Cykle geologiczne i biotyczne substancji w biosferze. Mały cykl (biologiczny).

Wszystkie substancje na planecie są w procesie krążenia. Energia słoneczna powoduje dwa cykle substancji na Ziemi: duży (geologiczny, biosfera) I mały (biologiczny).

Duży cykl substancji w biosferze charakteryzuje się dwoma ważnymi punktami: zachodzi przez cały rozwój geologiczny Ziemi i jest nowoczesnym procesem planetarnym, który odgrywa wiodącą rolę w dalszym rozwoju biosfery.

Cykl geologiczny związany jest z powstawaniem i niszczeniem skał, a następnie przemieszczaniem się produktów zniszczenia - materiału klastycznego i pierwiastków chemicznych. W procesach tych istotną rolę odgrywały i odgrywają właściwości termiczne powierzchni lądów i wód: pochłanianie i odbijanie promieni słonecznych, przewodność cieplna i pojemność cieplna. Niestabilny reżim hydrotermalny powierzchni Ziemi wraz z planetarnym układem cyrkulacji atmosferycznej determinowały geologiczny obieg substancji, co w początkowej fazie rozwoju Ziemi, wraz z procesami endogenicznymi, wiązało się z powstawaniem kontynentów, oceanów i współczesnych geosfery. Wraz z powstaniem biosfery produkty przemiany materii organizmów zostały włączone do dużego cyklu. Cykl geologiczny zaopatruje organizmy żywe w składniki odżywcze i w dużej mierze determinuje warunki ich istnienia.

Główne pierwiastki chemiczne litosfera: tlen, krzem, glin, żelazo, magnez, sód, potas i inne - uczestniczą w dużym cyklu, przechodząc z głębokich części górnego płaszcza na powierzchnię litosfery. Skały magmowe powstałe podczas krystalizacji magmy, docierające na powierzchnię litosfery z głębin Ziemi, ulegają rozkładowi i wietrzeniu w biosferze. Produkty wietrzenia przechodzą w stan mobilny, są przenoszone przez wodę i wiatr do nizinnych obszarów płaskorzeźby, przedostają się do rzek, oceanu i tworzą grube warstwy skał osadowych, które z czasem zanurzając się na głębokość w obszarach o podwyższonej temperaturze i ciśnieniu, ulegają metamorfozie , czyli „przetopiony”. Podczas tego topnienia pojawia się nowa skała metamorficzna, wchodząc w górne poziomy skorupy ziemskiej i ponownie wchodząc w cykl substancji (Ryż.).

Najintensywniej i najszybciej cyrkulują substancje łatwo mobilne - gazy i wody naturalne tworzące atmosferę i hydrosferę planety. Materiał litosfery krąży znacznie wolniej. Ogólnie rzecz biorąc, każdy cykl dowolnego pierwiastka chemicznego jest częścią ogólnego dużego cyklu substancji na Ziemi i wszystkie są ze sobą ściśle powiązane. Żywa materia biosfery w tym cyklu wykonuje ogromną pracę polegającą na redystrybucji pierwiastków chemicznych, które stale krążą w biosferze, przechodząc ze środowiska zewnętrznego do organizmów i ponownie do środowiska zewnętrznego.

Mały lub biologiczny cykl substancji- Ten

obieg substancji pomiędzy roślinami, zwierzętami, grzybami, mikroorganizmami i glebą. Istota cyklu biologicznego polega na występowaniu dwóch przeciwstawnych, ale powiązanych ze sobą procesów - powstawania substancji organicznych i ich niszczenia. Początkowy etap powstawania substancji organicznych następuje na skutek fotosyntezy roślin zielonych, czyli powstawania żywej materii z dwutlenku węgla, wody i prostych związków mineralnych przy wykorzystaniu energii słonecznej. Rośliny (producenci) pobierają z gleby cząsteczki siarki, fosforu, wapnia, potasu, magnezu, manganu, krzemu, glinu, cynku, miedzi i innych pierwiastków w roztworze. Zwierzęta roślinożerne (konsumenci pierwszego rzędu) przyswajają związki tych pierwiastków w postaci pożywienia pochodzenia roślinnego. Drapieżniki (konsumenci II rzędu) żywią się roślinożercami, spożywając żywność o bardziej złożonym składzie, w tym białka, tłuszcze, aminokwasy i inne substancje. W procesie niszczenia substancji organicznych martwych roślin i szczątków zwierzęcych przez mikroorganizmy (rozkładacze) proste związki mineralne dostają się do gleby i środowiska wodnego, dostępne do asymilacji przez rośliny i rozpoczyna się kolejna runda cyklu biologicznego (ryc. 33).

Powstanie i rozwój Noosfery

Ewolucja świata organicznego na Ziemi przeszła kilka etapów, pierwszy związany jest z pojawieniem się biologicznego cyklu substancji w biosferze. Drugiemu towarzyszyło powstawanie organizmów wielokomórkowych. Te dwa etapy nazywane są biogenezą. Trzeci etap wiąże się z pojawieniem się społeczeństwa ludzkiego, pod wpływem którego we współczesnych warunkach następuje ewolucja biosfery i jej przekształcenie w sferę rozumu - noosferę (z greckiego - umysł, - piłka). Noosfera to nowy stan biosfery, w którym inteligentna działalność człowieka staje się głównym czynnikiem determinującym jej rozwój. Termin „noosfera” wprowadził E. Leroy. V.I. Wernadski pogłębił i rozwinął doktrynę o noosferze. Napisał: "Noosfera jest nowym zjawiskiem geologicznym na naszej planecie. W niej człowiek staje się główną siłą geologiczną." V.I. Wernadski zidentyfikował niezbędne warunki do stworzenia noosfery: 1. Ludzkość stała się jedną całością 2. Możliwość natychmiastowej wymiany informacji 3. Prawdziwa równość ludzi 4. Wzrost ogólnego poziomu życia 5 Wykorzystanie nowych rodzajów energii. 6. Eliminacja wojen z życia społeczeństwa. Stworzenie tych przesłanek stało się możliwe w wyniku eksplozji myśli naukowej w XX wieku.

Temat – 6. Natura – człowiek: ujęcie systematyczne. Cel wykładu: Kształtowanie całościowego rozumienia systemowych postulatów ekologii.

Główne zagadnienia: 1. Pojęcie systemu i złożonych biosystemów 2. Cechy systemów biologicznych 3. Postulaty systemowe: prawo powszechnego łączenia, B. Prawa ekologiczne Commonera, Prawo wielkich liczb, Zasada Le Chateliera, Prawo sprzężenia zwrotnego w przyrodzie i prawo stałości ilości materii żywej 4. Modele oddziaływań w układach „przyroda-człowiek” i „człowiek-gospodarka-biota-środowisko”.

System ekologiczny jest głównym przedmiotem ekologii. Ekologia ma w swej istocie charakter systemowy i w swej teoretycznej formie jest bliska ogólnej teorii systemów. Zgodnie z ogólną teorią systemów system to rzeczywisty lub możliwy do wyobrażenia zbiór części, których integralne właściwości są określone przez interakcję pomiędzy częściami (elementami) systemu. W prawdziwym życiu system definiuje się jako zbiór obiektów połączonych jakąś formą regularnej interakcji lub współzależności w celu pełnienia określonej funkcji. W materiale występują pewne hierarchie – uporządkowane sekwencje czasoprzestrzennego podporządkowania i komplikacji systemów. Przedstaw całą różnorodność naszego świata w postaci trzech sukcesywnie powstających hierarchii. Jest to hierarchia główna, naturalna, fizyko-chemiczno-biologiczna (F, X, B) oraz dwie hierarchie wtórne, które powstały na jej podstawie, hierarchia społeczna (S) i techniczna (T). Istnienie tego ostatniego w całości sprzężeń zwrotnych wpływa w określony sposób na główną hierarchię. Łączenie systemów z różnych hierarchii prowadzi do „mieszanych” klas systemów. Zatem połączenie systemów z fizykochemicznej części hierarchii (F, X - „środowisko”) z żywymi systemami biologicznej części hierarchii (B - „biota”) prowadzi do mieszanej klasy układów zwanej środowiskowy. Połączenie systemów z hierarchii C

(„człowiek”) i T („technologia”) prowadzą do klasy ekonomicznej, czyli techniczne i ekonomiczne, systemy

Ryż. . Hierarchie systemów materialnych:

F, X - fizykochemiczny, B - biologiczny, S - społeczny, T - techniczny

Powinno być jasne, że wpływ społeczeństwa ludzkiego na przyrodę, za pośrednictwem technologii i technologii (technogeneza), pokazany na schemacie, dotyczy całej hierarchii systemów naturalnych: dolna gałąź - do środowiska abiotycznego, górna - do środowiska biota biosfery. Poniżej rozważymy powiązanie między środowiskowymi oraz technicznymi i ekonomicznymi aspektami tej interakcji.

