Sie nehmen am großen geologischen Stoffkreislauf teil. Großer geologischer Stoffkreislauf

Großer (geologischer) und kleiner (biogeochemischer) Stoffkreislauf

Alle Stoffe auf unserem Planeten befinden sich im Umlauf. Sonnenenergie verursacht zwei Stoffkreisläufe auf der Erde:

Groß (geologisch oder abiotisch);

Klein (biotisch, biogen oder biologisch).

Stoffkreisläufe und kosmische Energieströme schaffen die Stabilität der Biosphäre. Der Kreislauf von Feststoffen und Wasser, der durch die Einwirkung abiotischer Faktoren (unbelebte Natur) entsteht, wird als großer geologischer Kreislauf bezeichnet. Während eines großen geologischen Zyklus (der Millionen von Jahren dauert) werden Gesteine ​​zerstört, verwittert, Substanzen lösen sich auf und gelangen in den Weltozean; Es kommt zu geotektonischen Veränderungen, kontinentalen Absenkungen und einer Hebung des Meeresbodens. Die Wasserzykluszeit in Gletschern beträgt 8.000 Jahre, in Flüssen 11 Tage. Es ist der große Kreislauf, der lebende Organismen mit Nährstoffen versorgt und die Bedingungen ihrer Existenz maßgeblich bestimmt.

Der große geologische Kreislauf in der Biosphäre ist durch zwei wichtige Punkte gekennzeichnet: Sauerstoff, Kohlenstoff, geologisch

• a) wird während der gesamten geologischen Entwicklung der Erde durchgeführt;
• b) ist ein moderner planetarischer Prozess, der eine führende Rolle spielt weitere Entwicklung Biosphäre.

Infolgedessen im gegenwärtigen Stadium der menschlichen Entwicklung toller Wirbel Auch Schadstoffe wie Schwefel- und Stickoxide, Staub und radioaktive Verunreinigungen werden über weite Strecken transportiert. Die am stärksten kontaminierten Gebiete waren gemäßigte Breiten Nördliche Hemisphäre.

Kleiner, biogener oder biologischer Stoffkreislauf findet in fester, flüssiger und gasförmiger Phase unter Beteiligung lebender Organismen statt. Der biologische Kreislauf benötigt im Gegensatz zum geologischen Kreislauf weniger Energie. Der kleine Kreislauf ist Teil eines großen, findet auf der Ebene der Biogeozänosen (innerhalb von Ökosystemen) statt und besteht darin, dass Nährstoffe Boden, Wasser und Kohlenstoff reichern sich in der Pflanzenmasse an und werden für den Aufbau des Körpers aufgewendet. Zerfallsprodukte organischer Stoffe zerfallen in mineralische Bestandteile. Der kleine Kreislauf ist nicht geschlossen, was mit dem Zufluss von Stoffen und Energie von außen in das Ökosystem und mit der Abgabe einiger davon in den Biosphärenkreislauf verbunden ist.

Viele chemische Elemente und ihre Verbindungen sind an den großen und kleinen Kreisläufen beteiligt, aber die wichtigsten von ihnen sind diejenigen, die den aktuellen Entwicklungsstand der Biosphäre bestimmen, der mit der menschlichen Wirtschaftstätigkeit verbunden ist. Dazu gehören die Kreisläufe von Kohlenstoff, Schwefel und Stickstoff (ihre Oxide sind die Hauptschadstoffe der Atmosphäre) sowie Phosphor (Phosphate sind der Hauptschadstoff kontinentaler Gewässer). Fast alle Schadstoffe wirken als Schadstoffe und werden als Xenobiotika eingestuft. Derzeit sind die Kreisläufe von Xenobiotika – toxischen Elementen – Quecksilber (ein Lebensmittelverunreinigungsstoff) und Blei (ein Bestandteil von Benzin) von großer Bedeutung. Darüber hinaus gelangen viele Stoffe anthropogenen Ursprungs (DDT, Pestizide, Radionuklide usw.), die die Biota und die menschliche Gesundheit schädigen, vom großen Kreislauf in den kleinen.

Die Essenz des biologischen Kreislaufs liegt im Ablauf zweier gegensätzlicher, aber miteinander verbundener Prozesse – der Entstehung organischer Materie und ihrer Zerstörung durch lebende Materie.

Im Gegensatz zum großen Wirbel hat der kleine Wirbel eine andere Dauer: Es werden saisonale, einjährige, mehrjährige und jahrhundertealte kleine Wirbel unterschieden. Gyre Chemikalien Von der anorganischen Umwelt über Vegetation und Tiere zurück zur anorganischen Umwelt unter Nutzung von Sonnenenergie durch chemische Reaktionen wird der biogeochemische Kreislauf genannt.

Die Gegenwart und Zukunft unseres Planeten hängt von der Beteiligung lebender Organismen am Funktionieren der Biosphäre ab. Im Stoffkreislauf erfüllt lebende Materie oder Biomasse biogeochemische Funktionen: Gas, Konzentration, Redox und biochemische Funktionen.

Der biologische Kreislauf findet unter Beteiligung lebender Organismen statt und besteht in der Vermehrung organischer Stoffe von anorganischen Stoffen und der Zersetzung dieser organischen Stoffe zu anorganischen Stoffen über die trophische Nahrungskette. Die Intensität der Produktions- und Zerstörungsprozesse im biologischen Kreislauf hängt von der Menge an Wärme und Feuchtigkeit ab. Beispielsweise ist die geringe Zersetzungsrate organischer Stoffe in Polarregionen auf Wärmemangel zurückzuführen.

Ein wichtiger Indikator für die Intensität des biologischen Kreislaufs ist die Zirkulationsrate chemischer Elemente. Die Intensität wird durch einen Index charakterisiert, der dem Verhältnis der Waldstreumasse zur Streumasse entspricht. Je höher der Index, desto geringer ist die Intensität der Zirkulation.

Index in Nadelwälder- 10 - 17; breitblättrig 3 - 4; Savanne nicht mehr als 0,2; nass Tropenwälder nicht mehr als 0,1, d.h. Hier ist der biologische Kreislauf am intensivsten.

Der Fluss von Elementen (Stickstoff, Phosphor, Schwefel) durch Mikroorganismen ist um eine Größenordnung höher als durch Pflanzen und Tiere. Der biologische Kreislauf ist nicht vollständig umkehrbar, er steht in engem Zusammenhang mit dem biogeochemischen Kreislauf. Chemische Elemente zirkulieren in der Biosphäre auf verschiedenen Wegen des biologischen Kreislaufs:

• - werden von lebender Materie absorbiert und mit Energie aufgeladen;
• - lebende Materie verlassen und Energie an die äußere Umgebung abgeben.

Es gibt zwei Arten dieser Kreisläufe: den Kreislauf gasförmiger Substanzen; Sedimentzyklus (Reserve in Erdkruste).

Die Wirbel selbst bestehen aus zwei Teilen:

• - Reservefonds (dies ist der Teil der Substanz, der nicht mit lebenden Organismen verbunden ist);
• - mobiler (Austausch-)Fonds (ein kleinerer Teil der Substanz, der mit dem direkten Austausch zwischen Organismen und ihrer unmittelbaren Umgebung verbunden ist).

Gyres sind unterteilt in:

• - Gaskreisläufe mit einem Reservefonds in der Erdkruste (Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Stickstoffkreisläufe) – fähig zur schnellen Selbstregulierung;
• - Sedimentkreisläufe mit einem Reservefonds in der Erdkruste (Phosphor-, Kalzium-, Eisenkreisläufe usw.) sind träger, der Großteil der Substanz liegt in einer für lebende Organismen „unzugänglichen“ Form vor.

Gyres können auch unterteilt werden in:

• - geschlossen (der Kreislauf gasförmiger Stoffe, zum Beispiel Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff – eine Reserve in der Atmosphäre und Hydrosphäre des Ozeans, sodass der Mangel schnell ausgeglichen wird);
• - unbefristet (Schaffung eines Reservefonds in der Erdkruste, zum Beispiel Phosphor – daher werden Verluste schlecht ausgeglichen, d. h. es entsteht ein Defizit).

Die Energiebasis für die Existenz biologischer Kreisläufe auf der Erde und deren erste Verbindung ist der Prozess der Photosynthese. Jeder neue Zyklus ist keine exakte Wiederholung des vorherigen. Während der Entwicklung der Biosphäre waren beispielsweise einige Prozesse irreversibel, was zur Bildung und Ansammlung biogener Sedimente, einer Erhöhung der Sauerstoffmenge in der Atmosphäre und Änderungen der Mengenverhältnisse der Isotope einer Reihe von Elementen führte , usw.

Der Stoffkreislauf wird üblicherweise als biogeochemische Kreisläufe bezeichnet. Die wichtigsten biogeochemischen (Biosphären-)Stoffkreisläufe: Wasserkreislauf, Sauerstoffkreislauf, Stickstoffkreislauf (Beteiligung stickstofffixierender Bakterien), Kohlenstoffkreislauf (Beteiligung aerober Bakterien; jährlich werden etwa 130 Tonnen Kohlenstoff in den geologischen Kreislauf eingeleitet), Phosphor Kreislauf (Beteiligung von Bodenbakterien; jährlich werden 14 Millionen Tonnen Phosphor aus den Ozeanen ausgewaschen), der Schwefelkreislauf, der Kreislauf der Metallkationen.

Der Wasserkreislauf

Der Wasserkreislauf ist ein geschlossener Kreislauf, der, wie oben erwähnt, auch ohne Leben stattfinden kann, aber von lebenden Organismen verändert wird.

Der Kreislauf basiert auf dem Prinzip: Evapotranspiration wird durch Niederschlag ausgeglichen. Für den gesamten Planeten gleichen sich Verdunstung und Niederschlag aus. Gleichzeitig verdunstet mehr Wasser aus dem Meer, als durch Niederschläge zurückkommt. An Land hingegen fällt mehr Niederschlag, der Überschuss fließt jedoch in Seen und Flüsse und von dort wieder ins Meer. Der Feuchtigkeitshaushalt zwischen Kontinenten und Ozeanen wird durch die Flussströmung aufrechterhalten.

Somit besteht der globale Wasserkreislauf aus vier Hauptflüssen: Niederschlag, Verdunstung, Feuchtigkeitsübertragung und Transpiration.

Wasser, der häufigste Stoff in der Biosphäre, dient vielen Organismen nicht nur als Lebensraum, sondern ist es auch Bestandteil die Körper aller Lebewesen. Trotz der enormen Bedeutung von Wasser für alle Lebensprozesse in der Biosphäre spielt lebende Materie im großen Wasserkreislauf auf der Erde keine entscheidende Rolle. Die treibende Kraft dieses Kreislaufs ist die Energie der Sonne, die für die Verdunstung von Wasser von der Oberfläche von Wasserbecken oder Land aufgewendet wird. Verdunstete Feuchtigkeit kondensiert in der Atmosphäre in Form von vom Wind getragenen Wolken; Wenn die Wolken abkühlen, kommt es zu Niederschlägen.

