Ūdens cikls biosfērā. Ūdens cikls biosfērā

Izstrādājot šīs tēmas, jums vajadzētu būt iespējai:

1. Sniedziet definīcijas: "ekoloģija", "ekoloģiskais faktors", "fotoperiodisms", "ekoloģiskā niša", "biotops", "populācija", "biocenoze", "ekosistēma", "ražotājs", "patērētājs", "sadalītājs", " pēctecība", "agrocenoze".
2. Sniedziet augu un, ja iespējams, dzīvnieku fotoperiodisku reakciju piemērus.
3. Izskaidrojiet atšķirību starp populācijas dzīvotni un tās nišu. Sniedziet piemērus katram no šiem jēdzieniem.
4. Komentējiet Šelforda likumu un protiet izveidot organismu atkarības grafiku no abiotiskajiem vides faktoriem.
5. Aprakstiet veiksmīgas bioloģiskās kaitēkļu kontroles metodes piemēru.
6. Izskaidrojiet iedzīvotāju eksplozijas cēloņus un iespējamās sekas, kā arī dzimstības samazināšanās nozīmi, kas parasti seko mirstības samazinājumam.
7. Izveidojiet barības ķēdes diagrammu; pareizi norāda katras konkrētās ekosistēmas komponentes satiksmes līmeni.
8. Izveidojiet šādu elementu vienkāršā cikla diagrammu: skābeklis, slāpeklis, ogleklis.
9. Aprakstiet notikumus, kas notiek, kad ezers aizaug; pēc mežu izciršanas.
10. Norādiet atšķirības starp agrocenozi un biocenozi.
11. Runājiet par biosfēras nozīmi un struktūru.
12. Paskaidrojiet, kā lauksaimniecība, fosilā kurināmā izmantošana un plastmasas ražošana veicina vides piesārņojumu, un iesakiet pasākumus tā novēršanai.

Ivanova T.V., Kalinova G.S., Mjagkova A.N. "Vispārīgā bioloģija". Maskava, "Apgaismība", 2000

• 18. tēma "Dzīvotne. Vides faktori." 1. nodaļa; 10.-58.lpp
• 19. tēma. "Populācijas. Organismu attiecību veidi." 2. nodaļas 8.–14. 60.-99.lpp.; 5. nodaļas 30.-33
• Tēma 20. "Ekosistēmas." 2. nodaļa, 15.–22. 106.-137.lpp
• 21. tēma. "Biosfēra. Matērijas cikli." 6. nodaļa, 34.–42. 217.-290.lpp

Ūdens cikls dabā (hidroloģiskais cikls) ir ūdens cikliskas kustības process zemes biosfērā. Sastāv no iztvaikošanas, kondensāta un nokrišņiem.

Jūras iztvaikošanas dēļ zaudē vairāk ūdens, nekā tās saņem nokrišņu rezultātā, uz sauszemes situācija ir pretēja. Ūdens nepārtraukti cirkulē uz zemeslodes, kamēr tā kopējais daudzums nemainās.

Trīs ceturtdaļas no zemeslodes virsmas ir klātas ar ūdeni. Zemes ūdens slāni sauc par hidrosfēru. Lielāko daļu no tā veido sālsūdens no jūrām un okeāniem, mazāka daļa ir saldūdens no ezeriem, upēm, ledājiem, gruntsūdeņiem un ūdens tvaikiem.

Uz Zemes ūdens pastāv trīs agregācijas stāvokļos: šķidrā, cietā un gāzveida. Bez ūdens dzīvie organismi nevar pastāvēt. Jebkurā organismā ūdens ir vide, kurā notiek ķīmiskas reakcijas, bez kuras dzīvie organismi nevar dzīvot. Ūdens ir visvērtīgākā un būtiskākā viela dzīvo organismu dzīvībai.

Pastāvīgo mitruma apmaiņu starp hidrosfēru, atmosfēru un zemes virsmu, kas sastāv no iztvaikošanas procesiem, ūdens tvaiku kustības atmosfērā, tā kondensācijas atmosfērā, nokrišņiem un noteces, sauc par ūdens ciklu dabā. Atmosfēras nokrišņi daļēji iztvaiko, daļēji veido īslaicīgas un pastāvīgas notekas un rezervuārus, kā arī daļēji iesūcas zemē un veido gruntsūdeņus.

Dabā ir vairāki ūdens ciklu veidi:

1. Lielais jeb globālais cikls - ūdens tvaikus, kas veidojas virs okeānu virsmas, vēji aiznes uz kontinentiem, nokrīt tur nokrišņu veidā un atgriežas okeānā noteces veidā. Šajā procesā mainās ūdens kvalitāte: iztvaikojot, sāļais jūras ūdens pārvēršas saldūdenī, un piesārņotais ūdens tiek attīrīts.

2. Mazs jeb okeāna cikls – ūdens tvaiki, kas veidojas virs okeāna virsmas, kondensējas un kā nokrišņi nokrīt atpakaļ okeānā.

3. Intrakontinentālais cikls - ūdens, kas iztvaikojis virs zemes virsmas, atkal nokrīt uz zemes nokrišņu veidā.

Galu galā nogulumi kustības procesā atkal sasniedz Pasaules okeānu.

Ūdens F-X īpašības

1. Virsmas spraigums ir ūdens molekulu savstarpējās saķeres pakāpe. Organiskie un neorganiskie savienojumi izšķīst šķidrā vidē, kas satur ūdeni, tāpēc liela nozīme ir mūsu patērētā ūdens virsmas spraigumam. Jebkurš šķidrums organismā satur ūdeni un tā vai citādi piedalās reakcijās. Ūdens organismā spēlē šķīdinātāja lomu, nodrošina transporta sistēmu un kalpo kā dzīvotne mūsu šūnām. Tāpēc, jo zemāks virsmas spraigums un attiecīgi augstāka ūdens šķīdināšanas spēja, jo labāk ūdens pilda savas galvenās funkcijas. Tostarp transporta sistēmas loma. Virsmas spraigums nosaka ūdens mitrināmību un tā šķīdinātāja īpašības. Jo zemāks virsmas spraigums, jo augstākas ir šķīdinātāja īpašības, jo augstāka ir plūstamība. Visi trīs lielumi – virsmas spraigums, plūstamība un šķīdība – ir savstarpēji saistīti.

2. Ūdens skābju-bāzes līdzsvars. Galvenajā dzīvajā vidē (asinis, limfa, siekalas, starpšūnu šķidrums, cerebrospinālais šķidrums utt.) ir nedaudz sārmaina reakcija. Kad tie pāriet uz skābo pusi, mainās bioķīmiskie procesi un organisms paskābina. Tas noved pie slimību attīstības.

3. Ūdens redokspotenciāls. Tā ir ūdens spēja iesaistīties bioķīmiskās reakcijās. To nosaka brīvo elektronu klātbūtne ūdenī. Tas ir ļoti svarīgs rādītājs cilvēka ķermenim.

4. Ūdens cietība - dažādu sāļu klātbūtne tajā.

5. Ūdens temperatūra nosaka bioķīmisko reakciju ātrumu.

6. Ūdens mineralizācija. Makro- un mikroelementu klātbūtne ūdenī ir nepieciešama cilvēka ķermeņa dzīvībai. Ķermeņa šķidrumi ir elektrolīti, kas tiek papildināti ar minerālvielām, tostarp ūdeni.

7. Ūdens ekoloģija - ķīmiskais piesārņojums un biogēnais piesārņojums. Ūdens tīrība ir piemaisījumu, baktēriju, smago metālu sāļu, hlora utt.

8. Ūdens struktūra. Ūdens ir šķidrais kristāls. Ūdens molekulas dipoli ir noteiktā veidā orientēti telpā, apvienojoties strukturālos konglomerātos. Tas ļauj šķidrumam veidot vienotu bioenerģijas informācijas vidi. Kad ūdens atrodas cieta kristāla (ledus) stāvoklī, molekulārais režģis ir stingri orientēts. Kušanas laikā tiek pārtrauktas stingras strukturālās molekulārās saites. Un dažas molekulas, atbrīvojoties, veido šķidru vidi. Viss šķidrums organismā ir strukturēts īpašā veidā.

9. Ūdens informācijas atmiņa. Pateicoties kristāla struktūrai, tiek reģistrēta informācija, kas izplūst no biolauka. Šī ir viena no ļoti svarīgajām ūdens īpašībām, kas ir ļoti svarīga visam dzīvajam.

