В биосферата, както във всяка екосистема, има постоянен кръговрат на въглерод, азот, водород, кислород, фосфор, сяра и други вещества.

Въглеродният диоксид се абсорбира от растенията и производителите и чрез процеса на фотосинтеза се превръща във въглехидрати, протеини, липиди и други органични съединения. Тези вещества се използват в храната от консуматори на животни.

В същото време в природата протича обратният процес. Всички живи организми дишат, отделяйки CO 2, който навлиза в атмосферата. Мъртвите растителни и животински останки и животински екскременти се разграждат от разлагащи микроорганизми. CO 2 се отделя в атмосферата. Част от въглерода се натрупва в почвата под формата на органични съединения.

По време на въглеродния цикъл в биосферата се образуват енергийни ресурси: нефт, въглища, горими газове, торф и дървесина.

Когато растенията и животните се разлагат, азотът се освобождава под формата на амоняк. Нитрифициращите бактерии превръщат амоняка в соли на азотна и азотна киселина, които се абсорбират от растенията. Някои азотфиксиращи бактерии са способни да асимилират атмосферния азот. Това затваря цикъла на азота в природата.

В резултат на кръговрата на веществата в биосферата възниква непрекъсната биогенна миграция на елементи: химичните елементи, необходими за живота на растенията и животните, преминават от околната среда в тялото; когато организмите се разлагат, тези елементи отново се връщат в среда, откъдето попадат в тялото.

Основата на биосферата е кръговратът на органичните вещества, който се осъществява с участието на всички организми, обитаващи биосферата, и се нарича биотичен кръговрат.

Законите на биотичния цикъл съдържат основата за дългосрочното съществуване и развитие на живота на Земята.

Човекът е елемент от биосферата и като неразделна част от биомасата на Земята през цялата еволюция е бил и е пряко зависим от заобикалящата го природа.

С развитието на висшата нервна дейност самият човек става мощен екологичен фактор (антропогенен фактор) в по-нататъшната еволюция на Земята.

Влиянието на човека върху природата е двустранно – положително и отрицателно. Човешката дейност често води до нарушаване на природните закони.

Делът на масата на човечеството в биосферата е малък, но неговата активност е огромна, в момента тя се е превърнала в сила, променяща процесите в биосферата.

В. И. Вернадски твърди, че биосферата естествено ще се трансформира в ноосфера (от гр. „ноос” - ум” + гр. „сфера” - топка).

Според В. И. Вернадски ноосферата е биосфера, трансформирана от човешкия труд и променена от научната мисъл.

В момента е настъпил период, когато човек трябва да планира своята икономическа дейност така, че да не нарушава установените модели в гигантската екосистема, която е биосферата, и да не допринася за намаляването на биомасата.

Цикъл на хранителни вещества. Освен разгледаните основни елементи, в метаболитния процес на живия организъм участват и редица други. Някои от тях присъстват в значителни количества и принадлежат към категорията на макронутриентите, като натрий, калий, калций, магнезий. Някои елементи се съдържат в много малки концентрации (микроелементи), но също са жизненоважни (желязо, цинк, мед, манган и др.).[...]

Цикли на основните хранителни вещества и елементи. Нека разгледаме циклите на най-значимите вещества и елементи за живите организми (фиг. 3-8). Водният цикъл е голям геоложки цикъл; и циклите на биогенните елементи (въглерод, кислород, азот, фосфор, сяра и други биогенни елементи) - до малки биогеохимични.[...]

Скоростта на цикъла на хранителните вещества е доста висока. Времето за оборот на атмосферния въглерод е около 8 години. Всяка година приблизително 12% от въглеродния диоксид във въздуха се рециклира в цикъла в земните екосистеми. Общото време на цикъла на азота се оценява на повече от 110 години, а на кислорода на 2500 години.[...]

Биотичен цикъл. Цикълът на хранителните вещества, причинен от синтеза и разпадането на органични вещества в екосистемата, се нарича биотичен цикъл на веществата. В допълнение към биогенните елементи биотичният цикъл включва минерални елементи, които са най-важни за биотата и много различни съединения. Следователно, целият цикличен процес на химични трансформации, причинени от биотата, особено когато става въпрос за цялата биосфера, се нарича още биохимичен цикъл.[...]

Биотичният цикъл е циркулацията на хранителни вещества и други вещества, участващи в тях в екосистемите, в биосферата между техните биотични и абиотични компоненти. Най-важната характеристика на биосферния биотичен цикъл е високата степен на изолация.[...]

От друга страна, биогенните елементи като компоненти на биомасата просто променят молекулите, които включват например нитратен N-протеин N-отпадъчен N. Те могат да се използват многократно и цикличността е тяхна характерна черта. За разлика от енергията на слънчевата радиация, запасите от хранителни вещества не са постоянни. Процесът на свързване на някои от тях в жива биомаса намалява количеството, оставащо за общността. Ако растенията и фитофагите в крайна сметка не се разложиха, запасите от хранителни вещества ще бъдат изчерпани и животът на Земята ще спре. Дейността на хетеротрофните организми е решаващ фактор за поддържане на кръговрата на хранителните вещества и образуването на продукти. На фиг. 17.24 показва, че освобождаването на тези елементи под формата на прости неорганични съединения става само от системата за разлагане. В действителност определена част от тези прости молекули (особено CO2) също се осигурява от потребителската система, но по този начин много малка част от биогенните елементи се връщат в цикъла. Решаващата роля тук принадлежи на системата от декомпозитори.[...]

Движещите сили на кръговрата на веществата са потоците на слънчевата енергия и активността на живата материя, водещи до движение на огромни маси от химични елементи, концентрация и преразпределение на енергията, натрупана в процеса на фотосинтеза. Благодарение на фотосинтезата и непрекъснато действащите циклични цикли на хранителни вещества се създава стабилна организация на всички екосистеми и биосферата като цяло и се осъществява тяхното нормално функциониране.[...]

При липса на външни потоци от биогенни съединения биосферата може да съществува стабилно само ако има затворен цикъл на веществата, по време на който хранителните вещества извършват затворени цикли, последователно преминавайки от неорганичната част на биосферата към органичната и т.н. обратно. Този цикъл се осъществява от живите организми на биосферата. Смята се, че биосферата съдържа около 1027 живи организми, които не са свързани помежду си. В процеса на еволюционното развитие на биосферата се формират следните три групи организми, различаващи се по своето функционално предназначение и участие в кръговрата на хранителните вещества: производители, разлагащи и консументи.[...]

Материалните процеси в живата природа, циклите на биогенните елементи са свързани с енергийни потоци със стехиометрични коефициенти, които варират в рамките на най-разнообразните организми само в рамките на един порядък. Освен това, поради високата ефективност на катализата, потреблението на енергия за синтеза на нови вещества в организмите е много по-малко, отколкото при техническите аналози на тези процеси.[...]

Много важно за практиката заключение, произтичащо от многото интензивни изследвания на кръговрата на хранителните вещества, е, че излишъкът от торове може да бъде също толкова неизгоден за хората, колкото и техният дефицит. Ако в дадена система се въведе повече материал, отколкото може да се използва от активните в момента организми, излишъкът бързо се свързва от почвата и седиментите или се губи чрез излугване, ставайки недостъпен точно когато растежът на организмите е най-желан. Много хора погрешно вярват, че ако 1 кг тор (или пестицид) се препоръчва за определена част от градината или езерцето им, тогава 2 кг ще донесат двойно повече полза. Тези привърженици на „повечето е по-добро“ би било добре да разберат връзката субсидия-стрес, илюстрирана на фигура 1. 3.5. Субсидиите неизбежно се превръщат в източник на стрес, ако не се прилагат внимателно. Прекомерното наторяване на екосистеми като рибарници е не само разточително по отношение на постигнатите резултати, но може да причини непредвидени промени в системата, както и да замърси екосистемите надолу по течението. Тъй като различните организми са адаптирани към различни нива на съдържание на елементи, продължителното свръхторене води до промени във видовия състав на организмите и тези, от които се нуждаем, могат да изчезнат и да се появят ненужни.[...]