Die Gesamtmenge an freiem ungebundenem Wasser (der Anteil der Ozeane und Meere, in denen Flüssigkeit vorhanden ist). salziges Wasser), macht 86 bis 98 % aus. Die verbleibende Wassermenge (Süßwasser) wird in den Polkappen und Gletschern gespeichert und bildet Wasserbecken und deren Grundwasser. Niederschlag, der auf die Oberfläche von mit Vegetation bedecktem Land fällt, wird teilweise von der Blattoberfläche zurückgehalten und verdunstet anschließend in die Atmosphäre. Feuchtigkeit, die den Boden erreicht, kann sich mit dem Oberflächenabfluss verbinden oder vom Boden absorbiert werden. Nachdem überschüssiges Sediment vollständig vom Boden aufgenommen wurde (dies hängt von der Bodenart, der Beschaffenheit der Gesteine ​​und der Vegetationsbedeckung ab), kann es tiefer in das Grundwasser eindringen. Übersteigt die Niederschlagsmenge das Feuchtigkeitshaltevermögen der oberen Bodenschichten, kommt es zum Oberflächenabfluss, dessen Geschwindigkeit von der Bodenbeschaffenheit, der Hangsteilheit, der Niederschlagsdauer und der Beschaffenheit der Vegetation abhängt ( Vegetation kann den Boden vor Wassererosion schützen). Im Boden zurückgehaltenes Wasser kann von der Oberfläche verdunsten oder, nachdem es von Pflanzenwurzeln aufgenommen wurde, über die Blätter in die Atmosphäre verdunsten (verdunsten).

Der Transpirationsfluss des Wassers (Boden – Pflanzenwurzeln – Blätter – Atmosphäre) ist der Hauptweg des Wassers durch lebende Materie in seinem großen Kreislauf auf unserem Planeten.

Kohlenstoffzyklus

Die gesamte Vielfalt organischer Substanzen, biochemischer Prozesse und Lebensformen auf der Erde hängt von den Eigenschaften und Eigenschaften des Kohlenstoffs ab. Der Kohlenstoffgehalt der meisten lebenden Organismen beträgt etwa 45 % ihrer trockenen Biomasse. Alle lebende Materie auf dem Planeten nimmt am Kreislauf der organischen Materie und des gesamten Kohlenstoffs auf der Erde teil, der kontinuierlich entsteht, sich verändert, stirbt, zersetzt und in dieser Reihenfolge entlang der Nahrungskette Kohlenstoff von einer organischen Substanz zum Aufbau einer anderen übertragen wird . Darüber hinaus atmen alle Lebewesen und setzen dabei Kohlendioxid frei.

Kohlenstoffkreislauf an Land. Der Kohlenstoffkreislauf wird durch Photosynthese von Landpflanzen und Meeres-Phytoplankton aufrechterhalten. Durch die Aufnahme von Kohlendioxid (Fixierung von anorganischem Kohlenstoff) nutzen Pflanzen die Energie des Sonnenlichts, um es in umzuwandeln organische Verbindungen- Erstellen Sie Ihre eigene Biomasse. Nachts atmen Pflanzen wie alle Lebewesen und setzen dabei Kohlendioxid frei.

Abgestorbene Pflanzen, Leichen und tierische Exkremente dienen zahlreichen heterotrophen Organismen (Tiere, saprophytische Pflanzen, Pilze, Mikroorganismen) als Nahrung. Alle diese Organismen leben hauptsächlich im Boden und erzeugen im Laufe ihres Lebens ihre eigene Biomasse, zu der auch organischer Kohlenstoff gehört. Außerdem setzen sie Kohlendioxid frei und sorgen so für eine „Bodenatmung“. Oftmals zersetzt sich abgestorbene organische Substanz nicht vollständig und es reichert sich Humus (Humus) im Boden an, der eine wichtige Rolle für die Bodenfruchtbarkeit spielt. Der Grad der Mineralisierung und Humifizierung organischer Stoffe hängt von vielen Faktoren ab: Feuchtigkeit, Temperatur, physikalische Eigenschaften des Bodens, Zusammensetzung organischer Rückstände usw. Unter dem Einfluss von Bakterien und Pilzen kann Humus in Kohlendioxid und mineralische Verbindungen zerfallen.

Kohlenstoffkreislauf im Weltmeer. Der Kohlenstoffkreislauf im Ozean unterscheidet sich vom Kreislauf an Land. Der Ozean ist das schwache Glied der Organismen auf höheren trophischen Ebenen und daher das gesamte Glied des Kohlenstoffkreislaufs. Die Zeit, die Kohlenstoff benötigt, um die trophische Verbindung des Ozeans zu passieren, ist kurz und die Menge des freigesetzten Kohlendioxids ist unbedeutend.

Der Ozean fungiert als Hauptregulator für Kohlendioxid in der Atmosphäre. Zwischen Ozean und Atmosphäre findet ein intensiver Kohlendioxidaustausch statt. Meerwasser verfügt über ein hohes Lösungs- und Puffervermögen. Ein System aus Kohlensäure und ihren Salzen (Karbonaten) ist eine Art Kohlendioxid-Depot, das durch CO-Diffusion mit der Atmosphäre verbunden ist? vom Wasser in die Atmosphäre und zurück.

Im Ozean findet tagsüber die Photosynthese von Phytoplankton intensiv statt, während freies Kohlendioxid intensiv verbraucht wird, Karbonate dienen als zusätzliche Quelle seiner Bildung. Nachts, wenn der Gehalt an freier Säure durch die Atmung von Tieren und Pflanzen ansteigt, gelangt ein erheblicher Teil davon wieder in die Zusammensetzung der Carbonate. Die ablaufenden Prozesse gehen in folgende Richtungen: Lebende Materie? ALSO?? N?SO?? Sa(NSO?)?? CaCO?.

In der Natur wird eine bestimmte Menge organischer Substanz aufgrund von Sauerstoffmangel, hohem Säuregehalt der Umwelt, besonderen Vergrabungsbedingungen usw. nicht mineralisiert. Ein Teil des Kohlenstoffs verlässt den biologischen Kreislauf in Form anorganischer (Kalkstein, Kreide, Korallen) und organischer (Schiefer, Öl, Kohle) Ablagerungen.

Menschliche Aktivitäten verändern den Kohlenstoffkreislauf auf unserem Planeten erheblich. Landschaften, Vegetationstypen, Biozönosen und ihre Nahrungsketten verändern sich, riesige Landflächen werden entwässert oder bewässert, die Bodenfruchtbarkeit verbessert (oder verschlechtert), Düngemittel und Pestizide werden eingeführt usw. Am gefährlichsten ist die Freisetzung von Kohlendioxid in die Atmosphäre durch die Verbrennung von Kraftstoff. Gleichzeitig erhöht sich die Geschwindigkeit der Kohlenstoffzirkulation und ihr Zyklus verkürzt sich.

Sauerstoffkreislauf

Sauerstoff ist eine Voraussetzung für die Existenz von Leben auf der Erde. Es ist in fast allen biologischen Verbindungen enthalten, beteiligt sich an biochemischen Oxidationsreaktionen organischer Substanzen und liefert Energie für alle Lebensprozesse von Organismen in der Biosphäre. Sauerstoff sorgt für die Atmung von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen in der Atmosphäre, im Boden und im Wasser und ist an chemischen Oxidationsreaktionen beteiligt, die in Gesteinen, Böden, Schlick und Grundwasserleitern auftreten.

Die Hauptzweige des Sauerstoffkreislaufs:

• - die Bildung von freiem Sauerstoff bei der Photosynthese und seine Aufnahme bei der Atmung lebender Organismen (Pflanzen, Tiere, Mikroorganismen in der Atmosphäre, Boden, Wasser);
• - Bildung eines Ozonschirms;
• - Schaffung einer Redox-Zonierung;
• - Oxidation von Kohlenmonoxid bei Vulkanausbrüchen, Ansammlung von Sulfat-Sedimentgesteinen, Sauerstoffverbrauch bei menschlichen Aktivitäten usw.; An der Photosynthese ist überall molekularer Sauerstoff beteiligt.

Stickstoffkreislauf

Stickstoff ist Teil der biologisch wichtigen organischen Substanzen aller lebenden Organismen: Proteine, Nukleinsäuren, Lipoproteine, Enzyme, Chlorophyll usw. Trotz des Stickstoffgehalts (79 %) in der Luft ist sie für lebende Organismen mangelhaft.

Stickstoff in der Biosphäre liegt in gasförmiger Form (N2) vor und ist für Organismen unzugänglich – er ist chemisch wenig aktiv und kann daher von höheren Pflanzen (und den meisten niederen Pflanzen) und der Tierwelt nicht direkt genutzt werden. Pflanzen nehmen Stickstoff aus dem Boden in Form von Ammoniumionen oder Nitrationen auf, d. h. sogenannter fester Stickstoff.

Es gibt atmosphärische, industrielle und biologische Stickstofffixierung.

Die atmosphärische Fixierung erfolgt bei der Ionisierung der Atmosphäre durch kosmische Strahlung und bei starken elektrischen Entladungen bei Gewittern, während aus molekularem Stickstoff in der Luft Stickstoff- und Ammoniakoxide entstehen, die dank atmosphärischer Niederschläge in Ammonium-, Nitrit- und Nitratstickstoff umgewandelt werden und gelangen in die Boden- und Wasserbecken.

Die industrielle Fixierung erfolgt als Ergebnis menschlicher Wirtschaftstätigkeit. Die Atmosphäre wird durch Fabriken, die Stickstoffverbindungen herstellen, mit Stickstoffverbindungen belastet. Heiße Emissionen aus Wärmekraftwerken, Fabriken, Raumfahrzeugen und Überschallflugzeugen oxidieren Luftstickstoff. Stickoxide kehren in Wechselwirkung mit Wasserdampf aus Luft und Niederschlag zum Boden zurück und gelangen in ionischer Form in den Boden.

Im Stickstoffkreislauf spielt die biologische Fixierung eine wichtige Rolle. Es wird von Bodenbakterien durchgeführt:

• - stickstofffixierende Bakterien (und Blaualgen);
• - Mikroorganismen, die in Symbiose mit höheren Pflanzen leben (Knöllchenbakterien);
• - ammonisierend;
• - nitrifizierend;
• - denitrifizierend.

Frei lebende stickstofffixierende aerobe (in Gegenwart von Sauerstoff vorkommende) Bakterien (Azotobacter) im Boden sind in der Lage, atmosphärischen molekularen Stickstoff mithilfe der Energie zu binden, die aus der Oxidation organischer Bodensubstanz während der Atmung gewonnen wird, ihn schließlich mit Wasserstoff zu binden und einzuführen es in Form einer Aminogruppe (-NH2) in die Aminosäurezusammensetzung seines Körpers ein. Molekularer Stickstoff ist auch in der Lage, einige im Boden vorkommende anaerobe (ohne Sauerstoff lebende) Bakterien (Clostridien) zu binden. Beim Absterben reichern beide Mikroorganismen den Boden mit organischem Stickstoff an.

