Syklus av materie og energi i biosfæren. Biogeokjemiske sykluser (biogeokjemiske sykluser) - sykliske metabolske prosesser mellom ulike komponenter i biosfæren, forårsaket av den vitale aktiviteten til organismer

Ris. 8. Plan over den biologiske syklusen

Alle prosesser på jorden i det innledende stadiet er levert av solens energi. Planeten vår mottar 4–5·10 13 kcal/s fra solen. Bare 0,1–0,2 % av solenergien absorberes av planter, men denne energien gjør en enorm mengde arbeid: den «starter» biosynteseprosesser og omdannes til energien til kjemiske bindinger av syntetiserte organiske stoffer. Biogene elementer, i motsetning til energi, beholdes i økosystemet, hvor de gjennomgår en kontinuerlig syklus, der både levende organismer og det fysiske miljøet deltar.

Siden planter og dyr bare kan bruke næringsstoffer som finnes på eller nær jordoverflaten, krever bevaring av liv at stoffer assimilert av levende organismer etter hvert blir tilgjengelige for andre organismer.

Hvert kjemisk element, som lager en syklus i økosystemet, følger sin egen spesielle vei, men alle sykluser settes i bevegelse av energi, og elementene som deltar i dem går vekselvis fra organisk til uorganisk form og omvendt .

Solens energi forårsaker bevegelse av to sykluser - store geologiske og små biologiske. Stor, eller geologisk, syklus– sirkulasjon av stoffer i systemet: geokjemisk flyt av land – hydrografisk nettverk – hav – luftmasser – aerosoler – geokjemisk flyt av land. Det er tydeligst manifestert i vannets syklus og atmosfærisk sirkulasjon. Liten, biologisk(biotisk), – inntrengning av kjemiske elementer fra jord og atmosfære til levende organismer; transformasjonen av innkommende elementer til nye komplekse forbindelser og deres tilbakeføring til jorda og atmosfæren i prosessen med livsaktivitet med det årlige fallet av en del av det organiske materialet eller med helt døde organismer som er en del av økosystemet.

Begge syklusene er gjensidig forbundet og representerer en enkelt prosess med bevegelse av materie på planeten vår.

Som nevnt i forelesninger 1–5 er ethvert økosystem (biosfærens hovedstrukturenhet) preget av en konstant utveksling av materie, energi og informasjon mellom dens individuelle komponenter. Utvekslingen av næringsstoffer mellom levende organismer og ikke-levende komponenter er balansert i de fleste samfunn. Et økosystem kan betraktes som en serie blokker som ulike stoffer passerer gjennom og hvor disse stoffene kan forbli i lang tid. I de fleste tilfeller involverer syklusene av mineralske stoffer i et økosystem tre aktive blokker: levende organismer, død organisk detritus og tilgjengelige uorganiske stoffer. To ekstra blokker - indirekte tilgjengelige uorganiske stoffer og utfellende organiske stoffer - er assosiert med syklusene av næringsstoffer i enkelte perifere områder, men utvekslingen mellom disse blokkene og resten av økosystemet er langsom sammenlignet med utvekslingen som skjer mellom de aktive blokkene.

Levende organismer og biosfæren som helhet består av de samme kjemiske elementene som finnes i miljøet. Syntesen av biomasse krever rundt 40 grunnstoffer, hvorav de viktigste er karbon, nitrogen, oksygen, hydrogen, fosfor og svovel. De kalles biogene elementer. Hovedbiomassen kommer fra karbon, oksygen og hydrogen. De utgjør 99,9 % av vekten av levende organismer, utgjør 99 % av vekten av hele jordskorpen og sikrer dermed bærekraften til livet på jorden. Alle andre kjemiske elementer er i en dispergert tilstand. Mesteparten av vekten til levende organismer kommer fra O 2 og C. De utgjør fra 50 til 90 % av den tørre absolutte vekten.

Biogene elementer, som vekselvis går fra levende materie
til uorganisk, delta i ulike biogeokjemiske sykluser.

Biogeokjemiske sykluser– syklusen av kjemiske elementer: fra uorganisk natur gjennom plante- og dyreorganismer tilbake til uorganisk natur. Det oppnås ved hjelp av solenergi og energien til kjemiske reaksjoner.

I følge lov om biogen migrasjon av atomer av V. I. Vernadsky"migrering av kjemiske elementer på jordens overflate og i biosfæren
vanligvis utføres enten med direkte deltakelse av levende materie (biogen migrasjon), eller det skjer i et miljø hvis geokjemiske egenskaper bestemmes av levende materie, både det som for tiden bor i biosfæren og det som har virket på jorden gjennom hele den geologiske historier".

Biogeokjemiske sykluser kan deles inn i to grupper:

syklusen av gasser der atmosfæren fungerer som hovedreservoaret til elementet (karbon, nitrogen, oksygen, vann);

sedimentære sykluser, hvis elementer i fast tilstand er en del av sedimentære bergarter (fosfor, svovel, etc.).

Utvekslingen av næringsstoffer mellom levende organismer og det uorganiske miljøet er balansert i de fleste samfunn.

Som et resultat har mengden biomasse av levende stoff i jordens biosfære en tendens til å være noe konstant. Biosfærens biomasse (2·10 12 g) er syv størrelsesordener mindre enn massen til jordskorpen (2·10 19 t). Jordens planter produserer årlig organisk materiale tilsvarende 1,6 10 11 tonn, eller 8 % av biomassen i biosfæren. Destruktorer, som utgjør mindre enn 1 % av den totale biomassen til planetens organismer, behandler en masse organisk materiale som er 10 ganger større enn deres egen biomasse. I gjennomsnitt er biomassefornyelsesperioden 12,5 år.

Eksistensen av biogene sykluser skaper muligheten for selvregulering (homeostase) av systemet, noe som gir økosystemet stabilitet - konstanten av det prosentvise innholdet av ulike elementer. Dermed gjelder det grunnleggende prinsippet om økosystemenes funksjon: anskaffelse av ressurser og deponering av avfall skjer innenfor syklusen til alle elementer.

La oss vurdere mer detaljert syklusene til de viktigste næringsstoffene. La oss starte med vannets kretsløp, siden det spiller en kritisk rolle i bevegelsen av oksygen og hydrogen i økosystemer. Organismer mister raskt vann gjennom fordampning og utskillelse i løpet av et individs liv, vannet i kroppen kan fornyes hundrevis og tusenvis av ganger.

