Alle stoffer på planeten er i færd med at cirkulere. Solenergi forårsager to cyklusser af stoffer på Jorden: stor (geologisk, biosfære) Og lille (biologisk).

Det store kredsløb af stoffer i biosfæren er kendetegnet ved to vigtige punkter: det sker gennem hele Jordens geologiske udvikling og er en moderne planetarisk proces, der tager en ledende rolle i den videre udvikling af biosfæren.

Den geologiske cyklus er forbundet med dannelsen og ødelæggelsen af ​​klipper og den efterfølgende bevægelse af ødelæggelsesprodukter - klastisk materiale og kemiske elementer. De termiske egenskaber af overfladen af ​​jord og vand spillede og spiller fortsat en væsentlig rolle i disse processer: absorption og refleksion af solstråler, termisk ledningsevne og varmekapacitet. Det ustabile hydrotermiske regime af Jordens overflade, sammen med det planetariske atmosfæriske cirkulationssystem, bestemte den geologiske cirkulation af stoffer, som i den indledende fase af Jordens udvikling, sammen med endogene processer, var forbundet med dannelsen af ​​kontinenter, oceaner og moderne geosfærer. Med dannelsen af ​​biosfæren blev organismers affaldsprodukter inkluderet i det store kredsløb. Det geologiske kredsløb forsyner levende organismer med næringsstoffer og bestemmer i høj grad betingelserne for deres eksistens.

De vigtigste kemiske elementer lithosfære: ilt, silicium, aluminium, jern, magnesium, natrium, kalium og andre - deltager i en stor cyklus, der passerer fra de dybe dele af den øvre kappe til overfladen af ​​litosfæren. Magmatisk bjergart, der opstod under krystallisationen af ​​magma, der ankommer til overfladen af ​​lithosfæren fra jordens dybder, gennemgår nedbrydning og forvitring i biosfæren. Forvitringsprodukter går ind i en mobil tilstand, transporteres af vand og vind til lave områder af relieffet, trænger ind i floder, havet og danner tykke lag af sedimentære bjergarter, som over tid, dykker til dybden i områder med øget temperatur og tryk, undergår metamorfose , dvs. "omsmeltet". Under denne smeltning dukker en ny metamorf bjergart op, der kommer ind i de øvre horisonter af jordskorpen og går igen ind i stoffernes kredsløb (ris.).

Nemt mobile stoffer - gasser og naturligt vand, der udgør planetens atmosfære og hydrosfære - gennemgår den mest intense og hurtige cirkulation. Lithosfærematerialet cykler meget langsommere. Generelt er hver cyklus af ethvert kemisk grundstof en del af den generelle store cyklus af stoffer på Jorden, og de er alle tæt forbundet. Biosfærens levende stof i denne cyklus gør et enormt arbejde med at omfordele kemiske elementer, der kontinuerligt cirkulerer i biosfæren, og passerer fra det ydre miljø til organismer og igen ind i det ydre miljø.

Lille eller biologisk kredsløb af stoffer- Det her

cirkulation af stoffer mellem planter, dyr, svampe, mikroorganismer og jord. Essensen af ​​den biologiske cyklus ligger i forekomsten af ​​to modsatte, men indbyrdes forbundne processer - skabelsen af ​​organiske stoffer og deres ødelæggelse. Den indledende fase af fremkomsten af ​​organiske stoffer skyldes fotosyntese af grønne planter, dvs. dannelsen af ​​levende stof fra kuldioxid, vand og simple mineralforbindelser ved hjælp af solenergi. Planter (producenter) udvinder molekyler af svovl, fosfor, calcium, kalium, magnesium, mangan, silicium, aluminium, zink, kobber og andre grundstoffer fra jorden i opløsning. Planteædende dyr (forbrugere af første orden) absorberer forbindelser af disse elementer i form af fødevarer af vegetabilsk oprindelse. Predatorer (II-orders forbrugere) lever af planteædere og indtager mad af en mere kompleks sammensætning, herunder proteiner, fedtstoffer, aminosyrer og andre stoffer. I processen med ødelæggelse af organiske stoffer fra døde planter og dyrerester af mikroorganismer (nedbrydere), kommer simple mineralforbindelser ind i jorden og vandmiljøet, tilgængelige for assimilering af planter, og den næste runde af den biologiske cyklus begynder (Fig. 33).

Fremkomsten og udviklingen af ​​noosfæren

Udviklingen af ​​den organiske verden på Jorden har gennemgået flere stadier, den første er forbundet med fremkomsten af ​​det biologiske kredsløb af stoffer i biosfæren. Den anden blev ledsaget af dannelsen af ​​flercellede organismer. Disse to stadier kaldes biogenese. Det tredje stadie er forbundet med fremkomsten af ​​det menneskelige samfund, under påvirkning af hvilket, under moderne forhold, udviklingen af ​​biosfæren sker og dens transformation til fornuftens sfære - noosfæren (fra græsk - sind, - bold). Noosfæren er en ny tilstand i biosfæren, når intelligent menneskelig aktivitet bliver den vigtigste faktor, der bestemmer dens udvikling. Udtrykket "noosphere" blev introduceret af E. Leroy. V.I. Vernadsky uddybede og udviklede doktrinen om noosfæren. Han skrev: "Noosfæren er et nyt geologisk fænomen på vores planet. I den bliver mennesket en stor geologisk kraft." V.I. Vernadsky identificerede de nødvendige forudsætninger for skabelsen af ​​noosfæren: 1. Menneskeheden er blevet en enkelt helhed 2. Muligheden for øjeblikkelig udveksling af information 3. Reel lighed mellem mennesker 4. Vækst i den generelle levestandard 5 Brug af nye energityper. 6. Eliminering af krige fra samfundslivet. Skabelsen af ​​disse forudsætninger bliver mulig som et resultat af eksplosionen af ​​videnskabelig tankegang i det tyvende århundrede.

Emne – 6. Natur – menneske: en systematisk tilgang. Formål med foredraget: At danne en holistisk forståelse af økologiens systemiske postulater.

Hovedspørgsmål: 1. Begrebet et system og komplekse biosystemer 2. Funktioner ved biologiske systemer 3. Systempostuler: loven om universel forbindelse, B. Commoners økologiske love, loven om store tal, Le Chateliers princip, loven af feedback i naturen og loven om konstant mængde af levende stof 4. Modeller af interaktioner i systemerne "natur-menneske" og "menneske-økonomi-biota-miljø".

Det økologiske system er økologiens hovedobjekt. Økologi er systemisk i sin essens og er i sin teoretiske form tæt på den generelle systemteori. Ifølge den generelle systemteori er et system en reel eller tænkelig samling af dele, hvis integralegenskaber bestemmes af samspillet mellem systemets dele (elementer). I det virkelige liv er et system defineret som en samling af objekter, der er forenet af en form for regelmæssig interaktion eller gensidig afhængighed for at udføre en given funktion. I materialet er der visse hierarkier - ordnede sekvenser af rumlig-tidsmæssig underordning og komplikation af systemer. Præsenter al mangfoldigheden i vores verden i form af tre successivt opståede hierarkier. Dette er det vigtigste, naturlige, fysisk-kemisk-biologiske (F, X, B) hierarki og to sekundære hierarkier, der opstod på dets grundlag, de sociale (S) og tekniske (T) hierarkier. Eksistensen af ​​den sidste i helheden af ​​feedbacks påvirker hovedhierarkiet på en bestemt måde. Kombination af systemer fra forskellige hierarkier fører til "blandede" klasser af systemer. Kombinationen af ​​systemer fra den fysisk-kemiske del af hierarkiet (F, X - "miljø") med levende systemer i den biologiske del af hierarkiet (B - "biota") fører således til en blandet klasse af systemer kaldet miljømæssige. En kombination af systemer fra hierarkier C

(“mand”) og T (“teknologi”) fører til klassen økonomisk, eller teknisk og økonomisk, systemer

Ris. . Hierarkier af materialesystemer:

F, X - fysisk og kemisk, B - biologisk, S - social, T - teknisk

Det bør være klart, at det menneskelige samfunds indvirkning på naturen, medieret af teknologi og teknologi (teknogenese), vist i diagrammet, gælder for hele hierarkiet af naturlige systemer: den nedre gren - til det abiotiske miljø, den øvre - til biota af biosfæren. Nedenfor vil vi se på sammenhængen mellem de miljømæssige og tekniske og økonomiske aspekter af denne interaktion.

