحديده بنسبة محتوى العنصر في رماد النبات (بالوزن) إلى محتوى نفس العنصر في التربة (أو في التربة). قشرة الأرض).

في عام 1966، اقترح V. A. Kovda استخدام نسبة الكتلة النباتية المسجلة إلى الزيادة السنوية في التمثيل الضوئي في الكتلة النباتية لتوصيف متوسط ​​مدة دورة الكربون العامة. يصف هذا المعامل متوسط ​​مدة الدورة الشاملة لتوليف وتمعدن الكتلة الحيوية في منطقة معينة (أو على الأرض بشكل عام). أظهرت الحسابات أن حصة الأرض بشكل عام في هذه الدورة تتناسب مع الفترة من 300-400 إلى 1000 عام. وبناءً على ذلك، عند هذه السرعة المتوسطة، يحدث إطلاق المركبات المعدنية المرتبطة بالكتلة الحيوية، وتكوين الدبال وتمعدنه في التربة.

للحصول على تقييم عام للأهمية البيوجيوكيميائية للمكونات المعدنية للمادة الحية في المحيط الحيوي، اقترح V. A. Kovda مقارنة احتياطي المواد المعدنية للكتلة الحيوية، وكذلك كمية المواد المعدنية المشاركة سنويًا في التداول مع النمو والقمامة ، مع الجريان السطحي الكيميائي السنوي للأنهار. وتبين أن هذه القيم قابلة للمقارنة. وهذا يعني أن معظم المواد الذائبة في مياه الأنهار مرت بالدورة البيولوجية لنظام التربة النباتية، قبل أن تنضم إلى الهجرة الجيوكيميائية مع الماء في اتجاه المحيطات أو المنخفضات الداخلية.

اتضح أن مؤشرات الدورة البيوجيوكيميائية تختلف اختلافًا كبيرًا في الظروف المناخية المختلفة، تحت غطاء مجتمعات نباتية مختلفة، في ظل ظروف مختلفة من الصرف الطبيعي، لذلك اقترح N. I. Bazilevich و L. E. Rodin حساب معامل إضافي يميز شدة تحلل القمامة والمدة من فضلات الحفظ في ظروف التكاثر الحيوي المعين، تساوي نسبة كتلة القمامة إلى كتلة القمامة السنوية. ووفقا لهؤلاء الباحثين، فإن مؤشرات تحلل الكتلة النباتية تكون أكبر في التندرا والمستنقعات في الشمال، وأقلها (حوالي 1) في السهوب وشبه الصحارى.

اقترح B. B. Polynov حساب مؤشر هجرة المياه الذي يساوي نسبة كمية العنصر في البقايا المعدنية للنهر المتبخر أو المياه الجوفية إلى محتوى نفس المكون الكيميائي في الصخور (أو القشرة الأرضية). أظهر حساب مؤشرات الهجرة المائية أن أكثر المهاجرين حركة في المحيط الحيوي هم الكلور والكبريت والبورون والبروم واليود والكالسيوم والصوديوم والمغنيسيوم والفلور والسترونتيوم والزنك واليورانيوم والموليبدينوم. الأقل قدرة على الحركة هي السيليكون والألومنيوم والحديد والبوتاسيوم والفوسفور والباريوم والمنغنيز والروبيديوم والنحاس والنيكل والكوبالت والزرنيخ والليثيوم.

الدورات البيوجيوكيميائية غير المضطربة تكاد تكون دائرية، أي. شخصية محجوزة تقريبا. درجة تكاثر (تكرار) الدورات في الطبيعة عالية جدًا (حسب V. A. Kovda - 90-98٪). وبالتالي، يتم الحفاظ على ثبات معين في تكوين وكمية وتركيز المكونات المشاركة في الدورة. لكن الإغلاق غير الكامل للدورات البيوجيوكيميائية، كما سنرى لاحقا، له أهمية جيوكيميائية مهمة للغاية ويساهم في تطور المحيط الحيوي. وهذا هو سبب وجود تراكم حيوي للأكسجين في الغلاف الجوي، وتراكم حيوي وكيميائي لمركبات الكربون في القشرة الأرضية (النفط والفحم والحجر الجيري).