Много процеси, протичащи в почвата, са свързани с жизнената дейност на почвените микроорганизми - цикли на хранителни вещества, минерализация на животински и растителни остатъци, обогатяване на почвата с форми на азот, достъпни за растенията. Плодородието на почвата е свързано с дейността на микроорганизмите. Следователно почвените микроорганизми пряко влияят върху живота на растенията, а чрез тях върху животните и хората, като са една от основните части на сухоземните екосистеми.[...]

Езерата и езерата са особено удобни за изследване, тъй като за кратък период от време циклите на хранителните вещества в тях могат да се считат за независими. Hutchinson (1957) и Pomeroy (1970) публикуват прегледи на работата върху цикъла на фосфора и циклите на други жизненоважни елементи.[...]

Транспирацията има и своите положителни страни. Изпарението охлажда листата и, наред с други процеси, насърчава кръговрата на хранителните вещества. Други процеси са транспорт на йони през почвата до корените, транспорт на йони между кореновите клетки, движение в растението и излужване от листата (Kozlowski, 1964, 1968). Някои от тези процеси изискват метаболитна енергия, която може да ограничи скоростта на транспортиране на вода и соли (Fried and Broeshart, 1967). По този начин транспирацията не е просто функция на откритите физически повърхности. Не е задължително горите да губят повече вода от тревистата растителност. Ролята на транспирацията като енергийна субсидия във влажни горски условия беше обсъдена в гл. 3. Ако въздухът е твърде влажен (относителната влажност се доближава до 100%), както се случва в някои тропически облачни гори, дърветата закърняват и по-голямата част от растителността се състои от епифити, очевидно поради липсата на транспирация. сцепление" (N. Одум, Гълъб, 1970).[...]

Енергията не може да се прехвърля в затворени цикли и да се използва повторно, но материята може. - Материята (включително хранителните вещества) може да премине през общност в „примки". - Цикълът на хранителните вещества никога не е перфектен. - Проучване на гората Хъбард Брук. ■-The Входът и изходът на хранителни вещества обикновено е нисък в сравнение с количеството, участващо в цикъла, въпреки че сярата е важно изключение от това правило (главно поради „киселинния дъжд“), - Обезлесяването отваря цикъла и води до загуба на хранителни вещества. - Земен биомите се различават по разпределението на хранителните вещества между мъртвата органична материя и живите тъкани, - Теченията и утаяването са важни■ фактори, влияещи върху потока на хранителни вещества във водните екосистеми.[...]

Всички хора консумират храна, като са консуматори от 1-ви и 2-ри ред в хранителните вериги. Те отделят продукти от физиологичния метаболизъм, които се използват от разлагащите вещества, участващи в цикъла на хранителните вещества. Човекът е един от 3-те милиона известни в момента биологични видове на Земята.[...]

Всяка екосистема може да се разглежда като поредица от блокове, през които преминават различни материали и в които тези материали могат да останат за различни периоди от време (Фигура 10.3). В циклите на минералните вещества в една екосистема, като правило, участват три активни блока: живи организми, мъртъв органичен детрит и налични неорганични вещества. Два допълнителни блока - индиректно достъпни неорганични вещества и утаяващи се органични вещества - са свързани с циклите на хранителни вещества в някои периферни части на общия цикъл (фиг. 10.3), но обменът между тези блокове и останалата част от екосистемата е бавен в сравнение с към обмена, възникващ между активните блокове [...]

Въглеродът, азотът и фосфорът са важни за живота на организмите. Именно техните съединения са необходими за образуването на кислород и органични вещества в процеса на фотосинтеза. Дънните седименти играят важна роля в кръговрата на хранителните вещества. В един случай те са източник, в друг - акумулатор на органични и минерални ресурси на резервоар. Доставянето им от дънни седименти зависи от pH, както и от концентрацията на тези елементи във водата. С повишаване на рН и ниска концентрация на хранителни вещества, доставката на фосфор, желязо и други елементи от дънните седименти във водата се увеличава.[...]

Важна задача при изучаването на структурата и функционирането на съобществата (биоценозите) е изследването на стабилността на съобществата и способността им да издържат на неблагоприятни въздействия. Когато изучаваме екосистемите, става възможно да се анализира количествено цикълът на материята и промените в енергийния поток по време на прехода от едно хранително ниво към друго. Този производствено-енергиен подход на популационно и биоценотично ниво ни позволява да сравняваме различни естествени и създадени от човека екосистеми. Друга задача на науката за околната среда е изучаването на различни видове връзки в сухоземните и водните екосистеми. Особено важно е да се изучава биосферата като цяло: определяне на първичното производство и унищожаване по цялото земно кълбо, глобалния цикъл на хранителни вещества; тези проблеми могат да бъдат решени само чрез комбинираните усилия на учени от различни страни.[...]

Периодичната система в химията, законите на движение на небесните тела в астрономията и др.) Тези модели се проявяват например в присъствието на един и същ вид (или същите форми на растеж, продуктивност, скорости на циркулация на биогенни елементи и т.н.) на различни места. Това от своя страна води до създаване на хипотези за причините за подобни рецидиви. След това хипотезите могат да бъдат тествани чрез допълнителни наблюдения или експерименти.[...]

Всички форми на взаимоотношения заедно образуват механизъм на естествен подбор и осигуряват стабилността на общността като форма на организация на живота. Общността е минималната форма на организация на живота. способни да функционират почти неограничено време в определен район на територията. Само на ниво общност може да се извърши кръговратът на хранителните вещества в определен район на територията, без който е невъзможно да се осигури неограничена продължителност на живота при ограничени жизнени ресурси на територията.[...]

В резултат на жизнената дейност на организмите протичат два противоположни и неразделни процеса. От една страна, живата органична материя се синтезира от прости абиотични компоненти, от друга страна, органичните съединения се разрушават до прости абиотични вещества. Тези два процеса осигуряват обмяната на вещества между биотичните и абиотичните компоненти на екосистемите и съставляват основното ядро ​​на биогеохимичния цикъл на хранителни вещества. [...]

Още през седемдесетте години на 20-ти век химикът Джеймс Лавлок и микробиологът Лин Маргулис излагат теория за комплексното регулиране на земната атмосфера от биологични обекти, според която растенията и микроорганизмите, заедно с физическата среда, осигуряват поддържането на определени геохимични условия на Земята, които са благоприятни за живот. Това е сравнително високо съдържание на кислород в атмосферата и ниско съдържание на въглероден диоксид, определена влажност и температура на въздуха. Специална роля в това регулиране принадлежи на микроорганизмите от сухоземни и водни екосистеми, осигуряващи циркулацията на хранителни вещества. Регулаторната роля на микроорганизмите в Световния океан за поддържане на определено количество въглероден диоксид в земната атмосфера и за предотвратяване на парниковия ефект е добре известна.[...]

Репродуктивният потенциал на живата материя е огромен. Ако умирането беше спряно за известно време и размножаването и растежът не бяха ограничени по никакъв начин, тогава би настъпил „биологичен взрив“ от космически мащаб: за по-малко от два дни биомасата на микроорганизмите ще бъде няколко пъти по-голяма от масата на Глобусът. Това не се случва поради ограничение на веществото; Биомасата на екосферата се поддържа на относително постоянно ниво в продължение на стотици милиони години. С постоянно изпомпване на поток от слънчева енергия, живата природа преодолява ограниченията на хранителния материал, като организира цикли на хранителни вещества. Това гарантира висока производителност на много екосистеми (вижте таблица 2. 1).[...]