Alle systemer har nogle fælles egenskaber:

1. Hvert system har en bestemt struktur, bestemt af formen af ​​spatiotemporale forbindelser eller interaktioner mellem elementer i systemet. Strukturel orden i sig selv bestemmer ikke organiseringen af ​​systemet. Systemet kan kaldes organiseret, hvis dens eksistens enten er nødvendig for at opretholde en funktionel (udførelse af et bestemt job) struktur, eller tværtimod afhænger af aktiviteten af ​​en sådan struktur.

2. Ifølge princippet om nødvendig mangfoldighed systemet kan ikke bestå af identiske elementer blottet for individualitet. Den nedre grænse for diversitet er mindst to elementer (proton og elektron, protein og nukleinsyre, "han" og "hun"), den øvre grænse er uendelig. Diversitet er den vigtigste informationskarakteristik ved systemet. Det adskiller sig fra antallet af grundstoffer og kan måles 3. Et systems egenskaber kan ikke kun forstås på grundlag af dets deles egenskaber. Det er samspillet mellem elementerne, der er afgørende. Det er umuligt at bedømme dens funktion ved at se på de enkelte dele af en maskine før montering. Ved separat at studere nogle former for svampe og alger er det umuligt at forudsige eksistensen af ​​deres symbiose i form af en lav. Den kombinerede effekt af to eller flere forskellige faktorer på kroppen er næsten altid forskellig fra summen af ​​deres separate virkninger. Graden af ​​irreducerbarhed af et systems egenskaber til summen af ​​egenskaberne af de individuelle elementer, som det består af, bestemmer fremkomst systemer.

4. Isolering af et system deler dets verden i to dele - selve systemet og dets miljø. Afhængigt af tilstedeværelsen (fraværet) af udveksling af stof, energi og information med miljøet, er følgende grundlæggende mulige: isoleret systemer (ingen udveksling er mulig); lukket systemer (metabolisme er umuligt); åben systemer (udveksling af stof og energi er mulig). Udvekslingen af ​​energi bestemmer udvekslingen af ​​information. I levende natur er der kun åbne dynamisk systemer, mellem hvis indre elementer og elementerne i miljøet er der overførsler af stof, energi og information. Ethvert levende system - fra en virus til biosfæren - er et åbent dynamisk system.

5. Overvægten af ​​interne interaktioner i systemet over eksterne og systemets labilitet i forhold til eksterne faktorer
handlinger bestemmer det selvopretholdelsesevne takket være egenskaberne organisation, udholdenhed og stabilitet. Ekstern indflydelse på systemet, der overstiger styrken og fleksibiliteten af ​​dets interne interaktioner, fører til irreversible ændringer
og systemets død. Stabiliteten af ​​et dynamisk system opretholdes af det ydre cykliske arbejde, det kontinuerligt udfører. Dette kræver flow og transformation af energi til dette. emne. Sandsynligheden for at nå systemets hovedmål - selvopretholdelse (herunder gennem selvreproduktion) bestemmes som dens potentiel effektivitet.

6. Et systems handling i tid kaldes dens opførsel. En ændring i adfærd forårsaget af en ekstern faktor kaldes reaktion system, og en ændring i systemets reaktion forbundet med en ændring i struktur og rettet mod stabiliserende adfærd er. enhed, eller tilpasning. Konsolidering af adaptive ændringer i systemets struktur og forbindelser over tid, hvor dets potentielle effektivitet øges, betragtes som udvikling, eller udvikling, systemer. Fremkomsten og eksistensen af ​​alle materielle systemer i naturen skyldes evolution. Dynamiske systemer udvikler sig i retningen fra mere sandsynlig til mindre sandsynlig organisation, dvs. udvikling følger vejen til stigende kompleksitet af organisation og dannelse af delsystemer i systemets struktur. I naturen er alle former for opførsel af systemer - fra elementære reaktioner til global evolution - betydelige ikke-lineær. Et vigtigt træk ved udviklingen af ​​komplekse systemer er
ujævnheder, mangel på monotoni. Perioder med gradvis ophobning af mindre ændringer bliver nogle gange afbrudt af skarpe kvalitative spring, der væsentligt ændrer systemets egenskaber. De er normalt forbundet med den såkaldte bifurkationspunkter- bifurkation, opsplitning af den tidligere udviklingsvej. Valget af en eller anden fortsættelse af stien ved bifurkationspunktet afhænger af meget, op til fremkomsten og velstanden af ​​en ny verden af ​​partikler, stoffer, organismer, samfund eller omvendt systemets død. Selv for afgørende systemer er resultatet af valget ofte uforudsigeligt, og selve valget ved bifurkationspunktet kan bestemmes af en tilfældig impuls. Ethvert virkeligt system kan repræsenteres i form af en eller anden materiel lighed eller symbolsk billede, dvs. henholdsvis analog eller tegn model af systemet. Modellering er uundgåeligt ledsaget af en vis forenkling og formalisering af relationerne i systemet. Denne formalisering kan være
implementeret i form af logiske (årsag-virkning) og/eller matematiske (funktionelle) sammenhænge. Efterhånden som systemernes kompleksitet øges, får de nye emergent kvaliteter. Samtidig bevares kvaliteterne ved enklere systemer. Derfor øges den overordnede variation af systemkvaliteter, efterhånden som det bliver mere komplekst (fig. 2.2).

Ris. 2.2. Mønstre for ændringer i systemhierarkiers egenskaber med en stigning i deres niveau (ifølge Fleishman, 1982):

1 - mangfoldighed, 2 - stabilitet, 3 - fremkomst, 4 - kompleksitet, 5 - ikke-identitet, 6 - prævalens

I rækkefølge af stigende aktivitet i forhold til ydre påvirkninger kan systemets kvaliteter ordnes i følgende rækkefølge: 1 - stabilitet, 2 - pålidelighed på grund af bevidsthed om omgivelserne (støjimmunitet), 3 - kontrollerbarhed, 4 - selv- organisation. I denne serie giver hver efterfølgende kvalitet mening, hvis den forrige er til stede.

Par Sværhedsgrad systemets opbygning er bestemt af antallet P dens elementer og antal T

forbindelser mellem dem. Hvis antallet af bestemte diskrete tilstande studeres i et system, så er systemets kompleksitet MED bestemmes af logaritmen af ​​antallet af forbindelser:

C=lgm.(2.1)

Systemer klassificeres konventionelt efter kompleksitet som følger: 1) systemer med op til tusinde tilstande (O <С < 3), относятся к enkel; 2) systemer med op til en million tilstande (3< С < 6), являют собой komplekse systemer; 3) systemer med antallet af stater over en million (C > 6) identificeres som meget kompleks.

Alle rigtige naturlige biosystemer er meget komplekse. Selv i strukturen af ​​et enkelt virus overstiger antallet af biologisk signifikante molekylære tilstande sidstnævnte værdi.

Alle stoffer på planeten er i færd med at cirkulere. Solenergi forårsager to cyklusser af stoffer på Jorden: stor (geologisk, biosfære) Og lille (biologisk).

Det store kredsløb af stoffer i biosfæren er kendetegnet ved to vigtige punkter: det sker gennem hele Jordens geologiske udvikling og er en moderne planetarisk proces, der tager en ledende rolle i den videre udvikling af biosfæren.

Den geologiske cyklus er forbundet med dannelsen og ødelæggelsen af ​​klipper og den efterfølgende bevægelse af ødelæggelsesprodukter - klastisk materiale og kemiske elementer. De termiske egenskaber af overfladen af ​​jord og vand spillede og spiller fortsat en væsentlig rolle i disse processer: absorption og refleksion af solstråler, termisk ledningsevne og varmekapacitet. Det ustabile hydrotermiske regime af Jordens overflade, sammen med det planetariske atmosfæriske cirkulationssystem, bestemte den geologiske cirkulation af stoffer, som i den indledende fase af Jordens udvikling, sammen med endogene processer, var forbundet med dannelsen af ​​kontinenter, oceaner og moderne geosfærer. Med dannelsen af ​​biosfæren blev organismers affaldsprodukter inkluderet i det store kredsløb. Det geologiske kredsløb forsyner levende organismer med næringsstoffer og bestemmer i høj grad betingelserne for deres eksistens.