دعونا نلقي نظرة فاحصة على المعالم الرئيسية للدورة البيوجيوكيميائية على الأرض.

تتضمن الدورة البيوجيوكيميائية العامة للعناصر الدورات البيوجيوكيميائية للعناصر الكيميائية الفردية. إن الدور الأكثر أهمية في عمل المحيط الحيوي ككل والأنظمة الجيولوجية الفردية ذات مستوى التصنيف الأدنى تلعبه دورات العديد من العناصر الكيميائية الأكثر أهمية للكائنات الحية بسبب دورها في تكوين المادة الحية والعمليات الفسيولوجية .



إن دورة المواد في المحيط الحيوي هي عملية دورية ومتكررة بشكل متكرر من التحول المشترك والمترابط وحركة المواد. يعد وجود دورة من المواد شرطًا ضروريًا لوجود المحيط الحيوي. بعد أن يتم استخدامها من قبل بعض الكائنات الحية، يجب تحويل المواد إلى شكل يمكن الوصول إليه من قبل الكائنات الحية الأخرى. مثل هذا الانتقال للمواد من رابط إلى آخر يتطلب إنفاق الطاقة، لذلك لا يمكن تحقيقه إلا بمشاركة الطاقة الشمسية. مع استخدام الطاقة الشمسية، تحدث دورتان مترابطتان من المواد على الكوكب: الكبيرة - الجيولوجية والصغيرة - البيولوجية (الحيوية).

الدورة الجيولوجية للمواد- عملية هجرة المواد التي تتم تحت تأثير العوامل اللاأحيائية: التجوية والتآكل وحركة المياه وما إلى ذلك. ولا تشارك فيها الكائنات الحية.

ومع ظهور المادة الحية على الكوكب، الدورة البيولوجية (الحيوية).. وتشارك فيه جميع الكائنات الحية، حيث تمتص بعض المواد من البيئة وتطلق مواد أخرى. على سبيل المثال، في عملية الحياة، تستهلك النباتات ثاني أكسيد الكربون والماء والمعادن من البيئة وتطلق الأكسجين. تستخدم الحيوانات الأكسجين الذي تطلقه النباتات للتنفس. يأكلون النباتات، ونتيجة لعملية الهضم، يمتصون المواد العضوية التي تتشكل أثناء عملية التمثيل الضوئي. أنها تطلق ثاني أكسيد الكربون وبقايا الطعام غير المهضومة. بعد موت النباتات والحيوانات، فإنها تشكل كتلة من المواد العضوية الميتة (المخلفات). المخلفات متاحة للتحلل (التمعدن) بواسطة الفطريات والبكتيريا المجهرية. ونتيجة لنشاطها الحيوي، تدخل كميات إضافية من ثاني أكسيد الكربون إلى المحيط الحيوي. ويتم تحويل المواد العضوية إلى المكونات غير العضوية الأصلية - الكائنات الحية. تصبح المركبات المعدنية الناتجة، التي تدخل المسطحات المائية والتربة، متاحة مرة أخرى للنباتات لتثبيتها من خلال عملية التمثيل الضوئي. تتكرر هذه العملية إلى ما لا نهاية وتكون مغلقة بطبيعتها (الدورة الدموية). على سبيل المثال، يمر كل الأكسجين الجوي عبر هذا المسار خلال حوالي ألفي عام، ويستغرق ثاني أكسيد الكربون حوالي 300 عام للقيام بذلك.