Антропогенният натиск върху природата не се ограничава до замърсяването. Също толкова важна е експлоатацията на природните ресурси и произтичащите от това смущения в екологичните системи. Управлението на околната среда е много скъпо - много повече от обичайната парична стойност на изразходваните ресурси. На първо място, защото в икономиката на природата, както и в икономиката на човека, няма безплатни ресурси: космосът, енергията, слънчевата светлина, водата, кислородът, колкото и неизчерпаеми да изглеждат запасите им на Земята, се заплащат строго. от всяка система, която ги консумира, платени за пълнота и бързина на връщане, оборот на ценности, затвореност на материалните цикли - хранителни вещества, енергия, храна, пари, здраве... Защото спрямо всичко това важи закона за ограничените ресурси.

Дейността на живите организми в биосферата е съпроводена с извличане на големи количества минерали от околната среда. След смъртта на организмите съставните им химични елементи се връщат в околната среда. Така възниква биогенният (с участието на живи организми) кръговрат на веществата в природата, т.е. циркулацията на веществата между литосферата, атмосферата, хидросферата и живите организми. Кръговратът на веществата се разбира като повтарящ се процес на трансформация и движение на веществата в природата, който има повече или по-малко изразен цикличен характер.

Всички живи организми участват в кръговрата на веществата, като абсорбират някои вещества от външната среда и отделят други в нея. По този начин растенията консумират въглероден диоксид, вода и минерални соли от външната среда и отделят кислород в нея. Животните вдишват кислорода, отделен от растенията, и като ги ядат, усвояват органични вещества, синтезирани от вода и въглероден диоксид, и освобождават въглероден диоксид, вода и вещества от несмляната част от храната. Когато бактериите и гъбите разлагат мъртвите растения и животни, се образуват допълнителни количества въглероден диоксид, а органичните вещества се превръщат в минерали, които попадат в почвата и отново се абсорбират от растенията. Така атомите на основните химични елементи непрекъснато мигрират от един организъм в друг, от почвата, атмосферата и хидросферата - в живите организми, а от тях - в околната среда, като по този начин попълват неживата материя на биосферата. Тези процеси се повтарят безкраен брой пъти. Така например целият атмосферен кислород преминава през живата материя за 2 хиляди години, целият въглероден диоксид - за 200-300 години.

Непрекъснатата циркулация на химичните елементи в биосферата по повече или по-малко затворени пътища се нарича биогеохимичен цикъл. Необходимостта от такава циркулация се обяснява с ограниченото им предлагане на планетата. За да се осигури безкрайността на живота, химическите елементи трябва да се движат в кръг. Цикълът на всеки химичен елемент е част от общия голям цикъл на веществата на Земята, т.е. всички цикли са тясно свързани помежду си.

Цикълът на веществата, както всички процеси, протичащи в природата, изисква постоянен поток от енергия. Основата на биогенния цикъл, който осигурява съществуването на живот, е слънчевата енергия. Енергията, свързана в органичните вещества на етапите на хранителната верига, намалява, тъй като по-голямата част от нея навлиза в околната среда под формата на топлина или се изразходва за процеси, протичащи в организмите, следователно в биосферата се наблюдава поток от енергия и нейната трансформация. . По този начин биосферата може да бъде стабилна само ако има постоянен кръговрат на веществата и приток на слънчева енергия.

Природни ресурси

Всяко животно или растение е звено в хранителните вериги на своята екосистема, обменя вещества с неживата природа и следователно е включено в кръговрата на веществата в биосферата. Химичните елементи в различни съединения циркулират между живите организми, атмосферата и почвата, хидросферата и литосферата. Започнал в едни екосистеми, цикълът завършва в други. Цялата биомаса на планетата участва в кръговрата на веществата, което придава целостта и стабилността на биосферата. Живите организми значително влияят на движението и трансформацията на много съединения. Биологичният цикъл включва предимно елементи, които изграждат органичните вещества: C, N, S, P, O, H, както и редица метали (Fe, Ca, Mg и др.).

Циркулацията на съединенията се осъществява главно благодарение на енергията на Слънцето. Зелените растения, натрупвайки своята енергия и консумирайки минерални съединения от почвата, синтезират органични вещества. Органичната материя се разпространява в биосферата чрез хранителни вериги. Редукторите разрушават растителната и животинската органична материя до минерални съединения, затваряйки биологичния цикъл.

В горните слоеве на океана и на повърхността на сушата преобладава образуването на органична материя, а в почвата и морските дълбини – нейната минерализация. Миграцията на птици, риби и насекоми също допринася за пренасянето на натрупаните от тях елементи. Човешката дейност значително влияе върху цикъла на елементите.

Водният цикъл.Нагрятите от слънцето води на планетата се изпаряват. Влагата, която пада като животворен дъжд, се връща обратно в океана като речна вода или подпочвена вода, пречистена чрез филтриране, носеща огромно количество неорганични и органични съединения. Живите организми активно участват във водния цикъл, който е необходим компонент на метаболитните процеси (за биологичната роля на водата вижте § 1). На сушата по-голямата част от водата се изпарява от растенията, намалявайки оттока и предотвратявайки ерозията на почвата. Следователно, когато настъпи обезлесяване, повърхностният отток се увеличава няколко пъти наведнъж и причинява интензивна ерозия на почвената покривка. Гората забавя топенето на снега, а стопената вода, която постепенно тече надолу, овлажнява добре полетата. Нивата на подпочвените води се покачват, а пролетните наводнения рядко са разрушителни.

Тропическите дъждовни гори смекчават горещия екваториален климат, като задържат и постепенно изпаряват водата (явление, наречено транспирация). Обезлесяването на тропическите гори причинява катастрофални суши в близките райони. Хищническото унищожаване на горите може да превърне цели държави в пустини, както вече се случи в Северна Африка. Водният цикъл, регулиран от растителността, е най-важното условие за поддържане на живота на Земята.

Въглероден цикъл.По време на фотосинтезата растенията абсорбират въглерод чрез въглероден диоксид. Органичната материя, която произвеждат, съдържа значително количество въглерод, който се разпространява в екосистемата чрез хранителните вериги. По време на процеса на дишане организмите отделят въглероден диоксид. Органичните остатъци в морето и на сушата се минерализират от разлагащи вещества. Един от продуктите на минерализацията - въглеродният диоксид - се връща в атмосферата, затваряйки цикъла.

В продължение на 6-8 години живите същества преминават през целия въглерод в атмосферата. Всяка година в процеса на фотосинтеза участват до 50 милиарда тона въглерод. Част от него се натрупва в почвата и на дъното на океаните - в скелетите на водораслите и мекотелите, и кораловите рифове. Значителен запас от въглерод се съдържа в седиментните скали. На базата на изкопаеми растения и планктонни организми са образувани находища на въглища, органичен варовик и торф, природен газ и вероятно нефт (някои учени предполагат абиогенния произход на нефта). При изгаряне естествените горива добавят въглерод в атмосферата. Всяка година съдържанието на въглерод в атмосферата се увеличава с 3 милиарда тона и може да наруши стабилността на биосферата. Ако темпът на нарастване продължи, интензивното топене на полярния лед, причинено от парниковия ефект на въглеродния диоксид, ще доведе до наводняване на обширни крайбрежни райони по света.

Цикъл на азота.Значението на азота за живите организми се определя главно от съдържанието му в протеините и нуклеиновите киселини. Азотът, подобно на въглерода, е част от органичните съединения; циклите на тези елементи са тясно свързани. Основният източник на азот е атмосферният въздух. Чрез фиксация от живи организми азотът преминава от въздуха в почвата и водата. Всяка година синьозелените свързват около 25 kg/ha азот. Ефективно фиксира азотните и нодулните бактерии.