10. Hado - ūdens viļņu enerģija.

2. Ūdens bioloģiskā nozīme

Ūdens kā šķīdinātājs. Ūdens ir lielisks polāro vielu šķīdinātājs. Tajos ietilpst jonu savienojumi, piemēram, sāļi, kuros lādētas daļiņas (joni) sadalās ūdenī, kad viela tiek izšķīdināta, kā arī daži nejonu savienojumi, piemēram, cukuri un vienkāršie spirti, kas satur lādētas (polāras) grupas (- OH) molekulā.

Vielai izšķīstot, tās molekulas jeb joni spēj brīvāk kustēties un attiecīgi palielinās tās reaktivitāte. Šī iemesla dēļ lielākā daļa ķīmisko reakciju šūnā notiek ūdens šķīdumos. Nepolāras vielas, piemēram, lipīdi, nesajaucas ar ūdeni un tāpēc var sadalīt ūdens šķīdumus atsevišķos nodalījumos, tāpat kā membrānas tos atdala. Molekulu nepolārās daļas atgrūž ūdens un tā klātbūtnē pievelkas viena otrai, kā tas notiek, piemēram, eļļas pilieniem saplūstot lielākos pilienos; citiem vārdiem sakot, nepolārās molekulas ir hidrofobas. Šādai hidrofobai mijiedarbībai ir liela nozīme membrānu, kā arī daudzu olbaltumvielu molekulu, nukleīnskābju un citu subcelulāru struktūru stabilitātes nodrošināšanā.

Ūdens kā šķīdinātāja raksturīgās īpašības nozīmē arī to, ka ūdens kalpo kā vide dažādu vielu transportēšanai. Tas veic šo lomu asinīs, limfātiskajā un ekskrēcijas sistēmā, gremošanas traktā un augu floēmā un ksilemā.

Augsta siltuma jauda. Ūdens īpatnējā siltumietilpība ir siltuma daudzums džoulos, kas nepieciešams, lai paaugstinātu 1 kg ūdens temperatūru par 1° C. Ūdenim ir augsta siltumietilpība (4,184 J/g). Tas nozīmē, ka ievērojams siltumenerģijas pieaugums izraisa tikai salīdzinoši nelielu tās temperatūras pieaugumu. Šī parādība izskaidrojama ar to, ka ievērojama šīs enerģijas daļa tiek tērēta ūdeņraža saišu pārraušanai, kas ierobežo ūdens molekulu mobilitāti.

Ūdens augstā siltumietilpība samazina tajā notiekošās temperatūras izmaiņas. Pateicoties tam, bioķīmiskie procesi notiek mazākā temperatūras diapazonā, ar nemainīgāku ātrumu, un šo procesu traucējumu risks no pēkšņām temperatūras novirzēm tos apdraud mazāk. Ūdens kalpo kā dzīvotne daudzām šūnām un organismiem, kam raksturīga diezgan ievērojama apstākļu noturība.

Liels iztvaikošanas siltums. Latentais iztvaikošanas siltums ir siltuma enerģijas daudzuma mērs, kas jāpiešķir šķidrumam, lai tas pārietu uz tvaiku, tas ir, lai pārvarētu molekulārās kohēzijas spēkus šķidrumā. Ūdens iztvaicēšanai ir nepieciešams diezgan ievērojams enerģijas daudzums (2494 J/g). Tas izskaidrojams ar ūdeņraža saišu esamību starp ūdens molekulām. Tieši šī iemesla dēļ ūdens, vielas ar tik mazām molekulām, viršanas temperatūra ir neparasti augsta.

Enerģija, kas nepieciešama, lai ūdens molekulas iztvaikotu, nāk no to vides. Tādējādi iztvaikošanu pavada dzesēšana. Šo parādību izmanto dzīvniekiem svīšanas laikā, termiskas aizdusas laikā zīdītājiem vai dažiem rāpuļiem (piemēram, krokodiliem), kuri sēž saulē ar atvērtu muti; tam var būt arī nozīmīga loma izplūstošo lapu atdzesēšanā.

Augsts saplūšanas siltums. Latentais saplūšanas siltums ir siltumenerģijas mērs, kas nepieciešams, lai izkausētu cietu vielu (ledus). Ūdenim ir nepieciešams salīdzinoši liels enerģijas daudzums, lai tas izkausētu (izkausētu). Ir arī pretējais: kad ūdens sasalst, tam jāatbrīvo liels daudzums siltumenerģijas. Tas samazina šūnu satura un apkārtējā šķidruma sasalšanas iespējamību. Ledus kristāli ir īpaši kaitīgi dzīvām būtnēm, kad tie veidojas šūnu iekšienē.

Ūdens blīvums un uzvedība sasalšanas punkta tuvumā. Ūdens blīvums (maksimums pie +4°C) samazinās no +4 līdz 0°C, tāpēc ledus ir vieglāks par ūdeni un ūdenī negrimst. Ūdens ir vienīgā viela, kurai šķidrā stāvoklī ir lielāks blīvums nekā cietā stāvoklī, jo ledus struktūra ir brīvāka nekā šķidrā ūdens struktūra.

Tā kā ledus peld ūdenī, tas veidojas, kad sasalst vispirms uz tā virsmas un tikai visbeidzot apakšējos slāņos. Ja dīķu aizsalšana notika apgrieztā secībā, no apakšas uz augšu, tad apgabalos ar mērenu vai aukstu klimatu saldūdens tilpnēs dzīvība vispār nevarēja pastāvēt. Fakts, ka ūdens slāņi, kuru temperatūra ir noslīdējusi zem 4 ° C, paceļas uz augšu, izraisa ūdens sajaukšanos lielos rezervuāros. Tajā esošās barības vielas cirkulē kopā ar ūdeni, kā rezultātā ūdenstilpes lielos dziļumos apdzīvo dzīvi organismi.

Pēc virknes eksperimentu tika konstatēts, ka saistītais ūdens temperatūrā, kas zemāka par sasalšanas punktu, nepārvēršas ledus kristāliskajā režģī. Tas ir enerģētiski nelabvēlīgi, jo ūdens ir diezgan stingri saistīts ar izšķīdušo molekulu hidrofilajiem reģioniem. Tam ir pielietojums kriomedicīnā.

Augsts virsmas spraigums un kohēzija. Kohēzija ir fiziska ķermeņa molekulu savstarpēja saķere pievilcīgu spēku ietekmē. Šķidruma virsmā ir virsmas spraigums - tas ir kohēzijas spēku rezultāts, kas iedarbojas starp molekulām, kas vērstas uz iekšu. Virsmas spraiguma dēļ šķidrumam ir tendence iegūt tādu formu, ka tā virsmas laukums ir minimāls (ideālā gadījumā sfēriska forma). No visiem šķidrumiem ūdens ir visaugstākais virsmas spraigums (7,6 10-4 N/m). Ūdens molekulām raksturīgā ievērojamā kohēzija spēlē nozīmīgu lomu dzīvās šūnās, kā arī ūdens kustībā pa ksilēma traukiem augos. Daudzi mazi organismi gūst labumu no virsmas spraiguma: tas ļauj tiem peldēt pa ūdeni vai slīdēt pa tā virsmu.

Ūdens kā reaģents. Ūdens bioloģisko nozīmi nosaka arī tas, ka tas ir viens no nepieciešamajiem metabolītiem, tas ir, piedalās vielmaiņas reakcijās. Ūdens tiek izmantots, piemēram, kā ūdeņraža avots fotosintēzes procesā, kā arī piedalās hidrolīzes reakcijās.

Ūdens nepārtraukti cirkulē visā pasaulē, bet kopējais ūdens daudzums nemainās.

Enerģijas plūsma ir enerģijas daudzums, kas tiek pārnests caur kādu patvaļīgu apgabalu laika vienībā. Enerģijas plūsmas mērvienība ir vats, kas vienāds ar vienu džoulu, kas dalīts ar sekundi. Enerģijas plūsmu piramīdas.

Ar katru pāreju no viena trofiskā līmeņa uz citu barības ķēdes vai tīkla ietvaros tiek veikts darbs un siltumenerģija tiek izvadīta vidē, un nākamajā trofiskajā līmenī organismu patērētās kvalitatīvās enerģijas daudzums samazinās.10% noteikums: pārejot no viena trofiskā līmeņa uz otru, tiek zaudēti 90% enerģijas un 10% tiek pārnesti uz nākamo līmeni. Jo garāka ir barības ķēde, jo vairāk tiek zaudēta lietderīgā enerģija. Tāpēc barības ķēdes garums parasti nepārsniedz 4 - 5 saites.

