În biosferă, ca în orice ecosistem, există un ciclu constant de carbon, azot, hidrogen, oxigen, fosfor, sulf și alte substanțe.

Dioxidul de carbon este absorbit de plante și producători și, prin procesul de fotosinteză, este transformat în carbohidrați, proteine, lipide și alți compuși organici. Aceste substanțe sunt folosite în alimente de către consumatorii de animale.

În același timp, în natură are loc procesul invers. Toate organismele vii respiră, eliberând CO 2, care intră în atmosferă. Rămășițele de plante și animale moarte și excrementele animale sunt descompuse de microorganismele descompunătoare. CO 2 este eliberat în atmosferă. O parte din carbon se acumulează în sol sub formă de compuși organici.

În timpul ciclului carbonului în biosferă se formează resurse energetice: petrol, cărbune, gaze combustibile, turbă și lemn.

Când plantele și animalele se descompun, azotul este eliberat sub formă de amoniac. Bacteriile nitrificatoare transformă amoniacul în săruri ale acizilor azotic și azotic, care sunt absorbite de plante. Unele bacterii fixatoare de azot sunt capabile să asimileze azotul atmosferic. Acest lucru închide ciclul azotului în natură.

Ca urmare a ciclului de substanțe din biosferă, are loc o migrare biogenă continuă a elementelor: elementele chimice necesare vieții plantelor și animalelor trec din mediu în organism atunci când organismele se descompun, aceste elemente revin din nou la mediu, de unde pătrund în organism.

Baza biosferei este ciclul materiei organice, care are loc cu participarea tuturor organismelor care locuiesc în biosferă și se numește ciclu biotic.

Legile ciclului biotic conțin baza existenței și dezvoltării pe termen lung a vieții pe Pământ.

Omul este un element al biosferei și, ca parte integrantă a biomasei Pământului, de-a lungul întregii evoluții a fost și este direct dependent de natura înconjurătoare.

Odată cu dezvoltarea activității nervoase superioare, omul însuși devine un puternic factor de mediu (factor antropogen) în evoluția ulterioară pe Pământ.

Influența omului asupra naturii este dublă - pozitivă și negativă. Activitatea umană duce adesea la perturbarea legilor naturale.

Ponderea masei umanității în biosferă este mică, dar activitatea sa este enormă în prezent a devenit o forță care schimbă procesele din biosferă.

V.I. Vernadsky susține că biosfera se va transforma în mod natural în noosferă (din gr. „noos” - minte” + gr. „sferă” - minge).

Potrivit lui V.I Vernadsky, noosfera este o biosferă transformată de munca umană și schimbată de gândirea științifică.

În prezent, a venit o perioadă în care o persoană trebuie să-și planifice activitățile economice astfel încât să nu încalce tiparele stabilite în ecosistemul gigantic care este biosfera și să nu contribuie la reducerea biomasei.

Ciclul nutrienților. Pe lângă elementele de bază luate în considerare, o serie de altele participă la procesul metabolic al unui organism viu. Unele dintre ele sunt prezente în cantități semnificative și aparțin categoriei de macronutrienți, precum sodiu, potasiu, calciu, magneziu. Unele elemente sunt conținute în concentrații foarte mici (microelemente), dar sunt și vitale (fier, zinc, cupru, mangan etc.).[...]

Cicluri de nutrienți și elemente de bază. Să luăm în considerare ciclurile celor mai semnificative substanțe și elemente pentru organismele vii (Fig. 3-8). Ciclul apei este unul geologic mare; și ciclurile elementelor biogene (carbon, oxigen, azot, fosfor, sulf și alte elemente biogene) - până la mici biogeochimice.[...]

Rata ciclurilor de nutrienți este destul de mare. Timpul de rotație al carbonului atmosferic este de aproximativ 8 ani. În fiecare an, aproximativ 12% din dioxidul de carbon din aer este reciclat în ciclul ecosistemelor terestre. Durata totală a ciclului pentru azot este estimată la mai mult de 110 ani, pentru oxigen la 2500 de ani.[...]

Ciclul biotic. Ciclul nutrienților cauzat de sinteza și degradarea substanțelor organice din ecosistem se numește ciclu biotic al substanțelor. Pe lângă elementele biogene, ciclul biotic implică elemente minerale care sunt cele mai importante pentru biotă și mulți compuși diferiți. Prin urmare, întregul proces ciclic de transformări chimice provocate de biotă, mai ales când este vorba de întreaga biosferă, este numit și ciclu biogeachimic.

Ciclul biotic este circulația nutrienților și a altor substanțe implicate în acestea în ecosisteme, în biosferă între componentele lor biotice și abiotice. Cea mai importantă caracteristică a ciclului biotic al biosferei este un grad ridicat de izolare.[...]

Pe de altă parte, elementele biogene ca componente ale biomasei pur și simplu schimbă molecule, care includ, de exemplu, nitrat N-proteină N-deșeuri N. Ele pot fi utilizate în mod repetat, iar ciclul este trăsătura lor caracteristică. Spre deosebire de energia radiației solare, rezervele de nutrienți nu sunt constante. Procesul de legare a unora dintre ele în biomasa vie reduce cantitatea rămasă în comunitate. Dacă plantele și fitofagele nu s-ar descompune în cele din urmă, aprovizionarea cu nutrienți s-ar epuiza și viața pe Pământ ar înceta. Activitatea organismelor heterotrofe este un factor decisiv în menținerea ciclurilor de nutrienți și formarea produselor. În fig. 17.24 arată că eliberarea acestor elemente sub formă de compuși anorganici simpli are loc numai din sistemul de descompunere. În realitate, o anumită proporție din aceste molecule simple (în special CO2) este furnizată și de sistemul de consum, dar în acest fel o foarte mică parte din elementele biogene revine în ciclu. Rolul decisiv aici revine sistemului de descompunetori.[...]

Forțele motrice ale ciclului substanțelor sunt fluxurile de energie solară și activitatea materiei vii, ducând la mișcarea unor mase uriașe de elemente chimice, concentrarea și redistribuirea energiei acumulate în timpul procesului de fotosinteză. Datorită fotosintezei și ciclurilor ciclice de nutrienți care funcționează continuu, se creează o organizare stabilă a tuturor ecosistemelor și a biosferei în ansamblu și se realizează funcționarea normală a acestora.[...]

În absența fluxurilor externe de compuși biogene, biosfera poate exista stabil doar dacă există un ciclu închis de substanțe, în timpul căruia nutrienții efectuează cicluri închise, trecând alternativ de la partea anorganică a biosferei la cea organică și așa mai departe. viceversa. Acest ciclu este realizat de organismele vii ale biosferei. Se crede că biosfera conține aproximativ 1027 de organisme vii care nu sunt corelate între ele. În procesul de dezvoltare evolutivă a biosferei, s-au format următoarele trei grupe de organisme, care diferă prin scopul lor funcțional și participarea la ciclul nutrienților: producători, descompunetori și consumatori.[...]

Procesele materiale din natura vie, ciclurile elementelor biogene sunt asociate cu fluxuri de energie cu coeficienți stoichiometrici care variază în cadrul celor mai diverse organisme doar într-un ordin de mărime. Mai mult, datorită eficienței ridicate a catalizei, consumul de energie pentru sinteza de noi substanțe în organisme este mult mai mic decât în ​​analogii tehnici ai acestor procese.[...]

O concluzie foarte importantă pentru practică, care decurge din multe studii intensive ale ciclului nutrienților, este că un exces de îngrășăminte poate fi la fel de neprofitabil pentru om ca și deficiența lor. Dacă într-un sistem este introdus mai mult material decât poate fi utilizat de organismele active în prezent, excesul este legat rapid de sol și sedimente sau se pierde prin levigare, devenind indisponibil tocmai atunci când creșterea organismelor este cea mai dorită. Mulți oameni cred în mod eronat că, dacă 1 kg de îngrășământ (sau pesticid) este recomandat pentru o anumită zonă a grădinii sau a iazului lor, atunci 2 kg vor aduce beneficii de două ori mai mari. Acești susținători mai mult este mai bine ar face bine să înțeleagă relația subvenție-stres ilustrată în Figura 1. 3.5. Subvențiile devin inevitabil o sursă de stres dacă nu sunt aplicate cu atenție. Fertilizarea excesivă a ecosistemelor precum iazurile cu pești nu este doar o risipă în ceea ce privește rezultatele obținute, dar poate provoca schimbări neprevăzute în sistem, precum și contaminarea ecosistemelor din aval. Deoarece diferite organisme sunt adaptate la diferite niveluri de conținut de elemente, suprafertilizarea prelungită duce la modificări în compoziția speciilor a organismelor, iar cele de care avem nevoie pot dispărea și pot apărea altele inutile.[...]