Auch Blaualgen, die besonders für die Böden von Reisfeldern wichtig sind, sind zur biologischen Fixierung von molekularem Stickstoff fähig.

Die wirksamste biologische Bindung von Luftstickstoff erfolgt durch Bakterien, die in Symbiose in den Knöllchen von Hülsenfrüchten leben (Knöllchenbakterien).

Diese Bakterien (Rizobium) nutzen die Energie der Wirtspflanze zur Stickstofffixierung und versorgen gleichzeitig die Landorgane des Wirts mit den ihnen zur Verfügung stehenden Stickstoffverbindungen.

Durch die Aufnahme von Stickstoffverbindungen aus dem Boden in Nitrat- und Ammoniumform bauen Pflanzen die notwendigen stickstoffhaltigen Verbindungen ihres Körpers auf (Nitratstickstoff wird in Pflanzenzellen vorreduziert). Produzierende Pflanzen versorgen die gesamte Tierwelt und die Menschheit mit stickstoffhaltigen Stoffen. Abgestorbene Pflanzen werden entsprechend der trophischen Kette als Bioreduktionsmittel verwendet.

Ammonisierende Mikroorganismen zersetzen stickstoffhaltige organische Stoffe (Aminosäuren, Harnstoff) zu Ammoniak. Ein Teil des organischen Stickstoffs im Boden wird nicht mineralisiert, sondern in Humusstoffe, Bitumen und Bestandteile von Sedimentgesteinen umgewandelt.

Ammoniak (in Form von Ammoniumionen) kann in das Wurzelsystem von Pflanzen gelangen oder in Nitrifikationsprozessen verwendet werden.

Nitrifizierende Mikroorganismen sind Chemosynthetiker; sie nutzen die Energie der Oxidation von Ammoniak zu Nitraten und Nitriten zu Nitraten, um alle Lebensprozesse sicherzustellen. Mit dieser Energie reduzieren Nitrifizierer Kohlendioxid und bauen organische Stoffe in ihrem Körper auf. Die Ammoniakoxidation während der Nitrifikation verläuft durch die folgenden Reaktionen:

NH? + 3O? ? 2HNO? + 2H?O + 600 kJ (148 kcal).

HNO? +O? ? 2HNO? + 198 kJ (48 kcal).

Bei Nitrifikationsprozessen gebildete Nitrate gelangen wieder in den biologischen Kreislauf, werden von Pflanzenwurzeln aus dem Boden aufgenommen oder gelangen mit dem Wasserabfluss in Wasserbecken – Phytoplankton und Phytobenthos.

Neben Organismen, die Luftstickstoff binden und nitrifizieren, gibt es in der Biosphäre Mikroorganismen, die in der Lage sind, Nitrate oder Nitrite zu molekularem Stickstoff zu reduzieren. Solche Mikroorganismen, sogenannte Denitrifikatoren, nutzen bei einem Mangel an freiem Sauerstoff in Gewässern oder Böden Nitratsauerstoff, um organische Substanzen zu oxidieren:

C?H??O?(Glukose) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6CO? +12N? + 18H?O + Energie

Die dabei freigesetzte Energie dient als Grundlage für die gesamte Lebensaktivität denitrifizierender Mikroorganismen.

Somit spielen lebende Substanzen in allen Teilen des Kreislaufs eine herausragende Rolle.

Derzeit spielt die industrielle Fixierung von Luftstickstoff durch den Menschen eine immer wichtigere Rolle für den Stickstoffhaushalt von Böden und damit für den gesamten Stickstoffkreislauf in der Biosphäre.

Phosphorkreislauf

Der Phosphorkreislauf ist einfacher. Während das Stickstoffreservoir die Luft ist, ist das Phosphorreservoir das Gestein, aus dem es durch Erosion freigesetzt wird.

Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff wandern in der Atmosphäre leichter und schneller, da sie in gasförmiger Form vorliegen und in biologischen Kreisläufen gasförmige Verbindungen bilden. Für alle anderen Elemente außer Schwefel, der für die Existenz lebender Materie notwendig ist, ist die Bildung gasförmiger Verbindungen in biologischen Kreisläufen uncharakteristisch. Diese Elemente wandern hauptsächlich in Form von im Wasser gelösten Ionen und Molekülen.

Phosphor, der von Pflanzen in Form von Orthophosphorsäureionen aufgenommen wird, nimmt einen großen Teil im Leben aller lebenden Organismen ein. Es ist Teil von ADP, ATP, DNA, RNA und anderen Verbindungen.

Der Phosphorkreislauf in der Biosphäre ist nicht geschlossen. In terrestrischen Biogeozänosen gelangt Phosphor, nachdem er über die Nahrungskette von Pflanzen aus dem Boden aufgenommen wurde, in Form von Phosphaten wieder in den Boden. Der Großteil des Phosphors wird vom Wurzelsystem der Pflanzen resorbiert. Phosphor kann teilweise mit Regenwasser aus dem Boden in Wasserbecken ausgewaschen werden.

In natürlichen Biogeozänosen mangelt es häufig an Phosphor, in alkalischem und oxidiertem Milieu liegt er meist in Form unlöslicher Verbindungen vor.

Lithosphärengesteine ​​enthalten große Mengen an Phosphaten. Einige von ihnen gelangen nach und nach in den Boden, andere werden vom Menschen zur Herstellung von Phosphatdüngern entwickelt und die meisten werden ausgelaugt und in die Hydrosphäre gespült. Dort werden sie von Phytoplankton und assoziierten Organismen genutzt, die sich auf verschiedenen trophischen Ebenen komplexer Nahrungsketten befinden.

Im Weltmeer kommt es durch die Ablagerung pflanzlicher und tierischer Überreste zum Verlust von Phosphaten aus dem biologischen Kreislauf große Tiefen. Da sich Phosphor hauptsächlich mit Wasser von der Lithosphäre in die Hydrosphäre bewegt, wandert er biologisch in die Lithosphäre (Fischfresser). Seevögel, Verwendung von benthischen Algen und Fischmehl als Dünger usw.).

Von allen Elementen der pflanzlichen Mineralernährung kann Phosphor als mangelhaft angesehen werden.

Schwefelkreislauf

Für lebende Organismen ist Schwefel von großer Bedeutung, da er Bestandteil schwefelhaltiger Aminosäuren (Cystin, Cystein, Methionin usw.) ist. Als Bestandteil von Proteinen erhalten schwefelhaltige Aminosäuren die notwendige dreidimensionale Struktur von Proteinmolekülen aufrecht.

Schwefel wird von Pflanzen nur in oxidierter Form, in Form eines Ions, aus dem Boden aufgenommen. In Pflanzen wird Schwefel reduziert und ist in Aminosäuren in Form von Sulfhydryl- (-SH) und Disulfidgruppen (-S-S-) enthalten.

Tiere nehmen nur reduzierten Schwefel auf, der in organischer Substanz enthalten ist. Nach dem Absterben pflanzlicher und tierischer Organismen gelangt Schwefel in den Boden zurück, wo er durch die Aktivität zahlreicher Mikroorganismen umgewandelt wird.

Unter aeroben Bedingungen oxidieren einige Mikroorganismen organischen Schwefel zu Sulfaten. Sulfationen werden durch die Aufnahme durch Pflanzenwurzeln wieder in den biologischen Kreislauf einbezogen. Einige Sulfate können in die Wassermigration einbezogen und aus dem Boden entfernt werden. In Böden, die reich an Huminstoffen sind, liegt ein erheblicher Anteil des Schwefels in organischen Verbindungen vor, was dessen Auswaschung verhindert.

Unter anaeroben Bedingungen entsteht bei der Zersetzung organischer Schwefelverbindungen Schwefelwasserstoff. Befinden sich Sulfate und organische Stoffe in einer sauerstofffreien Umgebung, wird die Aktivität sulfatreduzierender Bakterien aktiviert. Sie nutzen den Sauerstoff von Sulfaten, um organische Stoffe zu oxidieren und so die für ihre Existenz notwendige Energie zu gewinnen.

Sulfatreduzierende Bakterien kommen häufig im Grundwasser, Schlamm und stehenden Meerwasser vor. Schwefelwasserstoff ist für die meisten lebenden Organismen ein Gift und reichert sich daher in wassergefüllten Böden, Seen, Flussmündungen usw. an. Lebensprozesse werden deutlich reduziert oder sogar ganz gestoppt. Dieses Phänomen wird im Schwarzen Meer in einer Tiefe von weniger als 200 m von seiner Oberfläche aus beobachtet.

Um ein günstiges Umfeld zu schaffen, ist es daher notwendig, Schwefelwasserstoff zu Sulfationen zu oxidieren, wodurch die schädlichen Wirkungen von Schwefelwasserstoff zerstört werden. Schwefel wird in eine für Pflanzen zugängliche Form umgewandelt - in Form von Sulfatsalzen. Diese Rolle wird in der Natur von einer speziellen Gruppe von Schwefelbakterien (farblos, grün, violett) und Thionbakterien übernommen.

Farblose Schwefelbakterien sind Chemosynthetiker: Sie nutzen die Energie, die bei der Oxidation von Schwefelwasserstoff durch Sauerstoff zu elementarem Schwefel und seiner weiteren Oxidation zu Sulfaten entsteht.

Farbige Schwefelbakterien sind photosynthetische Organismen, die Schwefelwasserstoff als Wasserstoffspender nutzen, um Kohlendioxid zu reduzieren.

Der entstehende elementare Schwefel wird bei grünen Schwefelbakterien aus den Zellen freigesetzt, bei violetten Bakterien reichert er sich im Zellinneren an.

Die Gesamtreaktion dieses Prozesses ist die Photoreduktion:

CO?+ 2H?S leicht? (CH?O)+ H?O +2S.

Thionische Bakterien oxidieren elementaren Schwefel und seine verschiedenen reduzierten Verbindungen mithilfe von freiem Sauerstoff zu Sulfaten und führen ihn so wieder in den Hauptstrom des biologischen Kreislaufs zurück.

In den Prozessen des biologischen Kreislaufs, in denen die Umwandlung von Schwefel stattfindet, spielen lebende Organismen, insbesondere Mikroorganismen, eine große Rolle.

Das wichtigste Schwefelreservoir auf unserem Planeten ist der Weltozean, in den ständig Sulfationen aus dem Boden einströmen. Ein Teil des Schwefels aus dem Ozean kehrt nach dem Schema Schwefelwasserstoff – seine Oxidation zu Schwefeldioxid – dessen Auflösung im Regenwasser unter Bildung von Schwefelsäure und Sulfaten – Rückführung von Schwefel aus dem Ozean über die Atmosphäre an Land zurück Niederschlag V Bodenbedeckung Erde.