Skābekļa cikls. Skābekļa biogēnā vērtība. Organismu skābekļa lietošanas bioķīmiskie, anatomiskie un fizioloģiskie mehānismi. Skābekļa cikla rezerves fonds, biosfēras skābekļa piegādes avoti.

SKĀBEKĻA CIKLS, skābekļa apmaiņa starp atmosfēru un okeāniem, starp procesiem, kas notiek dzīvniekos un augos, un ķīmiskā sadegšana. Galvenais skābekļa atjaunošanas avots uz Zemes ir FOTOSINTEZE, augos notiekošais process, kura laikā izdalās skābeklis. Ūdenī izšķīdušo skābekli uzņem ūdens dzīvības formas, izmantojot ELPIRĀCIJU, kas ir vitāli svarīgs visām dzīvības formām, izņemot anaerobās baktērijas. Šim ķīmiskajam elementam ir visaugstākās oksidācijas īpašības, veidojot daudz oksīdu gan ar metāliem, gan nemetāliem. Tāpēc daudzi metāli un nemetāli nav atrodami tīrā veidā, bet tikai rūdu veidā, kas savā sastāvā ir dažādi oksīdi. Tas ir visizplatītākais Zemes elements. Jūras ūdens satur vairāk nekā 80% no tā, un gandrīz puse no zemes garozas svara pieder skābeklim. Šis augstais skābekļa saturs ir iespējams fotosintēzes rezultātā. Zaļie augi, pakļaujoties saules gaismai, pārvērš oglekļa dioksīdu un ūdeni ogļhidrātos un skābeklī. Tās nozīmi dzīvībai uz Zemes diez vai var pārvērtēt. Visiem šī elementa savienojumiem un tam pašam ir milzīga loma jebkura dzīva organisma vielmaiņā, sākot no vienšūnu līdz daudzšūnu. Gandrīz visi organismi iegūst enerģiju savām dzīvībai svarīgām funkcijām, piedaloties skābeklim oksidācijas procesos. Ja elpošanas, sadegšanas un sabrukšanas procesi samazina skābekļa daudzumu atmosfērā, tad zaļo augu fotosintēze to aktīvi papildina. Tāpēc Zemei ir tik svarīgi saglabāt esošo zaļo telpu.

Katrā ciklā ir divas daļas vai divi fondi:

Rezerves fonds ir liela lēni kustīgu vielu masa, galvenokārt nebioloģiska sastāvdaļa;

Mobilais jeb apmaiņas fonds ir mazāks, bet aktīvāks fonds, kam raksturīga strauja apmaiņa starp organismiem un to tuvāko vidi. Biosfērai kopumā visi bioģeoķīmiskie cikli ir sadalīti gāzveida vielu ciklos ar rezerves fondu atmosfērā vai hidrosfērā (okeānā) un nogulumu ciklā ar rezerves fondu zemē.

Sēra cikls. Sēra bioloģiskā nozīme. Sēra rezerves fonds. Mikrobioloģiskie procesi sēra ciklā. Sēra cikla antropogēnā transformācija. Sēra izdalīšanās atmosfērā. Gaisa piesārņojuma problēma ar sēra savienojumiem.

Sēra cikls aptver ūdeni, augsni un atmosfēru ar nokrišņiem. Sēram ir svarīga bioloģiskā nozīme, jo tas ir daļa no aminoskābēm, olbaltumvielām un citiem dzīvajā dabā plaši izplatītiem organiskiem savienojumiem. Sērs ir atrodams visos organismos.

Sērs ir ķīmiski aktīvs un karsējot īpaši viegli savienojas ar gandrīz visiem elementiem. Sērs nonāk atmosfērā šādā veidā:

Sērūdeņradis (H2S ir bezkrāsaina, ļoti indīga gāze) vulkānu izvirdumu laikā, organisko vielu sadalīšanās laikā appludinātās zemienēs un purvos;

Sēra dioksīds (SO2 ir bezkrāsaina asfiksējoša gāze) vulkāna izvirdumu laikā un sulfātu sāļu daļiņas no sīkām okeāna ūdens šļakatām.

Ar skābekli temperatūrā virs 300 ° C sērs veido oksīdus: SO2 - sēra dioksīds un SO3 - sēra anhidrīds. Tie veidojas kurināmā sadegšanas laikā katlu iekārtās un ir skābo lietus veidošanās avoti.

Lielā ģeoloģiskā ciklā sērs tiek pārnests no okeāna uz kontinentiem ar nokrišņiem un atgriežas okeānā ar noteci. Tajā pašā laikā tās rezerves atmosfērā tiek papildinātas vulkāniskās aktivitātes dēļ. Galvenās sēra rezerves atrodas augsnē un nogulumos. Maiņas fondā galvenā loma ir mikroorganismiem, no kuriem daži ir reducētāji, bet citi ir oksidētāji.

Nelielā ciklā sulfātus absorbē augi, un pēc tam dzīvnieki saņem sēru caur barības ķēdi. Iznīcinot organismu atliekas, veidojas sērūdeņradis, kas pēc tam tiek oksidēts vai nu par elementāru sēru, vai par sulfītiem un daļēji iztvaiko atmosfērā.

Sēram raksturīgs plašs rezerves fonds zemes garozā un mazāks atmosfērā un hidrosfērā.

Sēra cikls.Apmēram trešā daļa no visiem sēra savienojumiem un 99% sēra dioksīda, kas nonāk atmosfērā, ir antropogēnas izcelsmes. Sēru saturošu ogļu un naftas sadedzināšana, lai ražotu elektroenerģiju, veido aptuveni divas trešdaļas no visām antropogēnajām sēra dioksīda emisijām atmosfērā. Atlikusī trešdaļa tiek atbrīvota tādu tehnoloģisko procesu laikā kā naftas pārstrāde un metālu kausēšana no sēru saturošām vara, svina un cinka rūdām.

Ir trīs galvenie dabiskā sēra emisiju avoti.

1. Biosfēras iznīcināšanas procesi. Ar anaerobo (darbojas bez skābekļa) mikroorganismu palīdzību notiek dažādi organisko vielu iznīcināšanas procesi. Sakarā ar to tajos esošais sērs veido gāzveida savienojumus. Tajā pašā laikā noteiktas anaerobās baktērijas ekstrahē skābekli no dabiskajos ūdeņos izšķīdinātiem sulfātiem, kā rezultātā veidojas sēra gāzes savienojumi.3

No šīm vielām atmosfērā vispirms tika atklāts sērūdeņradis, un pēc tam, attīstot mērinstrumentus un gaisa paraugu ņemšanas metodes, bija iespējams izolēt vairākus organiskos gāzveida sēra savienojumus. Svarīgākie šo gāzu avoti ir purvi, plūdmaiņu zonas pie jūras krasta līnijas, estuāri un dažas augsnes, kas satur lielu daudzumu organisko vielu.

Jūras virsma var saturēt arī ievērojamu daudzumu sērūdeņraža. Tā rašanās procesā piedalās jūraszāles. Var pieņemt, ka sēra izdalīšanās ar bioloģiskiem līdzekļiem nepārsniedz 30-40 miljonus tonnu gadā, kas ir aptuveni 1/3 no kopējā izdalītā sēra daudzuma.

2. Vulkāniskā darbība. Vulkānam izvirdoties, atmosfērā kopā ar lielu daudzumu sēra dioksīda nonāk sērūdeņradis, sulfāti un elementārais sērs. Šie savienojumi nonāk galvenokārt apakšējā slānī - troposfērā, un ar atsevišķiem, lieliem izvirdumiem sēra savienojumu koncentrācijas palielināšanās ir novērojama augstākos slāņos - stratosfērā. Vulkāna izvirdumi katru gadu atmosfērā izdala vidēji aptuveni 2 miljonus tonnu sēru saturošu savienojumu. Troposfērai šis daudzums ir nenozīmīgs, salīdzinot ar bioloģiskajiem izdalījumiem, stratosfērā vulkāna izvirdumi ir vissvarīgākais sēra avots.