Wszystkie systemy mają pewne wspólne właściwości:

1. Każdy system ma swoją specyfikę Struktura, zdeterminowana formą powiązań czasoprzestrzennych lub interakcji pomiędzy elementami systemu. Porządek strukturalny sam w sobie nie determinuje organizacji systemu. System można wywołać zorganizowany, jeśli jego istnienie jest albo konieczne do utrzymania jakiejś struktury funkcjonalnej (wykonującej określone zadanie), albo odwrotnie, zależy od działalności takiej struktury.

2. Według zasada niezbędnej różnorodności system nie może składać się z identycznych, pozbawionych indywidualności elementów. Dolna granica różnorodności to co najmniej dwa elementy (proton i elektron, białko i kwas nukleinowy, „on” i „ona”), górna granica to nieskończoność. Różnorodność jest najważniejszą cechą informacyjną systemu. Różni się od liczby odmian elementów i można ją zmierzyć 3. Właściwości układu nie można zrozumieć jedynie na podstawie właściwości jego części. Decydujące znaczenie ma interakcja pomiędzy elementami. Nie da się ocenić jego działania oglądając poszczególne części maszyny przed montażem. Badając oddzielnie niektóre formy grzybów i glonów, nie można przewidzieć istnienia ich symbiozy w postaci porostu. Łączny wpływ dwóch lub więcej różnych czynników na organizm prawie zawsze różni się od sumy ich odrębnych skutków. Stopień nieredukowalności właściwości układu do sumy właściwości poszczególnych elementów, z których się on składa, określa powstanie systemy.

4. Izolowanie systemu dzieli jego świat na dwie części – sam system i jego otoczenie. W zależności od obecności (braku) wymiany materii, energii i informacji z otoczeniem zasadniczo możliwe są: odosobniony systemy (nie ma możliwości wymiany); Zamknięte systemy (metabolizm jest niemożliwy); otwarty układów (możliwa jest wymiana materii i energii). Wymiana energii determinuje wymianę informacji. W naturze żywej są tylko otwarte dynamiczny systemy, pomiędzy których elementami wewnętrznymi a elementami otoczenia zachodzą przepływy materii, energii i informacji. Każdy żywy system – od wirusa po biosferę – jest otwartym systemem dynamicznym.

5. Przewaga oddziaływań wewnętrznych w systemie nad zewnętrznymi i labilność systemu w stosunku do czynników zewnętrznych
determinują to działania zdolność samozachowawczą dzięki cechom organizacji, wytrzymałości i stabilności. Zewnętrzne oddziaływanie na system, przekraczające siłę i elastyczność jego wewnętrznych interakcji, prowadzi do nieodwracalnych zmian
i śmierć systemu. Stabilność układu dynamicznego jest utrzymywana dzięki zewnętrznej pracy cyklicznej, którą on stale wykonuje. Wymaga to przepływu i przemiany energii w nią. temat. Prawdopodobieństwo osiągnięcia głównego celu systemu - samozachowawstwa (w tym poprzez samoreprodukcję) określa się jako jego potencjalna skuteczność.

6. Działanie układu w czasie nazywa się jego zachowanie. Zmiana zachowania spowodowana czynnikiem zewnętrznym nazywa się reakcja systemu, a zmiana reakcji systemu związana ze zmianą struktury i mająca na celu stabilizację zachowania. urządzenie, Lub dostosowanie. Utrwalanie zmian adaptacyjnych w strukturze i połączeniach systemu w czasie, w wyniku których wzrasta jego potencjalna wydajność, uważa się za rozwój, Lub ewolucja, systemy. Pojawienie się i istnienie wszystkich systemów materialnych w przyrodzie jest wynikiem ewolucji. Systemy dynamiczne ewoluują w kierunku od organizacji bardziej prawdopodobnej do mniej prawdopodobnej, tj. rozwój podąża ścieżką rosnącej złożoności organizacji i tworzenie podsystemów w strukturze systemu. W naturze wszystkie formy zachowania systemów - od elementarnych reakcji po globalną ewolucję - są znaczące nieliniowy. Ważną cechą ewolucji złożonych systemów jest
nierówność, brak monotonii. Okresy stopniowego narastania drobnych zmian są czasami przerywane ostrymi skokami jakościowymi, które znacząco zmieniają właściwości systemu. Zwykle kojarzą się z tzw punkty bifurkacji- rozwidlenie, rozszczepienie dotychczasowej ścieżki ewolucji. Wybór tej czy innej kontynuacji ścieżki w punkcie rozwidlenia zależy od wielu czynników, aż do pojawienia się i dobrobytu nowego świata cząstek, substancji, organizmów, społeczeństw lub, odwrotnie, śmierci systemu. Nawet w przypadku układów decyzyjnych wynik wyboru jest często nieprzewidywalny, a sam wybór w punkcie bifurkacji może być zdeterminowany przypadkowym impulsem. Każdy system rzeczywisty można przedstawić w postaci pewnego podobieństwa materialnego lub obrazu symbolicznego, tj. odpowiednio analogowy lub znakowy model systemu. Modelowaniu nieuchronnie towarzyszy pewne uproszczenie i sformalizowanie zależności w systemie. Taka formalizacja może być
realizowane w formie zależności logicznych (przyczynowo-skutkowych) i/lub matematycznych (funkcjonalnych).W miarę wzrostu złożoności systemów, zyskują one nowe, wyłaniające się cechy. Jednocześnie zachowane są cechy prostszych systemów. Dlatego ogólna różnorodność cech systemu wzrasta, gdy staje się on bardziej złożony (ryc. 2.2).

Ryż. 2.2. Wzorce zmian właściwości hierarchii systemów wraz ze wzrostem ich poziomu (wg Fleishmana, 1982):

1 - różnorodność, 2 - stabilność, 3 - pojawienie się, 4 - złożoność, 5 - brak tożsamości, 6 - rozpowszechnienie

Aby zwiększyć aktywność w stosunku do wpływów zewnętrznych, cechy systemu można uporządkować w następującej kolejności: 1 - stabilność, 2 - niezawodność dzięki świadomości otoczenia (odporność na hałas), 3 - sterowność, 4 - samokontrola organizacja. W tej serii każda kolejna jakość ma sens, jeśli poprzednia jest obecna.

Poziom trudności strukturę systemu określa liczba P jego elementy i liczba T

powiązania między nimi. Jeśli w dowolnym systemie bada się liczbę poszczególnych stanów dyskretnych, to złożoność systemu Z określa się na podstawie logarytmu liczby połączeń:

C=lgm.(2.1)

Systemy są tradycyjnie klasyfikowane według złożoności w następujący sposób: 1) systemy z maksymalnie tysiącem stanów (O <С < 3), относятся к prosty; 2) systemy z maksymalnie milionem stanów (3< С < 6), являют собой złożone systemy; 3) systemy o liczbie stanów powyżej miliona (C > 6) identyfikuje się jako bardzo skomplikowane.

Wszystkie prawdziwe naturalne biosystemy są bardzo złożone. Nawet w strukturze pojedynczego wirusa liczba biologicznie istotnych stanów molekularnych przekracza tę drugą wartość.

Wszystkie substancje na planecie są w procesie krążenia. Energia słoneczna powoduje dwa cykle substancji na Ziemi: duży (geologiczny, biosfera) I mały (biologiczny).

magma, która przybyła na powierzchnię litosfery z głębin Ziemi, ulega rozkładowi i wietrzeniu w biosferze. Produkty wietrzenia przechodzą w stan mobilny, są przenoszone przez wodę i wiatr do nizinnych obszarów płaskorzeźby, przedostają się do rzek, oceanu i tworzą grube warstwy skał osadowych, które z czasem zanurzając się na głębokość w obszarach o podwyższonej temperaturze i ciśnieniu, ulegają metamorfozie , czyli „przetopiony”. Podczas tego topnienia pojawia się nowa skała metamorficzna, wchodząc w górne poziomy skorupy ziemskiej i ponownie wchodząc w cykl substancji (ryc. 32).