Zyklus anorganischer Kationen

Neben den Grundelementen, aus denen lebende Organismen bestehen (Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Phosphor und Schwefel), sind viele andere Makro- und Mikroelemente – anorganische Kationen – von entscheidender Bedeutung. In Wasserbecken beziehen Pflanzen die benötigten Metallkationen direkt aus ihnen Umfeld. An Land ist die Hauptquelle anorganischer Kationen der Boden, der sie bei der Zerstörung des Muttergesteins aufgenommen hat. Bei Pflanzen wandern die vom Wurzelsystem aufgenommenen Kationen zu Blättern und anderen Organen; einige von ihnen (Magnesium, Eisen, Kupfer und einige andere) sind Teil biologisch wichtiger Moleküle (Chlorophyll, Enzyme); andere, die in freier Form verbleiben, sind an der Aufrechterhaltung der notwendigen kolloidalen Eigenschaften des Zellprotoplasmas beteiligt und erfüllen verschiedene andere Funktionen.

Wenn lebende Organismen sterben, kehren anorganische Kationen bei der Mineralisierung organischer Substanzen in den Boden zurück. Der Verlust dieser Bestandteile aus dem Boden erfolgt durch Auswaschung und Entfernung von Metallkationen mit Regenwasser, Ablehnung und Entfernung organischer Stoffe durch den Menschen beim Anbau landwirtschaftlicher Pflanzen, der Abholzung von Wäldern, dem Mähen von Gras für Viehfutter usw.

Rationeller Einsatz von Mineraldüngern, Bodensanierung, Anwendung organische Düngemittel Eine geeignete landwirtschaftliche Technologie wird dazu beitragen, das Gleichgewicht der anorganischen Kationen in den Biozönosen der Biosphäre wiederherzustellen und aufrechtzuerhalten.

Anthropogener Kreislauf: Kreislauf der Xenobiotika (Quecksilber, Blei, Chrom)

Der Mensch ist Teil der Natur und kann nur in ständiger Interaktion mit ihr existieren.

Es gibt Gemeinsamkeiten und Widersprüche zwischen dem natürlichen und dem anthropogenen Stoff- und Energiekreislauf in der Biosphäre.

Der natürliche (biogeochemische) Lebenszyklus weist folgende Merkmale auf:

• - die Nutzung der Sonnenenergie als Lebensquelle und aller ihrer Erscheinungsformen auf der Grundlage thermodynamischer Gesetze;
• - es erfolgt abfallfrei, d.h. Alle Produkte seiner lebenswichtigen Aktivität werden mineralisiert und wieder in den nächsten Kreislauf des Stoffkreislaufs einbezogen. Gleichzeitig ausgegeben, abgewertet Wärmeenergie. Im biogeochemischen Stoffkreislauf entstehen Abfälle, d.h. Reserven in Form von Kohle, Öl, Gas und anderen Bodenschätze. Im Gegensatz zum abfallfreien natürlichen Kreislauf geht der anthropogene Kreislauf mit einer von Jahr zu Jahr steigenden Abfallmenge einher.

In der Natur gibt es nichts Unnützes oder Schädliches; selbst Vulkanausbrüche haben Vorteile, da mit vulkanischen Gasen die notwendigen Elemente (z. B. Stickstoff) in die Luft freigesetzt werden.

Es gibt ein Gesetz der globalen Schließung des biogeochemischen Kreislaufs in der Biosphäre, das in allen Phasen seiner Entwicklung gilt, sowie die Regel der zunehmenden Schließung des biogeochemischen Kreislaufs während der Sukzession.

Der Mensch spielt eine große Rolle im biogeochemischen Kreislauf, allerdings in die entgegengesetzte Richtung. Der Mensch stört die bestehenden Stoffkreisläufe und offenbart dadurch seine geologische Kraft – zerstörerisch gegenüber der Biosphäre. Ergebend anthropogene Aktivitäten der Grad der Geschlossenheit biogeochemischer Kreisläufe nimmt ab.

Der anthropogene Kreislauf beschränkt sich nicht auf die Energie des Sonnenlichts, das von den grünen Pflanzen des Planeten eingefangen wird. Die Menschheit nutzt die Energie von Brennstoff-, Wasser- und Kernkraftwerken.

Es kann argumentiert werden, dass die anthropogene Aktivität im gegenwärtigen Stadium eine enorme zerstörerische Kraft für die Biosphäre darstellt.

Die Biosphäre hat eine besondere Eigenschaft – eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schadstoffen. Diese Nachhaltigkeit basiert auf der natürlichen Fähigkeit verschiedener Bestandteile der natürlichen Umwelt, sich selbst zu reinigen und zu heilen. Aber nicht unbegrenzt. Eine mögliche globale Krise hat die Konstruktion eines mathematischen Modells der Biosphäre als Ganzes (das Gaia-System) erforderlich gemacht, um Informationen über den möglichen Zustand der Biosphäre zu erhalten.

Ein Xenobiotikum ist ein für lebende Organismen fremder Stoff, der durch anthropogene Aktivitäten (Pestizide, Haushaltschemikalien und andere Schadstoffe) entsteht und zu Störungen biotischer Prozesse führen kann, u. a. Krankheit oder Tod des Körpers. Solche Schadstoffe werden nicht biologisch abgebaut, sondern reichern sich in trophischen Ketten an.

Quecksilber ist ein sehr seltenes Element. Es ist in der gesamten Erdkruste verstreut und nur wenige Mineralien, wie zum Beispiel Zinnober, enthalten es in konzentrierter Form. Quecksilber ist am Stoffkreislauf der Biosphäre beteiligt und wandert in gasförmigem Zustand und in wässrigen Lösungen.

Es gelangt während der Verdunstung aus der Hydrosphäre in die Atmosphäre, wenn es aus Zinnober freigesetzt wird, mit vulkanischen Gasen und Gasen aus Thermalquellen. Ein Teil des gasförmigen Quecksilbers in der Atmosphäre geht in die feste Phase über und wird aus der Luft entfernt. Das austretende Quecksilber wird von Böden, insbesondere von Tonböden, Wasser und Gestein aufgenommen. Brennbare Mineralien – Öl und Kohle – enthalten bis zu 1 mg/kg Quecksilber. Die Wassermasse der Ozeane umfasst etwa 1,6 Milliarden Tonnen, in Bodensedimenten 500 Milliarden Tonnen und in Plankton 2 Millionen Tonnen. Flusswasser transportiert jährlich etwa 40.000 Tonnen vom Land, was zehnmal weniger ist, als bei der Verdunstung in die Atmosphäre gelangt (400.000 Tonnen). Jährlich fallen etwa 100.000 Tonnen auf die Landoberfläche.

Quecksilber hat sich von einem natürlichen Bestandteil der natürlichen Umwelt zu einer der gefährlichsten vom Menschen verursachten Emissionen in die Biosphäre für die menschliche Gesundheit entwickelt. Es wird häufig in der Metallurgie-, Chemie-, Elektro-, Elektronik-, Zellstoff- und Papierindustrie sowie in der Pharmaindustrie eingesetzt und wird bei der Herstellung von Sprengstoffen, Lacken und Farben sowie in der Medizin eingesetzt. Industrieabwässer und atmosphärische Emissionen sowie Quecksilberbergwerke, Quecksilberproduktionsanlagen und Wärmekraftwerke (BHKW und Kesselhäuser), die Kohle, Öl und Erdölprodukte verwenden, sind die Hauptquellen der Verschmutzung der Biosphäre mit dieser giftigen Komponente. Darüber hinaus ist Quecksilber Bestandteil quecksilberorganischer Pestizide, die in der Landwirtschaft zur Behandlung von Saatgut und zum Schutz von Nutzpflanzen vor Schädlingen eingesetzt werden. Es gelangt mit der Nahrung (Eier, eingelegtes Getreide, Fleisch von Tieren und Vögeln, Milch, Fisch) in den menschlichen Körper.

Quecksilber in Wasser und Flusssedimenten

Es wurde festgestellt, dass etwa 80 % des Quecksilbers, das in natürliche Gewässer gelangt, in gelöster Form vorliegt, was letztendlich zu seiner Verteilung über große Entfernungen zusammen mit den Wasserströmen beiträgt. Das reine Element ist ungiftig.

Quecksilber kommt im Bodenschlammwasser häufig in relativ harmlosen Konzentrationen vor. Anorganische Quecksilberverbindungen werden durch Bakterien, die in Detritus und Sedimenten, im Grundschlamm von Seen und Flüssen und im Schleim, der die Körper von Fischen bedeckt, leben, in giftige organische Quecksilberverbindungen wie Methylquecksilber CH?Hg und Ethylquecksilber C?H?Hg umgewandelt und im Fischmagenschleim. Diese Verbindungen sind leicht löslich, mobil und sehr giftig. Die chemische Grundlage für die aggressive Wirkung von Quecksilber ist seine Affinität zu Schwefel, insbesondere zur Schwefelwasserstoffgruppe in Proteinen. Diese Moleküle binden an Chromosomen und Gehirnzellen. Fische und Schalentiere können sie in Konzentrationen anreichern, die für Menschen, die sie essen, gefährlich sind und die Minamata-Krankheit verursachen.

Metallisches Quecksilber und seine anorganischen Verbindungen wirken hauptsächlich auf Leber, Nieren und Darmtrakt, werden jedoch unter normalen Bedingungen relativ schnell aus dem Körper entfernt und eine für den menschlichen Körper gefährliche Menge hat keine Zeit, sich anzusammeln. Methylquecksilber und andere Alkylquecksilberverbindungen sind viel gefährlicher, da es zu einer Anreicherung kommt – das Toxin gelangt schneller in den Körper, als es aus dem Körper ausgeschieden wird, und beeinträchtigt das Zentralnervensystem.

Bodensedimente sind ein wichtiges Merkmal aquatische Ökosysteme. Durch die Anreicherung von Schwermetallen, Radionukliden und hochgiftigen organischen Stoffen tragen Bodensedimente einerseits zur Selbstreinigung der Gewässer bei und stellen andererseits eine ständige Quelle sekundärer Verschmutzung von Gewässern dar. Ein vielversprechendes Untersuchungsobjekt sind Bodensedimente, die ein langfristiges Verschmutzungsmuster (insbesondere in Gewässern mit geringem Durchfluss) widerspiegeln. Darüber hinaus wird insbesondere an Flussmündungen die Anreicherung von anorganischem Quecksilber in Bodensedimenten beobachtet. Eine angespannte Situation kann entstehen, wenn die Adsorptionsfähigkeit von Sedimenten (Schluff, Sediment) erschöpft ist. Bei Erreichen der Adsorptionskapazität werden Schwermetalle, inkl. Quecksilber beginnt ins Wasser zu gelangen.