Vannets kretsløp

Vannets kretsløp- en av hovedkomponentene i den abiotiske sirkulasjonen av stoffer, inkluderer overgangen av vann fra flytende til gassformig og fast tilstand og tilbake (fig. 9). Den har alle hovedtrekkene til andre sykluser - den er også tilnærmet balansert på skalaen til hele kloden og drives av energi. Vannets syklus er den viktigste syklusen på jorden når det gjelder masseoverføring og energiforbruk. Hvert sekund er 16,5 millioner m3 vann involvert i det og mer enn 40 milliarder MW solenergi brukes på dette.

Ris. 9. Vannets kretsløp i naturen

De viktigste prosessene som sikrer vannets kretsløp er: infiltrasjon, fordampning, avrenning:

1. Infiltrasjon - fordampning - transpirasjon: vann absorberes av jorda, holdes tilbake som kapillærvann, og returneres deretter til atmosfæren, fordamper fra jordoverflaten, eller absorberes av planter og frigjøres som damp under transpirasjon;

2. Overflate- og undergrunnsstrømning: vann blir en del av overflatevann. Grunnvannsbevegelse: Vann kommer inn og beveger seg gjennom bakken, mater brønner og kilder, før det kommer inn i overflatevannsystemet igjen.

Dermed kan vannets kretsløp representeres i form av to energibaner: den øvre banen (fordampning) drives av solenergi, den nedre banen (nedbør) gir energi til innsjøer, elver, våtmarker, andre økosystemer og direkte til mennesker, for eksempel ved vannkraftverk. Menneskelige aktiviteter har en enorm innvirkning på den globale vannsyklusen, som kan endre vær og klima. Som et resultat av å dekke jordoverflaten med materialer som er ugjennomtrengelige for vann, bygge vanningssystemer, komprimere dyrkbar jord, ødelegge skog, etc., øker vannstrømmen til havet og etterfyllingen av grunnvann reduseres. I mange tørre områder pumpes disse reservoarene ut av mennesker raskere enn de fylles.
I Russland er 3 367 grunnvannsforekomster undersøkt for vannforsyning og land vanning. Utnyttbare reserver av utforskede forekomster er 28,5 km 3 /år. Graden av utvikling av disse reservene i Den russiske føderasjonen er ikke mer enn 33%, og 1 610 innskudd er i drift.

Det særegne ved syklusen er at mer vann fordamper fra havet (ca. 3,8 10 14 tonn) enn det kommer tilbake med nedbør (ca. 3,4 10 14 tonn). På land faller det tvert imot mer nedbør (ca. 1,0 10 14 t) enn det fordamper (totalt ca. 0,6 10 14 t). Fordi mer vann fordamper fra havet enn det som returneres, består mye av sedimentet som brukes av terrestriske økosystemer, inkludert agroøkosystemer som produserer menneskelig mat, av vann som fordamper fra havet. Overskuddsvann fra land renner ut i innsjøer og elver, og derfra tilbake i havet. I følge eksisterende estimater inneholder ferskvannsforekomster (innsjøer og elver) 0,25 10 14 tonn vann, og den årlige vannføringen er 0,2 10 14 tonn. Dermed er omsetningstiden for ferskvann cirka ett år. Forskjellen mellom mengden nedbør som faller på land per år (1,0 10 14 t) og avrenning (0,2 10 14 t) er 0,8 10 14 t, som fordamper og går inn i undergrunnsakviferer. Overflateavrenning fyller delvis opp grunnvannsreservoarer og fylles selv opp fra dem.

Atmosfærisk nedbør er hovedleddet i fuktighetssirkulasjonen og bestemmer i stor grad det hydrologiske regimet til landøkosystemer. Deres fordeling over hele territoriet, spesielt i fjellene, er ujevn, noe som skyldes egenskapene til atmosfæriske prosesser og den underliggende overflaten. For eksempel, for skog-tundraens åpne skoger i Putorana-skogdyrkende provinsen i Sentral-Sibir, er den årlige nedbørsmengden
617 mm, for de nordlige taiga-skogene i Nedre Tunguska-skogbruksdistriktet - 548, og for de sørlige taiga-skogene i Angara-regionen synker den til 465 mm (tabell 2).

Fordampning har en av de ledende stedene. Med ankomsten av liv på jorden ble vannsyklusen relativt kompleks, siden det fysiske fenomenet med å gjøre vann til damp ble supplert med prosessen med biologisk fordampning assosiert med livet til planter og dyr - transpirasjon. Sammen med nedbør og avrenning er evapotranspirasjon, som inkluderer fordamping av oppfanget nedbør, transpirasjon av fuktighet fra planter og fordampning under baldakin, hovedutgiftsposten i vannbalansen, spesielt i skogøkosystemer. For eksempel,
i en tropisk regnskog når mengden vann som fordampes av planter 7000 m3/km2 per år, mens den i en savanne på samme breddegrad og høyde fra samme område ikke overstiger 3000 m3/km2 per år.

Vegetasjon spiller generelt en betydelig rolle i vannfordampning, og påvirker dermed klimaet i regionene. Hastigheten av evapotranspirasjon avhenger av strålingsbalansen og ulik vegetasjonsproduktivitet. Som det fremgår av tabellen. 2, med en økning i overjordisk fytomasse på grunn av større fordampning av oppfangede sedimenter og forbruk av transpirasjonsfuktighet, øker total fordampning.

tabell 2

Evapotranspirasjon av skogøkosystemer i Yenisei-meridianen

* – Vedrova et al. (fra boken Forest Ecosystems of the Yenisei Meridian, 2002);

**, *** – Burenina og andre (ibid.).

I tillegg utfører høyere vegetasjon en vannbeskyttelses- og vannreguleringsfunksjon som er svært viktig for terrestriske økosystemer: den reduserer flom, holder på fuktigheten i jorda og hindrer dem i å tørke ut og erosjon. For eksempel, når avskoging skjer, øker i noen tilfeller sannsynligheten for flom og sumping av territoriet, i andre kan stoppprosessen av transpirasjon føre til en "tørking" av klimaet. Avskoging påvirker grunnvannet negativt, og reduserer områdets evne til å beholde nedbør. Noen steder hjelper skoger med å fylle opp akviferer, selv om skogene i de fleste tilfeller faktisk drenerer dem.