De vigtigste kemiske elementer lithosfære: ilt, silicium, aluminium, jern, magnesium, natrium, kalium og andre - deltager i en stor cyklus, der passerer fra de dybe dele af den øvre kappe til overfladen af ​​litosfæren. Magmatisk bjergart dannet ved krystallisation

magma, der er ankommet til overfladen af ​​lithosfæren fra jordens dybder, gennemgår nedbrydning og forvitring i biosfæren. Forvitringsprodukter går ind i en mobil tilstand, transporteres af vand og vind til lave områder af relieffet, trænger ind i floder, havet og danner tykke lag af sedimentære bjergarter, som over tid, dykker til dybden i områder med øget temperatur og tryk, undergår metamorfose , dvs. "omsmeltet". Under denne smeltning dukker en ny metamorf bjergart op, der kommer ind i de øvre horisonter af jordskorpen og går igen ind i stoffernes kredsløb (Fig. 32).

Ris. 32. Geologisk (stor) kredsløb af stoffer

Nemt mobile stoffer - gasser og naturligt vand, der udgør planetens atmosfære og hydrosfære - gennemgår den mest intense og hurtige cirkulation. Lithosfærematerialet cykler meget langsommere. Generelt er hver cyklus af ethvert kemisk grundstof en del af den generelle store cyklus af stoffer på Jorden, og de er alle tæt forbundet. Biosfærens levende stof i denne cyklus gør et enormt arbejde med at omfordele kemiske elementer, der kontinuerligt cirkulerer i biosfæren, og passerer fra det ydre miljø til organismer og igen ind i det ydre miljø.

Lille eller biologisk kredsløb af stoffer- Det her

cirkulation af stoffer mellem planter, dyr, svampe, mikroorganismer og jord. Essensen af ​​den biologiske cyklus ligger i forekomsten af ​​to modsatte, men indbyrdes forbundne processer - skabelsen af ​​organiske stoffer og deres ødelæggelse. Den indledende fase af fremkomsten af ​​organiske stoffer skyldes fotosyntese af grønne planter, dvs. dannelsen af ​​levende stof fra kuldioxid, vand og simple mineralforbindelser ved hjælp af solenergi. Planter (producenter) udvinder molekyler af svovl, fosfor, calcium, kalium, magnesium, mangan, silicium, aluminium, zink, kobber og andre grundstoffer fra jorden i opløsning. Planteædende dyr (forbrugere af første orden) absorberer forbindelser af disse elementer i form af fødevarer af vegetabilsk oprindelse. Predatorer (II-orders forbrugere) lever af planteædere og indtager mad af en mere kompleks sammensætning, herunder proteiner, fedtstoffer, aminosyrer og andre stoffer. I processen med ødelæggelse af organiske stoffer fra døde planter og dyrerester af mikroorganismer (nedbrydere), kommer simple mineralforbindelser ind i jorden og vandmiljøet, tilgængelige for assimilering af planter, og den næste runde af den biologiske cyklus begynder (Fig. 33).

Der er to hovedcyklusser af stoffer i naturen: store (geologiske) og små (biogeokemiske).

Geologisk - stort kredsløb af stoffer(Bilag A), er forårsaget af solenergiens interaktion med Jordens dybe energi og udfører omfordelingen af ​​stof mellem biosfæren og Jordens dybere horisonter. Sedimentære bjergarter, dannet på grund af forvitring af magmatiske bjergarter, i mobile zoner af jordskorpen er igen nedsænket i en zone med høje temperaturer og tryk. Der smelter de og danner magma - kilden til nye magmatiske bjergarter. Efter at disse klipper stiger til jordens overflade og gennemgår forvitringsprocesser, omdannes de igen til nye sedimentære bjergarter. Symbolet på stoffernes kredsløb er spiralformet, ikke en cirkel. Det betyder, at den nye cyklus ikke ligefrem gentager den gamle, men introducerer noget nyt, som over tid fører til meget væsentlige ændringer.

The Great Gyre er også en gyre vand mellem land og hav gennem atmosfæren. Fugt fordampet fra verdenshavets overflade overføres til land, hvor det falder i form af nedbør, som vender tilbage til havet i form af overflade- og underjordisk afstrømning.

Vandets kredsløb følger også et enklere skema: fordampning af fugt fra havets overflade - kondensering af vanddamp - nedbør på den samme vandoverflade af havet.

Det anslås, at mere end 500 tusinde km3 vand årligt deltager i vandkredsløbet på Jorden. Vandets kredsløb som helhed spiller en stor rolle i at forme de naturlige forhold på vores planet. Under hensyntagen til planters transpiration af vand og dets absorption i det biogeokemiske kredsløb, nedbrydes hele vandforsyningen på Jorden og genoprettes på 2 millioner år.

Lille kredsløb af stoffer i biosfæren (biogeokemisk) (Bilag B). I modsætning til den store cyklus forekommer den kun i biosfæren. Dens essens er dannelsen af ​​levende stof fra uorganiske forbindelser under fotosynteseprocessen og omdannelsen af ​​organisk stof under nedbrydning tilbage til uorganiske forbindelser. Denne cyklus er den vigtigste for biosfærens liv, og den er selv skabelsen af ​​liv. Ved at ændre sig, blive født og dø, understøtter levende stof livet på vores planet og sikrer det biogeokemiske kredsløb af stoffer. Den vigtigste energikilde i kredsløbet er solstråling, som genererer fotosyntese. Denne energi er ret ujævnt fordelt over klodens overflade. For eksempel er mængden af ​​varme pr. arealenhed ved ækvator tre gange større end på Spitsbergen-øgruppen (80°N). Derudover går det tabt ved refleksion, absorberes af jorden og bruges på vandtranspiration. Som vi allerede har bemærket, bruges ikke mere end 5% af al energi på fotosyntese, men oftest 2-3%.

I en række økosystemer sker overførslen af ​​stof og energi primært gennem trofiske kæder.

Denne cyklus kaldes normalt biologiske. Det forudsætter en lukket cyklus af stoffer, der gentagne gange bruges af den trofiske kæde. Den findes i akvatiske økosystemer, især plankton med dets intensive stofskifte, men ikke i terrestriske økosystemer, med undtagelse af tropiske regnskove, hvor plante-til-plante overførsel af næringsstoffer kan forekomme med rødder på jordoverfladen.

Men på skalaen af ​​hele biosfæren er en sådan cyklus umulig. Her fungerer det biogeokemiske kredsløb, som er udvekslingen af ​​makro- og mikroelementer og simple uorganiske stoffer med stoffet i atmosfæren, hydrosfæren og lithosfæren.

Kredsløb af individuelle stoffer - V.I. Vernadsky kaldte biogeokemiske kredsløb. Det vigtigste er, at kemiske elementer absorberet af organismen efterfølgende forlader den, går ind i det abiotiske miljø, og derefter, efter nogen tid, kommer de igen ind i den levende organisme. Sådanne elementer kaldes biofile. Disse kredsløb og cirkulationen som helhed giver de vigtigste funktioner af levende stof i biosfæren. V. I. Vernadsky identificerer fem sådanne funktioner:

- først funktion - gas - de vigtigste gasser i jordens atmosfære, nitrogen og oxygen, af biogen oprindelse, som alle underjordiske gasser - et produkt af nedbrydning af dødt organisk materiale;

- anden funktion - koncentration - organismer akkumulerer i deres kroppe mange kemiske elementer, blandt hvilke kulstof kommer først, blandt metaller - calcium, siliciumkoncentratorer er kiselalger, jod - alger (tang), fosfor - skeletterne af hvirveldyr;

- tredje funktion - redox - organismer, der lever i vandområder, regulerer iltregimet og skaber betingelser for opløsning eller udfældning af en række metaller (V, Mn, Fe) og ikke-metaller (S) med variabel valens;

- fjerde funktion - biokemisk - reproduktion, vækst og bevægelse i rummet ("spredning") af levende stof;

- femte funktion - menneskelig biogeokemisk aktivitet - dækker hele den voksende mængde stoffer i jordskorpen.

Derfor skal det bemærkes, at der kun er én proces på Jorden, der ikke spilder, men tværtimod binder solenergi og endda akkumulerer den - dette er skabelsen af ​​organisk stof som et resultat af fotosyntese. Den vigtigste planetariske funktion af kredsløbet af stoffer på Jorden ligger i binding og lagring af solenergi.