تتناقص الطاقة الموجودة في المواد العضوية أثناء انتقالها عبر السلسلة الغذائية. ويتبدد معظمها في البيئة على شكل حرارة أو ينفق في الحفاظ على العمليات الحيوية للكائنات الحية. على سبيل المثال، على تنفس الحيوانات والنباتات، ونقل المواد في النباتات، وكذلك على عمليات التخليق الحيوي للكائنات الحية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الكائنات الحيوية التي تشكلت نتيجة لنشاط المحللات لا تحتوي على الطاقة المتاحة للكائنات الحية. في هذه الحالة، يمكننا التحدث فقط عن تدفق الطاقة في المحيط الحيوي، ولكن ليس عن الدورة. لذلك، فإن شرط الوجود المستدام للمحيط الحيوي هو التداول المستمر للمواد وتدفق الطاقة في التكاثر الحيوي.

تشكل الدورات الجيولوجية والبيولوجية معًا الدورة البيوجيوكيميائية العامة للمواد، والتي تعتمد على دورات النيتروجين والماء والكربون والأكسجين.

دورة النيتروجين

يعد النيتروجين أحد العناصر الأكثر شيوعًا في المحيط الحيوي. تم العثور على الجزء الأكبر من النيتروجين في المحيط الحيوي في الغلاف الجوي في شكل غازي. كما تعلم من دورة الكيمياء، فإن الروابط الكيميائية بين الذرات في النيتروجين الجزيئي (N 2) قوية جدًا. ولذلك فإن معظم الكائنات الحية غير قادرة على استخدامه بشكل مباشر. ومن ثم، فإن إحدى المراحل المهمة في دورة النيتروجين هي تثبيته وتحويله إلى شكل يمكن للكائنات الحية الوصول إليه. هناك ثلاث طرق لتثبيت النيتروجين.

تثبيت الغلاف الجوي. تحت تأثير التفريغات الكهربائية الجوية (البرق)، يمكن أن يتفاعل النيتروجين مع الأكسجين لتكوين أكسيد النيتروجين (NO) وثاني أكسيد (NO 2). يتأكسد أكسيد النيتريك (NO) بسرعة كبيرة بواسطة الأكسجين ويتحول إلى ثاني أكسيد النيتروجين. يذوب ثاني أكسيد النيتروجين في بخار الماء ويدخل إلى التربة على شكل حمض النيتروز (HNO 2) والنيتريك (HNO 3) مع الترسيب. في التربة، نتيجة تفكك هذه الأحماض، تتشكل أيونات النتريت (NO 2 –) والنترات (NO 3 –). يمكن بالفعل أن تمتص النباتات أيونات النتريت والنترات وإدراجها في الدورة البيولوجية. يمثل تثبيت النيتروجين في الغلاف الجوي حوالي 10 ملايين طن من النيتروجين سنويًا، وهو ما يمثل حوالي 3٪ من تثبيت النيتروجين السنوي في المحيط الحيوي.

التثبيت البيولوجي. يتم تنفيذه بواسطة البكتيريا المثبتة للنيتروجين، والتي تحول النيتروجين إلى أشكال يمكن للنباتات الوصول إليها. بفضل الكائنات الحية الدقيقة، يتم ربط حوالي نصف كمية النيتروجين. أشهر أنواع البكتيريا هي تلك التي تثبت النيتروجين في عقيدات النباتات البقولية. أنها توفر النيتروجين للنباتات في شكل الأمونيا (NH3). الأمونيا شديدة الذوبان في الماء لتكوين أيون الأمونيوم (NH4+) الذي تمتصه النباتات. ولذلك فإن البقوليات هي أفضل أسلاف النباتات المزروعة في دورة المحاصيل. بعد موت الحيوانات والنباتات وتحلل بقاياها، يتم إثراء التربة بمركبات النيتروجين العضوية والمعدنية. بعد ذلك، تقوم البكتيريا المتعفنة (الأمونيا) بتفكيك المواد المحتوية على النيتروجين (البروتينات واليوريا والأحماض النووية) من النباتات والحيوانات إلى الأمونيا. هذه العملية تسمى الأمونيا. تتأكسد معظم الأمونيا بعد ذلك عن طريق نترجة البكتيريا إلى النتريت والنترات، والتي تستخدمها النباتات مرة أخرى. يتم إرجاع النيتروجين إلى الغلاف الجوي من خلال عملية نزع النتروجين، والتي تتم بواسطة مجموعة من البكتيريا النازعة للنتروجين. ونتيجة لذلك، يتم تقليل مركبات النيتروجين إلى النيتروجين الجزيئي. يدخل جزء من النيتروجين في أشكال النترات والأمونيوم إلى النظم الإيكولوجية المائية مع الجريان السطحي. هنا يتم امتصاص النيتروجين عن طريق الكائنات المائية أو يدخل في الرواسب العضوية السفلية.