Tabell 3

Andel ferskvann og saltvann på jorden

De totale vannreservene på jorden er estimert til omtrent 1,5 til 2,5 milliarder km 3 . Saltvann utgjør ca. 97 % av volumet av vannmassen. Verdenshavet utgjør 96,5 % (tabell 3). Volumet av ferskvann, ifølge ulike estimater, er 35–37 millioner km 3, eller 2,5–2,7 % av de totale vannreservene på jorden. Mesteparten av ferskvannet (68–70 %) er konsentrert i isbreer og snødekke (ifølge Reimers, 1990).

Stoffer kommer inn i levende organismer fra jord, luft og vann. Vann fordamper fra havene og stiger til lagene i atmosfæren og danner regn. Grønne planter bruker vannet som kommer inn i jorda. Mens de opprettholder sine vitale funksjoner, frigjør de samtidig oksygenet som er nødvendig for livet. Samtidig, uten eksponering for oksygen, kunne ikke prosessene med nedbrytning og råtning av planter forekomme. Hva er navnet på denne onde sirkelen som gjør livet mulig på jorden, og hva er dens egenskaper?

Hovedbegrepet økologi

Den biologiske syklusen er sirkulasjonen av kjemiske elementer som oppsto samtidig med livets opprinnelse på planeten vår, og som skjer med deltakelse av levende organismer.

Mønstrene som er iboende i syklusen av stoffer løser hovedproblemene med å opprettholde liv på jorden. Tross alt er reservene av næringsstoffer på hele jordens overflate ikke ubegrensede, selv om de er enorme. Hvis disse reservene bare ble konsumert av levende vesener, ville livet i et øyeblikk måtte ta slutt. Forskeren R. Williams skrev: «Den eneste metoden som lar en begrenset mengde ha egenskapen uendelig, er å få den til å rotere langs banen til en lukket buet linje.» Livet selv bestemte at denne metoden skulle brukes på jorden. Organisk materiale skapes av grønne planter, mens ikke-grønt materiale brytes ned.

I den biologiske syklusen tar hver type levende vesen sin plass. Livets hovedparadoks er at det opprettholdes gjennom prosesser med ødeleggelse og konstant forfall. Komplekse organiske forbindelser blir ødelagt før eller siden. Denne prosessen er ledsaget av frigjøring av energi og tap av informasjon som er karakteristisk for en levende organisme. Mikroorganismer spiller en enorm rolle i den biologiske syklusen av stoffer og utviklingen av liv - det er med deres deltakelse at enhver form for liv er inkludert i den biotiske syklusen.

Linker til biokjeden

Mikroorganismer har to egenskaper som gjør at de kan innta en så viktig plass i livets sirkel. For det første kan de raskt tilpasse seg skiftende miljøforhold. For det andre kan de bruke en lang rekke stoffer, inkludert karbon, for å fylle opp energireservene. Ingen av de høyere organismene har slike egenskaper. De eksisterer bare som en overbygning over det grunnleggende grunnlaget for riket av mikroorganismer.

Individer og arter av ulike biologiske klasser er ledd i stoffets syklus. De samhandler også med hverandre ved hjelp av forskjellige typer forbindelser. Syklusen av stoffer på planetarisk skala inkluderer private biologiske sykluser i naturen. De utføres hovedsakelig gjennom næringskjeder.

Farlige innbyggere av husstøv

Saprofytter, de permanente "beboerne" av husstøv, spiller også en betydelig rolle i den biologiske syklusen. De lever av en rekke stoffer som er en del av husstøv. Samtidig produserer saprofytter ganske giftig avføring, som provoserer allergier.

Hvem er disse skapningene som er usynlige for det menneskelige øyet? Saprofytter tilhører edderkoppfamilien. De følger en person gjennom hele livet. Tross alt lever støvmidd av husstøv, som også inkluderer menneskelig hud. Forskere tror at saprofytter en gang var innbyggere i fuglereir, og deretter "flyttet" inn i menneskers hjem.

Støvmidd, som spiller en stor rolle i biologisk omsetning, har svært små størrelser - fra 0,1 til 0,5 mm. Men de er så aktive at på bare 4 måneder kan én støvmidd legge rundt 300 egg. Ett gram husstøv kan inneholde flere tusen midd. Det er umulig å forestille seg hvor mange støvmidd det kan være i et hus, fordi det antas at opptil 40 kg støv kan samle seg i et menneskelig hjem på ett år.

Sykle i skogen

I skogen er den biologiske syklusen sterkest på grunn av trerøtters penetrering ned i dypet av jorda. Det første leddet i denne omsetningen regnes vanligvis for å være det såkalte rhizosfæreleddet. Rhizosfæren er det tynne (3 til 5 mm) jordlaget rundt et tre. Jorda rundt røttene til et tre (eller "rhizosfærejord") er vanligvis veldig rik på roteksudater og forskjellige mikroorganismer. Rhizosfærekoblingen er en slags port mellom levende og livløs natur.

Forbruksleddet er i røttene, som absorberer mineraler fra jorda. Noen av stoffene vaskes tilbake i jorda ved nedbør, men mesteparten av næringsstoffene returneres i løpet av to prosesser – forsøpling og forfall.

Rollen som søppel og avfall

Søppel og søppel har ulik betydning i stoffers biologiske syklus. Søppel inkluderer trekjegler, greiner, blader og gressrester. Forskere inkluderer ikke trær i søppel – de er klassifisert som søppel. Det kan ta flere tiår å bryte ned forfallet. Noen ganger kan søppel tjene som matmateriale for andre treslag - men først etter å ha nådd et visst nedbrytningsstadium. Avfallet inneholder mange stoffer som tilhører askeklassen. De kommer sakte inn i jorda og brukes av planter for videre liv.

Hva er kullet avhengig av?

Søppel har en litt annen betydning i det biologiske kretsløpet. I løpet av et år går hele volumet over i søppellaget og gjennomgår fullstendig nedbrytning. Askeelementer kommer mye raskere inn i biotisk sirkulasjon. Men faktisk er søppel en del av den biologiske omsetningen allerede når bladene er på treet. Forsøplingen avhenger av mange faktorer: klima, vær i inneværende og tidligere år, og antall insekter. I skog-tundraen når den flere centners, i skog måles den i tonn. Den største mengden søppel i skog skjer om våren og høsten. Dette tallet varierer også avhengig av år.