Ryż. 32. Geologiczny (duży) cykl substancji

Mały lub biologiczny cykl substancji- Ten

W przyrodzie zachodzą dwa główne cykle substancji: duży (geologiczny) i mały (biogeochemiczny).

Geologiczne - duży cykl substancji(Załącznik A), powstaje w wyniku oddziaływania energii słonecznej z głęboką energią Ziemi i dokonuje redystrybucji materii pomiędzy biosferą a głębszymi horyzontami Ziemi. Skały osadowe, powstałe w wyniku wietrzenia skał magmowych, w ruchomych strefach skorupy ziemskiej ponownie zanurzają się w strefie wysokich temperatur i ciśnień. Tam topią się i tworzą magmę – źródło nowych skał magmowych. Po wypłynięciu na powierzchnię skały te ulegają procesom wietrzenia i ponownie przekształcają się w nowe skały osadowe. Symbolem cyklu substancji jest spirala, nie okrąg. Oznacza to, że nowy cykl nie powtarza dokładnie starego, ale wprowadza coś nowego, co z czasem prowadzi do bardzo znaczących zmian.

Wielki Wir jest także wirem woda między lądem a oceanem poprzez atmosferę. Wilgoć odparowana z powierzchni Oceanu Światowego przedostaje się na ląd, gdzie opada w postaci opadów, które wracają do oceanu w postaci spływu powierzchniowego i podziemnego.

Obieg wody również przebiega według prostszego schematu: parowanie wilgoci z powierzchni oceanu - kondensacja pary wodnej - opady atmosferyczne na tę samą powierzchnię oceanu.

Szacuje się, że w obiegu wodnym na Ziemi uczestniczy rocznie ponad 500 tys. km3 wody. Obieg wody jako całość odgrywa ważną rolę w kształtowaniu warunków naturalnych na naszej planecie. Biorąc pod uwagę transpirację wody przez rośliny i jej wchłanianie w cyklu biogeochemicznym, cały zapas wody na Ziemi ulega rozkładowi i jest odtwarzany w ciągu 2 milionów lat.

Mały cykl substancji w biosferze (biogeochemiczny) (Załącznik B). W przeciwieństwie do wielkiego cyklu, zachodzi on tylko w biosferze. Jej istotą jest powstawanie materii żywej ze związków nieorganicznych w procesie fotosyntezy oraz przemiana materii organicznej w trakcie rozkładu z powrotem w związki nieorganiczne. Cykl ten jest najważniejszy dla życia biosfery i sam w sobie jest tworzeniem życia. Zmieniając się, rodząc i umierając, żywa materia wspiera życie na naszej planecie, zapewniając biogeochemiczny cykl substancji. Głównym źródłem energii w cyklu jest promieniowanie słoneczne, które generuje fotosyntezę. Energia ta rozkłada się dość nierównomiernie na powierzchni globu. Przykładowo na równiku ilość ciepła na jednostkę powierzchni jest trzykrotnie większa niż na archipelagu Spitsbergenu (80°N). Ponadto jest tracony przez odbicie, wchłaniany przez glebę i wydawany na transpirację wody. Jak już zauważyliśmy, na fotosyntezę przeznacza się nie więcej niż 5% całej energii, ale najczęściej 2-3%.

W wielu ekosystemach transfer materii i energii odbywa się głównie poprzez łańcuchy troficzne.

Cykl ten jest zwykle nazywany biologiczny. Zakłada zamknięty cykl substancji, który jest wielokrotnie wykorzystywany przez łańcuch troficzny. Występuje w ekosystemach wodnych, zwłaszcza planktonie o intensywnym metabolizmie, ale nie występuje w ekosystemach lądowych, z wyjątkiem tropikalnych lasów deszczowych, gdzie może nastąpić przenoszenie składników odżywczych z rośliny na roślinę wraz z korzeniami na powierzchni gleby.

Jednak w skali całej biosfery taki cykl jest niemożliwy. Działa tu cykl biogeochemiczny, czyli wymiana makro- i mikroelementów oraz prostych substancji nieorganicznych z substancją atmosfery, hydrosfery i litosfery.

Cykl poszczególnych substancji - V.I. Wernadski nazwał cykle biogeochemiczne. Najważniejsze jest to, że pierwiastki chemiczne wchłonięte przez organizm następnie go opuszczają, przechodząc do środowiska abiotycznego, a następnie po pewnym czasie ponownie przedostają się do żywego organizmu. Takie elementy nazywane są biofilnymi. Cykle te i cyrkulacja jako całość zapewniają najważniejsze funkcje żywej materii w biosferze. V. I. Vernadsky identyfikuje pięć takich funkcji:

- Pierwszy funkcja - gaz - główne gazy atmosfery ziemskiej, azot i tlen pochodzenia biogennego, podobnie jak wszystkie gazy podziemne - produkt rozkładu martwej materii organicznej;

- drugi funkcja - koncentracja - organizmy gromadzą w swoich organizmach wiele pierwiastków chemicznych, wśród których na pierwszym miejscu znajduje się węgiel, wśród metali - wapń, koncentratorami krzemu są okrzemki, jod - algi (kelp), fosfor - szkielety kręgowców;

- trzeci funkcja - redoks - organizmy żyjące w zbiornikach wodnych regulują reżim tlenowy i tworzą warunki do rozpuszczania lub wytrącania szeregu metali (V, Mn, Fe) i niemetali (S) o zmiennej wartościowości;

- czwarty funkcja - biochemiczna - reprodukcja, wzrost i ruch w przestrzeni („rozprzestrzenianie się”) żywej materii;

- piąty funkcja - działalność biogeochemiczna człowieka - obejmuje całą rosnącą ilość substancji w skorupie ziemskiej.

W związku z tym należy zauważyć, że na Ziemi istnieje tylko jeden proces, który nie marnuje, a wręcz przeciwnie, wiąże energię słoneczną, a nawet ją akumuluje - jest to powstawanie materii organicznej w wyniku fotosyntezy. Główna funkcja planetarna cyklu substancji na Ziemi polega na wiązaniu i magazynowaniu energii słonecznej.

Cykl biologiczny (mały) - obieg substancji pomiędzy roślinami, dziką przyrodą, mikroorganizmami i glebą. Jej podstawą jest fotosynteza, czyli przemiana przez rośliny zielone i specjalne mikroorganizmy energii promieniowania Słońca w energię wiązań chemicznych substancji organicznych. Fotosynteza zapewniła Ziemi tlen za pomocą organizmów zielonych, warstwy ozonowej i warunków ewolucji biologicznej.[...]

Mały cykl biologiczny substancji jest szczególnie ważny w tworzeniu gleby, ponieważ to właśnie wzajemne oddziaływanie cykli biologicznych i geologicznych leży u podstaw procesu tworzenia gleby.[...]

Cykl azotowy jest obecnie pod dużym wpływem człowieka. Z jednej strony masowa produkcja nawozów azotowych i ich stosowanie prowadzą do nadmiernego gromadzenia się azotanów. Azot dostarczany na pola w postaci nawozów jest tracony w wyniku odpadów pożniwnych, ługowania i denitryfikacji. Natomiast gdy zmniejsza się stopień przemiany amoniaku w azotany, w glebie gromadzą się nawozy amonowe. Istnieje możliwość zahamowania aktywności mikroorganizmów na skutek zanieczyszczenia gleby odpadami przemysłowymi. Wszystkie te procesy mają jednak charakter lokalny. Dużo większe znaczenie ma przedostawanie się tlenków azotu do atmosfery podczas spalania paliw w elektrowniach cieplnych oraz w transporcie. Azot „związany" w spalinach przemysłowych jest toksyczny w przeciwieństwie do azotu związanego biologicznie. Podczas naturalnych procesów tlenki azotu pojawiają się w atmosferze w niewielkich ilościach jako produkty pośrednie, jednak w miastach i na terenach przemysłowych ich stężenia stają się niebezpieczne. Działają drażniąco na układ oddechowy oraz pod wpływem promieniowania ultrafioletowego zachodzą reakcje pomiędzy tlenkami azotu i węglowodorami, w wyniku których powstają związki silnie toksyczne i rakotwórcze.[...]

Cykle jako forma ruchu materii są również nieodłącznie związane z biostromem, ale tutaj nabierają własnych cech. Cykl poziomy reprezentuje triada: narodziny – reprodukcja – śmierć (rozkład); pionowy - w procesie fotosyntezy. Obaj w sformułowaniu A.I. Perelmana (1975) odnajdują jedność w małym cyklu biologicznym: „...pierwiastki chemiczne w krajobrazie tworzą cykle, podczas których wielokrotnie wchodzą do organizmów żywych („organizują się”) i je opuszczają ( „zmineralizowany”)”2.[...]