التثبيت الصناعي. يتم تثبيت كمية كبيرة من النيتروجين سنويًا صناعيًا أثناء إنتاج الأسمدة النيتروجينية المعدنية. تمتص النباتات النيتروجين من هذه الأسمدة في أشكال الأمونيوم والنترات. ويبلغ حجم الأسمدة النيتروجينية المنتجة في بيلاروسيا حاليا حوالي 900 ألف طن سنويا. أكبر منتج هو OJSC GrodnoAzot. يقوم هذا المشروع بإنتاج اليوريا ونترات الأمونيوم وكبريتات الأمونيوم والأسمدة النيتروجينية الأخرى.

يتم استخدام ما يقرب من 1/10 من النيتروجين المطبق بشكل مصطنع بواسطة النباتات. ويذهب الباقي إلى النظم الإيكولوجية المائية مع الجريان السطحي والمياه الجوفية. ويؤدي ذلك إلى تراكم كميات كبيرة من مركبات النيتروجين في الماء، وهي متاحة للامتصاص بواسطة العوالق النباتية. ونتيجة لذلك، من الممكن الانتشار السريع للطحالب (التخثث)، ونتيجة لذلك، الموت في النظم البيئية المائية.

دورة المياه

الماء هو العنصر الرئيسي في المحيط الحيوي. إنها وسيلة لحل جميع العناصر تقريبًا خلال الدورة. يتم تمثيل معظم مياه المحيط الحيوي بالمياه السائلة والمياه من الجليد الأبدي (أكثر من 99٪ من جميع احتياطيات المياه في المحيط الحيوي). يوجد جزء صغير من الماء في حالة غازية - وهذا بخار الماء في الغلاف الجوي. تعتمد دورة مياه المحيط الحيوي على حقيقة أن تبخرها من سطح الأرض يتم تعويضه عن طريق هطول الأمطار. عندما يصل الماء إلى سطح الأرض على شكل أمطار، فإنه يساهم في تدمير الصخور. وهذا يجعل المعادن التي تجعلها متاحة للكائنات الحية. إن تبخر الماء من سطح الكوكب هو الذي يحدد دورته الجيولوجية. تستهلك حوالي نصف الطاقة الشمسية الحادثة. ويتبخر الماء من سطح البحار والمحيطات بمعدل أسرع من عودته مع هطول الأمطار. يتم تعويض هذا الاختلاف بالجريان السطحي والعميق نظرًا لحقيقة أن هطول الأمطار يسود على التبخر في القارات.

ترجع الزيادة في شدة تبخر الماء على الأرض إلى حد كبير إلى النشاط الحيوي للنباتات. تستخرج النباتات الماء من التربة وتنقله إلى الغلاف الجوي بشكل فعال. يتم تكسير بعض الماء الموجود في الخلايا النباتية أثناء عملية التمثيل الضوئي. في هذه الحالة، يتم تثبيت الهيدروجين على شكل مركبات عضوية، ويتم إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي.

تستخدم الحيوانات الماء للحفاظ على التوازن الأسموزي والملحي في الجسم وإطلاقه في البيئة الخارجية مع المنتجات الأيضية.