Cilvēka darbības rezultātā atmosfērā nokļūst ievērojams daudzums sēra savienojumu, galvenokārt sēra dioksīda veidā. Starp šo savienojumu avotiem pirmajā vietā ir ēkās un spēkstacijās sadedzinātās ogles, kas rada 70% antropogēno emisiju. Sēra saturs (vairāki procenti) oglēs ir diezgan augsts (īpaši brūnoglēm). Degšanas procesā sērs pārvēršas sēra dioksīdā, un daļa sēra paliek pelnos cietā stāvoklī. 4

Vielu cirkulācija biosfērā ir noteiktu ķīmisko elementu “ceļojums” pa dzīvo organismu barības ķēdi, pateicoties Saules enerģijai. “Ceļojuma” laikā daži elementi dažādu iemeslu dēļ izkrīt un, kā likums, paliek zemē. Viņu vietu ieņem tie paši, kas parasti nāk no atmosfēras. Šis ir visvienkāršākais apraksts par to, kas garantē dzīvību uz planētas Zeme. Ja šāds ceļojums kādu iemeslu dēļ tiek pārtraukts, tad visa dzīvā esamība beigsies.

Lai īsi aprakstītu vielu ciklu biosfērā, ir jānorāda vairāki sākumpunkti. Pirmkārt, no vairāk nekā deviņdesmit dabā zināmajiem un sastopamajiem ķīmiskajiem elementiem aptuveni četrdesmit ir nepieciešami dzīviem organismiem. Otrkārt, šo vielu daudzums ir ierobežots. Treškārt, mēs runājam tikai par biosfēru, tas ir, par dzīvību saturošo zemes apvalku un līdz ar to arī par dzīvo organismu mijiedarbību. Ceturtkārt, enerģija, kas veicina ciklu, ir enerģija, kas nāk no Saules. Enerģija, kas rodas Zemes zarnās dažādu reakciju rezultātā, šajā procesā nepiedalās. Un pēdējā lieta. Jātiek priekšā šī “ceļojuma” sākuma punktam. Tas ir nosacīts, jo nevar būt apļa beigas un sākuma, bet tas ir nepieciešams, lai kaut kur sāktu aprakstīt procesu. Sāksim ar trofiskās ķēdes zemāko posmu – ar sadalītājiem vai kapiem.

Vēžveidīgie, tārpi, kāpuri, mikroorganismi, baktērijas un citi kapenes, patērējot skābekli un izmantojot enerģiju, neorganiskos ķīmiskos elementus pārstrādā organiskā vielā, kas piemērota dzīvo organismu barošanai un tās tālākai kustībai pa barības ķēdi. Tālāk šīs jau organiskās vielas ēd patērētāji jeb patērētāji, kuru vidū ir ne tikai dzīvnieki, putni, zivis un tamlīdzīgi, bet arī augi. Pēdējie ir ražotāji vai ražotāji. Viņi, izmantojot šīs barības vielas un enerģiju, ražo skābekli, kas ir galvenais elements, kas ir piemērots visu planētas dzīvo būtņu elpošanai. Patērētāji, ražotāji un pat sadalītāji mirst. Viņu mirstīgās atliekas kopā ar tajās esošajām organiskajām vielām “nokrīt” kapraču rīcībā.

Un atkal viss atkārtojas. Piemēram, viss skābeklis, kas pastāv biosfērā, pabeidz savu apgrozījumu 2000 gados, bet oglekļa dioksīds - 300. Šādu ciklu parasti sauc par bioģeoķīmisko ciklu.

Dažas organiskās vielas “ceļojuma” laikā nonāk reakcijās un mijiedarbībā ar citām vielām. Rezultātā veidojas maisījumi, kurus tādā formā, kādā tie pastāv, sadalītāji nevar pārstrādāt. Šādi maisījumi paliek “uzglabāti” zemē. Ne visas organiskās vielas, kas nokrīt uz kapraču “galda”, viņi nespēj pārstrādāt. Ne viss var sapūt ar baktēriju palīdzību. Šādas nesatrupušas atliekas nonāk noliktavā. Viss, kas paliek glabāšanā vai rezervē, tiek izņemts no procesa un netiek iekļauts biosfēras vielu ciklā.

Tādējādi biosfērā vielu ciklu, kura dzinējspēks ir dzīvo organismu darbība, var iedalīt divās komponentēs. Viens - rezerves fonds - ir vielas daļa, kas nav saistīta ar dzīvo organismu darbību un pagaidām nepiedalās apritē. Un otrs ir apgrozības fonds. Tas pārstāv tikai nelielu daļu no vielas, ko aktīvi izmanto dzīvie organismi.

Kuru ķīmisko elementu atomi ir tik nepieciešami dzīvībai uz Zemes? Tie ir: skābeklis, ogleklis, slāpeklis, fosfors un daži citi. No savienojumiem galvenais apritē ir ūdens.

Skābeklis

Skābekļa ciklam biosfērā jāsākas ar fotosintēzes procesu, kā rezultātā tas parādījās pirms miljardiem gadu. To izdala augi no ūdens molekulām saules enerģijas ietekmē. Skābeklis veidojas arī atmosfēras augšējos slāņos ķīmisko reakciju laikā ūdens tvaikos, kur ķīmiskie savienojumi sadalās elektromagnētiskā starojuma ietekmē. Bet tas ir neliels skābekļa avots. Galvenā ir fotosintēze. Skābeklis atrodams arī ūdenī. Lai gan to ir 21 reizi mazāk nekā atmosfērā.

Iegūto skābekli dzīvie organismi izmanto elpošanai. Tas ir arī dažādu minerālsāļu oksidētājs.

Un cilvēks ir skābekļa patērētājs. Taču, sākoties zinātniskajai un tehnoloģiskajai revolūcijai, šis patēriņš ir daudzkārt pieaudzis, jo skābeklis tiek sadedzināts vai piesaistīts daudzu rūpnieciskās ražošanas, transporta darbības laikā, lai apmierinātu sadzīves un citas cilvēka dzīves vajadzības. Iepriekš esošais tā sauktais skābekļa apmaiņas fonds atmosfērā veidoja 5% no tā kopējā tilpuma, tas ir, fotosintēzes procesā tika saražots tik daudz skābekļa, cik tas tika patērēts. Tagad šis apjoms kļūst katastrofāli mazs. Skābeklis tiek patērēts, tā teikt, no avārijas rezerves. No turienes, kur nav kam pievienot.

Šo problēmu nedaudz mazina tas, ka daļa organisko atkritumu netiek pārstrādāti un nenonāk pūšanas baktēriju ietekmē, bet paliek nogulumiežu iežos, veidojot kūdru, ogles un tamlīdzīgus minerālus.

Ja fotosintēzes rezultāts ir skābeklis, tad tā izejviela ir ogleklis.

Slāpeklis

Slāpekļa cikls biosfērā ir saistīts ar tādu svarīgu organisko savienojumu veidošanos kā proteīni, nukleīnskābes, lipoproteīni, ATP, hlorofils un citi. Slāpeklis molekulārā formā ir atrodams atmosfērā. Kopā ar dzīviem organismiem tas ir tikai aptuveni 2% no visa slāpekļa uz Zemes. Šajā formā to var patērēt tikai baktērijas un zilaļģes. Pārējai augu pasaulei slāpeklis molekulārā formā nevar kalpot par pārtiku, bet to var pārstrādāt tikai neorganisku savienojumu veidā. Daži šādu savienojumu veidi veidojas pērkona negaisa laikā un ar nokrišņiem nokrīt ūdenī un augsnē.

Aktīvākie slāpekļa jeb slāpekļa fiksatoru “pārstrādātāji” ir mezgliņu baktērijas. Tie apmetas pākšaugu sakņu šūnās un pārvērš molekulāro slāpekli tā augiem piemērotos savienojumos. Pēc to nāves augsne tiek bagātināta arī ar slāpekli.

Putrefaktīvās baktērijas sadala slāpekli saturošus organiskos savienojumus amonjakā. Daļa no tā nonāk atmosfērā, bet pārējo cita veida baktērijas oksidē līdz nitrītiem un nitrātiem. Tie, savukārt, tiek piegādāti kā barība augiem, un nitrificējošās baktērijas tos reducē līdz oksīdiem un molekulārajam slāpeklim. Kas atkal nonāk atmosfērā.

Tādējādi ir skaidrs, ka slāpekļa ciklā galvenā loma ir dažāda veida baktērijām. Un, ja jūs iznīcināsit vismaz 20 no šīm sugām, dzīve uz planētas beigsies.

Un atkal izveidoto ķēdi pārrāva cilvēks. Lai palielinātu ražu, viņš sāka aktīvi izmantot slāpekli saturošus mēslošanas līdzekļus.