Растенията абсорбират азотни съединения от почвата и синтезират органични вещества. Органичната материя се разпространява през хранителните вериги до разлагащи вещества, които разлагат протеини с освобождаване на амоняк, който по-нататък се превръща от други бактерии в нитрити и нитрати. Подобна циркулация на азот възниква между бентосните и планктонните организми. Денитрифициращите бактерии редуцират азота до свободни молекули, които се връщат в атмосферата. Малко количество азот се фиксира под формата на оксиди от мълниеносни разряди и навлиза в почвата с валежи, а също така идва от вулканична дейност, компенсирайки загубата в дълбоководни седименти. Азотът също навлиза в почвата под формата на торове след индустриална фиксация от атмосферния въздух.

Цикълът на азота е по-затворен цикъл от цикъла на въглерода. Само малко количество от него се измива от реките или отива в атмосферата, напускайки границите на екосистемите.

Цикъл на сярата.Сярата е част от редица аминокиселини и протеини. Серните съединения навлизат в цикъла главно под формата на сулфиди от продуктите на изветряне на сушата и скалите на морското дъно. Редица микроорганизми (например хемосинтетични бактерии) са способни да превръщат сулфидите във форма, достъпна за растенията - сулфати. Растенията и животните умират, минерализацията на техните останки от разлагащите вещества връща серните съединения в почвата. По този начин серните бактерии окисляват сероводорода, образуван по време на разлагането на протеини до сулфати. Сулфатите спомагат за превръщането на слабо разтворимите фосфорни съединения в разтворими. Увеличава се количеството на достъпните за растенията минерални съединения и се подобряват условията за тяхното хранене.

Ресурсите от минерали, съдържащи сяра, са много значителни и излишъкът от този елемент в атмосферата, водещ до киселинен дъжд и нарушаване на процесите на фотосинтеза в близост до промишлени предприятия, вече тревожи учените. Количеството сяра в атмосферата се увеличава значително, когато се изгарят природни горива.

Цикъл на фосфора.Този елемент се намира в редица жизненоважни молекули. Неговият цикъл започва с измиване на фосфорсъдържащи съединения от скалите и навлизането им в почвата. Част от фосфора се отнася в реките и моретата, другата се абсорбира от растенията. Биогенният цикъл на фосфора протича по общата схема: производители→консументи→редуценти.

В полета с торове се внасят значителни количества фосфор. Около 60 хиляди тона фосфор се връщат на континента годишно чрез риболов. В човешката протеинова диета рибата съставлява от 20% до 80%, някои нискоценни сортове риба се преработват в торове, богати на полезни елементи, включително фосфор.

Годишното производство на фосфорсъдържащи скали е 1-2 милиона тона.Ресурсите на фосфорсъдържащи скали са все още големи, но в бъдеще човечеството вероятно ще трябва да реши проблема с връщането на фосфора в биогенния цикъл.

Природни ресурси. Възможността за нашия живот и неговите условия зависят от природните ресурси. Биологичните и особено хранителните ресурси служат като материална основа на живота. Минералните и енергийните ресурси, включени в производството, служат като основа за стабилен стандарт на живот.

Ресурсите обикновено се делят на неизчерпаеми и изчерпаеми. Енергията на слънцето и вятъра, атмосферния въздух и водата са практически неизчерпаеми. Но при съвременното неекологично промишлено производство водата и въздухът могат да се считат само условно за неизчерпаеми ресурси. В много райони замърсяването е причинило недостиг на чиста вода и въздух. За да останат тези ресурси неизчерпаеми, е необходимо внимателно отношение към природата.

Изчерпаемите ресурси се делят на невъзобновяеми и възобновяеми. Невъзобновимите ресурси включват изгубени видове животни и растения и повечето минерали. Възобновяемите ресурси включват дървесина, дивеч и риба, растения, както и някои минерали, като торф.

Интензивно консумирайки природни ресурси, човек трябва да поддържа естествен баланс. Балансът на ресурсите в кръговрата на веществата определя устойчивостта на биосферата.

1. Как живите организми участват в кръговрата на веществата? Къде преобладава образуването на органична материя, къде се случва нейната минерализация?
2. Опишете кръговрата на водата. Каква е ролята на горите в неговото регулиране?
3. Как протича въглеродният цикъл? Възможно ли е да се изключат растенията от цикъла?
4. Какви са особеностите на циклите на азота, сярата и фосфора?
5. Какви ресурси изискват особено внимателно боравене?

Стопанската дейност на човека и глобалните екологични проблеми

Около 10-15% от земната повърхност е разорана, 25% са изцяло или частично култивирани пасища. Ако добавим към това 3-5% от повърхността, заета от транспортната мрежа, промишлеността, сградите и конструкциите, и около 1-2% от територията на Земята, увредена от минното дело, се оказва, че почти половината от земната повърхност е била разрушена. модифицирани от човешката дейност.

С развитието на цивилизацията се увеличава нейният отрицателен принос в биосферните цикли. За всеки тон промишлени продукти има 20-50 тона отпадъци. Всеки човек в големите градове произвежда повече от 1 тон хранителни и битови отпадъци годишно. Дисхармонията в биосферата се отразява както на флората и фауната, така и на човешкото здраве. Много замърсители, попадайки в почвата, атмосферата и водоемите, се натрупват в тъканите на растенията и животните и заразяват човешкото тяло чрез хранителните вериги. Токсичните съединения могат значително да увеличат броя на мутациите, водещи до вродени и наследствени аномалии. Сравнението на данни от различни региони на планетата доведе учените до извода, че най-малко 80% от раковите заболявания са причинени от химическо замърсяване на околната среда.

Замърсяването на атмосферата идва главно от изгарянето на природни горива от транспорта, комуналните услуги и промишлеността. В градовете транспортът представлява повече от 60% от замърсителите, топлоелектрическите централи представляват около 15%, а 25% от емисиите идват от промишлени и строителни предприятия. Основните замърсители на въздуха са оксидите на сярата, азота, метана и въглеродния окис. При растенията замърсяването на въздуха води до сериозни метаболитни нарушения и различни заболявания. Серният диоксид разрушава хлорофила и възпрепятства развитието на поленовите зърна, листата и иглите изсъхват и окапват. Ефектите на други замърсители са не по-малко вредни.

Всяка година в атмосферата се отделят около 100 милиона тона серни оксиди, над 70 милиона тона азотни оксиди и 180 милиона тона въглероден оксид.

Киселинни валежи. Високите концентрации на замърсители водят до образуването на киселинен дъжд и смог. Киселинните валежи (дъжд, сняг, мъгла) се образуват при разтваряне на серен и азотен диоксид (SO2, NO2) във вода. Киселинните валежи измиват протеините, аминокиселините, захарта и калия от листата на растенията и увреждат горния защитен слой. Киселинните разтвори въвеждат кисела среда в почвата, причинявайки измиване на хумуса, намалявайки количеството на жизненоважни соли на калций, калий и магнезий. Киселите почви са бедни на микроорганизми, скоростта на унищожаване на отпадъците се забавя, а намаляването на броя на разлагащите се нарушава баланса на екосистемите.

Киселинният дъжд унищожава огромни екосистеми, причинява смъртта на растения и гори и превръща езерата и реките в безжизнени водни тела. В САЩ през последните 100 години киселинният дъжд е станал 40 пъти по-киселинен, около 200 езера са останали без риба, в Швеция 20% от езерата са в катастрофално състояние. Повече от 70% от киселинните дъждове в Швеция са причинени от емисии от други страни. Около 20% от киселинните дъждове в Европа са следствие от емисиите на серен оксид в Северна Америка.

Смог. В ниските слоеве на атмосферата под въздействието на слънчевата светлина замърсителите образуват изключително вредни за живите организми съединения, наблюдавани като мъгла. В големите градове количеството слънчева светлина поради смог намалява с 10-15%, а ултравиолетовите лъчи с 30%.