Når det gjelder den organiske sammensetningen av nåler og blader, gjennomgår de de samme endringene i løpet av syklusen. I motsetning til søppel er grønne blader vanligvis rike på fosfor, kalium og nitrogen. Søppelet er som regel rikt på kalsium. Insekter og dyr har stor innflytelse på det biologiske kretsløpet. For eksempel kan bladspisende insekter øke hastigheten betydelig. Den største påvirkningen på omsetningshastigheten utøves imidlertid av dyr under nedbryting av søppel. Larver og ormer spiser og knuser søppelet og blander det med de øvre lagene av jorda.

Fotosyntese i naturen

Planter kan bruke sollys til å fylle opp energireservene. De gjør dette i to trinn. På det første stadiet fanges lyset opp av bladene; i det andre brukes energi til prosessen med karbonbinding og dannelse av organiske stoffer. Biologer kaller grønne planter autotrofer. De er grunnlaget for liv på hele planeten. Autotrofer er av stor betydning i fotosyntese og biologisk sirkulasjon. De omdanner energien fra sollys til lagret energi gjennom dannelsen av karbohydrater. Den viktigste av disse er sukkeret glukose. Denne prosessen kalles fotosyntese. Levende organismer av andre klasser kan få tilgang til solenergi ved å spise planter. Dermed dukker det opp en næringskjede som sørger for sirkulasjon av stoffer.

Mønstre for fotosyntese

Til tross for viktigheten av prosessen med fotosyntese, forble den uutforsket i lang tid. Først på begynnelsen av 1900-tallet utførte den engelske forskeren Frederick Blackman flere eksperimenter ved hjelp av hvilke det var mulig å etablere denne prosessen. Forskeren avslørte også noen mønstre for fotosyntese: det viste seg at den starter i lite lys, og øker gradvis med lysstrømmer. Dette skjer imidlertid bare opp til et visst nivå, hvoretter økt lys ikke lenger fremskynder fotosyntesen. Blackman fant også at gradvis økende temperatur med økende lys fremmer fotosyntese. Å øke temperaturen i lite lys fremskynder ikke denne prosessen, og det gjør heller ikke å øke lyset i lav temperatur.

Prosessen med å omdanne lys til karbohydrater

Fotosyntese begynner med prosessen med at fotoner fra sollys treffer klorofyllmolekyler som ligger i planteblader. Det er klorofyll som gir plantene den grønne fargen. Energifangst skjer i to trinn, som biologer kaller Fotosystem I og Fotosystem II. Interessant nok gjenspeiler tallene til disse fotosystemene rekkefølgen forskerne oppdaget dem i. Dette er en av raritetene i vitenskapen, siden reaksjoner først oppstår i det andre fotosystemet, og først da i det første.

Et foton av sollys kolliderer med 200-400 klorofyllmolekyler i et blad. I dette tilfellet øker energien kraftig og overføres til klorofyllmolekylet. Denne prosessen er ledsaget av en kjemisk reaksjon: klorofyllmolekylet mister to elektroner (de blir på sin side akseptert av den såkalte "elektronakseptoren", et annet molekyl). Og også når et foton kolliderer med klorofyll, dannes vann. Syklusen der sollys omdannes til karbohydrater kalles Calvin-syklusen. Betydningen av fotosyntese og stoffers biologiske syklus kan ikke undervurderes - det er takket være disse prosessene at oksygen er tilgjengelig på jorden. Mineralressurser oppnådd av mennesker - torv, olje - er også bærere av energi som lagres under fotosynteseprosessen.

Helt siden begynnelsen av eksistensen av planeten vår har det hele tiden forekommet ulike prosesser for energioverføring mellom levende organismer og miljøet. Den forvandles, går inn i andre former, binder seg og forsvinner igjen. Det samme kan sies om ethvert stoff som danner grunnlaget for livet. Hver av dem går gjennom mange tilfeller, gjennomgår flere endringer og kommer til slutt tilbake.

Disse prosessene gir en idé om hva syklusen av stoffer er i naturen. De lar deg spore bevegelsen til ikke bare forbindelser, men også individuelle elementer. La oss prøve å forstå dette problemet mer detaljert.

Generelt konsept for syklusen av stoffer

Hva er syklusen av stoffer? Dette er sykliske overganger fra en form til en annen, ledsaget av delvis tap eller spredning, men som har en permanent, stabil karakter. Det vil si at ethvert stoff eller element gjennomgår en serie overganger i stadier, transformerer og endrer seg, men går til slutt tilbake til sin opprinnelige form.

Naturligvis kan det over tid være delvise tap i mengden av den aktuelle forbindelsen eller grunnstoffet. Imidlertid er det generelle mønsteret konstant og har blitt bevart i mange årtusener.

Hva syklusen av stoffer er kan sees ved hjelp av et eksempel. Den enkleste av dem er transformasjonen av organiske stoffer. Til å begynne med består alle flercellede levende vesener av dem. Etter å ha fullført livssyklusen, blir kroppene deres dekomponert av spesielle organismer og organiske forbindelser omdannes til uorganiske. Disse forbindelsene blir deretter absorbert av andre skapninger og gjenopprettet til sin organiske form inne i kroppen. Deretter gjentas prosessen og fortsetter syklisk hele tiden.

Diagrammet over syklusen av stoffer i naturen gjør det klart at ingenting oppstår fra noe sted og forsvinner ut i ingensteds. Alt har sin begynnelse, slutt og overgangsformer. Dette er de grunnleggende reglene for livet. Energi styres av dem. La oss vurdere eksempler på transformasjoner som skjer i økosystemer og levende vesener. Vi vil også forstå hva syklusen av stoffer er basert på ett spesifikt element.

Levende materie i naturen

Det viktigste stoffet i biosfæren er levende. Hva det er? Dette er enhver representant for dyrelivet. Sammen danner de biomasse. Den gjennomgår naturlig endringer og er en deltaker i alle prosesser som skjer i miljøet.

Sirkulasjonen av levende stoffer kan illustreres med følgende eksempel.