Cykl biologiczny (biotyczny) to zjawisko ciągłego, cyklicznego, naturalnego, lecz nierównomiernego w czasie i przestrzeni redystrybucji materii, energii1 i informacji w obrębie systemów ekologicznych o różnych hierarchicznych poziomach organizacji – od biogeocenozy po biosferę. Obieg substancji w skali całej biosfery nazywany jest dużym kołem (ryc. 6.2), a w ramach określonej biogeocenozy – małym kołem wymiany biotycznej. [...]

Każdy cykl biologiczny charakteryzuje się wielokrotnym włączaniem atomów pierwiastków chemicznych do ciał organizmów żywych i uwalnianiem ich do środowiska, skąd są ponownie wychwytywane przez rośliny i wciągane do cyklu. Mały cykl biologiczny charakteryzuje się pojemnością – liczbą pierwiastków chemicznych występujących jednocześnie w materii żywej w danym ekosystemie oraz szybkością – ilością materii żywej powstałej i rozłożonej w jednostce czasu.[...]

Mały cykl biologiczny substancji opiera się na procesach syntezy i niszczenia związków organicznych przy udziale materii żywej. W odróżnieniu od dużego, mały cykl charakteryzuje się znikomą ilością energii.[...]

Wręcz przeciwnie, biologiczny cykl materii odbywa się w granicach zamieszkanej biosfery i ucieleśnia unikalne właściwości żywej materii planety. Bycie częścią dużego, małego cyklu odbywa się na poziomie biogeocenozy, polega na tym, że składniki odżywcze gleby, woda, węgiel gromadzą się w substancji roślinnej, wydawanej na budowę ciała i procesów życiowych zarówno samych siebie, jak i organizmów - konsumenci. Produkty rozkładu materii organicznej przez mikroflorę glebową i mezofaunę (bakterie, grzyby, mięczaki, robaki, owady, pierwotniaki itp.) są ponownie rozkładane na składniki mineralne, ponownie dostępne dla roślin i dlatego ponownie włączane przez nie w przepływ materii .[...]

Opisany obieg substancji na Ziemi, wspomagany energią słoneczną – okrężny obieg substancji pomiędzy roślinami, mikroorganizmami, zwierzętami i innymi organizmami żywymi – nazywany jest biologicznym cyklem substancji, czyli małym cyklem. Czas pełnego metabolizmu substancji w małym cyklu zależy od masy tej substancji oraz intensywności procesów jej przemieszczania się w cyklu i szacowany jest na kilkaset lat.[...]

Istnieją duże i małe - (biologiczne) cykle materii w przyrodzie, obieg wody. [...]

Pomimo stosunkowo małej grubości warstwy pary wodnej w atmosferze (0,03 m), to właśnie wilgoć atmosferyczna odgrywa główną rolę w obiegu wody i jej cyklu biogeochemicznym. Ogólnie rzecz biorąc, dla całej kuli ziemskiej istnieje jedno źródło dopływu wody – opady atmosferyczne – i jedno źródło przepływu – parowanie, które wynosi 1030 mm rocznie. W życiu roślin ogromną rolę odgrywa woda w procesach fotosyntezy (najważniejsze ogniwo w cyklu biologicznym) i transpiracji. Ewapotranspiracja, czyli masa wody wyparowana przez roślinność drzewiastą lub zielną bądź powierzchnię gleby, odgrywa ważną rolę w obiegu wody na kontynentach. Wody gruntowe przenikając w procesie transpiracji przez tkankę roślinną, wprowadzają sole mineralne niezbędne do życia samych roślin.[...]

Na bazie dużego cyklu geologicznego powstał mały cykl substancji organicznych, który opierał się na procesach syntezy i niszczenia związków organicznych. Te dwa procesy zapewniają życie na Ziemi. Energia cyklu biologicznego stanowi zaledwie 1% energii słonecznej wychwytywanej przez Ziemię, ale to właśnie ta energia wykonuje ogromną pracę w tworzeniu żywej materii.[...]

Energia słoneczna zapewnia dwa cykle substancji na Ziemi: geologiczny, czyli duży i mały, biologiczny (biotyczny).[...]

Destabilizacja procesu nitryfikacji zakłóca wejście azotanów do cyklu biologicznego, których ilość determinuje reakcję kompleksu denitryfikacyjnego na zmiany w środowisku. Układy enzymatyczne denitryfikatorów zmniejszają stopień całkowitego odzysku, angażując mniej podtlenku azotu w końcowym etapie, którego wdrożenie wymaga znacznych kosztów energii. W rezultacie zawartość podtlenku azotu w atmosferze nadziemnej erodowanych ekosystemów osiągnęła 79–83% (Kosinova i in., 1993). Obcowanie części materii organicznej z czarnoziemów pod wpływem erozji wpływa na uzupełnianie funduszu azotowego podczas foto- i heterotroficznego wiązania azotu: tlenowego i beztlenowego. W pierwszych stadiach erozji dokładnie beztlenowe wiązanie azotu jest hamowane w szybkim tempie ze względu na parametry labilnej części materii organicznej (Khaziev, Bagautdinov, 1987). Aktywność enzymów inwertazy i katalazy w silnie wypłukanych czarnoziemach spadła o ponad 50% w porównaniu z niemytymi. W szarych glebach leśnych, wraz ze wzrostem ich erozji, aktywność inwertazy maleje najbardziej gwałtownie. Jeśli w glebach słabo zerodowanych następuje stopniowe osłabienie aktywności wraz z głębokością, to w glebach silnie zerodowanych aktywność inwertazy jest bardzo mała lub nie jest wykrywana w warstwie podglebia. To ostatnie wiąże się z pojawieniem się poziomów iluwialnych o wyjątkowo niskiej aktywności enzymatycznej na powierzchni dziennej. Nie stwierdzono wyraźnej zależności aktywności fosfatazy, a zwłaszcza katalazy, od stopnia erozji gleby (Lichko, 1998).[...]

Geochemia krajobrazu odsłania ukrytą, najgłębszą stronę małego geograficznego obiegu materii i energii. Pojęcie małego obiegu geograficznego nie zostało jeszcze dostatecznie rozwinięte w geografii fizycznej. Ogólnie można go przedstawić jako wielostrumieniowy, nie do końca zamknięty przepływ kołowy, składający się z ciepła przychodzącego i emitowanego, cyklu biologicznego pierwiastków chemicznych, małego obiegu wody (opady - parowanie, spływ i dopływ naziemny i podziemny) , migracja eoliczna – przynoszenie i wynoszenie – substancji mineralnej.[...]

Osłabienie procesu tworzenia gleby darniowej wynika z małej intensywności cyklu biologicznego i niskiej produktywności roślinności. Roczny miot o łącznej biomasie około 100 t/ha nie przekracza 0,4-0,5 t/ha. Większość śmieci stanowią pozostałości korzeni. W cyklu biologicznym bierze udział około 70 kg/ha azotu i 300 kg/ha pierwiastków popiołowych.[...]

Tropikalne lasy deszczowe to dość starożytne ekosystemy kulminacyjne, w których cykl składników odżywczych jest doprowadzony do perfekcji - są one mało utracone i natychmiast wchodzą w cykl biologiczny prowadzony przez organizmy mutualistyczne i płytkie, głównie powietrzne, z silną mikoryzą, korzenie drzew. To dzięki temu lasy rosną tak bujnie na ubogich glebach.[...]

Kształtowanie składu chemicznego gleby odbywa się pod wpływem dużego cyklu geologicznego i małego cyklu biologicznego substancji w przyrodzie. Pierwiastki takie jak chlor, brom, jod, siarka, wapń, magnez i sód są najłatwiej usuwane z gleby.[...]