Ogleklis

Oglekļa cikls biosfērā ir nesaraujami saistīts ar skābekļa un slāpekļa cirkulāciju.

Biosfērā oglekļa cikla shēma balstās uz zaļo augu dzīves aktivitāti un spēju pārvērst oglekļa dioksīdu skābeklī, tas ir, fotosintēzi.

Ogleklis mijiedarbojas ar citiem elementiem dažādos veidos un ir daļa no gandrīz visām organisko savienojumu klasēm. Piemēram, tā ir daļa no oglekļa dioksīda un metāna. Tas ir izšķīdis ūdenī, kur tā saturs ir daudz lielāks nekā atmosfērā.

Lai gan ogleklis nav starp desmit labākajiem izplatības ziņā, dzīvos organismos tas veido no 18 līdz 45% no sausās masas.

Okeāni kalpo kā oglekļa dioksīda līmeņa regulatori. Tiklīdz tā daļa gaisā palielinās, ūdens izlīdzina pozīcijas, absorbējot oglekļa dioksīdu. Vēl viens oglekļa patērētājs okeānā ir jūras organismi, kas to izmanto čaulu veidošanai.

Oglekļa cikls biosfērā ir balstīts uz oglekļa dioksīda klātbūtni atmosfērā un hidrosfērā, kas ir sava veida apmaiņas fonds. To papildina dzīvo organismu elpošana. Oglekļa dioksīda papildināšanā atmosfērā piedalās arī baktērijas, sēnītes un citi mikroorganismi, kas piedalās organisko atlieku sadalīšanās procesā augsnē.Ogleklis “konservējas” mineralizētās, nesatrupušajās organiskajās atliekās. Akmeņogļu un brūnogļu, kūdras, degslānekļa un līdzīgos atradnēs. Bet galvenais oglekļa rezerves fonds ir kaļķakmens un dolomīts. Tajos esošais ogleklis ir “droši paslēpts” planētas dziļumos un izdalās tikai tektonisko nobīdi un vulkānisko gāzu emisiju laikā izvirdumu laikā.

Sakarā ar to, ka elpošanas process ar oglekļa izdalīšanos un fotosintēzes process ar tā absorbciju ļoti ātri iziet cauri dzīvajiem organismiem, ciklā piedalās tikai neliela daļa no planētas kopējā oglekļa. Ja šis process nebūtu abpusējs, tad vien suši augi visu oglekli iztērētu tikai 4-5 gados.

Pašlaik, pateicoties cilvēka darbībai, augu pasaulē oglekļa dioksīda netrūkst. Tas tiek papildināts nekavējoties un vienlaikus no diviem avotiem. Dedzinot skābekli rūpniecības, ražošanas un transporta darbības laikā, kā arī saistībā ar šo "konservu" - ogļu, kūdras, slānekļa un tā tālāk - izmantošanu šāda veida cilvēku darbībām. Kāpēc oglekļa dioksīda saturs atmosfērā palielinājās par 25%.

Fosfors

Fosfora cikls biosfērā ir nesaraujami saistīts ar tādu organisko vielu kā ATP, DNS, RNS un citu sintēzi.

Fosfora saturs augsnē un ūdenī ir ļoti zems. Tās galvenās rezerves ir klintīs, kas veidojušās tālā pagātnē. Līdz ar šo iežu laikapstākļiem sākas fosfora cikls.

Fosforu augi uzņem tikai ortofosforskābes jonu veidā. Tas galvenokārt ir produkts, kas iegūts, apstrādājot bioloģiskās atliekas, ko veic kaprači. Bet, ja augsnēs ir augsts sārmains vai skābs faktors, tad fosfāti tajās praktiski nešķīst.

Fosfors ir lieliska barības viela dažāda veida baktērijām. Īpaši zilaļģes, kas strauji attīstās ar paaugstinātu fosfora saturu.

Tomēr lielākā daļa fosfora tiek aiznesta ar upēm un citiem ūdeņiem okeānā. Tur to aktīvi ēd fitoplanktons, līdz ar to arī jūras putni un citas dzīvnieku sugas. Pēc tam fosfors nokrīt uz okeāna dibenu un veido nogulumiežus. Tas ir, tas atgriežas zemē, tikai zem jūras ūdens slāņa.

Kā redzat, fosfora cikls ir specifisks. To ir grūti nosaukt par ķēdi, jo tā nav slēgta.

Sērs

Biosfērā sēra cikls ir nepieciešams aminoskābju veidošanai. Tas rada olbaltumvielu trīsdimensiju struktūru. Tas ietver baktērijas un organismus, kas patērē skābekli, lai sintezētu enerģiju. Tie oksidē sēru par sulfātiem, un vienšūnu pirmskodolu dzīvie organismi reducē sulfātus par sērūdeņradi. Papildus tiem veselas sēra baktēriju grupas oksidē sērūdeņradi līdz sēram un pēc tam par sulfātiem. Augi var patērēt tikai sēra jonu no augsnes - SO 2-4. Tādējādi daži mikroorganismi ir oksidētāji, bet citi ir reducētāji.

Vietas, kur sērs un tā atvasinājumi uzkrājas biosfērā, ir okeāns un atmosfēra. Sērs nonāk atmosfērā ar sērūdeņraža izdalīšanos no ūdens. Turklāt sērs nonāk atmosfērā dioksīda veidā, kad fosilā kurināmā tiek sadedzināta ražošanā un sadzīves vajadzībām. Galvenokārt ogles. Tur tas oksidējas un, lietus ūdenī pārvēršoties sērskābē, kopā ar to nokrīt zemē. Skābie lietus paši nodara būtisku kaitējumu visai augu un dzīvnieku pasaulei, turklāt ar vētras un kušanas ūdeni tie nonāk upēs. Upes nes sēra sulfāta jonus okeānā.

Sērs ir arī akmeņos sulfīdu veidā, bet gāzveida formā - sērūdeņradis un sēra dioksīds. Jūru dibenā ir vietējā sēra nogulsnes. Bet tas viss ir "rezerve".

Ūdens

Biosfērā nav plašāk izplatītas vielas. Tās rezerves galvenokārt ir jūru un okeānu ūdeņu sāļi-rūgtajā formā - aptuveni 97%. Pārējais ir saldūdens, ledāji un pazemes un gruntsūdeņi.

Ūdens cikls biosfērā parasti sākas ar tā iztvaikošanu no rezervuāru virsmas un augu lapām un sasniedz aptuveni 500 000 kubikmetru. km. Tas atgriežas atpakaļ nokrišņu veidā, kas iekrīt tieši atpakaļ ūdenstilpēs vai ejot cauri augsnei un gruntsūdeņiem.

Ūdens loma biosfērā un tā evolūcijas vēsture ir tāda, ka visa dzīvība no tās parādīšanās brīža bija pilnībā atkarīga no ūdens. Biosfērā ūdens caur dzīviem organismiem daudzas reizes ir izgājis cauri sadalīšanās un dzimšanas cikliem.

Ūdens cikls lielā mērā ir fizisks process. Tomēr dzīvnieku un jo īpaši augu pasaulei tajā ir liela nozīme. Ūdens iztvaikošana no koku lapu virsmas laukumiem ir tāda, ka, piemēram, hektārs meža diennaktī iztvaiko līdz 50 tonnām ūdens.

Ja ūdens iztvaikošana no rezervuāru virsmām ir dabiska tā cirkulācijai, tad kontinentiem ar to meža zonām šāds process ir vienīgais un galvenais veids, kā to saglabāt. Šeit cirkulācija notiek it kā slēgtā ciklā. Nokrišņi veidojas, iztvaikojot no augsnes un augu virsmām.

Fotosintēzes laikā augi izmanto ūdens molekulā esošo ūdeņradi, lai radītu jaunu organisko savienojumu un atbrīvotu skābekli. Un, otrādi, elpošanas procesā dzīvos organismos notiek oksidēšanās process un atkal veidojas ūdens.

Raksturojot dažāda veida ķīmisko vielu apriti, saskaramies ar aktīvāku cilvēka ietekmi uz šiem procesiem. Šobrīd daba, pateicoties savai vairāku miljardu gadu ilgajai izdzīvošanas vēsturei, tiek galā ar izjaukto līdzsvaru regulēšanu un atjaunošanu. Bet pirmie “slimības” simptomi jau ir. Un tas ir "siltumnīcas efekts". Kad divas enerģijas: saules un Zemes atspīdums, neaizsargā dzīvos organismus, bet, gluži pretēji, stiprina viena otru. Tā rezultātā paaugstinās apkārtējās vides temperatūra. Kādas varētu būt šāda pieauguma sekas, ja neskaita ledāju paātrināto kušanu un ūdens iztvaikošanu no okeāna, zemes un augu virsmām?