Biologisk (lille) kredsløb - cirkulationen af ​​stoffer mellem planter, dyreliv, mikroorganismer og jord. Dens grundlag er fotosyntese, dvs. grønne planters og specielle mikroorganismers omdannelse af Solens strålingsenergi til energien af ​​kemiske bindinger af organiske stoffer. Fotosyntese gav ilt på Jorden ved hjælp af grønne organismer, ozonlaget og betingelserne for biologisk evolution.[...]

Det lille biologiske kredsløb af stoffer er særligt vigtigt i jorddannelsen, da det er samspillet mellem biologiske og geologiske kredsløb, der ligger til grund for jorddannelsesprocessen.[...]

Kvælstofkredsløbet er i øjeblikket stærkt påvirket af mennesker. På den ene side fører masseproduktion af nitrogengødning og deres anvendelse til overdreven ophobning af nitrater. Kvælstof, der tilføres markerne i form af gødning, går tabt gennem afgrødeaffald, udvaskning og denitrifikation. På den anden side, når omdannelseshastigheden af ​​ammoniak til nitrater falder, ophobes ammoniumgødning i jorden. Det er muligt at undertrykke aktiviteten af ​​mikroorganismer som følge af jordforurening med industriaffald. Alle disse processer er dog ret lokale. Meget vigtigere er indtrængen af ​​nitrogenoxider i atmosfæren under brændstofforbrænding på termiske kraftværker og i transport. Kvælstof "fikseret" i industrielle emissioner er giftigt i modsætning til biologisk fikseret kvælstof. Under naturlige processer optræder nitrogenoxider i atmosfæren i små mængder som mellemprodukter, men i byer og industriområder bliver deres koncentrationer farlige. De irriterer luftvejene, og under påvirkning af ultraviolet stråling sker der reaktioner mellem nitrogenoxider og kulbrinter med dannelse af meget giftige og kræftfremkaldende forbindelser.[...]

Cykler som en form for bevægelse af stof er også iboende i biostromen, men her får de deres egne karakteristika. Den vandrette cyklus er repræsenteret af en triade: fødsel - reproduktion - død (nedbrydning); lodret - ved fotosynteseprocessen. Begge af dem finder i formuleringen af ​​A.I. Perelman (1975) enhed i en lille biologisk cyklus: "... kemiske elementer i landskabet laver cyklusser, hvorunder de gentagne gange kommer ind i levende organismer ("organiserer") og forlader dem ( "mineraliseret")"2.[...]

Biologisk kredsløb (biotisk) er et fænomen med kontinuerlig, cyklisk, naturlig, men ujævn i tid og rum omfordeling af stof, energi1 og information inden for økologiske systemer på forskellige hierarkiske organisationsniveauer - fra biogeocenose til biosfæren. Cirkulationen af ​​stoffer på skalaen af ​​hele biosfæren kaldes en stor cirkel (fig. 6.2), og inden for en specifik biogeocenose - en lille cirkel af biotisk udveksling.[...]

Enhver biologisk cyklus er kendetegnet ved den gentagne inklusion af atomer af kemiske elementer i levende organismers kroppe og deres frigivelse til miljøet, hvorfra de igen fanges af planter og trækkes ind i kredsløbet. Et lille biologisk kredsløb er karakteriseret ved kapacitet - antallet af kemiske grundstoffer, der samtidigt er til stede i levende stof i et givet økosystem, og hastighed - mængden af ​​levende stof, der dannes og nedbrydes pr. tidsenhed.[...]

Den lille biologiske cyklus af stoffer er baseret på processerne til syntese og ødelæggelse af organiske forbindelser med deltagelse af levende stof. I modsætning til den store er den lille cyklus karakteriseret ved en ubetydelig mængde energi.[...]

Tværtimod foregår den biologiske cyklus af stof inden for grænserne af den beboede biosfære og legemliggør de unikke egenskaber af planetens levende stof. At være en del af en stor, lille cyklus udføres på niveau med biogeocenose, det består i det faktum, at jordens næringsstoffer, vand, kulstof akkumuleres i plantens stof, brugt på at opbygge kroppen og livsprocesserne for både dem selv og organismer - forbrugere. Produkterne fra nedbrydning af organisk stof af jordens mikroflora og mesofauna (bakterier, svampe, bløddyr, orme, insekter, protozoer osv.) nedbrydes igen til mineralske komponenter, igen tilgængelige for planter og derfor igen involveret af dem i stofstrømmen [...]

Den beskrevne cirkulation af stoffer på Jorden, understøttet af solenergi - den cirkulære cirkulation af stoffer mellem planter, mikroorganismer, dyr og andre levende organismer - kaldes stoffernes biologiske kredsløb, eller det lille kredsløb. Tiden for fuldstændig metabolisme af et stof gennem en lille cyklus afhænger af dette stofs masse og intensiteten af ​​processerne for dets bevægelse gennem cyklussen og estimeres til flere hundrede år.[...]

Der er store og små - (biologiske) kredsløb af stof i naturen, vandets kredsløb. [...]

På trods af den relativt lille tykkelse af laget af vanddamp i atmosfæren (0,03 m), er det atmosfærisk fugt, der spiller hovedrollen i vandets cirkulation og dets biogeokemiske kredsløb. Generelt er der for hele kloden én kilde til vandtilstrømning - nedbør - og en strømkilde - fordampning, svarende til 1030 mm om året. I planters liv hører vand en enorm rolle til processerne med fotosyntese (det vigtigste led i den biologiske cyklus) og transpiration. Evapotranspiration, eller vandmassen, der fordampes af træ- eller urteagtig vegetation eller jordoverfladen, spiller en vigtig rolle i vandkredsløbet på kontinenterne. Grundvand, der trænger gennem plantevæv under transpirationsprocessen, introducerer mineralsalte, der er nødvendige for selve planternes liv. [...]

På grundlag af det store geologiske kredsløb opstod en lille kredsløb af organiske stoffer, som var baseret på processerne med syntese og ødelæggelse af organiske forbindelser. Disse to processer sikrer liv på Jorden. Energien i det biologiske kredsløb udgør kun 1% af den solenergi, som Jorden fanger, men det er denne energi, der gør et enormt arbejde med at skabe levende stof.[...]

Solenergi giver to kredsløb af stoffer på Jorden: geologisk eller stor og lille biologisk (biotisk).[...]

Destabilisering af nitrifikationsprocessen forstyrrer nitraternes indtræden i den biologiske cyklus, hvis mængde bestemmer responsen på ændringer i miljøet af denitrifikationskomplekset. Enzymsystemer af denitrifiers reducerer hastigheden af ​​fuldstændig genvinding, hvilket involverer mindre lattergas i den sidste fase, hvis implementering kræver betydelige energiomkostninger. Som et resultat nåede indholdet af dinitrogenoxid i den overjordiske atmosfære i eroderede økosystemer op på 79 - 83% (Kosinova et al., 1993). Fremmedgørelsen af ​​noget organisk materiale fra chernozems under indflydelse af erosion påvirker genopfyldningen af ​​nitrogenfonden under foto- og heterotrofisk nitrogenfiksering: aerob og anaerob. I de første stadier af erosion undertrykkes netop anaerob nitrogenfiksering i et hurtigt tempo på grund af parametrene for den labile del af organisk stof (Khaziev, Bagautdinov, 1987). Aktiviteten af ​​enzymerne invertase og katalase i stærkt bortvaskede chernozemer faldt med mere end 50 % sammenlignet med uvaskede. I grå skovjord falder invertaseaktiviteten kraftigst efterhånden som deres erosion øges. Hvis der i svagt eroderet jord er en gradvis dæmpning af aktiviteten med dybden, så er invertaseaktiviteten meget lille eller ikke registreret i undergrundslaget i stærkt eroderet jord. Sidstnævnte er forbundet med fremkomsten af ​​illuviale horisonter med ekstremt lav enzymaktivitet på dagsoverfladen. Der var ingen klar afhængighed af aktiviteten af ​​phosphatase og især katalase af graden af ​​jorderosion (Lichko, 1998).[...]