دورة الكربون

الكربون كعنصر كيميائي موجود في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون. وهذا يحدد المشاركة الإجبارية للكائنات الحية في دورة هذا العنصر على كوكب الأرض. الطريقة الرئيسية التي يمر بها الكربون من المركبات غير العضوية إلى المادة العضوية، حيث يكون عنصرًا كيميائيًا أساسيًا، هي عملية التمثيل الضوئي. يتم إطلاق بعض الكربون في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون أثناء تنفس الكائنات الحية وأثناء تحلل المواد العضوية الميتة بواسطة البكتيريا. الكربون الذي تمتصه النباتات تستهلكه الحيوانات. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم البوليبات والرخويات المرجانية مركبات الكربون لبناء الهياكل والأصداف الهيكلية. وبعد أن تموت وتستقر، تتشكل رواسب الحجر الجيري في القاع. وبالتالي، يمكن استبعاد الكربون من الدورة. تتم إزالة الكربون من الدورة لفترة طويلة من الزمن من خلال تكوين المعادن: الفحم والزيت والجفت.

طوال وجود كوكبنا، تم تعويض الكربون الذي تم إزالته من الدورة عن طريق ثاني أكسيد الكربون الذي يدخل الغلاف الجوي أثناء الانفجارات البركانية والعمليات الطبيعية الأخرى. وفي الوقت الحالي، تمت إضافة تأثير بشري كبير إلى العمليات الطبيعية لتجديد الكربون في الغلاف الجوي. على سبيل المثال، عند حرق الوقود الهيدروكربوني. وهذا يعطل دورة الكربون على الأرض، والتي تم تنظيمها لعدة قرون.

أدت الزيادة في تركيز ثاني أكسيد الكربون على مدار قرن بنسبة 0.01٪ فقط إلى ظهور ملحوظ لظاهرة الاحتباس الحراري. ارتفع متوسط ​​درجة الحرارة السنوية على الكوكب بمقدار 0.5 درجة مئوية، وارتفع مستوى المحيط العالمي بنحو 15 سم. ووفقا للعلماء، إذا زاد متوسط ​​درجة الحرارة السنوية بمقدار 3-4 درجات مئوية أخرى، فسيبدأ الجليد الأبدي في التشكل إنصهار. وفي الوقت نفسه، سيرتفع مستوى المحيط العالمي بمقدار 50-60 سم، الأمر الذي سيؤدي إلى فيضان جزء كبير من الأرض. ويعتبر ذلك كارثة بيئية عالمية، لأن حوالي 40% من سكان الأرض يعيشون في هذه المناطق.

دورة الأكسجين

في عمل المحيط الحيوي، يلعب الأكسجين دورًا مهمًا للغاية في عمليات التمثيل الغذائي وتنفس الكائنات الحية. يتم تعويض الانخفاض في كمية الأكسجين في الغلاف الجوي نتيجة لعمليات التنفس واحتراق الوقود والتحلل بالأكسجين الذي تطلقه النباتات أثناء عملية التمثيل الضوئي.

يتكون الأكسجين في الغلاف الجوي الأساسي للأرض عندما يبرد. نظرًا لتفاعليته العالية، فقد انتقل من الحالة الغازية إلى تركيبة مركبات غير عضوية مختلفة (الكربونات والكبريتات وأكاسيد الحديد وما إلى ذلك). تشكل الغلاف الجوي للكوكب المحتوي على الأكسجين اليوم حصريًا بسبب عملية التمثيل الضوئي التي تقوم بها الكائنات الحية. لقد ارتفع محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي إلى المستويات الحالية لفترة طويلة. إن الحفاظ على كميته عند مستوى ثابت أمر ممكن حاليًا فقط بفضل الكائنات الحية التي تقوم بالتمثيل الضوئي.

لسوء الحظ، في العقود الأخيرة، أدى النشاط البشري، الذي أدى إلى إزالة الغابات وتآكل التربة، إلى تقليل كثافة عملية التمثيل الضوئي. وهذا بدوره يعطل المسار الطبيعي لدورة الأكسجين على مساحات واسعة من الأرض.

يشارك جزء صغير من الأكسجين الجوي في تكوين وتدمير شاشة الأوزون تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس.