Es ist bekannt, dass Quecksilber unter anaeroben Meeresbedingungen in Sedimenten abgestorbener Algen Wasserstoff anlagert und in flüchtige Verbindungen übergeht.

Unter Beteiligung von Mikroorganismen kann metallisches Quecksilber in zwei Stufen methyliert werden:

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

Methylquecksilber gelangt fast ausschließlich durch Methylierung von anorganischem Quecksilber in die Umwelt.

Die biologische Halbwertszeit von Quecksilber ist lang und beträgt für die meisten Gewebe des menschlichen Körpers 70–80 Tage.

Es ist bekannt, dass große Fische wie Schwertfisch und Thunfisch am Anfang der Nahrungskette mit Quecksilber belastet sind. Es ist nicht uninteressant festzustellen, dass sich Quecksilber in Austern noch stärker anreichert (anreichert) als in Fischen.

Quecksilber gelangt über die Atmung, die Nahrung und über die Haut nach folgendem Schema in den menschlichen Körper:

Zunächst wird Quecksilber umgewandelt. Dieses Element kommt in der Natur in verschiedenen Formen vor.

Metallisches Quecksilber, das in Thermometern verwendet wird, und seine anorganischen Salze (z. B. Chlorid) werden relativ schnell aus dem Körper ausgeschieden.

Wesentlich giftiger sind Alkylquecksilberverbindungen, insbesondere Methyl- und Ethylquecksilber. Diese Verbindungen werden sehr langsam aus dem Körper ausgeschieden – nur etwa 1 % der Gesamtmenge pro Tag. Obwohl das meiste Quecksilber, das in natürliche Gewässer gelangt, in Form anorganischer Verbindungen vorliegt, kommt es in Fischen immer in Form des sehr giftigen Methylquecksilbers vor. Bakterien im Bodenschlamm von Seen und Flüssen, im Schleim, der die Körper von Fischen bedeckt, sowie im Schleim von Fischmägen sind in der Lage, anorganische Quecksilberverbindungen in Methylquecksilber umzuwandeln.

Zweitens erhöht die selektive Anreicherung oder biologische Anreicherung (Konzentration) den Quecksilbergehalt in Fischen und Schalentieren um ein Vielfaches höher als in Buchtgewässern. Im Fluss lebende Fische und Schalentiere reichern Methylquecksilber in Konzentrationen an, die für Menschen, die es als Nahrung verwenden, gefährlich sind.

% des weltweiten Fischfangs enthalten Quecksilber in Mengen von nicht mehr als 0,5 mg/kg und 95 % enthalten weniger als 0,3 mg/kg. Fast das gesamte Quecksilber in Fisch liegt in Form von Methylquecksilber vor.

Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Toxizität von Quecksilberverbindungen für den Menschen in Lebensmitteln ist die Bestimmung von anorganischem (Gesamt) und organisch gebundenem Quecksilber erforderlich. Wir ermitteln lediglich den Gesamtgehalt an Quecksilber. Der Quecksilbergehalt im Süßwasser richtet sich nach medizinischen und biologischen Anforderungen Raubfisch zulässig sind 0,6 mg/kg, bei Meeresfischen 0,4 mg/kg, bei Süßwasserfischen nur 0,3 mg/kg und bei Thunfischen bis zu 0,7 mg/kg. In Babynahrungsprodukten sollte der Quecksilbergehalt 0,02 mg/kg, in Dosenfleisch 0,15 mg/kg, nicht überschreiten Dosenfisch, im Rest - 0,01 mg/kg.

Blei kommt in fast allen Bestandteilen der natürlichen Umwelt vor. Die Erdkruste enthält 0,0016 %. Natürliches Niveau Blei in der Atmosphäre 0,0005 mg/m3. Der größte Teil davon wird durch Staub abgelagert, etwa 40 % fallen durch Niederschläge. Pflanzen beziehen Blei aus Boden, Wasser und atmosphärischen Ablagerungen, und Tiere erhalten Blei durch den Verzehr von Pflanzen und Wasser. Metall gelangt zusammen mit Nahrung, Wasser und Staub in den menschlichen Körper.

Die Hauptquellen der Bleiverschmutzung in der Biosphäre sind Benzinmotoren, deren Abgase Triethylblei enthalten, und brennende Wärmekraftwerke Kohle, Bergbau, Metallurgie und chemische Industrie. Über das als Dünger genutzte Abwasser gelangen erhebliche Mengen Blei in den Boden. Einen brennenden Reaktor löschen Kernkraftwerk Tschernobyl Es wurde auch Blei verwendet, das in die Luft gelangte und sich über große Gebiete verteilte. Mit zunehmender Umweltbelastung durch Blei nimmt die Ablagerung in Knochen, Haaren und Leber zu.

Chrom. Am gefährlichsten ist giftiges Chrom (6+), das in sauren und alkalischen Böden, in Süß- und Meerwasser mobilisiert wird. IN Meerwasser Chrom besteht zu 10 - 20 % aus der Form Cr (3+), zu 25 - 40 % aus Cr (6+) und zu 45 - 65 % aus der organischen Form. Im pH-Bereich 5 - 7 überwiegt Cr (3+), bei pH > 7 überwiegt Cr (6+). Es ist bekannt, dass Cr(6+) und organische Chromverbindungen im Meerwasser nicht zusammen mit Eisenhydroxid ausfallen.

Natürliche Stoffkreisläufe sind praktisch geschlossen. In natürlichen Ökosystemen wird mit Materie und Energie sparsam umgegangen und der Abfall mancher Organismen dient als Abfall eine wichtige Voraussetzung die Existenz anderer. Der anthropogene Stoffkreislauf geht mit einem enormen Verbrauch natürlicher Ressourcen und einer großen Menge an Abfällen einher, die eine Umweltverschmutzung verursachen. Die Schaffung selbst modernster Behandlungsanlagen löst das Problem nicht, daher ist es notwendig, abfallarme und abfallfreie Technologien zu entwickeln, die den anthropogenen Kreislauf so geschlossen wie möglich machen. Theoretisch ist es möglich, eine abfallfreie Technologie zu entwickeln, aber abfallarme Technologien sind real.

Anpassung an Naturphänomene

Anpassungen sind verschiedene Anpassungen an die Umwelt, die in Organismen (von den einfachsten bis zu den höchsten) im Laufe der Evolution entwickelt werden. Die Fähigkeit zur Anpassung ist eine der Haupteigenschaften von Lebewesen und sichert die Möglichkeit ihrer Existenz.

Zu den Hauptfaktoren, die den Anpassungsprozess entwickeln, gehören: Vererbung, Variabilität, natürliche (und künstliche) Selektion.

Die Toleranz kann sich ändern, wenn der Körper unterschiedlichen äußeren Bedingungen ausgesetzt wird. Wenn er sich in solchen Bedingungen befindet, gewöhnt er sich nach einiger Zeit daran und passt sich ihnen an (von lateinisch „adaption“ – anpassen). Die Folge davon ist eine Veränderung der Lage des physiologischen Optimums.

Die Fähigkeit von Organismen, sich an das Leben in einer bestimmten Reihe von Umweltfaktoren anzupassen, wird als ökologische Plastizität bezeichnet.

Je breiter das Spektrum an Umweltfaktoren ist, in denen ein bestimmter Organismus leben kann, desto größer ist seine ökologische Plastizität. Je nach Plastizitätsgrad werden zwei Arten von Organismen unterschieden: Stenobiont (Stenoeki) und Eurybiont (Euryek). Somit sind Stenobionten ökologisch nicht plastisch (Flunder lebt beispielsweise nur in Salzwasser und Karausche nur in Süßwasser), d. h. sind nicht winterhart und Eurybionten sind ökologisch plastisch, d.h. robuster (zum Beispiel kann der Dreistachlige Stichling sowohl in Süß- als auch in Salzwasser leben).

Anpassungen sind mehrdimensional, da der Organismus vielen gleichzeitig nachkommen muss Unterschiedliche Faktoren Umfeld.

Es gibt drei Hauptarten der Anpassung von Organismen an Umweltbedingungen: aktiv; passiv; Vermeidung nachteilige Auswirkungen.

Der aktive Weg der Anpassung besteht darin, die Widerstandskraft zu stärken und Regulierungsprozesse zu entwickeln, die es ermöglichen, alle lebenswichtigen Funktionen des Körpers trotz Abweichungen des Faktors vom Optimum auszuführen. Warmblüter beispielsweise halten eine konstante Körpertemperatur aufrecht – optimal für die darin ablaufenden biochemischen Prozesse.

Der passive Anpassungsweg ist die Unterordnung der lebenswichtigen Funktionen von Organismen unter Veränderungen der Umweltfaktoren. Beispielsweise geraten viele Organismen unter ungünstigen Umweltbedingungen in einen Zustand der Schwebe (verborgenes Leben), in dem der Stoffwechsel im Körper praktisch zum Erliegen kommt (Zustand der Winterruhe, Erstarrung der Insekten, Winterschlaf, Erhaltung der Sporen im Boden). Form von Sporen und Samen).

Vermeidung nachteiliger Auswirkungen – die Entwicklung von Anpassungen, Verhaltensweisen von Organismen (Anpassung), die dazu beitragen, ungünstige Bedingungen zu vermeiden. In diesem Fall können Anpassungen sein: morphologisch (die Struktur des Körpers ändert sich: Veränderung der Blätter eines Kaktus), physiologisch (das Kamel versorgt sich durch die Oxidation von Fettreserven mit Feuchtigkeit), ethologisch (Verhaltensänderungen: saisonale Wanderungen). der Vögel, Winterschlaf).

Lebende Organismen sind gut an periodische Faktoren angepasst. Nichtperiodische Faktoren können zu Erkrankungen und sogar zum Tod des Organismus führen (z. B. Medikamente, Pestizide). Bei längerer Einwirkung kann es jedoch auch zu einer Anpassung an sie kommen.

Organismen haben sich an tägliche, saisonale, Gezeiten- und Sonnenaktivitätsrhythmen angepasst. Mondphasen und andere streng periodische Phänomene. Daher wird saisonale Anpassung als Saisonalität in der Natur und als Zustand der Winterruhe unterschieden.

Saisonalität in der Natur. Die wichtigste Bedeutung für Pflanzen und Tiere bei der Anpassung von Organismen ist die jährliche Temperaturschwankung. Die lebensgünstige Zeit dauert in unserem Land im Durchschnitt etwa sechs Monate (Frühling, Sommer). Noch vor dem Einsetzen stabiler Fröste beginnt in der Natur eine Periode der Winterruhe.

Zustand der Winterruhe. Die Winterruhe ist nicht einfach ein Entwicklungsstopp aufgrund von niedrige Temperaturen, sondern eine komplexe physiologische Anpassung, die erst in einem bestimmten Entwicklungsstadium auftritt. Zum Beispiel, Malariamücke und der Zaunkönig überwintern im Stadium erwachsener Insekten, der Kohlfalter im Puppenstadium und der Schwammspinner im Eistadium.