Landskabets geokemi afslører den skjulte, dybeste side af den lille geografiske cirkulation af stof og energi. Begrebet en lille geografisk cirkulation er endnu ikke blevet tilstrækkeligt udviklet i fysisk geografi. Generelt kan det repræsenteres som en flerstrenget ikke helt lukket cirkulær strømning, bestående af indkommende og udsendt varme, den biologiske cyklus af kemiske elementer, en lille vandcyklus (nedbør - fordampning, overjordisk og underjordisk afstrømning og tilstrømning) , eolisk migration - ind- og udtagning af mineralske stoffer.[...]

Svækkelsen af ​​dannelsen af ​​græstørvsjord skyldes den lave intensitet af den biologiske cyklus og lav produktivitet af vegetationen. Årlig affald med en samlet biomasse på omkring 100 t/ha overstiger ikke 0,4-0,5 t/ha. Størstedelen af ​​affald er repræsenteret af rodrester. Omkring 70 kg/ha nitrogen og 300 kg/ha askeelementer er involveret i det biologiske kredsløb.[...]

Tropiske regnskove er ret gamle klimaks-økosystemer, hvor kredsløbet af næringsstoffer bringes til perfektion - de går lidt tabt og går straks ind i den biologiske cyklus udført af mutualistiske organismer og lavvandede, for det meste luftige, med kraftig mykorrhiza, trærødder. Det er takket være dette, at skove vokser så frodigt på dårlig jord.[...]

Dannelsen af ​​jordens kemiske sammensætning udføres under påvirkning af det store geologiske og lille biologiske kredsløb af stoffer i naturen. Grundstoffer som klor, brom, jod, svovl, calcium, magnesium og natrium fjernes nemmest fra jorden.[...]

På grund af den høje aktivitet af biogeokemiske processer og de kolossale volumener og skalaer af stofomsætning, er biologisk betydningsfulde kemiske elementer i konstant cyklisk bevægelse. Ifølge nogle skøn, hvis vi antager, at biosfæren har eksisteret i mindst 3,5-4 milliarder år, så har alt vandet i Verdenshavet gennemgået det biogeokemiske kredsløb mindst 300 gange, og atmosfærens frie ilt mindst 1 million gange. Kulstofkredsløbet sker om 8 år, nitrogen om 110 år, ilt om 2500 år. Størstedelen af ​​kulstof, koncentreret i karbonatsedimenter på havbunden (1,3 x 1016 tons), andre krystallinske bjergarter (1 x 1016 tons), kul og olie (0,34 x 1016 tons), deltager i den store cyklus. Kulstof indeholdt i plante- (5 x 10 mt) og animalsk væv (5 x 109 t) deltager i den lille cyklus (biogeokemisk cyklus).[...]

På landjorden sker der dog udover nedbør fra havet, fordampning og nedbør gennem vandkredsløbet lukket på land. Hvis kontinenternes biota ikke eksisterede, ville disse yderligere landsedimenter være meget mindre end sedimenterne hentet fra havet. Kun dannelsen af ​​vegetation og jord fører til en stor mængde fordampning fra jordoverfladen. Med dannelsen af ​​vegetation ophobes vand i jorden, planter og den kontinentale del af atmosfæren, hvilket fører til en stigning i den lukkede cirkulation på land. I øjeblikket er nedbøren på land i gennemsnit tre gange større end flodstrømmen. Derfor kommer kun en tredjedel af nedbøren fra havet, og mere end to tredjedele kommer fra det lukkede vandkredsløb på land. Vand på land bliver således biologisk akkumuleret; hovedparten af ​​jordens vandregime er dannet af biota og kan reguleres biologisk. [...]

Det er praktisk at identificere nogle af hovedtrækkene i manifestationen af ​​den første og anden kraft, baseret på ideen om virkningen af ​​stofcyklusser på Jorden: stor - geologisk (geocyre) og lille - biologisk (biologisk) cyklus).[...]

Plantesamfund i den sydlige taiga er mere modstandsdygtige over for kemisk forurening sammenlignet med samfund i den nordlige taiga. Den lave stabilitet af nordlige taiga-cenoser skyldes deres lave artsdiversitet og enklere struktur, tilstedeværelsen af ​​arter, der er følsomme over for kemisk forurening (mosser og lav), lave produktivitet og kapacitet i den biologiske cyklus og lavere evne til at komme sig. [.. .]

Men ethvert økosystem, uanset størrelse, inkluderer en levende del (biocenose) og dets fysiske, det vil sige livløse, miljø. Samtidig er små økosystemer en del af stadig større, op til Jordens globale økosystem. Tilsvarende består den generelle biologiske cyklus af stof på planeten også af samspillet mellem mange mindre, private kredsløb.[...]

Jord er en integreret bestanddel af terrestriske biogeocenoser. Det udfører konjugationen (interaktion) af store geologiske og små biologiske cyklusser af stoffer. Jord er en unik naturlig formation med en kompleks materialesammensætning. Jordstof er repræsenteret af fire fysiske faser: fast (mineralske og organiske partikler), flydende (jordopløsning), gasformig (jordluft) og levende (organismer). Jord er karakteriseret ved kompleks rumlig organisering og differentiering af karakteristika, egenskaber og processer.[...]

Ifølge den første konsekvens kan vi kun regne med lav-spild produktion. Derfor bør den første fase i udviklingen af ​​teknologier være deres lave ressourceintensitet (både ved input og output - økonomi og ubetydelige emissioner), anden fase vil være skabelsen af ​​cyklisk produktion (spild af nogle kan være råmaterialer for andre ) og den tredje - organisering af rimelig bortskaffelse af uundgåelige rester og neutralisering af uaftageligt energiaffald. Ideen om, at biosfæren fungerer efter princippet om ikke-affald, er fejlagtig, da den altid akkumulerer stoffer, der er fjernet fra det biologiske kredsløb, og som danner sedimentære bjergarter.[...]

Essensen af ​​jorddannelse ifølge V.R. Williams er defineret som den dialektiske vekselvirkning mellem syntese- og nedbrydningsprocesserne af organisk stof, der forekommer i systemet med små biologiske kredsløb af stoffer.[...]

På forskellige stadier af udviklingen af ​​biosfæren var processerne i den ikke de samme, på trods af at de fulgte lignende mønstre. Tilstedeværelsen af ​​en udtalt cyklus af stoffer, i henhold til loven om global lukning af den biogeokemiske cyklus, er en obligatorisk egenskab for biosfæren på ethvert stadium af dens udvikling. Dette er sandsynligvis en uforanderlig lov om dens eksistens. Der bør lægges særlig vægt på stigningen i andelen af ​​den biologiske, snarere end geokemiske, komponent i lukningen af ​​det biogeokemiske kredsløb af stoffer. Hvis den generelle biosfærecyklus herskede på de første stadier af evolutionen - en stor biosfærecirkel af udveksling (først kun inden for vandmiljøet og derefter opdelt i to undercykler - land og hav), så begyndte den senere at fragmentere. I stedet for en relativt homogen biota dukkede økosystemer på forskellige niveauer af hierarki og geografisk dislokation op og blev i stigende grad differentierede. Små, biogeocenotiske udvekslingskredse har fået betydning. Den såkaldte "udveksling af udvekslinger" opstod - et harmonisk system af biogeokemiske kredsløb med den største betydning af den biotiske komponent.[...]

På mellembreddegrader er energitilførslen fra Solen 48-61 tusind GJ/ha om året. Ved tilførsel af ekstra energi på mere end 15 GJ/ha om året opstår ugunstige processer for miljøet - jorderosion og deflation, tilslamning og forurening af små floder, eutrofiering af vandområder, forstyrrelser af det biologiske kredsløb i økosystemer.[... ]

Den østsibiriske region er præget af strenge vintre med lidt sne og hovedsageligt sommernedbør, der vasker jordlaget. Som følge heraf finder et periodisk udvaskningsregime sted i østsibiriske chernozems. Den biologiske cyklus undertrykkes af lave temperaturer. Som et resultat er humusindholdet i Transbaikal chernozems lavt (4-9%), og tykkelsen af ​​humushorisonten er lille. Der er meget lidt eller intet karbonatindhold. Derfor kaldes chernozemerne i den østsibiriske gruppe lavkarbonat og ikke-carbonat (for eksempel udvaskede chernozemer af lavkarbonat eller ikke-karbonat, almindelige chernozemer af lavkarbonat).[...]