Multe procese care au loc în sol sunt asociate cu activitatea vitală a microorganismelor din sol - cicluri de nutrienți, mineralizarea reziduurilor animale și vegetale, îmbogățirea solului cu forme de azot disponibile plantelor. Fertilitatea solului este legată de activitatea microorganismelor. În consecință, microorganismele din sol influențează direct viața plantelor, iar prin intermediul acestora, animalele și oamenii, fiind una dintre principalele părți ale ecosistemelor terestre.[...]

Iazurile și lacurile sunt deosebit de convenabile pentru cercetare, deoarece într-o perioadă scurtă de timp ciclurile de nutrienți din ele pot fi considerate independente. Hutchinson (1957) și Pomeroy (1970) au publicat recenzii ale lucrărilor privind ciclul fosforului și ciclurile altor elemente vitale.[...]

Transpirația are și laturile ei pozitive. Evaporarea răcește frunzele și, printre alte procese, promovează ciclul nutrienților. Alte procese sunt transportul ionilor prin sol la rădăcini, transportul ionilor între celulele rădăcinilor, mișcarea în interiorul plantei și leșierea din frunze (Kozlowski, 1964, 1968). Unele dintre aceste procese necesită energie metabolică, care poate limita viteza de transport a apei și a sărurilor (Fried și Broeshart, 1967). Astfel, transpirația nu este doar o funcție a suprafețelor fizice expuse. Pădurile nu pierd neapărat mai multă apă decât vegetația ierboasă. Rolul transpirației ca subvenție energetică în condiții de pădure umedă a fost discutat în cap. 3. Dacă aerul este prea umed (umiditatea relativă se apropie de 100%), așa cum se întâmplă în unele păduri tropicale cu nori, copacii sunt pierniciți și cea mai mare parte a vegetației este formată din epifite, aparent din cauza lipsei de tracțiune” (N. Odum, Porumbel, 1970).[...]

Energia nu poate fi transferată în cicluri închise și reutilizată - Materia (inclusiv nutrienții) poate trece printr-o comunitate - Ciclul de nutrienți nu este niciodată perfect intrarea și producția de nutrienți este de obicei scăzută în comparație cu cantitatea care participă la ciclu, deși sulful este o excepție importantă de la această regulă (în principal din cauza „ploii acide”), - defrișarea deschide ciclul și duce la pierderea de nutrienți. - terestre. biomii diferă în distribuția nutrienților între materia organică moartă și țesuturile vii, - Curenții și sedimentarea sunt factori importan■ care afectează fluxul de nutrienți în ecosistemele acvatice.[...]

Toți oamenii consumă alimente, fiind consumatori de ordinul 1 și 2 în lanțurile alimentare. Ei secretă produse ale metabolismului fiziologic care sunt utilizați de descompozitorii care participă la ciclul nutrienților. Omul este una dintre cele 3 milioane de specii biologice cunoscute în prezent de pe Pământ.[...]

Orice ecosistem poate fi gândit ca o serie de blocuri prin care trec diferite materiale și în care aceste materiale pot rămâne pentru perioade variate de timp (Figura 10.3). În ciclurile substanțelor minerale dintr-un ecosistem, de regulă, sunt implicate trei blocuri active: organisme vii, detritus organic mort și substanțe anorganice disponibile. Două blocuri suplimentare - substanțe anorganice accesibile indirect și substanțe organice precipitante - sunt asociate cu ciclurile de nutrienți în unele părți periferice ale ciclului general (Fig. 10.3), însă schimbul dintre aceste blocuri și restul ecosistemului este lent în comparație. la schimbul care are loc între blocuri active .[...]

Carbonul, azotul și fosforul sunt importante în viața organismelor. Compușii lor sunt necesari pentru formarea oxigenului și a materiei organice în procesul de fotosinteză. Sedimentele de fund joacă un rol semnificativ în ciclul nutrienților. Într-un caz, acestea sunt o sursă, în alta - un acumulator de resurse organice și minerale ale unui rezervor. Alimentarea lor din sedimentele de fund depinde de pH, precum și de concentrația acestor elemente în apă. Odată cu creșterea pH-ului și o concentrație scăzută de nutrienți, aportul de fosfor, fier și alte elemente din sedimentele de fund în apă crește.[...]

O sarcină importantă a studierii structurii și funcționării comunităților (biocenoze) este studierea stabilității comunităților și a capacității acestora de a rezista la impacturi adverse. Când studiem ecosistemele, devine posibilă analiza cantitativă a ciclului materiei și a modificărilor fluxului de energie în timpul tranziției de la un nivel nutrițional la altul. Această abordare de producție-energie la nivel de populație și biocenotic ne permite să comparăm diverse ecosisteme naturale și create de om. O altă sarcină a științei mediului este studiul diferitelor tipuri de conexiuni în ecosistemele terestre și acvatice. Este deosebit de important să studiem biosfera în ansamblu: determinând producția primară și distrugerea pe tot globul, ciclul global al nutrienților; aceste probleme pot fi rezolvate doar prin eforturile combinate ale oamenilor de știință din diferite țări.[...]

Sistemul periodic în chimie, legile mișcării corpurilor cerești în astronomie etc.) Aceste tipare se manifestă, de exemplu, în prezența aceleiași specii (sau a acelorași forme de creștere, productivitate, viteze de circulație a elementelor biogene). , etc.) în diverse locuri. Aceasta, la rândul său, conduce la crearea de ipoteze despre motivele unei astfel de recurențe. Ipotezele pot fi apoi testate prin observații sau experimente suplimentare.[...]

Toate formele de relații formează împreună un mecanism de selecție naturală și asigură stabilitatea comunității ca formă de organizare a vieții. Comunitatea este forma minimă de organizare a vieții. capabil să funcționeze pentru un timp aproape nelimitat într-o anumită zonă a teritoriului. Numai la nivel de comunitate se poate desfășura ciclul nutrienților într-o anumită zonă a teritoriului, fără de care este imposibil să se asigure o speranță de viață nelimitată cu resursele de viață limitate ale teritoriului [...]

Ca rezultat al activității vitale a organismelor, apar două procese opuse și inseparabile. Pe de o parte, materia organică vie este sintetizată din componente abiotice simple, pe de altă parte, compușii organici sunt distruși în substanțe abiotice simple. Aceste două procese asigură schimbul de substanțe între componentele biotice și abiotice ale ecosistemelor și constituie nucleul principal al ciclului biogeochimic al nutrienților.[...]

În anii șaptezeci ai secolului XX, chimistul James Lovelock și microbiologul Lynn Margulis au prezentat o teorie a reglării complexe a atmosferei Pământului de către obiecte biologice, conform căreia plantele și microorganismele, împreună cu mediul fizic, asigură menținerea anumitor elemente geochimice. condiții pe Pământ care sunt favorabile vieții. Acesta este un conținut relativ ridicat de oxigen în atmosferă și un conținut scăzut de dioxid de carbon, o anumită umiditate și temperatură a aerului. Un rol deosebit în această reglementare revine microorganismelor ecosistemelor terestre și acvatice, asigurând circulația nutrienților. Rolul reglator al microorganismelor din Oceanul Mondial în menținerea unei anumite cantități de dioxid de carbon în atmosfera Pământului și în prevenirea efectului de seră este binecunoscut.[...]

Potențialul de reproducere al materiei vii este enorm. Dacă moartea ar fi oprită pentru un timp și reproducerea și creșterea nu ar fi limitate în niciun fel, atunci ar avea loc o „explozie biologică” la scară cosmică: în mai puțin de două zile, biomasa microorganismelor ar fi de câteva ori mai mare decât masa de globul. Acest lucru nu se întâmplă din cauza limitării substanței; Biomasa ecosferei este menținută la un nivel relativ constant timp de sute de milioane de ani. Cu pomparea constantă a unui flux de energie solară, natura vie depășește limitarea materialului nutritiv prin organizarea ciclurilor de nutrienți. Acest lucru asigură o productivitate ridicată a multor ecosisteme (a se vedea Tabelul 2. 1).[...]