Biorhythmen. Im Laufe der Evolution hat jede Art einen charakteristischen Jahreszyklus intensiven Wachstums und intensiver Entwicklung, Fortpflanzung, Vorbereitung auf den Winter und Überwinterung entwickelt. Dieses Phänomen wird biologischer Rhythmus genannt. Passen Sie jede Periode an Lebenszyklus Die richtige Jahreszeit ist für die Existenz der Art von entscheidender Bedeutung.

Der Hauptfaktor bei der Regulierung saisonaler Zyklen ist bei den meisten Pflanzen und Tieren die Veränderung der Tageslänge.

Biorhythmen sind:

exogene (äußere) Rhythmen (entstehen als Reaktion auf periodische Veränderungen der Umwelt (Wechsel von Tag und Nacht, Jahreszeiten, Sonnenaktivität) endogene (innere Rhythmen) werden vom Körper selbst erzeugt

Endogen wiederum werden unterteilt in:

Physiologische Rhythmen (Herzschlag, Atmung, Arbeit endokriner Drüsen, Synthese von DNA, RNA, Proteinen, Arbeit von Enzymen, Zellteilung usw.)

Ökologische Rhythmen (täglich, jährlich, Gezeiten, Mond usw.)

Die Prozesse DNA, RNA, Proteinsynthese, Zellteilung, Herzschlag, Atmung usw. haben einen Rhythmus. Äußere Einflüsse können die Phasen dieser Rhythmen verschieben und ihre Amplitude verändern.

Physiologische Rhythmen variieren je nach Körperzustand, Umweltrhythmen sind stabiler und entsprechen äußeren Rhythmen. Mit körpereigenen Rhythmen kann sich der Körper rechtzeitig orientieren und sich frühzeitig auf bevorstehende Umweltveränderungen vorbereiten – das ist die biologische Uhr des Körpers. Viele lebende Organismen zeichnen sich durch circadiane und circanäre Rhythmen aus.

Zirkadiane Rhythmen (zirkadian) – sich wiederholende Intensitäten und Art biologischer Prozesse und Phänomene mit einem Zeitraum von 20 bis 28 Stunden. Zirkadiane Rhythmen hängen mit der Aktivität von Tieren und Pflanzen während des Tages zusammen und hängen in der Regel von der Temperatur und der Lichtintensität ab. Zum Beispiel, die Fledermäuse Sie fliegen in der Dämmerung und ruhen tagsüber; viele planktonische Organismen bleiben nachts in der Nähe der Wasseroberfläche und tauchen tagsüber in die Tiefe ab.

Saisonale biologische Rhythmen sind mit dem Einfluss von Licht verbunden – Photoperiode. Die Reaktion von Organismen auf die Tageslänge wird Photoperiodismus genannt. Photoperiodismus ist eine allgemeine, wichtige Anpassung, die saisonale Phänomene in einer Vielzahl von Organismen reguliert. Die Untersuchung des Photoperiodismus bei Pflanzen und Tieren hat gezeigt, dass die Reaktion von Organismen auf Licht auf abwechselnden Perioden von Licht und Dunkelheit von einer bestimmten Dauer während des Tages beruht. Die Reaktion von Organismen (vom Einzeller bis zum Menschen) auf die Länge von Tag und Nacht zeigt, dass sie in der Lage sind, Zeit zu messen, d. h. Sie haben eine Art biologische Uhr. Biologische Uhren steuern neben saisonalen Zyklen viele andere biologische Phänomene und bestimmen den richtigen Tagesrhythmus sowohl der Aktivität ganzer Organismen als auch der Prozesse, die auch auf zellulärer Ebene ablaufen, insbesondere der Zellteilung.

Eine universelle Eigenschaft aller Lebewesen, von Viren und Mikroorganismen bis hin zu große Pflanzen und bei Tieren ist die Fähigkeit, Mutationen hervorzurufen – plötzliche, natürliche und künstlich verursachte, vererbte Veränderungen im genetischen Material, die zu Veränderungen bestimmter Eigenschaften des Körpers führen. Mutationsvariabilität entspricht nicht den Umweltbedingungen und stört in der Regel bestehende Anpassungen.

Viele Insekten treten in einem bestimmten Entwicklungsstadium in die Diapause (einen langen Entwicklungsstopp) ein, der nicht mit einem Ruhezustand unter ungünstigen Bedingungen verwechselt werden sollte. Die Fortpflanzung vieler Meerestiere wird durch Mondrhythmen beeinflusst.

Zirkanische (jährliche) Rhythmen sind sich wiederholende Veränderungen in der Intensität und Art biologischer Prozesse und Phänomene mit einem Zeitraum von 10 bis 13 Monaten.

Auch der physische und psychische Zustand eines Menschen hat rhythmischen Charakter.

Der gestörte Arbeits- und Ruherhythmus verringert die Leistungsfähigkeit und wirkt sich negativ auf die menschliche Gesundheit aus. Der Zustand einer Person unter extremen Bedingungen hängt vom Grad ihrer Vorbereitung auf diese Bedingungen ab, da praktisch keine Zeit für Anpassung und Erholung bleibt.

Damit die Biosphäre weiter existiert und ihre Bewegung (Entwicklung) nicht aufhört, muss auf der Erde ständig eine Zirkulation biologisch wichtiger Stoffe stattfinden. Dieser Übergang biologisch wichtiger Stoffe von Glied zu Glied kann nur mit einem gewissen Energieaufwand erfolgen, dessen Quelle die Sonne ist.

Sonnenenergie sorgt für zwei Stoffkreisläufe auf der Erde:

- geologischer (abiotischer) oder großer Zyklus;

- biologischer (biotischer) oder kleiner Zyklus.

Geologischer Kreislauf am deutlichsten manifestiert es sich im Wasserkreislauf und in der atmosphärischen Zirkulation.

Die Erde erhält jährlich etwa 21 10 20 kJ Strahlungsenergie von der Sonne. Etwa die Hälfte davon wird für die Wasserverdunstung aufgewendet. Dadurch entsteht der große Kreislauf.

Der Wasserkreislauf in der Biosphäre basiert darauf, dass seine gesamte Verdunstung von der Erdoberfläche durch Niederschläge ausgeglichen wird. Gleichzeitig verdunstet mehr Wasser aus dem Meer, als durch Niederschläge zurückkommt. An Land hingegen fallen mehr Niederschläge als Wasser verdunstet. Sein Überschuss fließt in Flüsse und Seen und von dort wieder ins Meer.

Im Verlauf des geologischen Kreislaufs des Wassers werden mineralische Verbindungen auf planetarischer Ebene von einem Ort zum anderen übertragen und auch der Aggregatzustand des Wassers ändert sich (flüssig, fest – Schnee, Eis; gasförmig – Dampf). Wasser zirkuliert im Dampfzustand am intensivsten.

Mit dem Aufkommen lebender Materie, die auf der Zirkulation der Atmosphäre basiert, lösen sich Wasser und darin gelöste Mineralverbindungen, d.h. auf der Grundlage des abiotischen, geologischen Kreislaufs entstand ein Kreislauf organischer Substanz, oder klein, biologischer Kreislauf.

Mit der Entwicklung lebender Materie werden immer mehr Elemente dem geologischen Kreislauf entzogen und treten in einen neuen, biologischen Kreislauf ein.

Im Gegensatz zur einfachen Übertragung und Bewegung mineralischer Elemente im großen (geologischen) Kreislauf sind im kleinen (biologischen) Kreislauf die Synthese und Zerstörung organischer Verbindungen die wichtigsten Punkte. Diese beiden Prozesse stehen in einer bestimmten Beziehung, die dem Leben zugrunde liegt und eines seiner Hauptmerkmale darstellt.

Im Gegensatz zum geologischen Kreislauf weist der biologische Kreislauf eine geringere Energie auf. Bekanntlich werden nur 0,1-0,2 % der auf die Erde einfallenden Sonnenenergie für die Bildung organischer Materie aufgewendet (bis zu 50 % im geologischen Kreislauf). Dennoch wird die Energie des biologischen Kreislaufs für die enorme Arbeit der Primärproduktion auf der Erde aufgewendet.

Mit dem Erscheinen lebender Materie auf der Erde zirkulieren chemische Elemente kontinuierlich in der Biosphäre und bewegen sich von dort aus Außenumgebung in Organismen und zurück in die äußere Umgebung.

Eine solche Zirkulation chemischer Elemente auf mehr oder weniger geschlossenen Wegen, die unter Nutzung der Sonnenenergie durch lebende Organismen erfolgt, wird als bezeichnet biogeochemischer Kreislauf (Kreislauf).

Die wichtigsten biogeochemischen Kreisläufe sind die Kreisläufe von Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Wasser und Nährstoffen.

Kohlenstoffzyklus.

An Land beginnt der Kohlenstoffkreislauf mit der Fixierung von Kohlendioxid durch Pflanzen während der Photosynthese. Aus Kohlendioxid werden dann Kohlenhydrate gebildet und Wasser und Sauerstoff freigesetzt. Dabei wird Kohlenstoff bei der Pflanzenatmung teilweise als Kohlendioxid freigesetzt. Der in Pflanzen gebundene Kohlenstoff wird teilweise von Tieren verbraucht. Auch Tiere setzen beim Atmen Kohlendioxid frei. Abgestorbene Tiere und Pflanzen werden von Mikroorganismen zersetzt, wodurch der Kohlenstoff in der abgestorbenen organischen Substanz zu Kohlendioxid oxidiert und wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Ein ähnlicher Kohlenstoffkreislauf findet im Ozean statt.

Stickstoffkreislauf.

Der Stickstoffkreislauf umfasst wie andere biogeochemische Kreisläufe alle Bereiche der Biosphäre. Der Stickstoffkreislauf ist mit seiner Umwandlung in Nitrate aufgrund der Aktivität stickstofffixierender und nitrifizierender Bakterien verbunden. Nitrate werden von Pflanzen aus dem Boden oder Wasser aufgenommen. Pflanzen werden von Tieren gefressen. Schließlich wandeln Zersetzer den Stickstoff wieder in gasförmige Form um und geben ihn wieder an die Atmosphäre ab.

Unter modernen Bedingungen hat der Mensch in den Stickstoffkreislauf eingegriffen, indem er auf großen Flächen stickstofffixierende Leguminosen anbaute und natürlichen Stickstoff künstlich fixierte. Man geht davon aus, dass Landwirtschaft und Industrie fast 60 % mehr festen Stickstoff liefern als natürliche terrestrische Ökosysteme.

Ein ähnlicher Stickstoffkreislauf wird in der aquatischen Umwelt beobachtet.

Phosphorkreislauf.