1. De første skapningene som direkte fanger sollysets energi og omdanner den til energien til kjemiske bindinger, er planter og blågrønne bakterier. Dette skjer på grunn av pigmentet klorofyll under fotosyntesen. Resultatet er syntese av organisk materiale fra uorganiske komponenter. Slik ble det første leddet mellom det levende stoffet i biosfæren dannet.
2. Deretter kommer dyr som er i stand til å direkte livnære seg på planter. Og også altetende, som inkluderer mennesker. De forbruker det første leddet og omdanner organisk materiale i seg selv til en annen form - uorganisk.
3. Planteetende skapninger er gjenstand for å bli spist av kjøttetende dyr. Slik går stoffer over i andre organismer.
4. Deretter kommer de organismene som er i stand til å livnære seg på kjøttetende former. Topp rovdyr. De er det siste leddet i sirkulasjonen av organisk materiale. Etter at de dør, kommer følgende organismer inn i bildet.
5. Detritivorer er mikroorganismer, sopp, protozoer som bryter ned de døde restene av levende vesener og omdanner alle stoffer til uorganisk form.
6. Disse forbindelsene (karbondioksid, vann, mineralsalter) brukes igjen av planter i prosessen med å lage organiske forbindelser.

Dermed gjenspeiler det gitte diagrammet over syklusen av stoffer i naturen transformasjonene av den levende komponenten i biosfæren. Alt begynner med planter og slutter med dem. En komplett syklisk prosess som har mange grener og komplekse krøller.

Syklus av stoffer i et økosystem

Ethvert økosystem er et helt fellesskap av forskjellige organismer, forent av komplekse ernæringsforhold, og også påvirket av lignende miljøforhold.

Sirkulasjonen av stoffer i et økosystem er underlagt visse miljølover. Derfor er streng underordning langs næringskjeden obligatorisk. Utveksling av energi, stoffer, sirkulasjon av mange elementer - alt dette skjer mellom individer innenfor en gitt økologisk gruppe.

Dessuten er de alle delt inn i flere grupper:

• produsenter;
• forbrukere av den første ordren;
• andre-ordens forbrukere;
• tredje-ordens forbrukere;
• altetende organismer;
• nedbrytere eller detritivorer.

Syklusen av stoffer kan se omtrent slik ut:

• planten (produsenten) produserer organisk materiale;
• (forbruker av første orden) forvandler det til uorganisk og annet organisk materiale;
• en rovdyr (andre-ordens forbruker) konverterer til annet organisk materiale;
• apex predator (tredjeordens forbruker) sprer det igjen delvis i form av varme, og delvis konsentrerer det i form av indre organiske stoffer;
• mikroorganismer, som bakterier, sopp og andre (nedbrytere eller detritivorer), bryter ned døde rester av dyr og danner en masse uorganiske forbindelser;
• planter absorberer uorganisk materiale og lager igjen en rekke viktige organiske forbindelser i prosessen med fotosyntese, det vil si at de produserer.

Økosystemstoffer

Det er åpenbart at i ett økosystem er det to hovedtyper av materie i nært samspill: organisk og uorganisk. Fra organisk er det:

• proteiner;
• fett;
• karbohydrater.

De uorganiske forbindelsene er som følger:

• vann;
• karbondioksid;
• mineralsalter;
• en rekke viktige makronæringsstoffer.

En svært viktig betingelse for normal funksjon av ethvert økosystem er en konstant tilstrømning av solenergi. Tross alt kan planter utføre fotosyntese bare under denne tilstanden. I tillegg spres energien i de kjemiske bindingene til forbindelser i form av varme i ganske store mengder. Stoffer kan derfor ikke sirkulere i uendret tilstand uten tap.

Skjema av syklusen av stoffer i enga

En eng er tross alt spesiell, den har noen forskjeller fra alle andre, for eksempel fra en skog. Hva er disse forskjellene?

1. Enga domineres kun av urteaktig vegetasjon, bestående av flerårige og ettårige lavurter. Imidlertid skiller de seg fra hverandre. De som er mer lyselskende er høye, mens de som kan leve i skyggen er lave.
2. Det er ingen store representanter for dyreverdenen i dette fellesskapet. Dette skyldes det faktum at de rett og slett ikke har noe sted å gjemme seg, fordi det ikke er trær.
3. Med jevne mellomrom, under kraftig regn, blir hele området av engen oversvømmet med vann. Derav deres andre navn - jellied eller bulk. Ikke alle levende vesener kan eksistere under slike forhold.

Hvis vi snakker om likhetene mellom eng- og skogssamfunn, for eksempel, bør hovedtrekket fremheves: begge territoriene er bebodd av representanter for planter, insekter, gnagere, fugler, krypdyr, amfibier og pattedyr.

Syklusen av stoffer i en eng kan se slik ut:

• mineraler og vann som planten forbruker direkte fra bakken;
• insekter som pollinerer blomster og lar dem reprodusere mens de lever av nektar, det vil si det organiske materialet som produseres av planten;
• fugler og pattedyr som spiser insekter og planter, det vil si spiser organisk materiale;
• mikroorganismer som bryter ned døde rester av planter og dyr og frigjør uorganiske stoffer (mineralsalter, vann, karbondioksid).

Eksempel på en eng gyre

Alle lenkene som er angitt i eksemplet er viktige. Sirkulasjonen av stoffer i enga er en nødvendig betingelse for at dette fellesskapet kan eksistere. Jorden kan berikes med nyttige stoffer og elementer bare takket være aktiviteten til innbyggerne - skadelige mikroorganismer, ormer, trelus og andre skapninger. Uten denne tilstanden vil planter mangle uorganisk materiale for fotosyntese og vekst, noe som betyr at det organiske materialet de produserer også vil være mangelfullt. Slik som stivelse, cellulose, protein og andre. Dette vil føre til en reduksjon i antall dyr og fugler, og dermed organisk materiale generelt. Som et resultat vil detritivorer også lide, og syklusen vil bli forstyrret.

Sirkulasjonen av stoffer i en eng kan illustreres med et mer spesifikt eksempel. La oss prøve å lage et slikt diagram.