Video - Vielu cikls biosfērā

Bioģeoķīmiskie cikli. UN. Vernadskis rakstīja: “Dzīvā viela aptver un pārkārto visus biosfēras ķīmiskos procesus, tās efektīvā enerģija ir milzīga. Dzīvā viela ir visspēcīgākais ģeoloģiskais spēks, kas aug līdz ar laika konverģenci. Šis apgalvojums ir postulāts par dzīvo organismu svarīgāko lomu Zemes čaulu fizikālo un ķīmisko pamatīpašību veidošanā un uzturēšanā. Biosfēras jēdziens atklāj funkcionālās sistēmas integritāti dzīvības aizņemtajā telpā, kur tiek realizēta mūsu planētas ģeoloģisko un bioloģisko spēku vienotība. Dzīvības pamatīpašības tiek realizētas, pateicoties dzīvo organismu augstajai ķīmiskajai aktivitātei, to mobilitātei un pašražošanās un evolūcijas spējai. Lai saglabātu dzīvību kā planētu parādību, ļoti svarīga ir bioloģiskā daudzveidība, dažādas dzīvības formas, kas atšķiras ar patērēto vielu kopumu un vidē nonākušajiem atkritumiem. Bioloģiskā daudzveidība ir pamats ilgtspējīgai (pašpietiekamai) biosfēras funkcionēšanai, kas rada vielas bioģeoķīmiskos ciklus, enerģijas pārveidi un informācijas izmantošanu.

Uzturvielu cikls. No gandrīz 100 dabiskajā vidē sastopamajiem ķīmiskajiem elementiem gandrīz 40 ir būtiski dzīvo organismu funkcionēšanai. No šiem ķīmiskajiem elementiem N (slāpeklis), C (ogleklis), H (ūdeņradis), O (skābeklis), P (fosfors), B (sērs) (tostarp katjonu formā) ir vienas no galvenajām barības vielām, kas nepieciešamas ievērojamā daudzumā. apjomi. Ķīmiskie elementi cirkulē biosfērā pa dažādiem bioloģiskā cikla ceļiem: tos uzņem dzīvā viela, “uzlādē” ar enerģiju, pēc tam atstāj dzīvo vielu, izdalot uzkrāto enerģiju ārējā vidē (19. tabula).

Bioģeoķīmiskos ciklus ar riņķveida funkcionēšanas principiem Zemes ģeosfērās iedala divos galvenajos veidos: 1) gāzveida vielu cirkulācija ar rezerves fondu atmosfērā vai hidrosfērā (okeānā) un 2) nogulumu cikls ar rezerves fondu zemes gabalos. garoza.

Cikla procesi notiek konkrētās ekosistēmās, bet bioģeoķīmiskie cikli pilnībā tiek realizēti tikai biosfēras līmenī kopumā.

Oglekļa cikls. Ogleklis, iespējams, ir viens no visbiežāk minētajiem ķīmiskajiem elementiem, apsverot ģeoloģiskās, bioloģiskās un pēdējos gados arī tehniskās problēmas. Ogleklis (C) uz mūsu planētas ir atrodams ārkārtīgi lielā mērā

dažādi savienojumi, sākot no tīra oglekļa veidā (grafīts, ogles utt.), līdz pat augstas molekulmasas organiskiem savienojumiem. Neorganiskā viela, kas ir šī elementa biogēnā cikla pamatā, ir oglekļa dioksīds (oglekļa dioksīds C0 2). Oglekļa dioksīds ir viena no galvenajām atmosfēras sastāvdaļām, un tas ir atrodams arī hidrosfērā izšķīdinātā stāvoklī. Aprakstot fotosintēzi, tika aplūkots oglekļa pārejas process no oglekļa dioksīda cukuros (glikozē utt.). Pēc tam dažādas citas sintēzes reakcijas bioloģiskajās sistēmās pārveido iegūtos ogļhidrātus sarežģītākos lielmolekulāros organiskos savienojumos: lipīdos, cietē, glikogēnā utt. Jaunizveidoto savienojumu ietekmē pakāpeniski notiek audu veidošanās un augšana. Tajā pašā laikā šīs vielas ir organisko savienojumu avots citiem dzīviem organismiem. Turpmākajos dzīvības procesos elpošanas laikā piegādātā skābekļa dēļ notiek organisko savienojumu oksidēšanās, kas šajā gadījumā ir virkne secīgu reakciju, kā rezultātā veidojas oglekļa dioksīds, kas tiek izvadīts ārpus ķermeņa un nonāk vai nu atmosfērā. vai izšķīst ūdenī (97. att.).

Pēc dzīves cikla pabeigšanas - organisma nāves (nāves), tā audos notiek bioloģiska sadalīšanās sadalītāju ietekmē, kas arī noved pie oglekļa dioksīda izplūdes atmosfērā. Šis process attiecas tikai uz augsnes horizontiem un nosaka augsnes elpošanas būtību.

Vēl viens process, kas virza oglekli, ir humusa veidošanās ar saprofāgu palīdzību un sekojoša vielas mineralizācija sēnīšu un baktēriju ietekmē. Tas ir ļoti lēns process, kura ātrumu nosaka skābekļa daudzums, augsnes ķīmiskais sastāvs un temperatūra. Ar skābekļa trūkumu un augstu skābumu kūdrā uzkrājas ogleklis. Līdzīgi procesi tālajos ģeoloģiskajos laikmetos veidoja ogļu un naftas atradnes, kas apturēja oglekļa cikla procesu.

Ja visi dzīvības procesi notiek hidrosfērā, tad līdzīga suspensija notiek, saistot oglekli kalcītā (CaCO), kas ir daļa no koraļļiem, fusulīna, gliemežvāku kaļķakmens, krīta utt. ogleklis, kura izdalīšanās iespējama tikai ar jūras regresiju un tālāku karbonātu iežu izskalošanos nokrišņu vai bioloģiskās laikapstākļu ietekmē ķērpju, augu sakņu un mikroorganismu ietekmē.

Dzīvos organismos esošie ķīmiskie elementi un to klātbūtne vidē (B. Nebel, 1993)

Piezīme. Uzskaitītie elementi ir iekļauti visos dzīvajos organismos – augos, dzīvniekos, mikrobios. Dažām sugām nepieciešami arī citi elementi (piemēram, cilvēkiem nepieciešams nātrijs un jods).

Notiek CO2 resursu papildināšana l^ cilvēka darbība

Līdzsvara atmosfēra – ūdens

Kaļķakmens

Rīsi. 97. Oglekļa cikls biosfērā

Kaļķakmens| P_07 un (koraļļi) R ‘rifi x m

Fosfora cikls. Fosfors ir viens no diezgan plaši izplatītajiem ķīmiskajiem elementiem, kas ir daļa no dažādiem, tostarp iežu veidojošiem, minerāliem, kas veido vairākus iežus. Šo iežu dēdēšanas laikā fosfors nozīmīgos daudzumos nonāk biogeocenozēs, kā arī atmosfēras nokrišņu izskalošanās rezultātā un galu galā uzkrājas hidrosfērā. Visos gadījumos fosfors nonāk pārtikas sistēmās, taču tā pagatavošana nav vienkārša. Fosfors ir nepieciešams organismiem, lai veidotu gēnus un savienojumu molekulas, kas pārnes enerģiju šūnās (98. att.).

Minerālvielas satur fosforu neorganiskā fosfāta jona (PO4 3) veidā. Fosfāti ir šķīstoši, bet neveido gāzveida formas, t.i., tie nav gaistoši. Augi spēj absorbēt fosfātus no ūdens šķīduma, lai iekļautu tos dažādos organiskos savienojumos. Augos fosfors parādās tā sauktā organiskā fosfāta veidā. Šādā formā tas jau spēj pārvietoties pa barības ķēdēm un pārnest uz organismiem.

98. attēls.

ekosistēmu organismi. Ar katru pāreju no viena trofiskā līmeņa uz otru, šūnu elpošanas laikā oksidācijai tiek pakļauts pietiekams daudzums fosforu saturoša savienojuma, lai organisms varētu iegūt enerģiju. Šajā gadījumā fosfors var parādīties tikai urīnā vai tā analogos un tikt izvadīts ārpus ķermeņa vidē, kur tas var sākt turpmāku ciklu, absorbējot augus.