Presiunea antropogenă asupra naturii nu se limitează la poluare. La fel de importantă este exploatarea resurselor naturale și perturbările rezultate ale sistemelor ecologice. Managementul mediului este foarte costisitor - mult mai mult decât valoarea monetară obișnuită a resurselor consumate. În primul rând, pentru că în economia naturii, ca și în economia umană, nu există resurse gratuite: spațiul, energia, lumina soarelui, apa, oxigenul, oricât de inepuizabile ar părea rezervele lor de pe Pământ, sunt strict plătite. de orice sistem care le consumă, plătite pentru completitudine și rapiditate de revenire, rotație a valorilor, închiderea ciclurilor materiale - nutrienți, energie, alimente, bani, sănătate... Pentru că în raport cu toate acestea se aplică legea resurselor limitate.

Activitatea organismelor vii din biosferă este însoțită de extragerea unor cantități mari de minerale din mediu. După moartea organismelor, elementele lor chimice constitutive sunt returnate în mediu. Așa apare ciclul biogenic (cu participarea organismelor vii) al substanțelor din natură, adică circulația substanțelor între litosferă, atmosferă, hidrosferă și organismele vii. Ciclul substanțelor este înțeles ca un proces repetat de transformare și mișcare a substanțelor în natură, care are o natură ciclică mai mult sau mai puțin pronunțată.

Toate organismele vii iau parte la ciclul substanțelor, absorbind unele substanțe din mediul extern și eliberând altele în el. Astfel, plantele consumă dioxid de carbon, apă și săruri minerale din mediul extern și eliberează oxigen în acesta. Animalele inhalează oxigenul eliberat de plante, iar mâncându-le, asimilează substanțe organice sintetizate din apă și dioxid de carbon și eliberează dioxid de carbon, apă și substanțe din partea nedigerată a alimentelor. Când bacteriile și ciupercile descompun plantele și animalele moarte, se formează cantități suplimentare de dioxid de carbon, iar substanțele organice sunt transformate în minerale, care intră în sol și sunt din nou absorbite de plante. Astfel, atomii elementelor chimice de bază migrează în mod constant de la un organism la altul, din sol, atmosferă și hidrosferă - în organismele vii, iar din acestea - în mediu, completând astfel materia neînsuflețită a biosferei. Aceste procese se repetă de un număr infinit de ori. Deci, de exemplu, tot oxigenul atmosferic trece prin materia vie în 2 mii de ani, tot dioxidul de carbon - în 200-300 de ani.

Circulația continuă a elementelor chimice în biosferă pe căi mai mult sau mai puțin închise se numește ciclu biogeochimic. Necesitatea unei astfel de circulații se explică prin oferta limitată a acestora pe planetă. Pentru a asigura infinitatea vieții, elementele chimice trebuie să se miște în cerc. Ciclul fiecărui element chimic face parte din marele ciclu general al substanțelor de pe Pământ, adică toate ciclurile sunt strâns interconectate.

Ciclul substanțelor, ca toate procesele care au loc în natură, necesită un flux constant de energie. La baza ciclului biogenic care asigură existența vieții este energia solară. Energia legată în substanțele organice în etapele lanțului trofic scade, deoarece cea mai mare parte intră în mediu sub formă de căldură sau este cheltuită în procese care au loc în organisme. Prin urmare, se observă un flux de energie și transformarea acesteia în biosferă . Astfel, biosfera poate fi stabilă doar dacă există un ciclu constant de substanțe și un aflux de energie solară.

Resurse naturale

Fiecare animal sau plantă este o verigă în lanțurile trofice ale ecosistemului său, schimbă substanțe cu natura neînsuflețită și, prin urmare, este inclusă în ciclul substanțelor din biosferă. Elementele chimice din diferiți compuși circulă între organismele vii, atmosferă și sol, hidrosferă și litosferă. După ce a început în unele ecosisteme, ciclul se termină în altele. Întreaga biomasă a planetei participă la ciclul substanțelor, ceea ce conferă biosferei integritate și stabilitate. Organismele vii influențează semnificativ mișcarea și transformarea multor compuși. Ciclul biologic implică în primul rând elementele care alcătuiesc substanțele organice: C, N, S, P, O, H, precum și o serie de metale (Fe, Ca, Mg etc.).

Circulația compușilor se realizează în principal datorită energiei Soarelui. Plantele verzi, acumulând energia și consumând compuși minerali din sol, sintetizează substanțe organice. Materia organică se răspândește prin biosferă prin lanțurile trofice. Reductorii distrug materia organică vegetală și animală în compuși minerali, închizând ciclul biologic.

În straturile superioare ale oceanului și pe suprafața uscată predomină formarea materiei organice, iar în sol și adâncimea mării predomină mineralizarea acesteia. Migrația păsărilor, peștilor și insectelor contribuie, de asemenea, la transferul elementelor pe care le-au acumulat. Activitatea umană influențează semnificativ ciclul elementelor.

Ciclul apei. Apele planetei, încălzite de soare, se evaporă. Umiditatea care cade sub formă de ploaie dătătoare de viață se întoarce înapoi în ocean sub formă de apă de râu sau apă subterană purificată prin filtrare, purtând o cantitate imensă de compuși anorganici și organici. Organismele vii participă activ la ciclul apei, care este o componentă necesară a proceselor metabolice (pentru rolul biologic al apei, vezi § 1). Pe uscat, cea mai mare parte a apei este evaporată de plante, reducând scurgerea și prevenind eroziunea solului. Prin urmare, atunci când are loc defrișările, scurgerea de suprafață crește de mai multe ori simultan și provoacă o eroziune intensă a acoperirii solului. Pădurea încetinește topirea zăpezii, iar apa de topire, curgând treptat în jos, hidratează bine câmpurile. Nivelurile apelor subterane sunt în creștere, iar inundațiile de primăvară sunt rareori distructive.

Pădurile tropicale temperează climatul cald ecuatorial prin reținerea și evaporarea treptată a apei (fenomen numit transpirație). Defrișarea pădurilor tropicale provoacă secete catastrofale în zonele din apropiere. Distrugerea pădurilor prin pradă poate transforma țări întregi în deșerturi, așa cum sa întâmplat deja în nordul Africii. Ciclul apei, reglat de vegetație, este cea mai importantă condiție pentru menținerea vieții pe Pământ.

Ciclul carbonului.În timpul fotosintezei, plantele absorb carbonul sub formă de dioxid de carbon. Materia organică pe care o produc conține o cantitate semnificativă de carbon, care este distribuită în întregul ecosistem prin lanțurile trofice. În timpul procesului de respirație, organismele eliberează dioxid de carbon. Reziduurile organice din mare și de pe uscat sunt mineralizate de către descompozitori. Unul dintre produsele mineralizării - dioxidul de carbon - revine în atmosferă, închizând ciclul.

Pe parcursul a 6-8 ani, ființele vii trec prin tot carbonul din atmosferă. În fiecare an, până la 50 de miliarde de tone de carbon sunt implicate în procesul de fotosinteză. O parte din el se acumulează în sol și în fundul oceanelor - în scheletele algelor și moluștelor și recifelor de corali. O rezervă semnificativă de carbon este conținută în rocile sedimentare. Pe baza plantelor fosile și a organismelor planctonice s-au format zăcăminte de cărbune, calcar organic și turbă, gaze naturale și, eventual, petrol (unii oameni de știință sugerează originea abiogenă a petrolului). Când sunt arși, combustibilii naturali adaugă carbon în atmosferă. În fiecare an, conținutul de carbon din atmosferă crește cu 3 miliarde de tone și poate perturba stabilitatea biosferei. Dacă ritmul de creștere continuă, topirea intensă a gheții polare, cauzată de efectul de seră al dioxidului de carbon, va duce la inundarea unor vaste zone de coastă din întreaga lume.

Ciclul azotului. Importanța azotului pentru organismele vii este determinată în principal de conținutul său în proteine ​​și acizi nucleici. Azotul, ca și carbonul, face parte din compușii organici, ciclurile acestor elemente sunt strâns legate. Principala sursă de azot este aerul atmosferic. Prin fixarea de către organismele vii, azotul se deplasează din aer în sol și apă. În fiecare an, albastru-verdele leagă aproximativ 25 kg/ha de azot. Fixează eficient azotul și bacteriile nodulare.

Plantele absorb compușii de azot din sol și sintetizează materia organică. Materia organică se răspândește prin lanțurile trofice până la descompozitori care descompun proteinele cu eliberarea de amoniac, care este ulterior transformat de alte bacterii în nitriți și nitrați. O circulație similară a azotului are loc între organismele bentos și plancton. Bacteriile denitrificatoare reduc azotul la molecule libere care sunt returnate în atmosferă. O cantitate mică de azot este fixată sub formă de oxizi prin descărcări de fulgere și pătrunde în sol cu ​​precipitații, și provine și din activitatea vulcanică, compensând pierderea în sedimentele de adâncime. Azotul intră în sol și sub formă de îngrășăminte după fixarea industrială din aerul atmosferic.