• Mineralsalter, vann, karbondioksid og oksygen forbrukes av kamille.
• Honningbien pollinerer den utpekte planten og spiser pollen, det vil si karbohydrater og proteiner.
• Bieeteren og orrvågen hakker honningbien og spiser det organiske materialet i kroppen (kitin, protein, karbohydrater).
• Engsmusen og andre smågnagere og større arter spiser det organiske stoffet til planter og insekter.
• Tårnfalk (fugl) spiser gnagere og spiser
• Etter døden faller alle dyr og insekter til bakken, hvor kroppen deres blir utsatt for nedbrytning til dens bestanddeler ved aktiviteten til mikroorganismer, ormer, trelus og andre skadelige stoffer.
• Som et resultat er jorda igjen mettet med uorganiske salter, vann og andre forbindelser som absorberes av planterøtter.

Strømkretser og nettverk

Sirkulasjonen av stoffer og energi, som allerede har blitt klart, er nært knyttet til et slikt økologisk konsept som en kjede eller matnettverk. Tross alt er ethvert stoff et materiale, et produkt som fungerer som et byggemateriale for dannelsen av strukturelle deler av celler, vev og organer.

Hver medfører uunngåelig sykliske transformasjoner av stoffer. Og enhver prosess med syntese og forfall krever utgifter eller frigjøring av energi. Følgelig er den også involvert i en enkelt syklus i naturen.

Hvorfor eksisterer begrepene "krets" og "kraftnettverk"? Saken er at innenfor en økologisk gruppe er det ofte mye mer komplekst enn bare en vanlig kjede. Tross alt kan en og samme representant for dyreverdenen være både en planteeter og et rovdyr. Det finnes altetende organismer. I tillegg skapes det for mange et konkurransemiljø for produksjon og mat, som også setter sitt preg på den generelle planen for relasjoner innenfor biogeocenosen.

I disse tilfellene er kretsene tett sammenvevd med hverandre og de såkalte kraftnettverkene dannes. Dette er spesielt merkbart på steder befolket av innbyggere: skoger, innsjøsamfunn, tropiske skoger og andre.

Alle strømkretser kan deles inn i to typer:

• beiting, eller beiting;
• dekomponering eller detritus.

Hovedforskjellen mellom dem er at i det første tilfellet starter alt med en levende organisme - en plante. I den andre, fra døde rester, ekskrementer og andre forekomster, som behandles av mikroorganismer, ormer og så videre.

Energiendringer

Energi, i likhet med stoffer, gjennomgår en rekke endringer under prosesser i økosystemer. Det hele er delt inn i to hovedtyper:

• sollys;
• kjemiske bindinger.

Under byggingen av næringskjeder overføres energi fra en form til en annen. I dette tilfellet oppstår delvis tap. Tross alt blir det brukt på livsprosessene til hver skapning, spredt i form av varme. Dette er grunnen til at det er viktig at solenergi som en primær kilde hele tiden fyller på forsyningen til ethvert samfunn.

Direkte i form av lys fra solen kan det bare konsumeres av slike organismer som:

• planter;
• bakterie;
• fotosyntetiske encellede organismer.

Etter dem går all energien inn i neste form - kjemiske bindinger av forbindelser. I denne formen blir den konsumert av heterotrofe representanter for biosfæren.

Vannets kretsløp

Vi har allerede antydet at den viktigste og historisk etablerte livsprosessen er syklusen av stoffer i naturen. Vann er den uorganiske forbindelsen hvis betydning er spesielt viktig og storskala. Derfor vil vi vurdere generelt hvordan sirkulasjonen oppstår.

1. En enorm mengde vann er konsentrert på overflaten av planeten vår i ulike typer reservoarer. Dette er hav og hav, sumper, elver, innsjøer, bekker, kunstige strukturer. Fuktighet fordamper konstant fra overflaten deres, det vil si at vann i form av damp passerer inn i lagene i atmosfæren.
2. Jorda, både dens ytre og indre deler, inneholder også mye fuktighet. Dette er underjordisk eller grunnvann. Damp kommer inn i atmosfæren fra overflaten, strømmer fra de indre lagene inn i vannmasser og fordamper derfra.
3. Ved kondensering i atmosfæren når vannet gradvis et maksimum og begynner å gå tilbake til jorden i form av nedbør. Om vinteren er det snø, om sommeren er det regn.
4. Planter tar en aktiv del i absorpsjon og transpirasjon av vann, da de bærer en enorm mengde av det gjennom seg selv.

Dermed sikrer vannets kretsløp og stoffkretsløpet i naturen normaltilstanden til ethvert økosystem, og derfor organismer.

Studerer stoffets syklus i grunnskolen

Slik at barn har en ide om hvilke sykliske endringer som skjer i naturen, bør de bli fortalt om dette fra de innledende stadiene av utdanningen. Barn skal ha kunnskap om hva stoffkretsløpet er. 3. klasse er en ganske god tid for dette. I løpet av denne perioden er barn gamle nok til å fullt ut forstå og assimilere informasjon av denne typen.

Mange utdanningsprogrammer i verden rundt presenterer et godt diagram "Syklus av stoffer". Den gjenspeiler hovedtypene for transformasjoner av vann og stoffer som er karakteristiske for hvert økosystem.

Et omtrentlig diagram over syklusen av stoffer for barneskolebarn kan se ut som: vann i planter - organisk materiale i dyr - vann og mineralsalter etter planters og dyrs død.

Hvert stadium bør forklares med eksempler og detaljerte beskrivelser for å danne en klar ide om de naturlige prosessene som skjer.

1) i henhold til regelen for den økologiske pyramiden, synker biomassen til hvert påfølgende trofiske nivå

ca. 10 ganger;

2) for å mate en ørnugle trenger du derfor 35 kg ilderbiomasse (hvis massen til en ilder er omtrent 0,5 kg, er dette -

70 ildere, 350 kg volummus biomasse er nødvendig for å mate ilderne (hvis en volummus veier ca.

100 g, så er dette 35.000 voles), som trenger 3.500 kg korn til næring.

Hvorfor er sur nedbør farlig?

For det første er tungmetalloksider som faller ned i jorda med regn giftige. Grunnvann trenger inn i vannforekomster og forgifter dem. I sin tur truer dette døden til befolkningen av vannforekomster. Giftige stoffer påvirker også sammensetningen av jorda og rotsystemene til planter, og dette fører til hemming av deres vitale aktivitet og død.

Hvordan skiller strukturen til en blandingsskogbiocenose seg fra strukturen til en bjørkelund?