Ze względu na dużą aktywność procesów biogeochemicznych oraz kolosalne wielkości i skale obrotu substancjami, biologicznie istotne pierwiastki chemiczne znajdują się w ciągłym, cyklicznym ruchu. Według niektórych szacunków, jeśli przyjmiemy, że biosfera istnieje od co najmniej 3,5-4 miliardów lat, wówczas cała woda w Oceanie Światowym przeszła cykl biogeochemiczny co najmniej 300 razy, a wolny tlen z atmosfery co najmniej 1 milion razy. Cykl węgla trwa 8 lat, azotu – 110 lat, tlenu – 2500 lat. W wielkim cyklu bierze udział większość węgla skoncentrowana w osadach węglanowych dna oceanu (1,3 x 1016 ton), innych skałach krystalicznych (1 x 1016 ton), węglu i ropie (0,34 x 1016 ton). Węgiel zawarty w tkankach roślinnych (5 x 10 mt) i zwierzęcych (5 x 109 t) uczestniczy w małym cyklu (cyklu biogeochemicznym).[...]

Jednak na lądzie, oprócz opadów sprowadzanych z oceanu, parowanie i opady atmosferyczne zachodzą w wyniku zamkniętego na lądzie obiegu wody. Gdyby nie istniała fauna i flora kontynentów, tych dodatkowych osadów lądowych byłoby znacznie mniej niż osadów przyniesionych z oceanu. Dopiero powstawanie roślinności i gleby prowadzi do dużego parowania z powierzchni ziemi. Wraz z powstawaniem roślinności woda gromadzi się w glebie, roślinach i kontynentalnej części atmosfery, co prowadzi do wzrostu zamkniętego obiegu na lądzie. Obecnie opady na lądzie są średnio trzykrotnie większe niż przepływ w rzekach. W rezultacie tylko jedna trzecia opadów pochodzi z oceanu, a ponad dwie trzecie pochodzi z zamkniętego obiegu wody na lądzie. W ten sposób woda na lądzie ulega biologicznej akumulacji, a główną część reżimu wodnego lądu tworzą fauny i flory i może być regulowana biologicznie.

Wygodne jest zidentyfikowanie niektórych głównych cech manifestacji pierwszej i drugiej siły, w oparciu o ideę działania cykli materii na Ziemi: dużych - geologicznych (geocyre) i małych - biologicznych (biologicznych cykl).[...]

Zbiorowiska roślinne tajgi południowej są bardziej odporne na zanieczyszczenia chemiczne w porównaniu ze zbiorowiskami tajgi północnej. Niska stabilność cenoz tajgi północnej wynika z ich małej różnorodności gatunkowej i prostszej budowy, obecności gatunków wrażliwych na zanieczyszczenia chemiczne (mchy i porosty), niskiej produktywności i pojemności cyklu biologicznego oraz mniejszej zdolności do regeneracji. .]

Jednak każdy ekosystem, niezależnie od wielkości, obejmuje część żywą (biocenozę) i jej środowisko fizyczne, czyli nieożywione. Jednocześnie małe ekosystemy wchodzą w skład coraz większych, aż do globalnego ekosystemu Ziemi. Podobnie ogólny cykl biologiczny materii na planecie również składa się z interakcji wielu mniejszych, prywatnych cykli.[...]

Gleba jest integralnym składnikiem biogeocenoz lądowych. Przeprowadza koniugację (interakcję) dużych cykli geologicznych i małych biologicznych substancji. Gleba jest wyjątkową formacją naturalną o złożonym składzie materiałowym. Materia glebowa reprezentowana jest przez cztery fazy fizyczne: stałą (cząstki mineralne i organiczne), płynną (roztwór glebowy), gazową (powietrze glebowe) i żywą (organizmy). Gleby charakteryzują się złożoną organizacją przestrzenną i zróżnicowaniem cech, właściwości i procesów.[...]

Z pierwszego wniosku wynika, że możemy liczyć jedynie na produkcję niskoodpadową. Dlatego pierwszym etapem rozwoju technologii powinna być ich niska zasoboochłonność (zarówno na wejściu, jak i na wyjściu - oszczędność i nieznaczna emisja), drugim etapem będzie utworzenie cyklicznej produkcji (odpady jednych mogą być surowcami dla innych ) i trzeci - organizacja rozsądnego usuwania nieuniknionych pozostałości i neutralizacji nieusuwalnych odpadów energetycznych. Pogląd, że biosfera funkcjonuje na zasadzie bezodpadowej, jest błędny, gdyż zawsze gromadzi w niej substancje usunięte z cyklu biologicznego, tworząc skały osadowe.[...]

Istotę glebotwórczą według V.R. Williamsa definiuje się jako dialektyczne oddziaływanie procesów syntezy i rozkładu materii organicznej, zachodzących w układzie małego cyklu biologicznego substancji.[...]

Na różnych etapach rozwoju biosfery procesy zachodzące w niej nie były takie same, mimo że przebiegały według podobnych schematów. Obecność wyraźnego cyklu substancji, zgodnie z prawem globalnego zamknięcia cyklu biogeochemicznego, jest obowiązkową właściwością biosfery na każdym etapie jej rozwoju. Jest to prawdopodobnie niezmienne prawo jego istnienia. Szczególną uwagę należy zwrócić na wzrost udziału składnika biologicznego, a nie geochemicznego, w zamykaniu cyklu biogeochemicznego substancji. Jeśli na pierwszych etapach ewolucji dominował ogólny cykl biosfery - duży krąg wymiany biosfery (początkowo tylko w środowisku wodnym, a następnie podzielony na dwa podcykle - lądowy i oceaniczny), to później zaczął się fragmentaryzować. Zamiast stosunkowo jednorodnej fauny i flory pojawiły się i coraz bardziej różnicowały ekosystemy o różnych poziomach hierarchii i przemieszczenia geograficznego. Znaczenie zyskały małe, biogeocenotyczne kręgi wymiany. Powstała tak zwana „wymiana wymian” – harmonijny system cykli biogeochemicznych, w których największe znaczenie ma składnik biotyczny.[...]

Na średnich szerokościach geograficznych pobór energii ze Słońca wynosi 48-61 tys. GJ/ha rocznie. Przy dodaniu dodatkowej energii w ilości większej niż 15 GJ/ha rocznie zachodzą niekorzystne dla środowiska procesy - erozja i deflacja gleby, zamulanie i zanieczyszczenie małych rzek, eutrofizacja zbiorników wodnych, zaburzenia cyklu biologicznego w ekosystemach.[... ]

Region wschodniosyberyjski charakteryzuje się ostrymi zimami z niewielką ilością śniegu i głównie letnimi opadami, które zmywają warstwę gleby. W rezultacie w czarnoziemach wschodniosyberyjskich zachodzi okresowy reżim wymywania. Cykl biologiczny jest tłumiony przez niskie temperatury. W rezultacie zawartość próchnicy w czarnoziemach Zabajkału jest niska (4-9%), a miąższość poziomu próchnicznego jest niewielka. Zawartość węglanów jest bardzo mała lub nie ma jej wcale. Dlatego czarnoziemy z grupy wschodniosyberyjskiej nazywane są niskowęglanowymi i niewęglanowymi (na przykład ługowane czarnoziemy niskowęglanowe lub niewęglanowe, zwykłe czarnoziemy niskowęglanowe).[...]

Większość drobnych pierwiastków w stężeniach powszechnych w wielu naturalnych ekosystemach ma niewielki wpływ na organizmy, być może dlatego, że organizmy się do nich przystosowały. Zatem migracje tych pierwiastków nie byłyby dla nas zbyt interesujące, gdyby nie produkty uboczne przemysłu wydobywczego, różnych gałęzi przemysłu, przemysłu chemicznego i współczesnego rolnictwa, produkty zawierające wysokie stężenia metali ciężkich, toksycznych związków organicznych i innych potencjalnie niebezpiecznych substancji. zbyt często przedostają się do środowiska. Nawet bardzo rzadki pierwiastek, jeśli zostanie wprowadzony do środowiska w postaci silnie toksycznego związku metalu lub izotopu promieniotwórczego, może nabrać istotnego znaczenia biologicznego, gdyż już niewielka (z geochemicznego punktu widzenia) ilość takiej substancji może mają wyraźny efekt biologiczny. [...]