De fleste mindre elementer, i koncentrationer, der er almindelige i mange naturlige økosystemer, har ringe effekt på organismer, måske fordi organismerne har tilpasset sig dem. Migrationerne af disse grundstoffer var derfor af ringe interesse for os, hvis biprodukter fra mineindustrien, forskellige industrier, den kemiske industri og moderne landbrug, produkter indeholdende høje koncentrationer af tungmetaller, giftige organiske forbindelser og andre potentielt farlige stoffer ikke for ofte komme ind i miljøet. Selv et meget sjældent grundstof, hvis det indføres i miljøet i form af en meget giftig metalforbindelse eller radioaktiv isotop, kan få vigtig biologisk betydning, da selv en lille (fra et geokemisk synspunkt) mængde af et sådant stof kan have en udtalt biologisk effekt.[...]

Den kemiske natur af vitaminer og andre vækststimulerende organiske forbindelser samt behovet for dem hos mennesker og husdyr har længe været kendt; forskning i disse stoffer på økosystemniveau er dog kun lige begyndt. Organiske næringsstoffer i vand eller jord er så lave, at de bør kaldes "mikro-mikronæringsstoffer" i modsætning til "makronæringsstoffer" såsom nitrogen og "mikronæringsstoffer" såsom spormetaller (se kapitel 5). Ofte er den eneste måde at måle deres indhold på en biologisk test: der anvendes specielle stammer af mikroorganismer, hvis væksthastighed er proportional med koncentrationen af ​​organiske næringsstoffer. Som understreget i det foregående afsnit kan et stofs rolle og dets strømningshastighed ikke altid bedømmes ud fra dets koncentration. Det er nu ved at blive klart, at organiske næringsstoffer spiller en vigtig rolle i samfundets stofskifte, og at de kan være en begrænsende faktor. Dette interessante forskningsområde vil uden tvivl tiltrække videnskabsmænds opmærksomhed i den nærmeste fremtid. Den følgende beskrivelse af vitamin B12 (cobalamin) cyklus, taget fra Provasoli (1963), viser, hvor lidt vi ved om organisk næringsstofkredsløb.[...]

W.R. Williams (1863-1939) udviklede doktrinen om landbrugsfaktorer. Ifølge den første lov om landbrug kan ingen af ​​plantelivets faktorer erstattes af en anden. Og derudover er alle faktorer i plantelivet naturligvis lige vigtige (anden lov). Lad os fremhæve hans vigtige idé om, at jord er resultatet af samspillet mellem en lille - biologisk og en stor - geologisk kredsløb af stof.[...]

V. R. Williams tæt forbundet sine ideer inden for genetisk jordbundsvidenskab og studiet af jordens frugtbarhed med praktiske spørgsmål om landbruget og lagde dem som grundlag for det græsbaserede landbrugssystem. De vigtigste og mest originale synspunkter blev udtrykt af V. R. Williams om levende organismers rolle i jorddannelsen, om essensen af ​​den jorddannende proces og karakteren af ​​individuelle specifikke processer, om den lille biologiske cyklus af stoffer, om jordens frugtbarhed, jord humus og jordstruktur.[...]

Disse tilgange er i det væsentlige relateret til strategi og taktik, som et valg af langsigtet adfærd og mål for prioriterede beslutninger. De kan ikke adskilles: Forurening af det menneskelige miljø skader andre organismer og levende natur generelt, og nedbrydningen af ​​naturlige systemer svækker deres evne til naturligt at rense miljøet. Men det skal altid forstås, at det er umuligt at bevare kvaliteten af ​​det menneskelige miljø uden deltagelse af naturlige økologiske mekanismer. Selvom vi mestrer lavforurenende teknologier, opnår vi intet, medmindre vi samtidig holder op med at forhindre naturen i at regulere miljøets sammensætning, rense det og gøre det egnet til liv. De reneste teknologier og de mest avancerede miljøbeskyttelsesanordninger vil ikke redde os, hvis skovrydningen fortsætter, mangfoldigheden af ​​biologiske arter falder, og kredsløbet af stoffer i naturen forstyrres. Det skal understreges, at fra et miljømæssigt synspunkt er begrebet "beskyttelse" mangelfuldt lige fra begyndelsen, da aktiviteter bør struktureres på en sådan måde, at de ikke tillader, at forhindre alle virkninger og resultater, som de så ville skal "beskyttes".[...]

Omkring 99% af alt stof i biosfæren omdannes af levende organismer, og den samlede biomasse af Jordens levende stof er anslået til kun 2,4 1012 tons tørstof, hvilket er 10"9 del af Jordens masse. Årlig biomassereproduktion er omkring 170 milliarder tons tørstof. Den samlede biomasse af planteorganismer er 2500 gange større end dyrs, men artsdiversiteten i zoosfæren er 6 gange rigere end phytosfærens. Hvis alle levende organismer blev lagt i ét lag, ville der dannes et biologisk dæksel på kun 5 mm tykt på Jordens overflade. Men på trods af den lille størrelse af biotaen, er det den, der bestemmer de lokale forhold på jordskorpens overflade. Dens eksistens er ansvarlig for fremkomsten af ​​fri ilt i atmosfæren, dannelsen af ​​jord og kredsløbet af elementer i naturen.[...]

Vi har allerede beskrevet svampe ovenfor, og vi kalder faktisk dens frugtlegeme en svamp, men dette er kun en del af en enorm organisme. Dette er et omfattende netværk af mikroskopiske fibre (rev), som kaldes mycelium (mycelium) og gennemtrænger detritus, hovedsageligt træ, bladstrøelse osv. Efterhånden som myceliet vokser, udskiller det et betydeligt antal enzymer, der nedbryder træet til en tilstand. klar til forbrug, og Gradvist nedbryder myceliet dødt ved fuldstændigt. Det er interessant, som B. Nebel skriver (1993), at det er muligt at finde svampe på uorganisk jord, da deres mycelium er i stand til at udvinde selv meget lave koncentrationer af organiske stoffer fra dens tykkelse. Bakterier fungerer på samme måde, men på mikroskopisk niveau. Meget vigtig for at opretholde stabiliteten af ​​den biologiske cyklus er svampes og nogle bakteriers evne til at danne enorme mængder sporer (reproduktionsceller). Disse mikroskopiske partikler transporteres af luftstrømme i atmosfæren over meget betydelige afstande, hvilket giver dem mulighed for at sprede sig overalt og producere levedygtige afkom i ethvert rum under tilstedeværelsen af ​​optimale levevilkår.

Lille (biologisk) cyklus

Massen af ​​levende stof i biosfæren er relativt lille. Hvis det er fordelt over jordens overflade, er resultatet et lag på kun 1,5 cm.Tabel 4.1 sammenligner nogle kvantitative karakteristika for biosfæren og andre geosfærer på Jorden. Biosfæren, der udgør mindre end 10-6 gange massen af ​​planetens andre skaller, har en uforlignelig større diversitet og fornyer sin sammensætning en million gange hurtigere.

Tabel 4.1

Sammenligning af biosfæren med andre geosfærer på Jorden

*Levende stof baseret på levende vægt

4.4.1. Biosfærens funktioner

Takket være biosfærens biota sker den overvejende del af kemiske transformationer på planeten. Derfor dommen fra V.I. Vernadsky om den enorme transformative geologiske rolle af levende stof. Under organisk evolution passerede levende organismer gennem sig selv, gennem deres organer, væv, celler, blod, hele atmosfæren, hele verdenshavets volumen, det meste af jordmassen og en enorm masse mineraler tusinde gange (f. forskellige cyklusser fra 103 til 105 gange). Og de gik ikke kun glip af det, men ændrede også jordens miljø i overensstemmelse med deres behov.

Takket være deres evne til at omdanne solenergi til energien fra kemiske bindinger, udfører planter og andre organismer en række fundamentale biogeokemiske funktioner på planetarisk skala.

Gas funktion. Levende ting udveksler konstant ilt og kuldioxid med miljøet gennem processerne fotosyntese og respiration. Planter spillede en afgørende rolle i ændringen fra et reducerende miljø til et oxiderende miljø i den geokemiske udvikling af planeten og i dannelsen af ​​gassammensætningen i den moderne atmosfære. Planter kontrollerer strengt koncentrationerne af O2 og CO2, som er optimale for helheden af ​​alle moderne levende organismer.