Озонови дупки. В атмосферата на височина 20-25 km има голям брой озонови молекули (O3), които поглъщат твърдата част от слънчевия спектър, което е разрушително за живите организми. През 1982 г. учените откриха дупка в озоновия слой над Антарктида, а през 1987 г. - над Северния полюс. Учените се опасяват, че дупки могат да се появят и над обитаемата част на земното кълбо. Това може да доведе до скок на рак на кожата, катаракта и нарушаване на горските и морските екосистеми.

По какви причини възникват озоновите дупки? Учените предполагат, че основната е натрупването на фреони (хлорофлуоровъглероди СFCl3, СF2Сl2), използвани при производството на аерозоли и в хладилната индустрия. Тези газове остават в атмосферата в продължение на десетилетия. Веднъж попаднали в стратосферата, те се разлагат от слънчевата радиация, за да образуват хлорни атоми, които катализират превръщането на озона в кислород.

Парников ефект. Някои атмосферни газове пропускат добре видимата светлина и абсорбират топлинното излъчване на планетата, причинявайки общо затопляне. Парниковият ефект е 50% поради наличието на въглероден диоксид, 18% от метан и 14% от фреони. Увеличаването на количеството CO2 в атмосферата се дължи главно на изгарянето на гориво и изсичането на горите за разораване, както и на интензивната минерализация на хумуса в обширни обработваеми земи.

Метанът навлиза в атмосферата от блатисти райони, от преовлажнени почви на оризови плантации, от множество животновъдни ферми и по време на разкриването на находища на въглища. Метанът е един от основните метаболитни продукти на преживните животни, придаващ характерна остра миризма на техните екскрети. През 20 век количеството CO2 в атмосферата се увеличи с 25%, а метанът със 100%, което повиши средната температура с 0,5 ° C. С тази тенденция температурите могат да се покачат с 3-5°C през следващите 50 години. Изчисленията показват, че топенето на полярния лед ще доведе до повишаване на морското равнище с 0,5-1,5 м. В Египет 20-30% от плодородните земи на делтата на Нил ще бъдат наводнени, а крайбрежните села и големите градове на Китай, Индия и САЩ ще бъдат под заплаха. Общото количество валежи ще се увеличи, но в централните части на континентите климатът може да стане по-сух и да навреди на културите, особено на зърнените култури и ориза (за 60% от населението на Азия оризът е основният продукт).

По този начин дори малки промени в газовия състав на атмосферата са опасни за естествените екосистеми.

Смущения в хидросферата. Мащабни грешки в селскостопанските практики са довели до унищожаването на много природни екосистеми. Отклоняването на оттока от Амударя и Сирдаря за напояване на памукови плантации доведе до катастрофален спад на нивото на Аралско море. Прашните бури в изсъхналото му корито причиниха засоляване на почвата на огромни площи. Деградацията на естествените екосистеми в района на Аралско море е резултат от липсата на вода и опустиняването.

Хищническо отнемане на вода за напояване, за нуждите на промишленото производство (топенето на 1 тон никел отнема 4000 m3 вода, производството на 1 тон хартия - 100 m3, 1 тон синтетични влакна - до 5000 m3), унищожаването на водозащитните гори и пресушаването на блатата доведоха до масовото изчезване на реките. Ако през 1785 г. в района на Калуга е имало повече от 1 милион реки, то през 1990 г. са останали само 200 от тях!

Речните екосистеми са много чувствителни и уязвими. Огромно количество торове, измити от полета, отпадъци от добитък и отпадни води, причиняват повишаване на концентрацията на азотни и фосфорни съединения във водните тела. Във водните екосистеми започва бързото развитие на синьо-зелените водорасли, които изместват диатомеите, необходими за зоопланктона. Рибите умират от глад. Синьо-зелените се натрупват на дъното и гният (разграждат се от бактерии), отравят водата и изчерпват запасите от кислород. Живописните водоеми се превръщат в зловонни ями, покрити с кал и пяна. Ако водата не е отровена, тогава на всеки квадратен метър има до 15 мекотели, всеки от които внимателно филтрира до 50 литра вода на ден. Тези същества умират, когато чужди химикали навлязат във водните тела. Най-устойчиви на замърсяване на водата са пиявиците, асцидиите и ларвите на водните кончета.

Компонентите на биосферата са свързани помежду си чрез цикъла на веществата и хранителните вериги; нарушаването на една екосистема води до промяна в екологичния баланс в други. Когато насекомите започнаха да бъдат отровени с ДДТ в северното полукълбо, значителни количества от тази отрова скоро бяха открити в телата на антарктически пингвини, които я получиха от риби. Много пестициди са много стабилни и могат да се натрупват в тъканите на организмите за дълго време, умножавайки се многократно при всяко следващо хранително ниво.

Поради неразумната стопанска дейност на човека, природните резервоари са се отровили със соли на тежки метали - живак, олово, както и мед и цинк. Тези съединения се натрупват в утайките, в тъканите на рибите и навлизат в човешкото тяло чрез хранителни вериги, причинявайки тежко отравяне. Съдържанието на олово в тъканите на организмите на жителите на индустриалните зони на Съединените щати се е увеличило 50-1000 пъти през последните 100 години. Дори в ледниците на Памир-Алтай съдържанието на живак се е увеличило пет пъти. Минимални количества от много химикали нарушават поведението на рибите, омарите и други водни видове. Регистрирането на минимални концентрации на мед, живак, кадмий и феноли се основава на тези характеристики. Един от най-разпространените пестициди - токсафенът - при съдържание 1:108 (1 част на 100 милиона) причинява смърт на някои риби (например гамбузия), необратими промени в черния дроб и хрилете на сом и пъстърва.

Изтичането на нефт по време на производство и транспортиране води до образуването на маслен филм на повърхността на реките и моретата (повече от 40% от целия нефт се произвежда на шелфа). Според сателитни наблюдения около 10-15% от повърхността на световния океан е замърсена. Маслото от повърхността постепенно се изпарява и се разгражда от бактерии, но това става бавно. Много водолюбиви птици умират, планктонът се унищожава, а след него и основните му консуматори - обитателите на морските дълбини. " Бентосна пустиня"в Балтийско море покрива повече от 20% от повърхността на дъното. Нефтът предотвратява обогатяването на водите с кислород. В резултат на това се нарушава газовият баланс на хидросферата с атмосферата и се измества екологичният баланс.

Интензивният риболов и събирането на черупчести е изчерпало много шелфови екосистеми.

Разрушаване на почвата. Масовото разораване на степите в нашата страна и Съединените щати предизвика прашни бури, които отнесоха милиони хектари плодородна земя. На природата й трябват 100-300 години, за да пресъздаде сантиметър слой почва! В момента около 1/3 от обработваемата земя е загубила 50% от своя плодороден слой поради различни видове ерозия. Всяка година около 3 милиона хектара се губят поради ерозия, 2 милиона хектара поради опустиняване и 2 милиона хектара поради отравяне с химикали.

Почвите на много земеделски райони се засолиха. В района на Аралско море това се случи в резултат на прашни солени бури, в други райони - от неправилна организация на потока на напоителната вода. Излишната вода кара богатите на сол подземни води да се издигат на повърхността. Интензивното изпарение води до засоляване на горните почвени хоризонти и след няколко години става невъзможно да се отглеждат култури на такива земи. Засоляването на почвата е довело до упадъка на селското стопанство в Месопотамия преди 4000 години. Водите за напояване първоначално осигуряват добри реколти там, но поради интензивно изпарение причиняват химическа деградация на почвата.

Голям проблем е и физическата деградация на обработваемите земи - силно уплътняване от тежки земеделски машини.