1) Antall arter;

2) antall nivåer;

3) artssammensetning, artsmangfold.

Hvordan skiller et naturlig økosystem seg fra et agroøkosystem?

1. Større biologisk mangfold og mangfold av matlenker og kjeder.

2. Balansert sirkulasjon av stoffer.

3. Solenergiens deltakelse i stoffkretsløpet og lange eksistensperioder.

Hva er forskjellen mellom biogeocenose og økosystem?

Et økosystem har vilkårlige grenser (fra en dråpe vann med mikroorganismer til biosfæren), mens grensene for en biogeocenose bestemmes av vegetasjonsdekkets natur. Begrepet økosystem brukes både for å beskrive enkle deler av en biogeocenose (en råtnende stubbe i en skog) og for å beskrive kunstige komplekser (et akvarium). Biogeocenose er en rent terrestrisk formasjon som har klare grenser.

Økosystem og biogeocenose er lignende konsepter, men ikke identiske. Enhver biogeocenose er et økosystem. For eksempel er en skog et økosystem, men når vi spesifiserer skogtypen – granskog, blåbærskog – er det en biogeocenose.

Hvorfor opplever populasjoner noen ganger en eksplosjon i antall individer, og deretter et kraftig fall?

Dette skjer av en rekke årsaker. For eksempel, når det er et overskudd av mat og et lite antall rovdyr, øker bestandsstørrelsen. Og på grunn av økningen i antall individer synker matmengden, antall rovdyr øker + mange dyr ser etter nye habitater på jakt etter mat, mens noen individer dør. Alt det ovennevnte fører til en nedgang i antall individer.

Hva er et obligatorisk ledd i næringskjeden for agrocenose?

Mennesker er et viktig ledd i næringskjeden for agrocenose.

Maur lever i stilkene til noen planter. Hvilken nytte har planten av maurene, og hva har maurene av planten?

Basert på regelen for den økologiske pyramiden, bestemme hvor mye plankton som trengs for at en delfin som veier 300 kg skal vokse i havet, hvis næringskjeden ser ut som: plankton - ikke-rovfisk - rovfisk - delfin.

Responselementer:

1) i henhold til regelen for den økologiske pyramiden, synker biomassen for hvert påfølgende trofiske nivå omtrent 10 ganger;

2) derfor trenger du 3 tonn rovfisk for å mate en delfin, for å mate den trenger du 30 tonn ikke-rovfisk, som trenger 300 tonn plankton for å mate den.

I Amerika bygger mange fugler reir i tornete kratt av kaktus. Hva kalles denne interaksjonen mellom levende organismer og hva er dens biologiske betydning?

Responselementer:

1) slik interaksjon er gjensidig fordelaktig og kalles symbiose;

2) kratt av tornede kaktuser beskytter fuglerede mot rovdyr;

3) fugler ødelegger insekter, skadedyr av kaktus, og gjødsler jorda med avføring.

Basert på regelen for den økologiske pyramiden, bestemme hvor mange frokostblandinger som trengs for utviklingen av en kongeørn som veier 7 kg, hvis næringskjeden ser ut som: korn - gresshopper - frosker - slanger - kongeørn.

Responselementer:

2) i henhold til regelen for den økologiske pyramiden, synker biomassen til hvert påfølgende trofiske nivå

ca. 10 ganger;

2) derfor, for å mate en kongeørn trenger du 70 kg slanger (hvis massen til en slange er 200 g, så er dette 350 slanger), for å mate disse slangene trenger du 700 kg frosker (hvis massen til en frosk er 100 g, så er dette 7000 frosker), for å mate disse froskene trenger du 7 tonn gresshopper, og for å mate disse gresshoppene trenger du 70 tonn kornplanter.

Fiskere vet at elver og bekker utviklet av bever inneholder mer fisk enn reservoar uten bever. Forklar dette faktum?

Responselementer:

1) bever bygger demninger som hindrer små vannlevende dyr som tjener som mat i å drive nedstrøms

2) stående og grunt vann i dammer oppdemmet av bever varmer godt opp, noe som bidrar til dannelsen

forhold for gyting av elvefisk og gunstig utvikling av yngel.

Hva er virkningsmekanismene til antropogene faktorer på biocenoser?

Responselementer:

1) innvirkning på biocenoser som et resultat av byutvikling, landbruk, avskoging, etc., som fører til endringer i spekteret av arter og forstyrrelse av deres befolkningsstruktur;

2) miljøforurensning, som kan hemme den vitale aktiviteten til individuelle arter og deres samfunn, forårsake organismers død og stimulere mutasjonsprosessen;

3) utryddelse av visse arter (for eksempel verdifulle fra et kommersielt eller jaktmessig synspunkt).

Det er betydelig færre urteplanter i en granskog enn i en bjørkelund. Forklar dette fenomenet.

Responselementer:

1) i en lund passerer mye mer lys gjennom trekronene enn i en granskog er lys en begrensende faktor for mange planter;

2) bare skyggetolerante urteplanter kan eksistere i en granskog.

Hva er egenskapene til biogeocenose?

Biogeocenosis er et åpent, selvregulerende system som er stabilt og i stand til metabolisme og energi. Biocenose er en del av biosfæren. Biogeocenose består av abiotiske og biotiske komponenter. Den er preget av biomasse, befolkningstetthet, dens komponenter og mangfold av arter. De levende komponentene i biogeocenose er produsenter (planter), forbrukere (dyr) og nedbrytere (bakterier og sopp).

Næringskjedene til naturlige biogeocenoser inkluderer forskjellige funksjonelle grupper: produsenter, forbrukere, nedbrytere. Forklar hvilken rolle organismer i disse gruppene spiller i syklusen av stoffer og energiomdannelse.

Responselementer:

1) Produsenter - organismer som produserer organiske stoffer fra uorganiske, er det første leddet i næringskjeden og den økologiske pyramiden. Energiakkumulering skjer i organiske stoffer som er et resultat av prosessene med foto- eller kjemosyntese.

2) Forbrukere - organismer som konsumerer ferdige organiske stoffer skapt av produsenter, men som ikke bryter ned organiske stoffer til mineralske komponenter. De bruker energien til organiske stoffer til sine livsprosesser.