Ciclul azotului este un ciclu mai închis decât ciclul carbonului. Doar o cantitate mică este spălată de râuri sau intră în atmosferă, părăsind limitele ecosistemelor.

Ciclul sulfului. Sulful face parte dintr-un număr de aminoacizi și proteine. Compușii sulfului intră în ciclu în principal sub formă de sulfuri din produsele de intemperii ale rocilor terestre și de pe fundul mării. O serie de microorganisme (de exemplu, bacteriile chemosintetice) sunt capabile să transforme sulfurile într-o formă accesibilă plantelor - sulfații. Plantele și animalele mor, mineralizarea rămășițelor lor de către descompozitori returnează compușii sulfului în sol. Astfel, bacteriile cu sulf oxidează hidrogenul sulfurat format în timpul descompunerii proteinelor în sulfați. Sulfații ajută la transformarea compușilor de fosfor puțin solubili în cei solubili. Cantitatea de compuși minerali disponibile plantelor crește, iar condițiile de nutriție a acestora se îmbunătățesc.

Resursele de minerale care conțin sulf sunt foarte semnificative, iar un exces al acestui element în atmosferă, ducând la ploi acide și perturbând procesele de fotosinteză din apropierea întreprinderilor industriale, îi îngrijorează deja pe oamenii de știință. Cantitatea de sulf din atmosferă crește semnificativ atunci când combustibilii naturali sunt arși.

Ciclul fosforului. Acest element se găsește într-un număr de molecule vitale. Ciclul său începe cu leșierea compușilor care conțin fosfor din roci și intrarea lor în sol. O parte din fosfor este transportată în râuri și mări, cealaltă este absorbită de plante. Ciclul biogenic al fosforului are loc după schema generală: producătoriconsumatorireductori.

Pe câmpurile cu îngrășăminte se aplică cantități semnificative de fosfor. Aproximativ 60 de mii de tone de fosfor sunt returnate pe continent anual prin pescuit. În dieta umană cu proteine, peștele reprezintă de la 20% la 80% unele soiuri de pește cu valoare scăzută sunt procesate în îngrășăminte bogate în elemente utile, inclusiv fosfor.

Producția anuală de roci care conțin fosfor este de 1-2 milioane de tone Resursele de roci care conțin fosfor sunt încă mari, dar în viitor, probabil că omenirea va trebui să rezolve problema reîntoarcerii fosforului în ciclul biogenic.

Resurse naturale. Posibilitatea vieții noastre și condițiile ei depind de resursele naturale. Resursele biologice și mai ales alimentare servesc drept bază materială a vieții. Resursele minerale și energetice, atunci când sunt incluse în producție, servesc drept bază pentru un nivel de trai stabil.

Resursele sunt de obicei împărțite în inepuizabile și epuizabile. Energia Soarelui și a vântului, aerul atmosferic și apa sunt practic inepuizabile. Cu toate acestea, cu producția industrială modernă non-ecologică, apa și aerul pot fi considerate doar condiționat resurse inepuizabile. În multe zone, poluarea a cauzat o lipsă de apă curată și aer. Pentru ca aceste resurse să rămână inepuizabile, este necesară o atitudine atentă față de natură.

Resursele epuizabile sunt împărțite în neregenerabile și regenerabile. Resursele neregenerabile includ specii pierdute de animale și plante și majoritatea mineralelor. Resursele regenerabile includ lemnul, vânatul și peștii, plantele, precum și unele minerale, cum ar fi turba.

Prin consumul intensiv de resurse naturale, o persoană trebuie să mențină echilibrul natural. Echilibrul resurselor în ciclul substanțelor determină stabilitatea biosferei.

1. Cum participă organismele vii la ciclul substanțelor? Unde predomină formarea materiei organice, unde are loc mineralizarea acesteia?
2. Descrieți ciclul apei. Care este rolul pădurilor în reglementarea ei?
3. Cum are loc ciclul carbonului? Este posibil să excludem plantele din ciclu?
4. Care sunt caracteristicile ciclurilor azotului, sulfului și fosforului?
5. Ce resurse necesită o manipulare deosebit de atentă?

Activitatea economică umană și problemele de mediu globale

Aproximativ 10-15% din suprafața terenului este arat, 25% sunt pășuni cultivate integral sau parțial. Dacă la aceasta adăugăm 3-5% din suprafața ocupată de rețeaua de transport, industrie, clădiri și structuri, și aproximativ 1-2% din teritoriul Pământului deteriorat de minerit, rezultă că aproape jumătate din suprafața terenului a fost modificată de activitatea umană.

Odată cu dezvoltarea civilizației, contribuția sa negativă la ciclurile biosferei crește. Pentru fiecare tonă de produse industriale există 20-50 de tone de deșeuri. Fiecare persoană din orașele mari produce mai mult de 1 tonă de alimente și deșeuri menajere pe an. Dezarmonia din biosferă afectează atât flora și fauna, cât și sănătatea umană. Mulți poluanți, care intră în sol, atmosferă și corpurile de apă, se acumulează în țesuturile plantelor și animalelor și infectează corpul uman prin lanțurile trofice. Compușii toxici pot crește semnificativ numărul de mutații care duc la anomalii congenitale și ereditare. O comparație a datelor din diferite regiuni ale planetei a condus oamenii de știință la concluzia că cel puțin 80% dintre cazurile de cancer sunt cauzate de poluarea chimică a mediului.

Poluarea atmosferică provine în principal din arderea combustibililor naturali de către transporturi, utilități și industrie. În orașe, transportul reprezintă mai mult de 60% din poluanți, centralele termice reprezintă aproximativ 15%, iar 25% din emisii provin de la întreprinderile industriale și de construcții. Principalii poluanți ai aerului sunt oxizii de sulf, azot, metan și monoxid de carbon. La plante, poluarea aerului duce la tulburări metabolice grave și la diferite boli. Dioxidul de sulf distruge clorofila și împiedică dezvoltarea boabelor de polen, frunzele și acele se usucă și cad. Efectele altor poluanți nu sunt mai puțin dăunătoare.

În fiecare an, aproximativ 100 de milioane de tone de oxizi de sulf, peste 70 de milioane de tone de oxizi de azot și 180 de milioane de tone de monoxid de carbon sunt emise în atmosferă.

Precipitări acide. Concentrațiile mari de poluanți duc la formarea de ploi acide și smog. Precipitațiile acide (ploaie, zăpadă, ceață) se formează atunci când dioxizii de sulf și azot (SO2, NO2) se dizolvă în apă. Precipitațiile acide spălă proteinele, aminoacizii, zahărul și potasiul de pe frunzele plantelor și dăunează stratului protector superior. Soluțiile acide introduc un mediu acid în sol, determinând spălarea humusului, reducând cantitatea de săruri vitale de calciu, potasiu și magneziu. Solurile acide sunt sărace în microorganisme, rata de distrugere a gunoiului încetinește, iar o reducere a numărului de descompozitori perturbă echilibrul ecosistemelor.

Ploaia acidă distruge ecosisteme uriașe, provoacă moartea plantelor și pădurilor și transformă lacurile și râurile în corpuri de apă fără viață. În SUA în ultimii 100 de ani, ploaia acide a devenit de 40 de ori mai acide, aproximativ 200 de lacuri au rămas fără pește, în Suedia 20% dintre lacuri sunt într-o stare catastrofală. Peste 70% din ploile acide din Suedia sunt cauzate de emisiile din alte țări. Aproximativ 20% din ploile acide din Europa sunt o consecință a emisiilor de oxizi de sulf din America de Nord.

Smog. În straturile inferioare ale atmosferei, sub influența luminii solare, poluanții formează compuși extrem de nocivi pentru organismele vii, observați ca ceață. În orașele mari, cantitatea de lumină solară din cauza smogului este redusă cu 10-15%, iar razele ultraviolete cu 30%.

Găuri de ozon. În atmosferă la o altitudine de 20-25 km există un număr mare de molecule de ozon (O3), care absorb partea dura a spectrului solar, care este distructivă pentru organismele vii. În 1982, oamenii de știință au descoperit o gaură în stratul de ozon deasupra Antarcticii, iar în 1987 - peste Polul Nord. Oamenii de știință se tem că găurile pot apărea și deasupra părții locuite a globului. Acest lucru ar putea duce la o creștere a cancerului de piele, a cataractei și la perturbarea ecosistemelor forestiere și marine.