Загуба на естествено видово разнообразие.Значителна част от животните и растенията живеят в горските биоценози. Ако преди 1500 години горите са заемали 7 милиарда хектара на планетата, днес те заемат не повече от 4 милиарда хектара. Особено варварско е обезлесяването на тропическите гори, които съдържат около 80% от всички растителни видове на планетата. Тропическите гори се намират предимно в слабо развитите страни, за които продажбата на дървен материал е един от основните източници на доходи. Горите в тропиците са намалели до 7% от земната площ и ако темпът на унищожаване продължи, тогава до 2030 г. ще остане само една четвърт.

В Централна Русия иглолистните гори са практически унищожени, а най-ценните и най-достъпни горски територии на Сибир и Далечния изток се изсичат интензивно. С унищожаването на горите климатът се нарушава, почвите се деградират, реките умират, животните и растенията изчезват.

Уникалната гора в басейна на Амазонка се изсича с темп от 2% годишно. В Хаити преди 20 години горите са заемали 80% от територията, днес – само 9%. Поради хищническо обезлесяване хиляди видове растения изчезват безвъзвратно всяка година, около 20 хиляди вида цъфтящи растения, 300 вида бозайници и 350 вида птици са на ръба на изчезване. С изчезването на всеки растителен вид изчезват от 5 до 35 вида животни (главно безгръбначни), екологично свързани с него.

Всяка година в Европа се унищожават около 300 млн. мигриращи и зимуващи птици, 55 млн. екземпляра блатен, полски и горски дивеч, в САЩ - 2,5 млн. траурни гълъби, в Гърция - 3 млн. скорци, на о. Майорка - 3,5 милиона косове.

С развитието на селското стопанство степите в Евразия почти напълно изчезнаха. Тундровите екосистеми се унищожават варварски. Кораловите рифове са застрашени в много райони на океана.

Видовото разнообразие е не само красота, но и необходим фактор за стабилността на биосферата. Екосистемите са в състояние да издържат на външни биотични, климатични и токсични влияния, ако са обитавани от достатъчно голям брой разнообразни видове. В едно проучване учените въведоха токсичното вещество фенол в екосистемите. Само бактериите неутрализират фенола, но се оказа, че неутрализацията е по-ефективна в екосистема с по-голямо разнообразие от организми. Изчезването на видовете е непоправима загуба за биосферата и реална опасност за оцеляването на човечеството.

Разнообразието от растителност разширява възможностите за поддържане на здравето. Огромен брой лекарства днес се произвеждат от диви растения. Ние все още не знаем всички полезни качества на растенията, не можем да предположим кое от тях ще ни е необходимо. През 1960 г. само 20% от децата с левкемия са оцелели, днес - 80%, т.к. В едно от тропическите горски растения на Мадагаскар учените успяха да намерят активни вещества за борба с това заболяване. Губейки видовото разнообразие, ние губим бъдещето си.

В момента има международна програма за опазване на редки и застрашени видове от флората и фауната.

Радиоактивно замърсяване на атмосферата. Радиоактивните частици в атмосферните течения бързо се разпространяват на големи разстояния, замърсявайки почвата и водните тела, растенията и животните. Четири месеца след всяка ядрена експлозия на тихоокеанските атоли, радиоактивен стронций беше открит в млякото на европейските жени.

Радиоактивните изотопи са особено опасни, защото могат да заменят други елементи в организмите. Стронций-90 е подобен по свойства на калция и се натрупва в костите, докато цезий-137 е подобен на калия и се концентрира в мускулите. Особено много радиоактивни елементи се натрупват в телата на консуматори, които са консумирали замърсени растения и животни. Така в телата на ескимоси от Аляска, които ядат месо от северен елен, е открито изключително голямо количество цезий-137. Елените се хранят с лишеи, които натрупват значителни количества радиоактивни изотопи през дългия си живот. Съдържанието им в лишеите е хиляди пъти по-високо от това в почвата. В тъканите на елените това количество се увеличава тройно, а в телата на ескимосите има два пъти повече радиоактивен цезий, отколкото в елените. Смъртността на населението на някои арктически региони от злокачествени тумори е значително по-висока от средната.

Радиацията се запазва особено дълго след аварии в атомни електроцентрали. По време на аварията в Чернобил радиоактивните частици се издигнаха на височина от 6 км. Още в първия ден те се разпространяват над Украйна и Беларус с атмосферни потоци. След това облакът се раздели, една част от него се появи над Полша и Швеция на втория до четвъртия ден, прекоси Европа до края на седмицата и достигна Турция, Ливан и Сирия на 10-ия ден. Друга част от облака прекоси Сибир за една седмица, на 12-ия ден се появи над Япония, а на 18-ия ден след аварията радиоактивният облак посети Северна Америка.

Изследването на биосферните процеси помага да се разбере важността на всяка част от сътворения свят и да се разбере болезненото душевно състояние на съвременния човек. На Запад, а сега и в Русия, преобладава желанието за комфортен американски начин на живот като най-висше благо. Какво е Америка през очите на един еколог? Това е 5,5% от населението на планетата, 40% от потреблението на природни ресурси и 70% от вредните емисии! Това е цената на луксозния живот за сметка на другите народи и бъдещето на планетата.

Дойде време да погледнем трезво на желанията за все по-големи материални богатства и да разберем, че стратегията на индустриално-консуматорското общество ни води към катастрофа. Ако през следващите десетилетия не преминем към правилните духовни насоки, тогава нашите потомци ще се изправят пред проблема за оцеляване. Трябва да помним да се грижим един за друг и за нашата родна планета - безценното богатство, поверено ни от Създателя.

1. Опишете четирите основни ефекта от замърсяването на въздуха. Как се разпределят замърсителите?
2. Защо поливното земеделие е опасно?
3. Какви са негативните последици от излишния тор?
4. Защо учените смятат намаляването на видовото разнообразие на екосистемите за опасно за хората?
5. Замърсяването на околната среда следствие ли е от бездуховността на нашата цивилизация? Откъде трябва да започнем, за да подобрим здравето на планетата?

Глобална циркулация во да

В световен мащаб циклите на водата и CO2 са може би най-важните биогеохимични цикли за човечеството. И двете се характеризират с малки, но силно подвижни частици в атмосферата, силно чувствителни към смущения, причинени от човешка дейност и които могат да повлияят на времето и климата.

Въпреки че водата участва в химичните реакции, които съставляват фотосинтезата, по-голямата част от водния поток през една екосистема се дължи на изпарение, транспирация (изпарение от растенията) и валежи.

Водният цикъл или хидрологичният цикъл, както всеки друг цикъл, се задвижва от енергия. Поглъщането на светлинна енергия от течна вода представлява основната точка, в която източникът на енергия се свързва с водния цикъл. Изчислено е, че около една трета от цялата слънчева енергия, достигаща до Земята, се изразходва за задвижване на водния цикъл.

Повече от 90% от водата на земята е свързана в скалите, които образуват земната кора и в утайките (лед и сняг) на земната повърхност. Тази вода навлиза в хидрологичния цикъл, който се случва в екосистемата много рядко: само по време на вулканични емисии на водни пари. По този начин големите запаси от вода, присъстващи в земната кора, имат много незначителен принос за движението на водата близо до повърхността на Земята, образувайки основата на резервния фонд на този цикъл.

Количеството вода в атмосферата е малко (около 3%). Водата, съдържаща се във въздуха като пара във всеки един момент, съответства на среден слой от 2,5 см дебелина, равномерно разпределен по повърхността на Земята. Количеството на валежите, които падат на година, е средно 65 cm, което е 25 пъти повече от количеството влага, съдържаща се в атмосферата във всеки един момент. Следователно водните пари, които се съдържат постоянно в атмосферата, така нареченият атмосферен фонд, се въртят 25 пъти годишно. Съответно времето за пренос на вода в атмосферата е средно две седмици.