3) Nedbrytere er organismer som i løpet av livet omdanner organiske rester til uorganiske stoffer, som inngår i stoffkretsløpet i naturen. Nedbryterne bruker energien som frigjøres i denne prosessen til sine vitale prosesser.

Hva er grunnlaget for økosystemenes stabilitet?

Responselementer:

1) mangfold av arter av planter, dyr og andre organismer

2) forgrenede næringskjeder (nettverk), tilstedeværelsen av flere trofiske nivåer

3) balansert sirkulasjon av stoffer

Hva bestemmer bærekraften til naturlige økosystemer?

Responselementer:

1) artsmangfold

2) antall ledd i kraftkjeden

3) selvregulering og selvfornyelse

4) lukket syklus av stoffer

Hva kalles befolkningsbølger?

Svingninger i antall individer i en populasjon

Bestanden av abbor i elva går ned som følge av vannforurensning fra kloakk, nedgang i antall planteetende fisk, og nedgang i oksygeninnholdet i vannet om vinteren. Hvilke grupper av miljøfaktorer er presentert i denne listen?

1) Antropogen.

2) Biotisk.

3) Abiotisk.

For å bekjempe skadedyr bruker folk kjemikalier. Angi minst 3 endringer i eikeskogens liv dersom alle planteetende insekter blir ødelagt med kjemiske midler. Forklar hvorfor disse endringene vil skje.

Responselementer:

1) antallet insektbestøvede planter vil reduseres kraftig, siden planteetende insekter er plantebestøvere;

2) antall insektetende organismer (forbrukere av andre orden) vil reduseres kraftig eller forsvinne på grunn av forstyrrelse av næringskjeder;

3) noen av kjemikaliene som brukes til å drepe insekter vil komme inn i jorda, noe som vil føre til forstyrrelse av plantelivet, død av jordflora og fauna, alle brudd kan føre til eikeskogens død.

Videresend >>>

§ 40. Syklus av materie og energi i biosfæren

Alle levende organismer er i forhold til den livløse naturen og er inkludert i den kontinuerlige syklusen av materie og energi (fig. 44). Som et resultat oppstår biogen migrering av atomer. Kjemiske elementer som er nødvendige for organismers liv, går fra det ytre miljøet inn i kroppen. Når organisk materiale brytes ned, blir disse elementene returnert til miljøet.

biosphere " class="img-responsive img-thumbnail">

Ris. 44. Syklusen av stoffer i naturen: 1 – syklusen av vann, oksygen og karbon; 2 - nitrogen syklus

Atmosfæren består av en blanding av gasser. Under fotosyntesen absorberer grønne planter karbondioksid og frigjør oksygen. Karbondioksid brukes til å bygge organiske stoffer og passerer inn i dyrekroppen gjennom planteorganismer i form av næringsstoffer. Oksygen brukes av alle levende organismer i respirasjonsprosessen, for oksidering av organiske stoffer og under nedbrytning av døde rester av organismer. Som et resultat av disse prosessene frigjøres karbondioksid tilbake til atmosfæren. Fritt atmosfærisk nitrogen absorberes i jorda av nitrogenfikserende bakterier og omdannes til en bundet, tilgjengelig tilstand. Planter henter nitrogenforbindelser fra jorda for å syntetisere organisk materiale. Etter døden frigjør en annen gruppe mikroorganismer nitrogen og returnerer det til atmosfæren.

Dermed blir oksygen, nitrogen og karbondioksid absorbert av levende organismer og slippes ut i atmosfæren igjen som følge av andre prosesser. Takket være den balanserte sirkulasjonen av gasser holdes atmosfærens sammensetning konstant.

Bergarter inneholder store mengder fosfor. Når bergarter blir ødelagt, havner fosfor i jord, og derfra kommer det inn i levende organismer. Noen fosfater løses opp i vann og kommer inn i verdenshavet, hvor de samler seg på bunnen og danner sedimentære bergarter.

Vann deltar også i kretsløpet. Under fotosyntesen brukes det til syntese av organiske stoffer, og under respirasjon og nedbrytning av organiske rester slippes det ut i miljøet. I tillegg er vann nødvendig for at alle levende organismer skal fungere. Mineralsalter og organiske stoffer som er nødvendige for levende organismer, løses opp i den. Syklusen av grunnstoffene natrium, magnesium, kalsium, jern, svovel og andre grunnstoffer går gjennom vannmiljøet, som totalt utgjør 1,7 % av den totale mengden stoffer som inngår i syklusen.

Som et resultat av syklusen av stoffer er det en kontinuerlig bevegelse av kjemiske elementer fra levende organismer til livløs natur og tilbake. Syklusen av stoffer inkluderer to motsatt rettede prosesser knyttet til akkumulering av elementer i levende organismer og mineralisering som et resultat av deres nedbrytning. Dessuten dominerer dannelsen av levende materiale på jordoverflaten, og i jorda og havdypet dominerer mineralisering.

Samtidig med migrering av atomer skjer også energitransformasjon. Den eneste energikilden på jorden er solen. En del av varmen brukes på å varme opp jorden og fordampe vann. Og bare 0,2% av solenergien brukes i prosessen med fotosyntese. Denne energien omdannes til energien til kjemiske bindinger av organiske stoffer. Under nedbrytning og oksidasjon av organiske stoffer under ernæring, frigjøres energi og brukes på de vitale prosessene til organismer: vekst, bevegelse, reproduksjon, utvikling, oppvarming av kroppen. Dermed akkumuleres konstant innkommende solenergi i organiske stoffer og brukes av alle levende organismer.

Så biosfæren er et stort system som består av heterogene komponenter forbundet med prosesser for migrering av energi og materie. Energikilden er solen. Migrasjonsprosessenes sykliske natur - syklusen av stoffer sikrer den kontinuerlige eksistensen av biosfæren.

Mengden av levende stoffer (bioprodukter) svinger: reproduksjon og vekst av levende organismer fører til vekst, undertrykkelse og begrensning av reproduksjons- og veksthastigheten, og organismenes død bidrar til reduksjonen.

Begrensende faktorer inkluderer konsentrasjonen av karbondioksid i atmosfæren, mangel på fuktighet, mangel på næringsstoffer og lysintensitet. Disse faktorene begrenser ikke bare dannelsen av organisk materiale, men også hastigheten på andre geokjemiske prosesser som forekommer i livløs natur.

<<< Назад

Videresend >>>