Sīkāk jāpakavējas pie fosfora un oglekļa ciklu atšķirībām. Ogleklis oglekļa dioksīda veidā nonāk atmosfērā kā gāze, kur tas ar gaisa straumēm brīvi izplatās visur, līdz to atkārtoti absorbē augi. Fosfors neveido līdzīgu gāzes formu, un nav brīvas atgriešanās ekosistēmā. Šķidrie fosfora savienojumi nonāk ūdenstilpēs, kur aktīvi piesātina (pat līdz pārsātinājumam) ūdens ekosistēmas. No ūdenstilpes fosfors nevar atgriezties zemē, izņemot nelielu daudzumu zivēdāju putnu izkārnījumu veidā, kas nogulsnējas piekrastē, plkst.

Gvano nogulumu piemērs Peru krastā, fosfāti tiek nogulsnēti rezervuāru apakšā. Fosforu saturošie ieži atgriežas zemē līdz ar jūras regresijas procesiem un oroģenēzes laikā.

Pēc B. Nebela domām, fosfāti un līdzīgas minerālās barības vielas, kas atrodamas augsnē, ekosistēmā cirkulē tikai tad, ja tos saturošie “atkritumi” tiek noglabāti vietās, kur šis elements tiek absorbēts. Tas ir raksturīgi visām dabiskajām ekosistēmām (B. Nebel, 1993).

Skābekļa cikls. Bioķīmiskais cikls ir planētu process, kas ir atmosfēras, hidrosfēras un litosfēras vienojošs elements. Atmosfērā dominējošā skābekļa forma ir Og molekula, bet, kā jau minēts, ir arī O2-ozons un O-atomiskais skābeklis. Skābeklis brīvā veidā ir gan atkritumu produkts, gan dzīvību uzturošs elements. UN. Vernadskis rakstīja: "Dzīvība, kas rada brīvu skābekli zemes garozā, tādējādi rada ozonu un aizsargā biosfēru no debess ķermeņu destruktīvā īslaicīgā starojuma." Attēlā 99. attēlā parādīts skābekļa cikls biosfērā, no kura ir skaidrs, ka tā ir ļoti sarežģītu procesu summa, jo skābeklis ir daļa no daudziem dažādiem organiskiem un neorganiskiem savienojumiem. Tomēr galvenais ir apmaiņa starp atmosfēru un dzīviem organismiem. Fotosinēšanas process

Ozons

ekrāns

Rīsi. 99. Skābekļa cikls biosfērā (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Fitoplanktons labi "apgaismotajā zonā G G

HgO+SRgNgCOgHCH^^H -2HC03 -H20+C0^

promocijas darbs ražo skābekli, un sadalīšanās procesi to saista. Ūdens un ozona molekulu disociācijas laikā augšējos atmosfēras slāņos ultravioletā starojuma ietekmē veidojas neliels skābekļa daudzums. Ievērojama daļa skābekļa tiek tērēta oksidācijas procesiem zemes garozā, vulkānu izvirdumu laikā utt.

Slāpekļa cikls. Slāpekļa kustība ir diezgan sarežģīts process, kas atšķiras no citu barības vielu cikla, jo tajā ietilpst gāzveida un minerālu fāze. Atmosfērā ir 78% slāpekļa (N 2). Neskatoties uz slāpekļa milzīgo nozīmi dzīvo organismu dzīvē, tie nevar tieši patērēt šo gāzi no atmosfēras. Augi absorbē amonija jonus (NH^) vai nitrātu (N0^). Lai slāpeklis pārvērstos šajās formās, ir nepieciešama noteiktu baktēriju vai zilaļģu (cianobaktērijas) līdzdalība. Procesu, kurā slāpekļa gāze (Ng) pārvērš amonija formā, sauc par slāpekļa fiksāciju. Starp slāpekli fiksējošiem mikroorganismiem vissvarīgākā loma ir ģints baktērijām YugoYit, kas veido simbiotiskas attiecības ar pākšaugiem. Starp pēdējiem vislielākā nozīme ir āboliņam un lucernai. Slāpekli fiksējošās baktērijas, veidojot tādu slāpekļa formu, ko augi uzņem, simbiotiski mijiedarbojoties, ļauj slāpeklim uzkrāties augu virszemes un pazemes daļās; piemēram, uz viena āboliņa vai lucernas hektāra gadā uzkrājas no 150 līdz 400 kg slāpekļa. Paši slāpekli fiksējošie mikroorganismi, starp kuriem ir sugas, kas sintezējas

.Atmosfēras slāpeklis

Olbaltumvielas

Izcēlās

šķirnes

Biologi- Augu atjaunošana denitri-

galvas ādas un vēdera nitrātu fiksācija

Fiksācija"b/e atkritumi,

)mirušie organismi

imiac

iitri^i

Gruntsūdeņos

Slāpekļa oksīds (!)

Nitrāti

Rīsi. 100. Slāpekļa cikls biosfērā

kompleksie proteīni, mirst, bagātina augsni ar organisko slāpekli. Tajā pašā laikā augsnē gadā nonāk aptuveni 25 kg slāpekļa uz 1 hektāru (I.A. Shilov, 2000) (100. att.).

Dabā ir arī mikroorganismi, kuriem ir simbiotiskas attiecības ne tikai ar pākšaugiem, bet arī ar citiem augiem. Ūdens vidē un uz ūdens piesātinātās augsnēs slāpekļa fiksāciju veic zilaļģes (kuras vienlaikus spēj fotosintēzē). Jebkurā no aprakstītajiem gadījumiem slāpeklis tiek patērēts vai nu nitrātu, vai amonija veidā.

Slāpeklis pēc tam, kad to patērē augi, piedalās proteīnu sintēzē, kas, koncentrējoties augu lapās, pēc tam nodrošina fitofāgu barošanu ar slāpekli. Mirušie organismi un atkritumi (ekskrementi) nodrošina dzīvotni un kalpo par barību saprofāgiem, kuri, kā jau minēts iepriekš, pakāpeniski sadala organiskos slāpekli saturošos savienojumus par neorganiskiem. Saskaņā ar Y.A. Shilov (2000), pēdējais posms šajā ķēdē ir amonifikācijas organismi, kas ražo amonjaku (N14), kas, starp citu, var būt iesaistīts nitrifikācijas ciklā. Shggozotopa oksidē amonjaku nitrītos un Nē(goac(er oksidē nitrītus nitrātos un tādējādi slāpekļa ciklu var turpināt. Paralēli aprakstītajiem procesiem notiek pastāvīga slāpekļa atgriešanās atmosfērā, ko izraisa denitrificējošo baktēriju darbība, kas spēj sadalīt nitrātus slāpeklī (N2). Šīs baktērijas mēdz būt plaši izplatītas auglīgās augsnēs, kur ir daudz slāpekļa un oglekļa. Šīs baktērijas gadā atmosfērā izdala līdz 50-60 kg slāpekļa uz augsnes virsmas hektāru (101. att.).

Papildus iepriekšminētajiem slāpekļa fiksācijas procesiem dabiskajā vidē ir iespējama slāpekļa oksīdu veidošanās elektriskās zibens izlādes laikā. Pēc tam šie oksīdi nitrātu vai slāpekļskābes veidā, sajaucoties ar nokrišņiem, nonāk augsnē (zibens izlādes laikā tiek reģistrēti no 4 līdz 10 kg slāpekļa uz 1 ha). Notiek arī fotoķīmiskā slāpekļa fiksācija.

Rīsi. 101. * Mezgli" uz pākšaugu saknēm (B. Nebel, 1992)

Atmo

sfēra

Augsne un * nokrišņi

Dzelzs sulfīdi

Rīsi. 102. Sēra cikls biosfērā

Slāpekli ir iespējams izslēgt no cikla procesiem, akumulējot tā savienojumus dziļos okeāna nogulumos, ko gan kompensē daļēja slāpekļa (N2) izdalīšanās vulkānu izvirdumu laikā.