Водното съдържание в почвата, реките, езерата и океаните е стотици хиляди пъти по-голямо от това в атмосферата. Въпреки това, той протича през двата фонда с еднаква скорост, тъй като изпарението е балансирано с валежите. Средното време на пренасяне на вода в течна фаза над земната повърхност, равно на 3650 години, е 105 пъти по-дълго от времето на пренасяне в атмосферата.

Трябва да се обърне специално внимание на следните аспекти на водния цикъл:

1. Морето губи повече вода чрез изпаряване, отколкото получава чрез валежите; на сушата ситуацията е противоположна. Че. Голяма част от утайката, която поддържа сухоземните екосистеми, включително повечето агроекосистеми, се състои от вода, изпарена от морето.
2. Важна, ако не и основна роля на транспирацията на растенията в общата евапотранспирация (изпарение) от сушата. Ефектът, който растителността има върху движението на водата, се разкрива най-добре, когато растителността бъде премахната. Така експерименталното изсичане на всички дървета в малките речни басейни увеличава притока на вода в реките, отводняващи почистените площи, с над 200%. При нормални условия този излишък би бил изпуснат директно в атмосферата под формата на водна пара.
3. Въпреки че повърхностният отток допълва подпочвените водни резервоари и самият той се попълва от тях, тези количества имат обратна връзка. В резултат на човешката дейност (покриване на земната повърхност с водонепроницаеми материали, създаване на водохранилища на реки, изграждане на напоителни системи, уплътняване на обработваеми земи, изсичане на гори и др.) се увеличава оттокът и се намалява попълването на толкова важен фонд от подземни води . В много сухи райони резервоарите за подземни води сега се изпомпват от хората по-бързо, отколкото се попълват от природата.

Биогеохимичните цикли на въглерод, азот и кислород са най-пълни. Благодарение на големите атмосферни резерви, те са способни на бърза саморегулация.

Глобален въглероден цикъл

Във въглеродния цикъл или по-скоро неговата най-мобилна форма, CO2, ясно се вижда трофична верига: производители, които улавят въглерод от атмосферата по време на фотосинтезата, консументи, които абсорбират въглерод заедно с телата на производителите и консуматорите от по-нисък ред, разлагащи вещества, които се връщат въглерод обратно в цикъла. В биологичния въглероден цикъл участват само органични съединения и въглероден диоксид. Целият въглерод, асимилиран по време на фотосинтезата, се включва във въглехидратите, а по време на дишането въглеродът, съдържащ се в органичните съединения, се превръща във въглероден диоксид.

Огромни запаси от неорганичен въглерод - атмосферен въглероден диоксид, разтворен въглероден диоксид (главно под формата на HCO3-), въглеродна киселина и карбонатни отлагания - участват в цикъла на въглерода в различна степен. Обменът между въглерода, съдържащ се в магматични скали, отлагания на калциев карбонат, въглища и нефт и други по-активни запаси от въглерод се извършва толкова бавно, че ефектът от този въглерод върху краткосрочното функциониране на екосистемите е незначителен.

Атмосферният резерв от CO2 в цикъла е много малък в сравнение със запасите от въглерод в океаните, изкопаемите горива и други резервоари на земната кора. Смята се, че преди настъпването на индустриалната ера въглеродните потоци между атмосферата, континентите и океаните са били балансирани.

Този баланс се основава на регулиращата активност на зелените растения и абсорбционния капацитет на морската карбонатна система. Когато животът се е появил на Земята преди повече от 2 милиарда години, атмосферата се е състояла от вулканични газове. Имаше много CO2 и малко кислород (или може би изобщо нямаше) и първите организми бяха анаеробни. В резултат на факта, че производството средно леко надвишава дишането, кислородът се натрупва в атмосферата през геоложкото време и съдържанието на CO2 намалява. Геоложките и чисто химичните процеси също допринесоха за натрупването на кислород, например освобождаването му от железни оксиди или образуването на редуцирани азотни съединения и разделянето на водата чрез ултравиолетово лъчение с освобождаване на кислород. Ниското съдържание на CO2, както и високите концентрации на O2, служат като ограничаващи фактори за фотосинтезата: повечето растения се характеризират с увеличаване на интензивността на фотосинтезата, ако съдържанието на CO2 се увеличи или съдържанието на O2 намалява в експеримента. Така зелените растения се оказват много чувствителен регулатор на съдържанието на тези газове.

Фотосинтетичният „зелен пояс“ на Земята и карбонатната система на морето поддържат постоянно ниво на CO2 в атмосферата. Но през миналия век бързо нарастващото потребление на изкопаеми горива, заедно с намаляването на абсорбционния капацитет на „зеления пояс“, започва да надвишава възможностите на естествения контрол, така че съдържанието на CO2 в атмосферата сега постепенно се увеличава . Наистина, потоците от вещества на входа и изхода на малки обменни фондове са обект на най-големи промени. Смята се, че в началото на индустриалната революция (около 1800 г.) земната атмосфера е съдържала около 290 части на милион (0,029%) CO2. През 1958 г., когато за първи път бяха направени точни измервания, съдържанието беше 315, а през 1960 г. се повиши до 335 части на милион. Ако концентрациите удвоят прединдустриалното ниво, което може да се случи до средата на следващия век, климатът на Земята вероятно ще се затопли: температурите ще се повишат средно с 1,5 до 4,5°C и това заедно с повишаването на морското равнище (като резултат от топенето на полярните шапки) и промените в разпределението на валежите могат да съсипят селското стопанство.

Смята се, че през следващия век може да се установи нов, но несигурен баланс между нарастващите нива на CO2 (които допринасят за затоплянето на Земята) и увеличаващото се замърсяване на атмосферата с прах и други частици, които отразяват радиацията и по този начин охлаждат планетата. Всяка значителна последваща промяна в топлинния бюджет на Земята ще повлияе на климата.

Основният източник на парниковия газ CO2 е изгарянето на изкопаеми горива, но развитието на селското стопанство и обезлесяването също допринасят. Може да е изненадващо, че селското стопанство в крайна сметка губи CO2 от почвата (т.е. допринася повече за атмосферата, отколкото отнема), но факт е, че фиксирането на CO2 от културите, много от които са активни само част от годината, прави не компенсира количеството CO2, отделено от почвата, особено в резултат на честа оран. Горите са важни поглътители на въглерод, тъй като горската биомаса съдържа 1,5 пъти повече въглерод, а горският хумус съдържа 4 пъти повече въглерод, отколкото в атмосферата. Обезлесяването, разбира се, може да освободи въглерода, съхраняван в дървесината, особено ако тя бъде незабавно изгорена. Унищожаването на горите, особено с последващото използване на тези земи за селско стопанство или градско строителство, води до окисляване на хумуса.

В допълнение към CO2, още две въглеродни съединения присъстват в малки количества в атмосферата: въглероден окис (CO) - около 0,1 части на милион и метан (CH4) - около 1,6 части на милион. Подобно на CO2, тези съединения се движат бързо и следователно имат кратко време на престой в атмосферата - около 0,1 година за CO; 3,6 години за CH4 и 4 години за CO2.

Както CO, така и CH4 се образуват по време на непълно или анаеробно разлагане на органична материя; в атмосферата и двете се окисляват до CO2. Същото количество CO, което навлиза в атмосферата в резултат на естествено разлагане, сега се въвежда в нея при непълно изгаряне на изкопаеми горива, особено с отработени газове. Натрупването на въглероден окис, смъртоносна отрова за хората, не представлява заплаха в световен мащаб, но в градовете, където въздухът е застоял, повишаващите се нива на газ в атмосферата започват да стават тревожни, достигайки нива от 100 части на милион.