Din ce motive apar găurile de ozon? Oamenii de știință sugerează că principala este acumularea de freoni (clorofluorocarburi СFCl3, СF2Сl2), folosiți în producerea de aerosoli și în industria frigorifice. Aceste gaze persistă în atmosferă timp de zeci de ani. Odată ajunse în stratosferă, ele sunt descompuse de radiația solară pentru a forma atomi de clor, care catalizează conversia ozonului în oxigen.

Efect de sera. Unele gaze atmosferice transmit bine lumina vizibilă și absorb radiația termică a planetei, provocând încălzirea generală. Efectul de seră este 50% din cauza prezenței dioxidului de carbon, 18% din metan și 14% din freoni. Creșterea cantității de CO2 din atmosferă este cauzată în principal de arderea combustibilului și defrișarea pădurilor pentru arătură, precum și de mineralizarea intensivă a humusului în vaste terenuri arabile.

Metanul intră în atmosferă din zonele mlăștinoase, din solurile îmbibate cu apă ale plantațiilor de orez, din numeroase ferme de animale și în timpul deschiderii zăcămintelor de cărbune. Metanul este unul dintre principalii produși metabolici ai rumegătoarelor, dând un miros înțepător caracteristic excrețiilor acestora. În secolul al XX-lea cantitatea de CO2 din atmosferă a crescut cu 25%, iar metanul cu 100%, ceea ce a crescut temperatura medie cu 0,5°C. Cu această tendință, temperaturile ar putea crește cu 3-5°C în următorii 50 de ani. Calculele arată că topirea gheții polare va duce la o creștere a nivelului mării cu 0,5-1,5 m. În Egipt, 20-30% din terenurile fertile din Delta Nilului vor fi inundate, iar satele de coastă și orașele mari ale Chinei. India și SUA vor fi amenințate. Cantitatea totală de precipitații va crește, dar în părțile centrale ale continentelor clima poate deveni mai uscată și dăunătoare culturilor, în special cerealelor și orezului (pentru 60% din populația Asiei, orezul este principalul produs).

Astfel, chiar și mici modificări ale compoziției gazelor din atmosferă sunt periculoase pentru ecosistemele naturale.

Tulburări în hidrosferă. Greșelile pe scară largă în practicile agricole au dus la distrugerea multor ecosisteme naturale. Deturnarea scurgerii din Amu Darya și Syr Darya pentru irigarea plantațiilor de bumbac a provocat o scădere catastrofală a nivelului Mării Aral. Furtunile de praf din patul său de uscare au provocat salinizarea solului pe zone vaste. Degradarea ecosistemelor naturale din regiunea Mării Aral este rezultatul lipsei de apă și al deșertificării.

Retragerea apei prădătoare pentru irigare, pentru nevoile producției industriale (topirea a 1 tonă de nichel necesită 4000 m3 de apă, producția a 1 tonă de hârtie - 100 m3, 1 tonă de fibre sintetice - până la 5000 m3), distrugerea pădurilor de conservare a apei și drenarea mlaștinilor au dus la dispariția masivă a râurilor. Dacă în 1785 erau peste 1 milion de râuri în regiunea Kaluga, atunci în 1990 au mai rămas doar 200!

Ecosistemele fluviale sunt foarte sensibile și vulnerabile. O cantitate uriașă de îngrășăminte spălate de pe câmpuri, deșeurile de animale și de apele uzate provoacă o creștere a concentrației de compuși ai azotului și fosforului în corpurile de apă. În ecosistemele acvatice, începe dezvoltarea rapidă a algelor albastre-verzi, înlocuind diatomeele necesare zooplanctonului. Peștii mor de foame. Verdele albastru se acumulează în partea de jos și putrezesc (descompuse de bacterii), otrăvind apa și epuizând proviziile de oxigen. Iazurile pitorești se transformă în canale urat mirositoare acoperite cu noroi și spumă. Dacă apa nu este otrăvită, atunci pe fiecare metru pătrat există până la 15 moluște, fiecare dintre ele filtrează cu atenție până la 50 de litri de apă pe zi. Aceste creaturi mor atunci când substanțe chimice străine intră în corpurile de apă. Cele mai rezistente la poluarea apei sunt lipitorile, ascidiele și larvele de libelule.

Componentele biosferei sunt interconectate prin ciclul de substanțe și lanțurile trofice perturbarea unui ecosistem provoacă o schimbare a echilibrului ecologic al altora. Când insectele au început să fie otrăvite cu DDT în emisfera nordică, cantități semnificative din această otravă au fost găsite curând în corpurile pinguinilor antarctici care au primit-o de la pești. Multe pesticide sunt foarte stabile și se pot acumula în țesuturile organismelor pentru o perioadă lungă de timp, înmulțindu-se de multe ori la fiecare nivel nutrițional ulterior.

Din cauza activității economice umane nerezonabile, rezervoarele naturale au devenit otrăvite cu săruri de metale grele - mercur, plumb, precum și cupru și zinc. Acești compuși se acumulează în nămol, în țesuturile peștilor și intră în corpul uman prin lanțurile trofice, provocând otrăviri severe. Conținutul de plumb din țesuturile organismelor rezidenților din zonele industriale ale Statelor Unite a crescut de 50-1000 de ori în ultimii 100 de ani. Chiar și în ghețarii din Pamir-Altai, conținutul de mercur a crescut de cinci ori. Cantități mici de multe substanțe chimice perturbă comportamentul peștilor, homarilor și altor specii acvatice. Înregistrarea concentrațiilor minime de cupru, mercur, cadmiu și fenoli se bazează pe aceste caracteristici. Unul dintre cele mai comune pesticide - toxafenul - la un conținut de 1:108 (1 parte la 100 de milioane) provoacă moartea unor pești (de exemplu, gambusia), modificări ireversibile ale ficatului și branhiilor somnului și păstrăvului.

Scurgerile de ulei în timpul producției și transportului conduc la formarea unei pelicule de ulei pe suprafața râurilor și a mărilor (mai mult de 40% din tot petrolul este produs pe raft). Conform observațiilor prin satelit, aproximativ 10-15% din suprafața oceanelor lumii este poluată. Uleiul de la suprafață se evaporă treptat și este descompus de bacterii, dar acest lucru se întâmplă lent. Multe păsări de apă mor, planctonul este distrus, iar după el principalii săi consumatori - locuitorii mării adânci. " desert bentonic"în Marea Baltică acoperă mai mult de 20% din suprafața fundului. Uleiul previne îmbogățirea apelor cu oxigen. Ca urmare, echilibrul gazos al hidrosferei cu atmosfera este perturbat și echilibrul ecologic este deplasat.

Pescuitul intensiv și recoltarea crustaceelor ​​au epuizat multe ecosisteme de raft.

Distrugerea solului. Aratul extensiv al stepelor din țara noastră și din Statele Unite a provocat furtuni de praf care au dus milioane de hectare de pământ fertil. Natura este nevoie de 100-300 de ani pentru a recrea un strat centimetru de sol! În prezent, aproximativ 1/3 din terenul cultivat și-a pierdut 50% din stratul fertil din cauza diferitelor tipuri de eroziune. În fiecare an, din cauza eroziunii se pierd aproximativ 3 milioane de hectare, 2 milioane de hectare din cauza deșertificării și 2 milioane de hectare din cauza otrăvirii cu substanțe chimice.

Solurile multor zone agricole au devenit saline. În regiunea Mării Aral acest lucru s-a întâmplat ca urmare a furtunilor de sare de praf, în alte zone - din organizarea necorespunzătoare a debitului apei de irigare. Excesul de apă face ca apele subterane bogate în sare să se ridice la suprafață. Evaporarea intensivă produce salinizarea orizontului superior al solului, iar după câțiva ani devine imposibilă cultivarea culturilor pe astfel de terenuri. Salinizarea solului a dus la declinul agriculturii în Mesopotamia acum 4.000 de ani. Apele de irigare au oferit inițial recolte bune acolo, dar din cauza evaporării intense au provocat degradarea chimică a solului.

O mare problemă este asociată și cu degradarea fizică a terenurilor cultivate - compactarea puternică de către mașinile agricole grele.

Pierderea diversității naturale a speciilor. O parte semnificativă a animalelor și plantelor trăiesc în biocenozele pădurilor. Dacă acum 1500 de ani pădurile ocupau 7 miliarde de hectare ale planetei, astăzi ele ocupă nu mai mult de 4 miliarde de hectare. Deosebit de barbară este defrișarea pădurilor tropicale, care conțin aproximativ 80% din toate speciile de plante de pe planetă. Pădurile tropicale sunt situate în principal în țările subdezvoltate, pentru care vânzarea de cherestea este una dintre principalele surse de venit. Pădurile de la tropice au scăzut la 7% din suprafața terenului, iar dacă rata de distrugere continuă, atunci până în 2030 va rămâne doar un sfert.