Sēra cikls. Šī ir viena no galvenajām barības vielām, kas nonāk augsnes horizontos atsevišķu iežu dabiskās sadalīšanās rezultātā, kas satur minerālus, piemēram, pirītu - sēra pirītu (Pe8 2), vara pirītu (CuPe8 3) un organisko vielu sadalīšanās laikā, galvenokārt augu izcelsme. No augsnes caur sakņu sistēmām sērs nonāk augos, kur tiek sintezētas sēru saturošas aminoskābes - cistīns, cisteīns, metionīns. Dzīvībai svarīgos procesos dzīvniekiem nepieciešams sērs ievērojamos daudzumos, tas nonāk kopā ar pārtiku (102. att.).

No organiskajiem savienojumiem sērs nonāk augsnē, mikroorganismiem sadaloties galvenokārt augu atliekām. Organiskās izcelsmes sērs tiek reducēts līdz sērūdeņradim (H 2 3), minerālsēram vai oksidēts par sulfātiem, ko atkal var absorbēt augu saknes, t.i., tas atkal nonāk bioloģiskajā ciklā.

Ūdens cikls. Šajā gadījumā runa nav par atsevišķu biogēnu, bet gan par divu svarīgāko biogēnu, ūdeņraža (H) un skābekļa (O) kombināciju, t.i., ūdeni, kura nozīme dzīvībai uz Zemes ir absolūta. Ūdens cikls ir nepārtrauktas, savstarpēji saistītas ūdens kustības process globālā mērogā. Ūdens cikls tiek veikts saules enerģijas ietekmē,

gravitācija, organismu dzīvībai svarīgā darbība. Kopumā planētai galvenais ūdens pieplūdes avots ir nokrišņi, un galvenais ūdens plūsmas avots ir iztvaikošana, kas līdzsvarā sasniedz 525 tūkstošus km! jeb 1030 mm gadā.

Attēlā 103 parādīts ūdens cikls, kurā var atšķirt tā saukto mazo un lielo. Ar nelielu ciklu no okeāna virsmas iztvaikojušais ūdens tajā atkal atgriežas nokrišņu veidā. Liela cikla laikā daļa no ūdens virsmas iztvaicētā mitruma nokrīt ne tikai uz okeānu, bet arī uz sauszemes, kur tas baro upes un citas ūdenstilpes, bet galu galā ar pazemes vai virszemes noteci atgriežas okeānā.

Iepriekš tika apspriesti hidrosfēras ūdens bilances aspekti. Jāpiebilst, ka upju ūdeņiem ir vislielākā aktivitāte ūdens apmaiņā (atjaunojas ik pēc 11 dienām) pret, piemēram, polāro ledāju ūdeņiem (apmaiņa notiek 8000 gadu laikā). Upes ūdens dabiskos apstākļos gandrīz vienmēr ir svaigs, un to izmanto daudzu dzīvo organismu patēriņam. Pēc daudzu zinātnieku domām, ūdens cikls ir globāla milzu atsāļošanas iekārta.

Nozīmīga loma ūdens aprites procesā ir iztvaikošanas procesam, kas ir mitruma daudzums, kas zaļo augu transpirācijas un iztvaikošanas rezultātā no augsnes virsmas nonāk atmosfērā, t.i., kopējā iztvaikošana (parasti mēra mg/ (dm 5 h). ). Transpirācija ir ūdens iztvaikošana no augu zaļajām daļām, un tas iztvaiko no visas augu ārējās un iekšējās virsmas, kas saskaras ar

gaiss. Kopējā transpirācija ir atkarīga no daudziem vides faktoriem (apgaismojums, sauss gaiss, vējš, reljefs utt.). Vislielāko transpirāciju raksturo purva un peldošie augi (kaķene, častuha, dīķzāle - līdz 4000 mg/(dm 2 -h)). No sauszemes augiem visspēcīgāk izplatās saulaino biotopu lakstaugi - līdz 2500 mg/(dm 2 - h); krūmi tundrā dod tikai 150 mg/(dm 2 -h), bet tropiskie koki miglas reģiona mežos tikai līdz 120 mg/(dm 2 -h). Mūžzaļajiem skujkokiem adatveida adatām stomatāla aparāta priekšējā daļā ir augsts aizbāznis, kas kalpo kā papildu šķērslis transpirācijai. Tuksneša augos transpirācija ir vienīgais veids, kā pasargāt organismu no augstas temperatūras nāvējošās ietekmes.

Vācu speciālistu veiktie kvantitatīvie novērtējumi par iztvaikošanas lomu ūdens apritē uzrādīja sekojošo: ar gada vidējo nokrišņu daudzumu 771 mm, ar pazemes un virszemes noteci jūrā nokļūst mazāk nekā puse no tiem - 367 mm, bet pārējais. 404 mm ir iztvaikojis. Zviedru zinātnieki ir atklājuši, ka 1 hektārs egļu meža vienā gadā uz sausas augsnes izplūst līdz 2100 m 1 ūdens. Iztvaikošanas apjoms augu veidojumiem Centrāleiropā ir līdz 7000 tonnām uz 1 hektāru gadā. Atsevišķu veidu koku sugas var veiksmīgi izmantot purvu nosusināšanai. Klasisks piemērs ir Kolhīdas purvu nosusināšana Gruzijā, stādot eikaliptus [25, 42].

Biogēno katjonu cikls. Dzīvo organismu vielmaiņas procesos ir nepieciešama dažādu katjonu līdzdalība. Daži no tiem satur diezgan ievērojamus daudzumus un tāpēc tiek klasificēti kā mikroelementi - nātrijs (Na), kālijs (K), kalcijs (Ca), magnijs (Q). Citi satur nelielos daudzumos (sausnas ppm), taču tie ir nepieciešami arī dzīvo organismu ilgtspējīgai darbībai. Tie ir mikroelementi dzelzs katjonu (Fe), cinka veidā (Ъп), varš (Cu), mangāns (Mn) un daži citi.

Galvenais biogēno katjonu avots uz sauszemes ir augsne, kur tie nokļūst iežu dēdēšanas laikā. No augsnes ar augu sakņu sistēmas palīdzību katjoni vispirms nonāk augu audos, un pēc tam tos absorbē zālēdāji u.c. Vairāki dzīvnieki ir spējīgi daļēji iegūt biogēnos katjonus tieši no augsnes - solonetizācijas process. Ekskrementu un dzīvo organismu atlieku mineralizācija ļauj makro- un mikroelementiem atgriezties augsnē, kas atkal padara tos pieejamus iekļaušanai atkārtotā biogēnajā ciklā.

Šo diezgan vienkāršo ciklu izjauc barības vielu aizvākšana upēs un no turienes jūrās un okeānos. Lietus ūdens izskalošanās noved pie koloidālā absorbcijas kompleksa degradācijas un augu sakņu sistēmu vājināšanās. Šis process ir īpaši pamanāms mitrā klimatā; mērenajā joslā tas noved pie augsnes podzolizācijas.

Bioģeoķīmiskie procesi dažādos organismos. Dažādi bioģeoķīmiskajos ciklos iekļautie bioloģiskie savienojumi un neorganiskie elementi tiek iesaistīti ļoti daudzveidīgos, daudzpakāpju procesos: organiskā sintēze, atkārtota organisko vielu transformācija vielmaiņas laikā un to sadalīšanās par minerālvielām reducēšanas laikā. Atsevišķi galveno barības vielu aprites procesu elementi, kas tika apspriesti iepriekš, veido vielu bioloģisko ciklu. Galvenos trofiskos līmeņus, kas veido šī cikla pamatu, pārstāv noteikta veida ražotāji, patērētāji, sadalītāji, un, protams, tie būtiski atšķiras viens no otra pēc vielmaiņas veida, un tas nozīmē, ka konkrētajā trofijā tiek veikta specifiskā funkcija. līmenī.

Autotrofi un heterotrofi pārstāv galveno dzīvo organismu sadalījumu, pamatojoties uz uztura īpašībām; autotrofi tiek klasificēti kā ražotāji, un heterotrofi tiek klasificēti attiecīgi kā patērētāji un sadalītāji.

Autotrofi, izmantojot saules enerģiju (fotosintētiku) vai ķīmisko saišu enerģiju (ķīmosintētikas) no oglekļa dioksīda, ūdens un būtiskām minerālu sastāvdaļām, sintezē galvenās organisko vielu klases: ogļhidrātus, taukus (lipīdus), olbaltumvielas, nukleīnskābes utt. no šīm vielām ir sava nozīme organismu dzīvē.

Ogļhidrāti.Šo oglekļa, ūdeņraža un skābekļa savienojumu pamatformula ir Ct (H.0)„. Ogļhidrātu klasē ietilpst cukuri: monosaharīdi - C 6 H)