أساس الدورة الحيوية للمواد هو الطاقة الشمسية. الشرط الرئيسي للوجود المستدام للمحيط الحيوي هو التداول المستمر للمواد وتدفق الطاقة في التكاثر الحيوي. في دورات النيتروجين والكربون والأكسجين، الدور الرئيسي ينتمي إلى الكائنات الحية. يتم توفير أساس دورة المياه العالمية في المحيط الحيوي من خلال العمليات الفيزيائية.

دورات المواد

تتطور تدفقات الهجرة الصغيرة للعناصر الكيميائية بين الكائنات المترابطة وبين الكائنات وبيئتها إلى دورات أكبر - الدوامات. إنها الدورات التي تدعم مدة وثبات وجود الحياة، لأنه بدونها، حتى على نطاق الأرض بأكملها، سيتم استنفاد احتياطيات العناصر الضرورية قريبا جدا.

الدورة البيولوجية (الحيوية)- ظاهرة إعادة التوزيع المستمر والدوري والطبيعي ولكن غير المتساوي في الزمان والمكان للمادة والطاقة 1 والمعلومات داخل الأنظمة البيئية ذات المستويات الهرمية المختلفة للتنظيم - من التكاثر الحيوي إلى المحيط الحيوي. يُطلق على تداول المواد على نطاق المحيط الحيوي بأكمله اسم الدائرة الكبيرة، وداخل التكاثر الحيوي المحدد - دائرة صغيرة من التبادل الحيوي. يسمى جزء من الدورة البيولوجية، التي تتكون من دورات الكربون والماء والنيتروجين والفوسفور والكبريت والمواد المغذية الأخرى، بالدورة الجيوكيميائية الحيوية.

قد تترك كمية معينة من المادة الدورة البيولوجية مؤقتًا (تستقر في قاع المحيطات والبحار، وتقع في أعماق القشرة الأرضية، وما إلى ذلك). ومع ذلك، نتيجة للعمليات التكتونية والجيولوجية (النشاط البركاني، صعود وهبوط القشرة الأرضية، التغيرات في الحدود بين الأرض والمياه، وما إلى ذلك)، يتم تضمين الصخور الرسوبية مرة أخرى في دورة تسمى الدورة الجيولوجية أو الدورة الدموية.

إن دورات المواد من المنتجين إلى المستهلكين بمستويات مختلفة، ثم إلى المحللين، ومنهم مرة أخرى إلى المنتجين، ليست مغلقة تمامًا. إذا كانت النظم الإيكولوجية مغلقة تماما، فلن تكون هناك تغييرات في البيئة المعيشية، فلن تكون هناك تربة وحجر جيري وصخور أخرى ذات أصل حيوي. وهكذا، يمكن تصوير الدورة الحيوية بشكل تقليدي على أنها حلقة مفتوحة. فقدان المادة بسبب الدورة المفتوحة هو الحد الأدنى في المحيط الحيوي (أكبر نظام بيئي على هذا الكوكب). يتم فقدان المعلومات في النظم البيئية مع موت الأنواع وإعادة الترتيب الجيني الذي لا رجعة فيه.

وهكذا، يحافظ كل نظام بيئي على وجوده بفضل دورة العناصر الغذائية والتدفق المستمر للطاقة الشمسية. إن دورة الطاقة في النظم الإيكولوجية غائبة عمليا، لأنها (الطاقة) تعود من المحللات إلى المستهلكين بكميات ضئيلة. ويعتقد أن معامل دورة الطاقة لا يتجاوز 0.24%. يمكن تجميع الطاقة وتخزينها (أي تحويلها إلى أشكال أكثر كفاءة) ونقلها من جزء من النظام إلى جزء آخر، ولكن لا يمكن إعادة استخدامها مرة أخرى، مثل الماء والمعادن. بعد أن انتقلت الطاقة من المصانع المنتجة عبر المستهلكين إلى المحللات، يتم نقلها إلى الأرض القريبة والفضاء الخارجي. عند التحرك عبر النظام البيئي، يؤثر تدفق الطاقة بشكل أساسي على التكاثر الحيوي، لذلك تمت مناقشته بالتفصيل سابقًا.