În Rusia Centrală, pădurile de conifere au fost practic distruse, iar cele mai valoroase și mai accesibile păduri din Siberia și Orientul Îndepărtat sunt tăiate intens. Odată cu distrugerea pădurilor, clima este perturbată, solurile sunt degradate, râurile mor, animalele și plantele dispar.

Pădurea unică din bazinul Amazonului este tăiată cu o rată de 2% pe an. În Haiti, acum 20 de ani pădurile ocupau 80% din teritoriu, astăzi - doar 9%. Din cauza defrișărilor prădătoare, mii de specii de plante dispar irevocabil în fiecare an aproximativ 20 de mii de specii de plante cu flori, 300 de specii de mamifere și 350 de specii de păsări sunt pe cale de dispariție. Odată cu dispariția fiecărei specii de plante, de la 5 la 35 de specii de animale (în principal nevertebrate) asociate ecologic cu aceasta dispar.

În fiecare an în Europa sunt distruși aproximativ 300 de milioane de păsări migratoare și iernante, 55 de milioane de indivizi de vânat de mlaștină, câmp și pădure, în SUA - 2,5 milioane de porumbei doliu, în Grecia - 3 milioane de grauri, pe insulă. Mallorca - 3,5 milioane de mierle.

Odată cu dezvoltarea agriculturii, stepele din Eurasia au dispărut aproape complet. Ecosistemele de tundră sunt distruse în mod barbar. Recifele de corali sunt amenințate în multe zone ale oceanului.

Diversitatea speciilor nu este doar frumusețe, ci și un factor necesar în stabilitatea biosferei. Ecosistemele sunt capabile să reziste influențelor externe biotice, climatice și toxice dacă sunt locuite de un număr suficient de mare de specii diverse. Într-un studiu, oamenii de știință au introdus substanța toxică fenol în ecosisteme. Doar bacteriile neutralizează fenolul, dar s-a dovedit că neutralizarea este mai eficientă într-un ecosistem cu o mai mare diversitate de organisme. Dispariția speciilor este o pierdere ireparabilă pentru biosferă și un pericol real pentru supraviețuirea umanității.

O varietate de vegetație extinde posibilitățile de menținere a sănătății. Un număr mare de medicamente astăzi sunt făcute din plante sălbatice. Nu cunoaștem încă toate calitățile benefice ale plantelor, nu putem presupune de care dintre ele vom avea nevoie. În 1960, doar 20% dintre copiii cu leucemie supraviețuiau, astăzi - 80%, deoarece Într-una dintre plantele din pădure tropicală din Madagascar, oamenii de știință au reușit să găsească substanțe active pentru combaterea acestei boli. Pierzând diversitatea speciilor, ne pierdem viitorul.

În prezent, există un program internațional de conservare a speciilor rare și pe cale de dispariție de floră și faună.

Contaminarea radioactivă a atmosferei. Particulele radioactive din curenții atmosferici se răspândesc rapid pe distanțe lungi, contaminând solul și corpurile de apă, plantele și animalele. La patru luni după fiecare explozie nucleară de pe atolii din Pacific, stronțiu radioactiv a fost detectat în laptele femeilor europene.

Izotopii radioactivi sunt deosebit de periculoși, deoarece pot înlocui alte elemente din organisme. Stronțiul-90 are proprietăți similare cu calciul și se acumulează în oase, în timp ce cesiul-137 este similar cu potasiul și este concentrat în mușchi. Mai ales o mulțime de elemente radioactive se acumulează în corpurile consumatorilor care au consumat plante și animale contaminate. Astfel, o cantitate extrem de mare de cesiu-137 a fost găsită în corpurile eschimosilor din Alaska care mâncau carne de ren. Căprioarele se hrănesc cu licheni, care acumulează cantități semnificative de izotopi radioactivi de-a lungul vieții lor lungi. Conținutul lor în licheni este de mii de ori mai mare decât în ​​sol. În țesuturile căprioarelor această cantitate crește de trei ori, iar în corpurile eschimosilor există de două ori mai mult cesiu radioactiv decât la căprioare. Rata de mortalitate a populației din unele regiuni arctice din cauza tumorilor maligne este semnificativ mai mare decât media.

Radiațiile persistă mai ales mult timp după accidentele de la centralele nucleare. În timpul dezastrului de la Cernobîl, particulele radioactive au crescut la o înălțime de 6 km. Chiar în prima zi s-au răspândit peste Ucraina și Belarus cu fluxuri atmosferice. Apoi norul s-a despărțit, o parte din el a apărut peste Polonia și Suedia în a doua până la a patra zi, a traversat Europa până la sfârșitul săptămânii și a ajuns în Turcia, Liban și Siria în a 10-a zi. O altă parte a norului a traversat Siberia în decurs de o săptămână, în a 12-a zi a apărut deasupra Japoniei, iar în a 18-a zi după accident norul radioactiv a vizitat America de Nord.

Studiul proceselor biosferei ajută la înțelegerea importanței fiecărei părți a lumii create și la înțelegerea stării sufletești dureroase a omului modern. În Occident, și acum în Rusia, dorința pentru un mod de viață american confortabil, ca binele cel mai înalt, domină. Ce este America prin ochii unui ecologist? Aceasta reprezintă 5,5% din populația planetei, 40% din consumul de resurse naturale și 70% din emisiile nocive! Acesta este prețul unei vieți de lux în detrimentul altor popoare și al viitorului planetei.

A sosit momentul să luăm o viziune sobră asupra dorințelor de bogăție materială din ce în ce mai mare și să înțelegem că strategia societății industriale-consumator ne duce la dezastru. Dacă în următoarele decenii nu vom trece la liniile directoare spirituale potrivite, atunci descendenții noștri se vor confrunta cu problema supraviețuirii. Trebuie să ne amintim să avem grijă unul de celălalt și de planeta noastră natală - bogăția neprețuită pe care ne-a încredințat-o Creatorul.

1. Descrieți cele patru efecte principale ale poluării aerului. Cum se distribuie poluanții?
2. De ce este periculoasă agricultura prin irigare?
3. Care sunt consecințele negative ale excesului de îngrășământ?
4. De ce consideră oamenii de știință reducerea diversității de specii a ecosistemelor periculoasă pentru oameni?
5. Este poluarea mediului o consecință a lipsei de spiritualitate a civilizației noastre? De unde trebuie să începi pentru a îmbunătăți planeta?

Circulația globală în oh da

La nivel global, ciclurile apei și ale CO2 sunt probabil cele mai importante cicluri biogeochimice pentru umanitate. Ambele se caracterizează prin fonduri mici, dar foarte mobile în atmosferă, foarte sensibile la perturbațiile cauzate de activitatea umană și care pot influența vremea și clima.

Deși apa este implicată în reacțiile chimice care alcătuiesc fotosinteza, cea mai mare parte a fluxului de apă printr-un ecosistem se datorează evaporării, transpirației (evaporarea din plante) și precipitațiilor.

Ciclul apei sau ciclul hidrologic, ca orice alt ciclu, este condus de energie. Absorbția energiei luminoase de către apa lichidă reprezintă punctul principal în care sursa de energie este cuplată la ciclul apei. Se estimează că aproximativ o treime din toată energia solară care ajunge pe Pământ este cheltuită pentru a conduce ciclul apei.

Peste 90% din apa pământului este legată în rocile care formează scoarța terestră și în sedimentele (gheață și zăpadă) de pe suprafața pământului. Această apă intră în ciclul hidrologic care apare în ecosistem foarte rar: doar în timpul emisiilor vulcanice de vapori de apă. Astfel, marile rezerve de apă prezente în scoarța terestră au o contribuție foarte nesemnificativă la deplasarea apei în apropierea suprafeței Pământului, formând baza fondului de rezervă al acestui ciclu.

Cantitatea de apă din atmosferă este mică (aproximativ 3%). Apa conținută în aer sub formă de vapori la un moment dat corespunde unui strat mediu de 2,5 cm grosime, distribuit uniform pe suprafața Pământului. Cantitatea de precipitații care cad pe an este în medie de 65 cm, ceea ce este de 25 de ori mai mult decât cantitatea de umiditate conținută în atmosferă la un moment dat. În consecință, vaporii de apă continuți în mod constant în atmosferă, așa-numitul fond atmosferic, circulă de 25 de ori anual. În consecință, timpul de transfer al apei în atmosferă este în medie de două săptămâni.