Koncentration funktion. Ved at lede store mængder luft og naturlige opløsninger gennem deres kroppe udfører levende organismer biogen migration (bevægelse af kemikalier) og koncentration af kemiske elementer og deres forbindelser. Dette vedrører biosyntesen af ​​organisk stof, dannelsen af ​​koraløer, konstruktionen af ​​skaller og skeletter, fremkomsten af ​​sedimentære kalkstenslag, aflejringer af nogle metalmalme, akkumulering af jern-mangan-knuder på havbunden osv. tidlige stadier af biologisk udvikling fandt sted i vandmiljøet. Organismer har lært at udvinde de stoffer, de har brug for, fra en fortyndet vandig opløsning, og gentagne gange øget deres koncentration i deres krop.

Redoxfunktionen af ​​levende stof er tæt forbundet med den biogene migration af grundstoffer og koncentrationen af ​​stoffer. Mange stoffer i naturen er stabile og undergår ikke oxidation under normale forhold, for eksempel er molekylært kvælstof et af de vigtigste biogene grundstoffer. Men levende celler har så kraftige katalysatorer - enzymer - at de er i stand til at udføre mange redoxreaktioner millioner af gange hurtigere, end de kan finde sted i et abiotisk miljø.

Informationsfunktion af levende stof i biosfæren. Det var med fremkomsten af ​​de første primitive levende væsener, at aktiv ("levende") information dukkede op på planeten, som adskilte sig fra den "døde" information, som er en simpel afspejling af strukturen. Organismer viste sig at være i stand til at opnå information ved at kombinere en strøm af energi med en aktiv molekylær struktur, der spiller rollen som et program. Evnen til at opfatte, lagre og behandle molekylær information har gennemgået en hurtig udvikling i naturen og er blevet den vigtigste økologiske systemdannende faktor. Den samlede forsyning af genetisk information af biotaen er anslået til 1015 bit. Den samlede kraft af strømmen af ​​molekylær information forbundet med metabolisme og energi i alle celler i den globale biota når 1036 bit/s (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. Komponenter i det biologiske kredsløb.

Det biologiske kredsløb opstår mellem alle komponenter i biosfæren (dvs. mellem jord, luft, vand, dyr, mikroorganismer osv.). Det sker med obligatorisk deltagelse af levende organismer.

Solstråling, der når biosfæren, bærer energi på omkring 2,5 * 1024 J om året. Kun 0,3% af det omdannes direkte under fotosynteseprocessen til energien af ​​kemiske bindinger af organiske stoffer, dvs. er involveret i det biologiske kredsløb. Og 0,1 - 0,2 % af solenergien, der falder på Jorden, viser sig at være indeholdt i ren primærproduktion. Den videre skæbne for denne energi er forbundet med overførslen af ​​organisk stof af fødevarer gennem kaskader af trofiske kæder.

Det biologiske kredsløb kan betinget opdeles i indbyrdes forbundne komponenter: stoffernes kredsløb og energikredsløbet.

4.4.3. Energi kredsløb. Transformation af energi i biosfæren

Et økosystem kan beskrives som en samling af levende organismer, der kontinuerligt udveksler energi, stof og information. Energi kan defineres som evnen til at udføre arbejde. Energiens egenskaber, herunder energiens bevægelse i økosystemer, er beskrevet af termodynamikkens love.

Termodynamikkens første lov eller loven om energiens bevarelse siger, at energi ikke forsvinder eller skabes på ny, den går kun fra en form til en anden.

Termodynamikkens anden lov siger, at i et lukket system kan entropien kun stige. I forhold til energi i økosystemer er følgende formulering praktisk: processer forbundet med omdannelsen af ​​energi kan kun forekomme spontant under den betingelse, at energien går fra en koncentreret form til en spredt form, det vil sige, den nedbrydes. Målingen af ​​mængden af ​​energi, der bliver utilgængelig til brug, eller på anden måde målet for den ændring i rækkefølge, der sker under nedbrydningen af ​​energi, er entropi. Jo højere rækkefølge systemet er, jo lavere er dets entropi.

Med andre ord modtager og omdanner levende stof energien fra rummet og solen til energien fra jordiske processer (kemiske, mekaniske, termiske, elektriske). Involverer denne energi og uorganiske stoffer i det kontinuerlige kredsløb af stoffer i biosfæren. Energistrømmen i biosfæren har én retning - fra Solen gennem planter (autotrofer) til dyr (heterotrofer). Naturlige uberørte økosystemer i en stabil tilstand med konstante kritiske miljøindikatorer (homeostase) er de mest ordnede systemer og er karakteriseret ved den laveste entropi.

4.4.4. Stoffers kredsløb i den levende natur

Dannelsen af ​​levende stof og dets nedbrydning er to sider af en enkelt proces, som kaldes den biologiske cyklus af kemiske elementer. Liv er kredsløbet af kemiske elementer mellem organismer og miljøet.

Årsagen til cyklussen er det begrænsede antal grundstoffer, som organismers kroppe er bygget af. Hver organisme udvinder stoffer, der er nødvendige for liv, fra miljøet og returnerer ubrugte. Hvori:

Nogle organismer forbruger mineraler direkte fra miljøet;

andre bruger først forarbejdede og isolerede produkter;

tredje - anden osv., indtil stofferne vender tilbage til miljøet i deres oprindelige tilstand.

I biosfæren er der et åbenlyst behov for sameksistens af forskellige organismer, der er i stand til at bruge hinandens affaldsprodukter. Vi ser stort set affaldsfri biologisk produktion.

Cirkulationen af ​​stoffer i levende organismer kan groft reduceres til fire processer:

1. Fotosyntese. Som følge af fotosyntesen optager og akkumulerer planter solenergi og syntetiserer organiske stoffer - primære biologiske produkter - og ilt fra uorganiske stoffer. Primære biologiske produkter er meget forskellige - de indeholder kulhydrater (glukose), stivelse, fibre, proteiner og fedtstoffer.

Fotosynteseskemaet for det enkleste kulhydrat (glukose) har følgende skema:

Denne proces forekommer kun i løbet af dagen og ledsages af en stigning i plantemassen.

På Jorden dannes der årligt omkring 100 milliarder tons organisk stof som følge af fotosyntesen, omkring 200 milliarder tons kuldioxid absorberes, og der frigives cirka 145 milliarder tons ilt.

Fotosyntese spiller en afgørende rolle for at sikre eksistensen af ​​liv på Jorden. Dens globale betydning forklares ved, at fotosyntese er den eneste proces, hvorunder energi i en termodynamisk proces, i overensstemmelse med det minimalistiske princip, ikke spredes, men snarere akkumuleres.

Ved at syntetisere de aminosyrer, der er nødvendige for konstruktionen af ​​proteiner, kan planter eksistere relativt uafhængigt af andre levende organismer. Dette manifesterer planters autotrofi (uafhængighed i ernæring). Samtidig er den grønne masse af planter og den ilt, der produceres under fotosyntesen, grundlaget for at understøtte livet for den næste gruppe af levende organismer - dyr, mikroorganismer. Dette viser heterotrofien af ​​denne gruppe af organismer.

2. Vejrtrækning. Processen er det omvendte af fotosyntese. Forekommer i alle levende celler. Under vejrtrækningen oxideres organisk stof af ilt, hvilket resulterer i dannelse af kuldioxid, vand og frigivelse af energi.

3. Fødevareforbindelser (trofiske) mellem autotrofe og heterotrofe organismer. I dette tilfælde overføres energi og stof langs fødekædens led, som vi diskuterede mere detaljeret tidligere.

4. Transpirationsprocessen. En af de vigtigste processer i det biologiske kredsløb.

Det kan skematisk beskrives som følger. Planter absorberer jordens fugt gennem deres rødder. Samtidig modtager de mineraler opløst i vand, som optages, og fugten fordamper mere eller mindre intensivt afhængig af miljøforhold.

4.4.5. Biogeokemiske kredsløb

Geologiske og biologiske kredsløb er forbundet - de eksisterer som en enkelt proces, der giver anledning til cirkulation af stoffer, de såkaldte biogeokemiske kredsløb (BGCC). Denne cyklus af grundstoffer skyldes syntesen og nedbrydningen af ​​organiske stoffer i økosystemet (fig. 4.1) Ikke alle elementer i biosfæren er involveret i BGCC, men kun biogene. Levende organismer er sammensat af dem; disse elementer indgår i talrige reaktioner og deltager i processer, der forekommer i levende organismer. Procentvis består den samlede masse af levende stof i biosfæren af ​​følgende biogene hovedelementer: oxygen - 70%, kulstof - 18%, brint - 10,5%, calcium - 0,5%, kalium - 0,3%, nitrogen - 0, 3% (ilt, brint, nitrogen, kulstof er til stede i alle landskaber og er grundlaget for levende organismer - 98%).