Производството на метан е една от най-важните функции на световните влажни зони и плитки морета. Смята се, че метанът има полезна функция: той поддържа стабилността на озоновия слой в горните слоеве на атмосферата, който блокира смъртоносната ултравиолетова радиация на слънцето. Биотичният цикъл на въглерода е неразделна част от по-големия цикъл, той е свързан с жизнената активност на организмите. Скоростта на оборот на CO2 е около 300 години (пълното му заместване в атмосферата).

Цикъл на кислорода

Вторият най-разпространен елемент в атмосферата след азота е кислородът, който представлява 20,95% от обема. Много по-голямо количество от него се намира в свързано състояние във водни молекули, в соли, както и в оксиди и други твърди скали на земната кора, но екосистемата няма пряк достъп до този огромен резерв от кислород. Времето за транспортиране на кислород в атмосферата е около 2500 години, ако пренебрегнем обмена на кислород между атмосферата и повърхностните води. В първичната земна атмосфера съдържанието на O2 е много ниско, но с появата на фотосинтезиращи организми той се превръща във важен компонент на атмосферата. В течение на много милиона години, концентрацията на O2 в атмосферата постепенно нараства, достигайки 21% (по обем) досега. Почти целият O2 се образува в резултат на фотосинтеза от цианобактерии, а впоследствие и от зелени растения. Отстраняването на кислород от атмосферата става в резултат на усвояването му от живите организми чрез аеробно дишане, изгаряне на изкопаеми горива и образуване на оксиди (оксиди). Дишането и изгарянето на изкопаемите горива произвежда въглероден диоксид (въглероден диоксид, CO2), който се използва отново във фотосинтезата, процес, който на свой ред освобождава кислород в атмосферата, като по този начин завършва цикъла. Цикълът на кислорода в природата в общи линии е подобен на цикъла на въглерода в природата.

Биогеохимичен азотен цикъл.

Разбира се, азотният цикъл е един от най-сложните и в същото време най-уязвимите цикли (фиг.). Въпреки големия брой участващи организми, той осигурява бърза циркулация на азот в различни екосистеми. Като правило, в количествено отношение азотът следва въглерода, заедно с който участва в образуването на протеинови съединения. Азотът, който е част от протеините и други азотсъдържащи съединения, се превръща от органична в неорганична форма в резултат на дейността на редица хемотрофни бактерии. Всеки вид бактерии върши своята част от работата, като окислява амония до нитрити и след това до нитрати. Въпреки това достъпните за растенията нитрати „избягат“ от тях в резултат на дейността на денитрифициращи бактерии, които редуцират нитратите до молекулярен азот.

Цикълът на азота се характеризира с обширен резервен фонд в атмосферата. Въздухът по обем е почти 80% молекулярен азот (N2) и представлява най-големият резервоар на този елемент. В същото време недостатъчното съдържание на азот в почвата често ограничава продуктивността на отделните растителни видове и цялата екосистема като цяло. Всички живи организми се нуждаят от азот, като го използват в различни форми за образуване на протеини и нуклеинови киселини. Но само няколко микроорганизми могат да използват азотен газ от атмосферата. За щастие, азотфиксиращите микроорганизми превръщат молекулярния азот в амониеви йони, достъпни за растенията. Освен това в атмосферата непрекъснато се образуват нитрати по неорганичен път, но това явление играе само спомагателна роля в сравнение с дейността на нитрифициращите организми.

Биогеохимични цикли на фосфор и сяра

Биогеохимичните цикли на фосфора и сярата, най-важните биогенни елементи, са много по-малко съвършени, тъй като по-голямата част от тях се съдържат в резервния фонд на земната кора, в „недостъпния“ фонд.

Цикълът на сярата и фосфора е типичен седиментен биогеохимичен цикъл. Такива цикли лесно се нарушават от различни видове влияния и част от обменения материал напуска цикъла. Тя може да се върне отново в цикъла само в резултат на геоложки процеси или чрез извличане на биофилни компоненти от живата материя.

Фосфор

Фосфорът се намира в скали, образувани в минали геоложки епохи. Той може да влезе в биогеохимичния цикъл (фиг.), ако тези скали се издигнат от дълбините на земната кора до земната повърхност, в зоната на изветряне. Чрез ерозионни процеси се изнася в морето под формата на известния минерал апатит.

Общият цикъл на фосфора може да бъде разделен на две части: водна и сухоземна. Във водните екосистеми се усвоява от фитопланктона и се предава по трофичната верига до консументи от трети ред - морски птици. Техните екскременти (гуано) се връщат в морето и влизат в цикъла или се натрупват на брега и се отмиват в морето.

От умиращите морски животни, особено рибите, фосфорът се връща в морето и в кръговрата, но някои рибни скелети достигат големи дълбочини и съдържащият се в тях фосфор отново се озовава в седиментни скали.

В сухоземните екосистеми фосфорът се извлича от растенията от почвата и след това се разпространява през трофичната мрежа. Връща се в почвата след смъртта на животни и растения и с техните екскременти. Фосфорът се губи от почвите в резултат на водна ерозия. Повишеното съдържание на фосфор във водните пътища на неговия транспорт предизвиква бързо нарастване на биомасата на водните растения, „цъфтеж“ на водните тела и тяхната еутрофикация. Повечето от фосфора се отнася в морето и там се губи безвъзвратно.

Последното обстоятелство може да доведе до изчерпване на запасите от фосфорсъдържащи руди (фосфорити, апатити и др.). Затова трябва да се стремим да избегнем тези загуби и да не чакаме времето, когато Земята ще върне „изгубените седименти“ на сушата.

Сяра

Сярата също има основен резервен фонд в утайките и почвата, но за разлика от фосфора има резервен фонд и в атмосферата (фиг.). В обменния фонд основната роля принадлежи на микроорганизмите. Някои от тях са редуциращи агенти, други са окислители.

В скалите сярата се среща под формата на сулфиди (FeS2 и др.), в разтвори под формата на йон (S042~), в газообразна фаза под формата на сероводород (H2S) или серен диоксид (S02). В някои организми сярата се натрупва в чиста форма (S2) и когато умрат, на дъното на моретата се образуват отлагания от естествена сяра.

В морската среда сулфатният йон е на второ място по съдържание след хлора и е основната налична форма на сяра, която се редуцира от автотрофи и се включва в аминокиселините.

Цикълът на сярата, въпреки че е необходим на организмите в малки количества, е ключов в цялостния процес на производство и разлагане (Y. Odum, 1986). Например, когато се образуват железни сулфиди, фосфорът преминава в разтворима форма, достъпна за организмите.

В сухоземните екосистеми сярата се връща в почвата, когато растенията умират и се улавя от микроорганизми, които я редуцират до H2S. Други организми и самото излагане на кислород причиняват окисляването на тези продукти. Получените сулфати се разтварят и се абсорбират от растенията от порите на почвата - така цикълът продължава.

Цикълът на сярата обаче, подобно на азота, може да бъде нарушен от човешка намеса и това се дължи главно на изгарянето на изкопаеми горива и особено на въглища. Серният диоксид (S02t) нарушава процесите на фотосинтеза и води до смърт на растителността.

Биогеохимичните цикли лесно се нарушават от хората. Така, докато добива минерални торове, замърсява водата и въздуха. Фосфорът навлиза във водата, причинявайки еутрофикация, образуват се силно токсични азотни съединения и т.н. С други думи, цикълът става не цикличен, а ацикличен. Опазването на природните ресурси трябва да бъде насочено по-специално към превръщането на ацикличните биогеохимични процеси в циклични.

По този начин общата хомеостаза на биосферата зависи от стабилността на биогеохимичния цикъл на веществата в природата. Но тъй като е планетарна екосистема, тя се състои от екосистеми на всички нива, така че целостта и устойчивостта на естествените екосистеми са от първостепенно значение за нейната хомеостаза.