Im Gegensatz zu Kohlenstoff und Stickstoff kommen Phosphorverbindungen in Gesteinen vor, die erodieren und Phosphate freisetzen. Die meisten von ihnen landen in den Meeren und Ozeanen und können teilweise über marine Nahrungsketten, die bei fischfressenden Vögeln enden, wieder an Land gelangen. Einige Phosphate gelangen in den Boden und werden von den Pflanzenwurzeln aufgenommen. Die Aufnahme von Phosphor durch Pflanzen hängt vom Säuregehalt der Bodenlösung ab: Mit zunehmendem Säuregehalt werden im Wasser praktisch unlösliche Phosphate in gut lösliche Phosphorsäure umgewandelt. Die Pflanzen werden dann von Tieren gefressen.

Die Hauptglieder biogeochemischer Kreisläufe sind verschiedene Organismen, deren Formenvielfalt die Intensität der Kreisläufe und die Beteiligung fast aller Elemente der Erdkruste an ihnen bestimmt.

Im Allgemeinen ist jeder Zyklus eines chemischen Elements Teil des allgemeinen Stoffkreislaufs auf der Erde, d. h. sie sind eng miteinander verbunden.

Die Biosphäre der Erde ist durch einen bestimmten Stoffkreislauf und Energiefluss gekennzeichnet. Der Stoffkreislauf ist die wiederholte Beteiligung von Stoffen an Prozessen in der Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre, einschließlich der Schichten, die Teil der Biosphäre der Erde sind. Die Zirkulation der Materie erfolgt unter kontinuierlicher Zufuhr äußerer Energie von der Sonne und innerer Energie von der Erde.

Abhängig von der treibenden Kraft kann man innerhalb des Stoffkreislaufs geologische (großer Kreislauf), biologische (biogeochemische, kleiner Kreislauf) und anthropogene Kreisläufe unterscheiden.

Geologischer Kreislauf (großer Stoffkreislauf in der Biosphäre)

Dieser Kreislauf verteilt die Materie zwischen der Biosphäre und den tieferen Horizonten der Erde neu. Die treibende Kraft hinter diesem Prozess sind exogene und endogene geologische Prozesse. Endogene Prozesse laufen unter dem Einfluss der inneren Energie der Erde ab. Dabei handelt es sich um die Energie, die durch radioaktiven Zerfall, chemische Reaktionen der Mineralbildung etc. freigesetzt wird. Zu endogenen Prozessen zählen beispielsweise tektonische Bewegungen und Erdbeben. Diese Prozesse führen zur Bildung großer Landformen (Kontinente, Meeresbecken, Berge und Ebenen). Exogene Prozesse entstehen unter dem Einfluss der äußeren Energie der Sonne. Dazu gehören die geologische Aktivität der Atmosphäre, der Hydrosphäre, lebender Organismen und des Menschen. Diese Prozesse führen zur Glättung großer Reliefformen ( Flusstäler, Hügel, Schluchten usw.).

Der geologische Kreislauf setzt sich über Millionen von Jahren fort und besteht darin, dass Gesteine ​​zerstört werden und Verwitterungsprodukte (einschließlich wasserlöslicher Nährstoffe) durch Wasserströme in den Weltozean transportiert werden, wo sie Meeresschichten bilden und nur teilweise mit an Land zurückkehren Niederschlag. Geotektonische Veränderungen, Prozesse der Kontinentalsenkung und des Meeresbodenanstiegs, die Bewegung von Meeren und Ozeanen über einen langen Zeitraum führen dazu, dass diese Schichten an Land zurückkehren und der Prozess von neuem beginnt. Das Symbol dieses Stoffkreislaufs ist eine Spirale, kein Kreis, denn Der neue Zyklus wiederholt nicht genau den alten, sondern führt etwas Neues ein.

Der große Kreislauf bezieht sich auf den Wasserkreislauf (hydrologischer Kreislauf) zwischen Land und Ozean durch die Atmosphäre (Abb. 3.2).

Der Wasserkreislauf als Ganzes prägt maßgeblich die natürlichen Verhältnisse auf unserem Planeten. Berücksichtigt man die Transpiration von Wasser durch Pflanzen und seine Aufnahme im biogeochemischen Kreislauf, bricht der gesamte Wasservorrat auf der Erde zusammen und wird innerhalb von 2 Millionen Jahren wiederhergestellt.

Reis. 3. 2. Wasserkreislauf in der Biosphäre.

Im Wasserkreislauf sind alle Teile der Hydrosphäre miteinander verbunden. Jährlich sind daran mehr als 500.000 km3 Wasser beteiligt. Die treibende Kraft hinter diesem Prozess ist Solarenergie. Unter dem Einfluss der Sonnenenergie erhitzen sich Wassermoleküle und steigen in Form von Gas in die Atmosphäre auf (verdunstet täglich - 875 km3). frisches Wasser). Während sie aufsteigen, kühlen sie allmählich ab, kondensieren und bilden Wolken. Sobald die Wolken ausreichend abgekühlt sind, geben sie Wasser in Form verschiedener Niederschläge ab, die zurück in den Ozean fallen. Wasser, das den Boden erreicht, kann auf zwei verschiedenen Wegen eindringen: entweder in den Boden eindringen (Infiltration) oder durch ihn hindurchfließen (Oberflächenabfluss). An der Oberfläche fließt Wasser in Bäche und Flüsse ins Meer oder an andere Orte, an denen es verdunstet. Vom Boden aufgenommenes Wasser kann in seinen oberen Schichten (Horizonten) zurückgehalten und durch Transpiration wieder an die Atmosphäre abgegeben werden. Solches Wasser nennt man Kapillarwasser. Wasser, das durch die Schwerkraft abtransportiert wird und durch Poren und Risse nach unten sickert, wird als Gravitationswasser bezeichnet. Schwerkraftwasser sickert in eine undurchdringliche Schicht aus Gestein oder dichtem Ton und füllt alle Hohlräume. Solche Reserven werden Grundwasser genannt und ihre Obergrenze ist der Grundwasserspiegel. Die unterirdischen Gesteinsschichten, durch die das Grundwasser langsam fließt, werden Grundwasserleiter genannt. Unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegt sich das Grundwasser durch den Grundwasserleiter, bis es einen „Ausweg“ findet (z. B. indem es natürliche Quellen bildet, die Seen, Flüsse und Teiche speisen, d. h. sie werden Teil davon). Oberflächengewässer). Somit umfasst der Wasserkreislauf drei Hauptkreisläufe: Oberflächenabfluss, Verdunstung/Transpiration und Grundwasser. Der Wasserkreislauf auf der Erde umfasst jährlich mehr als 500.000 km3 Wasser und spielt eine wichtige Rolle bei der Gestaltung natürlicher Bedingungen.

Biologischer (biogeochemischer) Kreislauf

(kleiner Stoffkreislauf in der Biosphäre)

Die treibende Kraft des biologischen Stoffkreislaufs ist die Aktivität lebender Organismen. Es ist Teil eines größeren Ökosystems und kommt innerhalb der Biosphäre auf Ökosystemebene vor. Der kleine Kreislauf besteht darin, dass sich Nährstoffe, Wasser und Kohlenstoff in der Substanz von Pflanzen (Autotrophen) ansammeln und für den Aufbau von Körpern und Lebensprozessen sowohl von Pflanzen als auch anderer Organismen (normalerweise Tiere - Heterotrophen) aufgewendet werden, die diese Pflanzen fressen. Die Zerfallsprodukte organischer Stoffe zerfallen unter dem Einfluss von Zersetzern und Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Würmer) wieder in mineralische Bestandteile. Diese anorganischen Stoffe können für die Synthese organischer Stoffe durch Autotrophe wiederverwendet werden.

Bei biogeochemischen Kreisläufen wird zwischen einem Reservefonds (Stoffe, die nicht mit lebenden Organismen verbunden sind) und einem Austauschfonds (Stoffe, die durch direkten Austausch zwischen Organismen und ihrer unmittelbaren Umgebung verbunden sind) unterschieden.

Je nach Standort des Reservefonds werden biogeochemische Kreisläufe in zwei Typen unterteilt:

Gaskreisläufe mit einem Reservebestand an Stoffen in der Atmosphäre und Hydrosphäre (Kreisläufe von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff).

Sedimentkreisläufe mit Reservefonds in der Erdkruste (Phosphor-, Kalzium-, Eisenkreisläufe etc.).

Perfekter sind Gaszirkulationen mit einem großen Austauschfonds. Darüber hinaus sind sie zu einer schnellen Selbstregulierung fähig. Sedimentkreisläufe sind weniger perfekt, sie sind träger, da der Großteil der Substanz in einer für lebende Organismen unzugänglichen Form im Reservefonds der Erdkruste enthalten ist. Solche Kreisläufe können durch verschiedene Einflüsse leicht gestört werden und ein Teil des ausgetauschten Materials verlässt den Kreislauf. Nur durch geologische Prozesse oder durch Entnahme durch lebende Materie kann es wieder in den Kreislauf zurückkehren.

Die Intensität des biologischen Kreislaufs wird durch die Umgebungstemperatur und die Wassermenge bestimmt. Beispielsweise ist der biologische Kreislauf in tropischen Regenwäldern intensiver als in der Tundra.

Kreisläufe grundlegender Nährstoffe und Elemente

Kohlenstoffzyklus

Alles Leben auf der Erde basiert auf Kohlenstoff. Jedes Molekül eines lebenden Organismus ist auf der Grundlage eines Kohlenstoffskeletts aufgebaut. Kohlenstoffatome wandern ständig von einem Teil der Biosphäre in einen anderen (Abb. 3.3.).

Reis. 3. 3. Kohlenstoffkreislauf.

Die wichtigsten Kohlenstoffreserven auf der Erde liegen in Form von Kohlendioxid (CO2) vor, das in der Atmosphäre enthalten und in den Ozeanen gelöst ist. Pflanzen absorbieren während der Photosynthese Kohlendioxidmoleküle. Dadurch wird das Kohlenstoffatom in vielfältige organische Verbindungen umgewandelt und so in die Struktur von Pflanzen eingebaut. Nachfolgend gibt es mehrere Optionen:

· Kohlenstoff verbleibt in Pflanzen ® Pflanzenmoleküle werden als Nahrung für Zersetzer (Organismen, die sich von toten organischen Stoffen ernähren und diese gleichzeitig in einfache anorganische Verbindungen zerlegen) verwendet ® Kohlenstoff kehrt als CO2 in die Atmosphäre zurück;

· Pflanzen werden von Pflanzenfressern gefressen ® Kohlenstoff wird bei der Atmung von Tieren und bei deren Zersetzung nach dem Tod in die Atmosphäre zurückgeführt; oder Pflanzenfresser werden von Fleischfressern gefressen und dann kehrt der Kohlenstoff auf die gleiche Weise wieder in die Atmosphäre zurück;

· Pflanzen verwandeln sich nach dem Tod in fossile Brennstoffe (z. B. Kohle). ® Kohlenstoff kehrt nach der Nutzung von Brennstoffen, Vulkanausbrüchen und anderen geothermischen Prozessen in die Atmosphäre zurück.