Charakter chemiczny witamin i innych związków organicznych stymulujących wzrost oraz zapotrzebowanie na nie u ludzi i zwierząt domowych są znane od dawna; jednakże badania nad tymi substancjami na poziomie ekosystemu dopiero się rozpoczęły. Organicznych składników odżywczych w wodzie lub glebie jest tak mało, że należy je nazywać „mikroskładnikami pokarmowymi”, w przeciwieństwie do „makroskładników”, takich jak azot, i „mikroskładników”, takich jak metale śladowe (patrz rozdział 5). Często jedyną metodą pomiaru ich zawartości jest badanie biologiczne: wykorzystuje się specjalne szczepy mikroorganizmów, których tempo wzrostu jest proporcjonalne do stężenia organicznych składników odżywczych. Jak podkreślono w poprzedniej sekcji, roli substancji i jej natężenia przepływu nie zawsze można ocenić na podstawie jej stężenia. Obecnie staje się jasne, że organiczne składniki odżywcze odgrywają ważną rolę w metabolizmie społeczności i mogą być czynnikiem ograniczającym. Ten interesujący obszar badań niewątpliwie przyciągnie uwagę naukowców w najbliższej przyszłości. Poniższy opis cyklu witaminy B12 (kobalaminy), zaczerpnięty z Provasoli (1963), pokazuje, jak mało wiemy o obiegu organicznych składników odżywczych.[...]

W.R. Williams (1863-1939) rozwinął doktrynę czynników rolniczych. Zgodnie z pierwszym prawem rolnictwa, żaden z czynników życia roślin nie może zostać zastąpiony innym. Ponadto wszystkie czynniki życia roślin są oczywiście równie istotne (drugie prawo). Podkreślmy jego ważną tezę, że gleba jest wynikiem interakcji małego – biologicznego i dużego – geologicznego cyklu materii.[...]

V. R. Williams ściśle powiązał swoje pomysły z dziedziny genetycznej nauki o glebie i badania żyzności gleby z praktycznymi zagadnieniami rolnictwa i położył je jako podstawę systemu rolnictwa opartego na trawie. Najważniejsze i oryginalne poglądy wyraził V. R. Williams na temat roli organizmów żywych w tworzeniu gleby, istoty procesu glebotwórczego i charakteru poszczególnych specyficznych procesów, małego cyklu biologicznego substancji, żyzności gleby, próchnica gleby i struktura gleby. [...]

Podejścia te są zasadniczo powiązane ze strategią i taktyką, wyborem długoterminowego zachowania i miarami priorytetowych decyzji. Nie da się ich rozdzielić: zanieczyszczenie środowiska człowieka szkodzi innym organizmom i naturze żywej w ogóle, a degradacja systemów naturalnych osłabia ich zdolność do naturalnego oczyszczania środowiska. Zawsze jednak należy rozumieć, że nie da się zachować jakości środowiska człowieka bez udziału naturalnych mechanizmów ekologicznych. Nawet jeśli opanujemy technologie mało zanieczyszczające, nic nie osiągniemy, jeśli jednocześnie nie przestaniemy przeszkadzać naturze w regulowaniu składu środowiska, oczyszczaniu go i czynieniu zdatnym do życia. Najczystsze technologie i najbardziej zaawansowane urządzenia ochrony środowiska nas nie uratują, jeśli będzie trwało wylesianie, zmniejszy się różnorodność gatunków biologicznych i zakłócony zostanie obieg substancji w przyrodzie. Należy podkreślić, że z ekologicznego punktu widzenia koncepcja „ochrony” od samego początku jest błędna, gdyż działania powinny być tak skonstruowane, aby nie dopuszczać, uniemożliwiać wszelkich skutków i rezultatów, które wówczas miałyby muszą być „chronione”. [...]

Około 99% całej materii biosfery jest przekształcane przez organizmy żywe, a całkowitą biomasę żywej materii Ziemi szacuje się na zaledwie 2,4 1012 ton suchej masy, co stanowi 10”9 części masy Ziemi. Roczna reprodukcja biomasy to około 170 miliardów ton suchej masy. Całkowita biomasa organizmów roślinnych jest 2500 razy większa niż zwierząt, ale różnorodność gatunkowa zoosfery jest 6 razy bogatsza niż fitosfery. Gdyby wszystkie żywe organizmy ułożyć w jednej warstwie, na powierzchni Ziemi utworzyłaby się pokrywa biologiczna o grubości zaledwie 5 mm. Ale pomimo niewielkich rozmiarów fauny i flory, to ona determinuje lokalne warunki na powierzchni skorupy ziemskiej. Jego istnienie odpowiada za pojawianie się wolnego tlenu w atmosferze, powstawanie gleb i obieg pierwiastków w przyrodzie.[...]

Opisaliśmy już grzyby powyżej i właściwie ich owocnik nazywamy grzybem, ale to tylko część ogromnego organizmu. Jest to rozległa sieć mikroskopijnych włókien (raf), zwana grzybnią (grzybnią) i przenikająca detrytus, głównie drewno, ściółkę z liści itp. W miarę wzrostu grzybnia wydziela znaczną liczbę enzymów rozkładających drewno do stanu gotowy do spożycia, a stopniowo grzybnia całkowicie rozkłada martwe drewno. Co ciekawe, jak pisze B. Nebel (1993), grzyby można spotkać na glebie nieorganicznej, gdyż ich grzybnia jest w stanie wydobyć ze swojej grubości nawet bardzo niskie stężenia substancji organicznych. Bakterie działają w podobny sposób, ale na poziomie mikroskopowym. Bardzo ważna dla utrzymania stabilności cyklu biologicznego jest zdolność grzybów i niektórych bakterii do tworzenia ogromnych ilości zarodników (komórek rozrodczych). Te mikroskopijne cząstki są przenoszone przez prądy powietrza w atmosferze na bardzo duże odległości, co pozwala im rozprzestrzeniać się wszędzie i produkować zdolne do życia potomstwo w dowolnej przestrzeni, przy optymalnych warunkach życia.

Mały cykl (biologiczny).

Masa żywej materii w biosferze jest stosunkowo niewielka. Jeśli zostanie rozprowadzony na powierzchni Ziemi, powstanie warstwa o grubości zaledwie 1,5 cm. Tabela 4.1 porównuje niektóre ilościowe cechy biosfery i innych geosfer Ziemi. Biosfera, stanowiąca niecałe 10-6 razy większą masę niż pozostałe powłoki planety, charakteryzuje się nieporównywalnie większą różnorodnością i milion razy szybciej odnawia swój skład.

Tabela 4.1

Porównanie biosfery z innymi geosferami Ziemi

*Materia żywa w oparciu o żywą wagę

4.4.1. Funkcje biosfery

Dzięki biocie biosfery zachodzi przeważająca część przemian chemicznych na planecie. Stąd wyrok V.I. Vernadsky’ego o ogromnej, transformacyjnej roli geologicznej materii żywej. W trakcie ewolucji organicznej organizmy żywe tysiąckrotnie (np. różne cykle od 103 do 105 razy). I nie tylko za tym tęsknili, ale także modyfikowali środowisko ziemi zgodnie ze swoimi potrzebami.

Dzięki swojej zdolności do przekształcania energii słonecznej w energię wiązań chemicznych, rośliny i inne organizmy pełnią szereg podstawowych funkcji biogeochemicznych w skali planety.

Funkcja gazu. Istoty żywe stale wymieniają tlen i dwutlenek węgla ze środowiskiem poprzez procesy fotosyntezy i oddychania. Rośliny odegrały decydującą rolę w zmianie środowiska redukującego na utleniające w ewolucji geochemicznej planety i tworzeniu składu gazowego współczesnej atmosfery. Rośliny ściśle kontrolują stężenia O2 i CO2, które są optymalne dla wszystkich współczesnych organizmów żywych.

Funkcja koncentracji. Organizmy żywe przepuszczając przez swoje ciała duże ilości powietrza i roztworów naturalnych dokonują migracji biogennej (przepływu substancji chemicznych) oraz koncentracji pierwiastków chemicznych i ich związków. Dotyczy to biosyntezy materii organicznej, powstawania wysp koralowych, budowy muszli i szkieletów, pojawiania się osadowych warstw wapienia, złóż niektórych rud metali, gromadzenia się konkrecji żelazowo-manganowych na dnie oceanu itp. wczesne etapy ewolucji biologicznej miały miejsce w środowisku wodnym. Organizmy nauczyły się wydobywać potrzebne substancje z rozcieńczonego roztworu wodnego, wielokrotnie zwiększając ich stężenie w organizmie.

Funkcja redoks materii żywej jest ściśle powiązana z biogenną migracją pierwiastków i stężeniem substancji. Wiele substancji w przyrodzie jest stabilnych i w normalnych warunkach nie ulega utlenianiu, np. azot cząsteczkowy jest jednym z najważniejszych pierwiastków biogennych. Ale żywe komórki mają tak potężne katalizatory – enzymy – że są w stanie przeprowadzić wiele reakcji redoks miliony razy szybciej, niż jest to możliwe w środowisku abiotycznym.