Essensen af ​​biogen migration af kemiske elementer.

I biosfæren er der således en biogen cyklus af stoffer (dvs. en cyklus forårsaget af organismers vitale aktivitet) og en ensrettet energistrøm. Biogen migration af kemiske elementer bestemmes hovedsageligt af to modsatrettede processer:

1. Dannelse af levende stof fra miljøelementer på grund af solenergi.

2. Destruktion af organiske stoffer, ledsaget af frigivelse af energi. I dette tilfælde kommer elementer af mineralske stoffer gentagne gange ind i levende organismer og bliver derved en del af komplekse organiske forbindelser, former, og derefter, når sidstnævnte ødelægges, får de igen en mineralsk form.

Der er grundstoffer, der er en del af levende organismer, men som ikke er klassificeret som biogene. Sådanne elementer er klassificeret efter deres vægtfraktion i organismer:

Makroelementer - udgør mindst 10-2% af massen;

Mikroelementer - komponenter fra 9*10-3 til 1*10-3% af massen;

Ultramikroelementer - mindre end 9*10-6% af massen;

For at bestemme stedet for næringsstoffer blandt andre kemiske elementer i biosfæren, lad os overveje klassificeringen accepteret i økologi. I henhold til deres aktivitet i processer, der forekommer i biosfæren, er alle kemiske elementer opdelt i 6 grupper:

Ædelgasser - helium, neon, argon, krypton, xenon. Inerte gasser er ikke en del af levende organismer.

Ædelmetaller - ruthenium, radium, palladium, osmium, iridium, platin, guld. Disse metaller skaber næsten ingen forbindelser i jordskorpen.

Cykliske eller biogene elementer (de kaldes også vandrende). Denne gruppe af biogene elementer i jordskorpen tegner sig for 99,7% af den samlede masse, og de resterende 5 grupper - 0,3%. Hovedparten af ​​grundstofferne er således migranter, der cirkulerer i den geografiske konvolut, og delen af ​​de inaktive elementer er meget lille.

Spredte grundstoffer karakteriseret ved en overvægt af frie atomer. De indgår i kemiske reaktioner, men deres forbindelser findes sjældent i jordskorpen. De er opdelt i to undergrupper. Den første - rubidium, cæsium, niobium, tantal - skaber forbindelser i dybden af ​​jordskorpen, og på overfladen bliver deres mineraler ødelagt. Den anden - jod, brom - reagerer kun på overfladen.

Radioaktive grundstoffer - polonium, radon, radium, uran, neptunium, plutonium.

Sjældne jordarter - yttrium, samarium, europium, thulium osv.

Året rundt sætter biokemiske kredsløb omkring 480 milliarder tons stof i gang.

I OG. Vernadsky formulerede tre biogeokemiske principper, der forklarer essensen af ​​biogen migration af kemiske elementer:

Biogen migration af kemiske elementer i biosfæren stræber altid efter dens maksimale manifestation.

Udviklingen af ​​arter over geologisk tid, der fører til skabelsen af ​​stabile livsformer, går i en retning, der forbedrer den biogene migration af atomer.

Levende stof er i kontinuerlig kemisk udveksling med sit miljø, hvilket er en faktor, der genskaber og vedligeholder biosfæren.

Lad os overveje, hvordan nogle af disse elementer bevæger sig i biosfæren.

Kulstofkredsløb. Hoveddeltageren i det biotiske kredsløb er kulstof som grundlag for organiske stoffer. Kulstofkredsløbet foregår primært mellem levende stof og atmosfærisk kuldioxid gennem fotosynteseprocessen. Det fås fra mad af planteædere og fra planteædere af kødædere. Under respiration og henfald returneres kuldioxid delvist til atmosfæren; tilbagevenden sker, når organiske mineraler forbrændes.

I mangel af kulstofretur til atmosfæren ville det blive forbrugt af grønne planter om 7-8 år. Hastigheden for biologisk kulstofomsætning gennem fotosyntese er 300 år. Havene spiller en stor rolle i reguleringen af ​​CO2-indholdet i atmosfæren. Hvis CO2-indholdet stiger i atmosfæren, opløses noget af det i vand og reagerer med calciumcarbonat.

Ilt cyklus.

Ilt har høj kemisk aktivitet og kombineres med næsten alle elementer i jordskorpen. Det findes hovedsageligt i form af forbindelser. Hvert fjerde atom af levende stof er et iltatom. Næsten al den molekylære ilt i atmosfæren opstod og holdes på et konstant niveau på grund af grønne planters aktivitet. Atmosfærisk ilt, bundet under respiration og frigivet under fotosyntese, passerer gennem alle levende organismer på 200 år.

Nitrogen kredsløb. Nitrogen er en integreret del af alle proteiner. Det generelle forhold mellem fast nitrogen, som et grundstof, der udgør organisk stof, og nitrogen i naturen er 1:100000. Den kemiske bindingsenergi i et nitrogenmolekyle er meget høj. Derfor kræver kombinationen af ​​nitrogen med andre grundstoffer - oxygen, brint (processen med nitrogenfiksering) - meget energi. Industriel nitrogenfiksering sker i nærvær af katalysatorer ved en temperatur på -500°C og et tryk på -300 atm.

Som bekendt indeholder atmosfæren mere end 78% molekylært nitrogen, men i denne tilstand er det ikke tilgængeligt for grønne planter. Til deres ernæring kan planter kun bruge salte af salpetersyre og salpetersyre. Hvordan er disse salte dannet? Her er nogle af dem:

I biosfæren udføres nitrogenfiksering af flere grupper af anaerobe bakterier og cyanobakterier ved normal temperatur og tryk på grund af den høje effektivitet af biokatalyse. Det antages, at bakterier omdanner cirka 1 milliard tons nitrogen om året til en bundet form (det globale volumen af ​​industriel fiksering er omkring 90 millioner tons).

Jordens nitrogenfikserende bakterier er i stand til at optage molekylært kvælstof fra luften. De beriger jorden med nitrogenforbindelser, så deres betydning er ekstremt stor.

Som et resultat af nedbrydning af nitrogenholdige forbindelser af organiske stoffer af vegetabilsk og animalsk oprindelse.

Under påvirkning af bakterier bliver nitrogen til nitrater, nitritter og ammoniumforbindelser. I planter deltager nitrogenforbindelser i syntesen af ​​proteinforbindelser, som overføres fra organisme til organisme i fødekæder.

Fosfor kredsløb. Et andet vigtigt element, uden hvilket proteinsyntese er umulig, er fosfor. De vigtigste kilder er magmatiske bjergarter (apatitter) og sedimentære bjergarter (phosphoritter).

Uorganisk fosfor er involveret i kredsløbet som følge af naturlige udvaskningsprocesser. Fosfor absorberes af levende organismer, som med sin deltagelse syntetiserer en række organiske forbindelser og overfører dem til forskellige trofiske niveauer.

Efter at have afsluttet sin rejse gennem trofiske kæder, nedbrydes organiske fosfater af mikrober og omdannes til mineralske fosfater, der er tilgængelige for grønne planter.

I processen med biologisk cirkulation, som sikrer bevægelse af stof og energi, er der ikke plads til ophobning af affald. Hver livsforms affaldsprodukter (dvs. affald) danner grobund for andre organismer.

Teoretisk set bør der altid opretholdes en balance i biosfæren mellem produktionen af ​​biomasse og dens nedbrydning. Men i visse geologiske perioder blev balancen i det biologiske kredsløb forstyrret, da ikke alle biologiske produkter blev assimileret og transformeret på grund af visse naturforhold og katastrofer. I disse tilfælde blev der dannet overskydende biologiske produkter, som blev bevaret og aflejret i jordskorpen, under tykkelsen af ​​vand, sediment og endte i permafrostzonen. Sådan blev forekomster af kul, olie, gas og kalksten dannet. Det skal bemærkes, at de ikke forurener biosfæren. Solens energi, akkumuleret under fotosynteseprocessen, er koncentreret i organiske mineraler. Nu, ved at brænde organiske brændbare mineraler, frigiver en person denne energi.