Conținutul de apă din sol, râuri, lacuri și oceane este de sute de mii de ori mai mare decât în ​​atmosferă. Cu toate acestea, curge prin ambele fonduri în același ritm, deoarece evaporarea este echilibrată cu precipitațiile. Timpul mediu de transport al apei în faza sa lichidă pe suprafața Pământului, egal cu 3650 de ani, este de 105 ori mai mare decât timpul transportului ei în atmosferă.

O atenție deosebită trebuie acordată următoarelor aspecte ale ciclului apei:

1. Marea pierde mai multă apă din cauza evaporării decât primește prin precipitații; pe uscat situatia este inversa. Acea. O mare parte din sedimentele care susțin ecosistemele terestre, inclusiv majoritatea agroecosistemelor, constă din apă evaporată din mare.
2. Un rol important, dacă nu chiar principal, al transpirației plantelor în evapotranspirația totală (evaporarea) de pe uscat. Efectul pe care vegetația îl are asupra mișcării apei este cel mai bine dezvăluit atunci când vegetația este îndepărtată. Astfel, tăierea experimentală a tuturor copacilor din micile bazine hidrografice crește debitul apei în râurile care drenează zonele defrișate cu peste 200%. În condiții normale, acest exces ar fi eliberat direct în atmosferă sub formă de vapori de apă.
3. Deși scurgerea de suprafață completează rezervoarele de apă subterană și este el însuși completată de acestea, aceste cantități au o relație inversă. Ca urmare a activităților umane (acoperirea suprafeței pământului cu materiale impermeabile la apă, crearea de rezervoare pe râuri, construirea de sisteme de irigare, compactarea terenurilor arabile, defrișarea pădurilor etc.), scurgerea crește și reaprovizionarea unui fond de apă subterană atât de important este redusă. . În multe zone uscate, rezervoarele de apă subterană sunt acum pompate de oameni mai repede decât sunt reumplute de natură.

Ciclurile biogeochimice ale carbonului, azotului și oxigenului sunt cele mai complete. Datorită rezervelor atmosferice mari, acestea sunt capabile de o autoreglare rapidă.

Ciclul global al carbonului

În ciclul carbonului, sau mai degrabă în forma sa cea mai mobilă, CO2, este clar vizibil un lanț trofic: producători care captează carbonul din atmosferă în timpul fotosintezei, consumatori care absorb carbonul împreună cu corpurile producătorilor și consumatorilor de ordine inferioară, descompozitori care revin. carbonul înapoi în ciclu. Doar compușii organici și dioxidul de carbon participă la ciclul biologic al carbonului. Tot carbonul asimilat în timpul fotosintezei este inclus în carbohidrați, iar în timpul respirației, carbonul conținut în compușii organici este transformat în dioxid de carbon.

Vaste bazine de carbon anorganic - dioxid de carbon atmosferic, dioxid de carbon dizolvat (în principal sub formă de HCO3-), acid carbonic și depozite de carbonați - participă la ciclul carbonului în grade diferite. Schimbul dintre carbonul conținut în rocile magmatice, depozitele de carbonat de calciu, cărbune și petrol și alte stocuri de carbon mai activ are loc atât de lent încât efectul acestui carbon asupra funcționării pe termen scurt a ecosistemelor este neglijabil.

Rezerva atmosferică de CO2 din ciclu este foarte mică în comparație cu rezervele de carbon din oceane, combustibilii fosili și alte rezervoare ale scoarței terestre. Se crede că înainte de apariția erei industriale, fluxurile de carbon între atmosferă, continente și oceane erau echilibrate.

Acest echilibru se bazează pe activitatea de reglare a plantelor verzi și capacitatea de absorbție a sistemului carbonatului de mare. Când viața a apărut pe Pământ în urmă cu mai bine de 2 miliarde de ani, atmosfera era formată din gaze vulcanice. Era mult CO2 și puțin oxigen (sau poate deloc), iar primele organisme erau anaerobe. Ca urmare a faptului că producția, în medie, a depășit ușor respirația, oxigenul s-a acumulat în atmosferă de-a lungul timpului geologic și conținutul de CO2 a scăzut. Procesele geologice și pur chimice au contribuit, de asemenea, la acumularea de oxigen, de exemplu, eliberarea acestuia din oxizi de fier sau formarea de compuși cu azot redus și scindarea apei prin radiația ultravioletă cu eliberarea de oxigen. Conținutul scăzut de CO2, precum și concentrațiile mari de O2, servesc ca factori limitatori pentru fotosinteză: majoritatea plantelor se caracterizează printr-o creștere a intensității fotosintezei dacă conținutul de CO2 crește sau conținutul de O2 scade în experiment. Astfel, plantele verzi se dovedesc a fi un regulator foarte sensibil al conținutului acestor gaze.

„Centura verde” fotosintetică a Pământului și sistemul de carbonați al mării mențin un nivel constant de CO2 în atmosferă. Dar, în ultimul secol, creșterea rapidă a consumului de combustibili fosili, împreună cu scăderea capacității de absorbție a „centrii verzi”, începe să depășească capacitățile de control natural, astfel încât conținutul de CO2 din atmosferă crește acum treptat. . Într-adevăr, fluxurile de substanțe la intrarea și la ieșirea fondurilor de schimb mici sunt supuse celor mai mari modificări. Se crede că la începutul Revoluției Industriale (în jurul anului 1800), atmosfera Pământului conținea aproximativ 290 părți per milion (0,029%) de CO2. În 1958, când au fost luate pentru prima dată măsurători precise, conținutul a fost de 315, iar în 1960 a crescut la 335 părți per milion. Dacă concentrațiile dublează nivelul preindustrial, ceea ce s-ar putea întâmpla până la mijlocul secolului următor, clima Pământului este probabil să se încălzească: temperaturile vor crește în medie cu 1,5 până la 4,5°C, iar aceasta împreună cu creșterea nivelului mării (ca o rezultat al topirii calotelor polare) și modificările distribuției precipitațiilor pot ruina agricultura.

Se crede că în secolul următor se poate stabili un echilibru nou, dar precar, între creșterea nivelului de CO2 (care contribuie la încălzirea Pământului) și creșterea poluării atmosferice cu praf și alte particule care reflectă radiațiile și, prin urmare, răcesc planeta. Orice schimbare semnificativă care rezultă în bugetul de căldură al Pământului va afecta apoi clima.

Principala sursă de CO2 a gazelor cu efect de seră este arderea combustibililor fosili, dar contribuie și dezvoltarea agriculturii și defrișările. Poate fi surprinzător că agricultura pierde în cele din urmă CO2 din sol (adică contribuie mai mult la atmosferă decât scoate), dar adevărul este că fixarea CO2 de către culturi, dintre care multe sunt active doar o parte a anului, nu nu compensează cantitatea de CO2 eliberată din sol, mai ales ca urmare a arăturilor frecvente. Pădurile sunt importante absorbante de carbon, deoarece biomasa forestieră conține de 1,5 ori mai mult carbon, iar humusul forestier conține de 4 ori mai mult carbon decât în ​​atmosferă. Defrișarea, desigur, poate elibera carbonul stocat în lemn, mai ales dacă este ars imediat. Distrugerea pădurilor, mai ales odată cu folosirea ulterioară a acestor terenuri pentru agricultură sau construcția orașelor, duce la oxidarea humusului.

Pe lângă CO2, în atmosferă mai sunt prezenți doi compuși ai carbonului în cantități mici: monoxid de carbon (CO) - aproximativ 0,1 părți per milion și metan (CH4) - aproximativ 1,6 părți per milion. La fel ca CO2, acești compuși ciclează rapid și, prin urmare, au un timp scurt de rezidență în atmosferă - aproximativ 0,1 an pentru CO; 3,6 ani pentru CH4 și 4 ani pentru CO2.

Atât CO cât și CH4 se formează în timpul descompunerii incomplete sau anaerobe a materiei organice; în atmosferă ambele sunt oxidate la CO2. Aceeași cantitate de CO care intră în atmosferă ca urmare a descompunerii naturale este acum introdusă în ea în timpul arderii incomplete a combustibililor fosili, în special cu gazele de eșapament. Acumularea de monoxid de carbon, o otravă mortală pentru oameni, nu este o amenințare la nivel global, dar în orașele în care aerul stagnează, concentrațiile atmosferice ale gazului încep să devină alarmante, atingând niveluri de 100 de părți per milion.