Funkcja informacyjna materii żywej biosfery. Wraz z pojawieniem się pierwszych prymitywnych żywych istot na planecie pojawiła się aktywna („żywa”) informacja, która różniła się od tej „martwej” informacji, która jest prostym odzwierciedleniem struktury. Organizmy okazały się zdolne do pozyskiwania informacji poprzez połączenie przepływu energii z aktywną strukturą molekularną, która pełni rolę programu. Zdolność postrzegania, przechowywania i przetwarzania informacji molekularnej przeszła w przyrodzie szybką ewolucję i stała się najważniejszym czynnikiem kształtującym systemy ekologiczne. Całkowity zapas informacji genetycznej fauny i flory szacuje się na 1015 bitów. Całkowita moc przepływu informacji molekularnej związanej z metabolizmem i energią we wszystkich komórkach światowej fauny i flory sięga 1036 bitów/s (Gorshkov i in., 1996).

4.4.2. Elementy cyklu biologicznego.

Cykl biologiczny zachodzi pomiędzy wszystkimi składnikami biosfery (tj. pomiędzy glebą, powietrzem, wodą, zwierzętami, mikroorganizmami itp.). Zachodzi przy obowiązkowym udziale organizmów żywych.

Promieniowanie słoneczne docierające do biosfery niesie ze sobą energię około 2,5*1024 J rocznie. Tylko 0,3% z niej ulega bezpośredniej konwersji w procesie fotosyntezy na energię wiązań chemicznych substancji organicznych, tj. bierze udział w cyklu biologicznym. Okazuje się, że 0,1–0,2% energii słonecznej spadającej na Ziemię zawarte jest w czystej produkcji pierwotnej. Dalsze losy tej energii wiążą się z przenoszeniem materii organicznej pożywienia poprzez kaskady łańcuchów troficznych.

Cykl biologiczny można warunkowo podzielić na powiązane ze sobą elementy: cykl substancji i cykl energetyczny.

4.4.3. Cykl energetyczny. Transformacja energii w biosferze

Ekosystem można opisać jako zbiór żywych organizmów, które w sposób ciągły wymieniają energię, materię i informacje. Energię można zdefiniować jako zdolność do wykonania pracy. Właściwości energii, w tym ruch energii w ekosystemach, opisują prawa termodynamiki.

Pierwsza zasada termodynamiki, czyli prawo zachowania energii, mówi, że energia nie znika ani nie powstaje na nowo, a jedynie przechodzi z jednej formy w drugą.

Druga zasada termodynamiki mówi, że w układzie zamkniętym entropia może tylko rosnąć. W odniesieniu do energii w ekosystemach dogodne jest sformułowanie: procesy związane z przemianą energii mogą zachodzić samoistnie tylko pod warunkiem przejścia energii z formy skoncentrowanej do rozproszonej, czyli ulegającej degradacji. Miarą ilości energii, która staje się niedostępna do wykorzystania, lub inaczej miarą zmiany porządku, jaka następuje podczas degradacji energii, jest entropia. Im wyższy rząd układu, tym niższa jego entropia.

Inaczej mówiąc, materia żywa przyjmuje i przekształca energię przestrzeni i słońca w energię procesów ziemskich (chemicznych, mechanicznych, termicznych, elektrycznych). Angażuje tę energię i materię nieorganiczną w ciągły cykl substancji w biosferze. Przepływ energii w biosferze ma jeden kierunek - od Słońca przez rośliny (autotrofy) do zwierząt (heterotrofy). Naturalne, nienaruszone ekosystemy w stabilnym stanie, ze stałymi krytycznymi wskaźnikami środowiskowymi (homeostazą), są układami najbardziej uporządkowanymi i charakteryzują się najniższą entropią.

4.4.4. Cykl substancji w przyrodzie ożywionej

Tworzenie się żywej materii i jej rozkład to dwie strony jednego procesu, który nazywa się biologicznym cyklem pierwiastków chemicznych. Życie to cykl pierwiastków chemicznych zachodzących pomiędzy organizmami a środowiskiem.

Powodem cyklu jest ograniczona liczba elementów, z których zbudowane są ciała organizmów. Każdy organizm pobiera ze środowiska substancje niezbędne do życia i zwraca te, których nie wykorzystuje. W której:

Niektóre organizmy spożywają minerały bezpośrednio ze środowiska;

inni w pierwszej kolejności korzystają z produktów przetworzonych i izolowanych;

trzeci - drugi itd., aż substancje powrócą do środowiska w stanie pierwotnym.

W biosferze istnieje oczywista potrzeba współistnienia różnych organizmów, które potrafią wzajemnie wykorzystywać swoje odpady. Widzimy praktycznie bezodpadową produkcję biologiczną.

Obieg substancji w organizmach żywych można z grubsza sprowadzić do czterech procesów:

1. Fotosynteza. W wyniku fotosyntezy rośliny pobierają i akumulują energię słoneczną oraz syntetyzują substancje organiczne – pierwotne produkty biologiczne – i tlen z substancji nieorganicznych. Podstawowe produkty biologiczne są bardzo różnorodne – zawierają węglowodany (glukozę), skrobię, błonnik, białka i tłuszcze.

Schemat fotosyntezy najprostszego węglowodanu (glukozy) ma następujący schemat:

Proces ten zachodzi wyłącznie w ciągu dnia i towarzyszy mu przyrost masy rośliny.

Na Ziemi w wyniku fotosyntezy powstaje rocznie około 100 miliardów ton materii organicznej, pochłanianych jest około 200 miliardów ton dwutlenku węgla i uwalnianych jest około 145 miliardów ton tlenu.

Fotosynteza odgrywa decydującą rolę w zapewnieniu istnienia życia na Ziemi. Jej globalne znaczenie tłumaczy się tym, że fotosynteza jest jedynym procesem, podczas którego energia w procesie termodynamicznym, zgodnie z zasadą minimalizmu, nie jest rozpraszana, lecz akumulowana.

Syntetyzując aminokwasy niezbędne do budowy białek, rośliny mogą istnieć stosunkowo niezależnie od innych organizmów żywych. Przejawia się to w autotrofii roślin (niezależność w żywieniu). Jednocześnie zielona masa roślin i tlen powstający podczas fotosyntezy są podstawą do podtrzymywania życia kolejnej grupy organizmów żywych - zwierząt, mikroorganizmów. Świadczy to o heterotrofii tej grupy organizmów.

2. Oddychanie. Proces jest odwrotnością fotosyntezy. Występuje we wszystkich żywych komórkach. Podczas oddychania materia organiczna jest utleniana przez tlen, w wyniku czego powstaje dwutlenek węgla, woda i uwalniana jest energia.

3. Połączenia pokarmowe (troficzne) pomiędzy organizmami autotroficznymi i heterotroficznymi. W tym przypadku energia i materia są przenoszone wzdłuż ogniw łańcucha pokarmowego, o czym mówiliśmy bardziej szczegółowo wcześniej.

4. Proces transpiracji. Jeden z najważniejszych procesów w cyklu biologicznym.

Schematycznie można to opisać w następujący sposób. Rośliny pobierają wilgoć z gleby poprzez korzenie. Jednocześnie otrzymują rozpuszczone w wodzie minerały, które są wchłaniane, a wilgoć odparowuje mniej lub bardziej intensywnie w zależności od warunków środowiskowych.

4.4.5. Cykle biogeochemiczne

Cykle geologiczne i biologiczne są ze sobą powiązane – istnieją jako jeden proces, powodujący obieg substancji, tzw. cykle biogeochemiczne (BGCC). Ten cykl pierwiastków wynika z syntezy i rozkładu substancji organicznych w ekosystemie (ryc. 4.1).Nie wszystkie elementy biosfery biorą udział w BGCC, a jedynie biogenne. Zbudowane są z nich organizmy żywe, pierwiastki te wchodzą w liczne reakcje i uczestniczą w procesach zachodzących w organizmach żywych. Procentowo całkowita masa materii żywej w biosferze składa się z następujących głównych pierwiastków biogennych: tlen – 70%, węgiel – 18%, wodór – 10,5%, wapń – 0,5%, potas – 0,3%, azot – 0, 3% (tlen, wodór, azot, węgiel występują we wszystkich krajobrazach i są podstawą organizmów żywych - 98%).

Istota biogennej migracji pierwiastków chemicznych.

Zatem w biosferze zachodzi biogeniczny obieg substancji (czyli cykl wywołany żywotną działalnością organizmów) i jednokierunkowy przepływ energii. Biogenna migracja pierwiastków chemicznych determinowana jest głównie przez dwa przeciwstawne procesy:

1. Tworzenie się żywej materii z elementów środowiska pod wpływem energii słonecznej.

2. Niszczenie substancji organicznych połączone z wyzwoleniem energii. W tym przypadku pierwiastki substancji mineralnych wielokrotnie przedostają się do organizmów żywych, stając się w ten sposób częścią złożonych związków organicznych, form, a następnie, gdy te ostatnie ulegną zniszczeniu, ponownie uzyskują formę mineralną.

Istnieją elementy, które są częścią organizmów żywych, ale nie są klasyfikowane jako biogenne. Pierwiastki takie klasyfikuje się według ich udziału wagowego w organizmach:

Makroelementy – stanowiące co najmniej 10-2% masy;

Mikroelementy – składniki od 9*10-3 do 1*10-3% masy;

Ultramikroelementy – poniżej 9*10-6% masy;

Aby określić miejsce składników odżywczych wśród innych pierwiastków chemicznych biosfery, rozważmy klasyfikację przyjętą w ekologii. Ze względu na ich aktywność w procesach zachodzących w biosferze wszystkie pierwiastki chemiczne dzielą się na 6 grup:

Gazy szlachetne - hel, neon, argon, krypton, ksenon. Gazy obojętne nie są częścią organizmów żywych.

Metale szlachetne - ruten, rad, pallad, osm, iryd, platyna, złoto. Metale te prawie nie tworzą związków w skorupie ziemskiej.

Elementy cykliczne lub biogenne (nazywane są również migrującymi). Ta grupa pierwiastków biogennych w skorupie ziemskiej stanowi 99,7% całkowitej masy, a pozostałych 5 grup - 0,3%. Zatem większość elementów stanowią migranci krążący w otoczce geograficznej, a część elementów obojętnych jest bardzo mała.

Pierwiastki rozproszone charakteryzujące się przewagą wolnych atomów. Wchodzą w reakcje chemiczne, ale ich związki rzadko występują w skorupie ziemskiej. Dzielą się na dwie podgrupy. Pierwsze - rubid, cez, niob, tantal - tworzą związki w głębi skorupy ziemskiej, a na powierzchni ich minerały ulegają zniszczeniu. Drugi - jod, brom - reagują tylko na powierzchni.

Pierwiastki promieniotwórcze - polon, radon, rad, uran, neptun, pluton.

Pierwiastki ziem rzadkich - itr, samar, europ, tul itp.

Przez cały rok cykle biochemiczne wprawiają w ruch około 480 miliardów ton materii.

W I. Wernadski sformułował trzy zasady biogeochemiczne wyjaśniające istotę biogenicznej migracji pierwiastków chemicznych:

Biogenna migracja pierwiastków chemicznych w biosferze zawsze dąży do jej maksymalnej manifestacji.

Ewolucja gatunków w czasie geologicznym, prowadząca do powstania stabilnych form życia, idzie w kierunku sprzyjającym biogenicznej migracji atomów.

Materia żywa podlega ciągłej wymianie chemicznej ze swoim środowiskiem, co jest czynnikiem odtwarzającym i utrzymującym biosferę.

Zastanówmy się, jak niektóre z tych pierwiastków poruszają się w biosferze.

Obieg węgla. Głównym uczestnikiem cyklu biotycznego jest węgiel będący podstawą substancji organicznych. Obieg węgla zachodzi głównie pomiędzy materią żywą a atmosferycznym dwutlenkiem węgla w procesie fotosyntezy. Uzyskuje się go z pożywienia przez zwierzęta roślinożerne, a od zwierząt roślinożernych przez mięsożerców. Podczas oddychania i rozkładu dwutlenek węgla jest częściowo zawracany do atmosfery; powrót następuje podczas spalania minerałów organicznych.

W przypadku braku powrotu węgla do atmosfery, zostałby on skonsumowany przez rośliny zielone w ciągu 7-8 lat. Tempo biologicznego obrotu węgla w procesie fotosyntezy wynosi 300 lat. Oceany odgrywają dużą rolę w regulacji zawartości CO2 w atmosferze. Jeśli zawartość CO2 w atmosferze wzrasta, jego część rozpuszcza się w wodzie, reagując z węglanem wapnia.

Cykl tlenowy.

Tlen ma wysoką aktywność chemiczną i łączy się z prawie wszystkimi elementami skorupy ziemskiej. Występuje głównie w postaci związków. Co czwarty atom materii żywej to atom tlenu. Prawie cały tlen cząsteczkowy w atmosferze powstał i utrzymuje się na stałym poziomie dzięki aktywności roślin zielonych. Tlen atmosferyczny, związany podczas oddychania i uwalniany podczas fotosyntezy, przechodzi przez wszystkie żywe organizmy w ciągu 200 lat.

Cykl azotowy. Azot jest integralną częścią wszystkich białek. Ogólny stosunek azotu związanego, jako pierwiastka tworzącego materię organiczną, do azotu występującego w przyrodzie wynosi 1:100 000. Energia wiązań chemicznych w cząsteczce azotu jest bardzo wysoka. Dlatego połączenie azotu z innymi pierwiastkami – tlenem, wodorem (proces wiązania azotu) – wymaga dużej ilości energii. Przemysłowe wiązanie azotu zachodzi w obecności katalizatorów w temperaturze -500°C i pod ciśnieniem –300 atm.

Jak wiadomo atmosfera zawiera ponad 78% azotu cząsteczkowego, jednak w tym stanie nie jest on dostępny dla roślin zielonych. Do odżywiania rośliny mogą używać wyłącznie soli kwasu azotowego i azotawego. W jaki sposób powstają te sole? Tutaj jest kilka z nich:

W biosferze wiązanie azotu odbywa się przez kilka grup bakterii beztlenowych i cyjanobakterii w normalnej temperaturze i ciśnieniu ze względu na wysoką skuteczność biokatalizy. Uważa się, że bakterie przekształcają rocznie około 1 miliarda ton azotu w formę związaną (światowa objętość utrwalania przemysłowego wynosi około 90 milionów ton).

Bakterie wiążące azot w glebie są w stanie absorbować azot cząsteczkowy z powietrza. Wzbogacają glebę w związki azotu, dlatego ich znaczenie jest niezwykle duże.

W wyniku rozkładu związków zawierających azot substancji organicznych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego.

Pod wpływem bakterii azot zamienia się w azotany, azotyny i związki amonowe. W roślinach związki azotu biorą udział w syntezie związków białkowych, które przekazywane są z organizmu na organizm w łańcuchach pokarmowych.

Cykl fosforu. Kolejnym ważnym pierwiastkiem, bez którego synteza białek nie jest możliwa, jest fosfor. Głównymi źródłami są skały magmowe (apatyty) i skały osadowe (fosforyty).

Fosfor nieorganiczny bierze udział w cyklu w wyniku naturalnych procesów ługowania. Fosfor jest pobierany przez organizmy żywe, które przy jego udziale syntetyzują szereg związków organicznych i przenoszą je na różne poziomy troficzne.

Po zakończeniu swojej podróży przez łańcuchy troficzne fosforany organiczne są rozkładane przez drobnoustroje i przekształcane w fosforany mineralne dostępne dla roślin zielonych.

W procesie obiegu biologicznego, który zapewnia przepływ materii i energii, nie ma miejsca na gromadzenie się odpadów. Produkty odpadowe (tj. odpady) każdej formy życia stanowią pożywkę dla innych organizmów.

Teoretycznie w biosferze należy zawsze zachować równowagę pomiędzy produkcją biomasy a jej rozkładem. Jednak w niektórych okresach geologicznych równowaga cyklu biologicznego została zachwiana, gdy na skutek pewnych warunków naturalnych i katastrof nie wszystkie produkty biologiczne uległy asymilacji i przekształceniu. W tych przypadkach tworzyły się nadmiarowe produkty biologiczne, które utrwalały się i odkładały w skorupie ziemskiej, pod warstwą wody, osadów i trafiały do strefy wiecznej zmarzliny. W ten sposób powstały złoża węgla, ropy, gazu i wapienia. Należy zaznaczyć, że nie zanieczyszczają biosfery. Energia Słońca zgromadzona w procesie fotosyntezy skupia się w minerałach organicznych. Teraz, spalając organiczne, palne minerały, człowiek uwalnia tę energię.