Producția de metan este una dintre cele mai importante funcții ale zonelor umede și ale mărilor de mică adâncime ale lumii. Se crede că metanul are o funcție benefică: menține stabilitatea stratului de ozon din atmosfera superioară, care blochează radiațiile ultraviolete mortale ale soarelui. Ciclul biotic al carbonului este o parte integrantă a ciclului mai mare, este asociat cu activitatea de viață a organismelor. Rata de rotație a CO2 este de aproximativ 300 de ani (înlocuirea sa completă în atmosferă).

Ciclul oxigenului

Al doilea element cel mai abundent din atmosferă după azot este oxigenul, reprezentând 20,95% în volum. O cantitate mult mai mare din acesta se găsește în stare legată în moleculele de apă, în săruri, precum și în oxizi și alte roci solide ale scoarței terestre, dar ecosistemul nu are acces direct la acest bazin imens de oxigen. Timpul de transport al oxigenului în atmosferă este de aproximativ 2500 de ani, dacă neglijăm schimbul de oxigen dintre atmosferă și apele de suprafață. În atmosfera primară a pământului, conținutul de O2 a fost foarte scăzut, dar odată cu apariția organismelor fotosintetice a devenit o componentă importantă a atmosferei. Pe parcursul multora milioane de ani, concentrația de O2 în atmosferă a crescut treptat, ajungând până acum la 21% (în volum). Aproape tot O2 a fost format ca rezultat al fotosintezei de către cianobacterii și, ulterior, de către plantele verzi. Eliminarea oxigenului din atmosferă are loc ca urmare a absorbției acestuia de către organismele vii prin respirație aerobă, arderea combustibililor fosili și formarea de oxizi (oxizi). Respirația și arderea combustibililor fosili produce dioxid de carbon (dioxid de carbon, CO2), care este folosit din nou în fotosinteză, proces care, la rândul său, eliberează oxigen în atmosferă, completând astfel ciclul. Ciclul oxigenului în natură este practic similar cu ciclul carbonului din natură.

Ciclul biogeochimic a azotului.

Desigur, ciclul azotului este unul dintre cele mai complexe și, în același timp, cele mai vulnerabile cicluri (Fig.). În ciuda numărului mare de organisme implicate, asigură circulația rapidă a azotului în diverse ecosisteme. De regulă, în termeni cantitativi, azotul urmează carbonului, împreună cu care participă la formarea compușilor proteici. Azotul, care face parte din proteine ​​și alți compuși care conțin azot, este transformat din formă organică în formă anorganică ca urmare a activității unui număr de bacterii chimiotrofe. Fiecare tip de bacterie își face partea sa, oxidând amoniul în nitriți și apoi în nitrați. Cu toate acestea, nitrații disponibili pentru plante „scăpează” de ei ca urmare a activității bacteriilor denitrificatoare, care reduc nitrații la azot molecular.

Ciclul azotului este caracterizat de un fond extins de rezervă în atmosferă. Aerul în volum este aproape 80% azot molecular (N2) și reprezintă cel mai mare rezervor al acestui element. În același timp, conținutul insuficient de azot în sol limitează adesea productivitatea speciilor individuale de plante și a întregului ecosistem în ansamblu. Toate organismele vii au nevoie de azot, folosindu-l în diferite forme pentru a forma proteine ​​și acizi nucleici. Dar doar câteva microorganisme pot folosi azot gazos din atmosferă. Din fericire, microorganismele fixatoare de azot transformă azotul molecular în ioni de amoniu disponibili pentru plante. În plus, nitrații se formează în mod constant în atmosferă prin mijloace anorganice, dar acest fenomen joacă doar un rol de susținere în comparație cu activitatea organismelor nitrificatoare.

Cicluri biogeochimice ale fosforului și sulfului

Ciclurile biogeochimice ale fosforului și sulfului, cele mai importante elemente biogene, sunt mult mai puțin perfecte, întrucât cea mai mare parte a acestora se află în fondul de rezervă al scoarței terestre, în fondul „inaccesibil”.

Ciclul sulfului și fosforului este un ciclu biogeochimic sedimentar tipic. Astfel de cicluri sunt ușor perturbate de diferite tipuri de influențe și o parte din materialul schimbat părăsește ciclul. Poate reveni din nou la ciclu doar ca urmare a unor procese geologice sau prin extracția componentelor biofile de către materia vie.

Fosfor

Fosforul se găsește în rocile formate în erele geologice trecute. Poate intra în ciclul biogeochimic (Fig.) dacă aceste roci se ridică de la adâncimea scoarței terestre la suprafața pământului, în zona de intemperii. Prin procese erozive se duce la mare sub forma cunoscutului mineral apatit.

Ciclul general al fosforului poate fi împărțit în două părți: acvatic și terestru. În ecosistemele acvatice, este asimilat de fitoplancton și transmis de-a lungul lanțului trofic până la consumatorii de ordinul trei - păsările marine. Excrementele lor (guano) revin în mare și intră în ciclu, sau se acumulează pe țărm și sunt spălate în mare.

Din animalele marine pe moarte, în special pești, fosforul se întoarce în mare și în ciclu, dar unele schelete de pești ating adâncimi mari și fosforul conținut în ele ajunge din nou în rocile sedimentare.

În ecosistemele terestre, fosforul este extras de plante din sol și apoi distribuit prin rețeaua trofică. Revine în sol după moartea animalelor și plantelor și cu excrementele lor. Fosforul se pierde din sol ca urmare a eroziunii apei. Conținutul crescut de fosfor în căile navigabile de transport determină o creștere rapidă a biomasei plantelor acvatice, „înflorirea” corpurilor de apă și eutrofizarea acestora. Cea mai mare parte a fosforului este transportat în mare și se pierde acolo iremediabil.

Această din urmă împrejurare poate duce la epuizarea rezervelor de minereuri care conțin fosfor (fosforite, apatite etc.). Prin urmare, trebuie să ne străduim să evităm aceste pierderi și să nu așteptăm momentul în care Pământul va returna „sedimentele pierdute” la sol.

Sulf

Sulful are și un fond de rezervă principal în sedimente și sol, dar, spre deosebire de fosfor, are și un fond de rezervă în atmosferă (Fig.). În fondul de schimb, rolul principal revine microorganismelor. Unii dintre ei sunt agenți reducători, alții sunt agenți de oxidare.

În roci, sulful apare sub formă de sulfuri (FeS2 etc.), în soluții sub formă de ion (S042~), în fază gazoasă sub formă de hidrogen sulfurat (H2S) sau dioxid de sulf (S02). La unele organisme, sulful se acumulează în forma sa pură (S2) și atunci când acestea mor, pe fundul mărilor se formează depozite de sulf nativ.

În mediul marin, ionul sulfat ocupă locul al doilea ca conținut după clor și este principala formă disponibilă de sulf, care este redus de autotrofe și inclus în aminoacizi.

Ciclul sulfului, deși este cerut de organisme în cantități mici, este cheie în procesul general de producție și descompunere (Y. Odum, 1986). De exemplu, atunci când se formează sulfuri de fier, fosforul intră într-o formă solubilă care este disponibilă organismelor.

În ecosistemele terestre, sulful revine în sol atunci când plantele mor și este captat de microorganisme, care îl reduc la H2S. Alte organisme și expunerea la oxigen în sine provoacă oxidarea acestor produse. Sulfații rezultați se dizolvă și sunt absorbiți de plante din soluțiile de pori ale solului - așa continuă ciclul.

Cu toate acestea, ciclul sulfului, ca și azotul, poate fi perturbat de intervenția umană și acest lucru se datorează în primul rând arderii combustibililor fosili, în special a cărbunelui. Dioxidul de sulf (S02t) perturbă procesele de fotosinteză și duce la moartea vegetației.

Ciclurile biogeochimice sunt ușor perturbate de oameni. Astfel, la extragerea îngrășămintelor minerale, poluează apa și aerul. Fosforul intră în apă, provocând eutrofizare, se formează compuși de azot foarte toxici etc. Cu alte cuvinte, ciclul devine nu ciclic, ci aciclic. Protecția resurselor naturale ar trebui să vizeze, în special, transformarea proceselor biogeochimice aciclice în procese ciclice.

Astfel, homeostazia generală a biosferei depinde de stabilitatea ciclului biogeochimic al substanțelor din natură. Dar fiind un ecosistem planetar, este format din ecosisteme la toate nivelurile, astfel încât integritatea și sustenabilitatea ecosistemelor naturale sunt de o importanță primordială pentru homeostazia acestuia.