Auch im Falle der Auflösung des ursprünglichen CO2-Moleküls im Meerwasser sind mehrere Möglichkeiten möglich: Kohlendioxid kann einfach in die Atmosphäre zurückkehren (diese Art des gegenseitigen Gasaustauschs zwischen dem Weltmeer und der Atmosphäre findet ständig statt); Kohlenstoff kann in das Gewebe von Meerespflanzen oder -tieren gelangen, sammelt sich dann nach und nach in Form von Sedimenten am Grund der Weltmeere an und verwandelt sich schließlich in Kalkstein oder gelangt aus Sedimenten wieder ins Meerwasser.

Die Geschwindigkeit des CO2-Kreislaufs beträgt etwa 300 Jahre.

Eingriffe des Menschen in den Kohlenstoffkreislauf (Verbrennung von Kohle, Öl, Gas, Entfeuchtung) führen zu einer Erhöhung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre und deren Entwicklung Treibhauseffekt. Die Erforschung des Kohlenstoffkreislaufs ist mittlerweile ein Thema wichtige Aufgabe für Wissenschaftler, die die Atmosphäre untersuchen.

Sauerstoffkreislauf

Sauerstoff ist das häufigste Element auf der Erde (Meerwasser enthält 85,82 % Sauerstoff, atmosphärische Luft 23,15 % und die Erdkruste 47,2 %). Sauerstoffverbindungen sind für die Erhaltung des Lebens unverzichtbar (Spiel). entscheidende Rolle in Stoffwechselprozessen und Atmung, ist Teil der Proteine, Fette und Kohlenhydrate, aus denen Organismen „aufgebaut“ sind. Der Großteil des Sauerstoffs befindet sich in gebundenem Zustand (die Menge an molekularem Sauerstoff in der Atmosphäre beträgt nur 0,01 % des gesamten Sauerstoffgehalts in der Erdkruste).

Da Sauerstoff in vielen chemischen Verbindungen enthalten ist, ist sein Kreislauf in der Biosphäre sehr komplex und findet hauptsächlich zwischen der Atmosphäre und lebenden Organismen statt. Die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre wird durch Photosynthese aufrechterhalten, wodurch grüne Pflanzen unter dem Einfluss von Sonnenlicht Kohlendioxid und Wasser in Kohlenhydrate und Sauerstoff umwandeln. Der Großteil des Sauerstoffs wird von Landpflanzen produziert – fast ¾, der Rest – von photosynthetischen Organismen der Weltmeere. Eine kraftvolle Quelle Sauerstoff ist auch die photochemische Zersetzung von Wasserdampf in den oberen Schichten der Atmosphäre unter dem Einfluss der ultravioletten Strahlen der Sonne. Darüber hinaus schließt Sauerstoff den wichtigsten Kreislauf ab und gelangt in die Zusammensetzung des Wassers. Unter dem Einfluss ultravioletter Strahlung entsteht aus Ozon eine geringe Menge Sauerstoff.

Die Geschwindigkeit des Sauerstoffkreislaufs beträgt etwa zweitausend Jahre.

Abholzung, Bodenerosion und verschiedene Tagebaue verringern die Gesamtmasse der Photosynthese und verringern den Sauerstoffkreislauf auf großen Flächen. Darüber hinaus werden jährlich 25 % des bei der Assimilation entstehenden Sauerstoffs für den industriellen und häuslichen Bedarf verbraucht.

Stickstoffkreislauf

Der biogeochemische Stickstoffkreislauf umfasst wie die vorherigen Kreisläufe alle Bereiche der Biosphäre (Abb. 3.4).

Reis. 3. 4. Stickstoffkreislauf.

Stickstoff gelangt in ungebundener Form in Form von zweiatomigen Molekülen in die Erdatmosphäre (ca. 78 % des Gesamtvolumens der Atmosphäre besteht aus Stickstoff). Darüber hinaus kommt Stickstoff in Form von Proteinen in pflanzlichen und tierischen Organismen vor. Pflanzen synthetisieren Proteine, indem sie Nitrate aus dem Boden aufnehmen. Dort werden aus im Boden vorhandenen Luftstickstoff und Ammoniumverbindungen Nitrate gebildet. Der Prozess der Umwandlung von Luftstickstoff in eine für Pflanzen und Tiere nutzbare Form wird als Stickstofffixierung bezeichnet. Bei der Verrottung organischer Stoffe wird ein erheblicher Teil des darin enthaltenen Stickstoffs in Ammoniak umgewandelt, das unter dem Einfluss der im Boden lebenden nitrifizierenden Bakterien dann zu Salpetersäure oxidiert wird. Diese Säure reagiert mit Karbonaten im Boden (z. B. Kalziumkarbonat CaCO3) und bildet Nitrate. Ein Teil des Stickstoffs wird beim Zerfall immer in freier Form in die Atmosphäre abgegeben. Darüber hinaus wird bei der Verbrennung organischer Stoffe, bei der Verbrennung von Holz, Kohle und Torf freier Stickstoff freigesetzt. Darüber hinaus gibt es Bakterien, die bei unzureichendem Luftzugang den Nitraten Sauerstoff entziehen, diese zerstören und freien Stickstoff freisetzen können. Die Aktivität denitrifizierender Bakterien führt dazu, dass ein Teil des Stickstoffs aus der für Grünpflanzen verfügbaren Form (Nitrat) unzugänglich wird (freier Stickstoff). Daher gelangt nicht der gesamte Stickstoff, der Teil der abgestorbenen Pflanzen war, in den Boden zurück (ein Teil davon wird nach und nach in freier Form freigesetzt).

Zu den Prozessen, die Stickstoffverluste ausgleichen, zählen zunächst elektrische Entladungen in der Atmosphäre, die immer eine gewisse Menge an Stickoxiden erzeugen (letztere erzeugen mit Wasser Salpetersäure, die im Boden in Nitrate umgewandelt wird). Eine weitere Quelle für die Wiederauffüllung von Bodenstickstoffverbindungen ist die lebenswichtige Aktivität sogenannter Azotobakterien, die in der Lage sind, Luftstickstoff aufzunehmen. Einige dieser Bakterien siedeln sich an den Wurzeln von Pflanzen aus der Familie der Hülsenfrüchte an und verursachen die Bildung charakteristischer Schwellungen – Knötchen. Knöllchenbakterien, die Luftstickstoff aufnehmen, verarbeiten ihn zu Stickstoffverbindungen, und Pflanzen wandeln diesen wiederum in Proteine ​​und andere komplexe Substanzen um. Somit findet in der Natur ein kontinuierlicher Stickstoffkreislauf statt.

Da jedes Jahr mit der Ernte die proteinreichsten Pflanzenteile (z. B. Getreide) von den Feldern entfernt werden, „erfordert“ der Boden die Ausbringung von Düngemitteln, um den Verlust auszugleichen wesentliche Elemente Pflanzenernährung. Hauptsächlich werden Calciumnitrat (Ca(NO)2), Ammoniumnitrat (NH4NO3), Natriumnitrat (NANO3) und Kaliumnitrat (KNO3) verwendet. Außerdem werden anstelle von chemischen Düngemitteln die Pflanzen selbst aus der Familie der Hülsenfrüchte verwendet. Wird zu viel künstlicher Stickstoffdünger in den Boden eingebracht, gelangen auch Nitrate in den menschlichen Körper, wo sie in Nitrite umgewandelt werden können, die hochgiftig sind und Krebs verursachen können.

Phosphorkreislauf

Der Großteil des Phosphors ist in Gesteinen vergangener Erdzeitalter enthalten. Der Phosphorgehalt in der Erdkruste liegt zwischen 8 - 10 und 20 % (nach Gewicht) und kommt hier in Form von Mineralien (Fluorapatit, Chlorapatit usw.) vor, die zu den natürlichen Phosphaten - Apatiten und Phosphoriten - gehören. Durch Gesteinsverwitterung kann Phosphor in den biogeochemischen Kreislauf gelangen. Durch Erosionsprozesse gelangt Phosphor in Form des Minerals Apatit ins Meer. Bei der Phosphorumwandlung spielen lebende Organismen eine wichtige Rolle. Organismen extrahieren Phosphor aus Böden und wässrigen Lösungen. Phosphor wird dann über die Nahrungsketten weitergegeben. Mit dem Absterben von Organismen gelangt Phosphor in den Boden und in den Meeresschlamm zurück und reichert sich in Form von marinen Phosphatablagerungen an, was wiederum Bedingungen für die Entstehung von phosphorreichen Gesteinen schafft (Abb. 3.5.).

Reis. 3.5. Phosphorkreislauf in der Biosphäre (nach P. Duvigneau, M. Tang, 1973; in der jeweils gültigen Fassung).

Bei unsachgemäßer Anwendung von Phosphordüngern wird dem Boden durch Wasser- und Winderosion (Zerstörung durch Wasser- oder Windeinfluss) eine große Menge Phosphor entzogen. Dies führt einerseits zu einem übermäßigen Verbrauch von Phosphordüngern und zur Erschöpfung der Reserven an phosphorhaltigen Erzen.

Andererseits führt ein erhöhter Phosphorgehalt in den Wasserwegen seines Transports zu einem raschen Anstieg der Biomasse von Wasserpflanzen, zum „Aufblühen von Gewässern“ und zu deren Eutrophierung (Nährstoffanreicherung).

Da Pflanzen dem Boden erhebliche Mengen Phosphor entziehen und der natürliche Nachschub an Phosphorverbindungen im Boden äußerst unbedeutend ist, ist die Ausbringung von Phosphordüngern auf den Boden eine der wichtigsten Maßnahmen zur Produktivitätssteigerung. Weltweit werden jährlich etwa 125 Millionen Tonnen Phosphaterz abgebaut. Der Großteil davon wird für die Herstellung von Phosphatdüngern ausgegeben.

Schwefelkreislauf

Die wichtigsten Schwefelreserven befinden sich in Sedimenten, im Boden und in der Atmosphäre. Hauptrolle An der Beteiligung von Schwefel am biogeochemischen Kreislauf sind Mikroorganismen beteiligt. Einige davon sind Reduktionsmittel, andere Oxidationsmittel (Abb. 3.6.).

Reis. 3. 6. Schwefelkreislauf (nach Yu. Odum, 1975).

In der Natur große Mengen Es sind verschiedene Sulfide von Eisen, Blei, Zink usw. bekannt. Sulfidschwefel wird in der Biosphäre zu Sulfatschwefel oxidiert. Sulfate werden von Pflanzen aufgenommen. In lebenden Organismen ist Schwefel Bestandteil von Aminosäuren und Proteinen, in Pflanzen darüber hinaus essentielle Öle usw. Die Prozesse der Zerstörung der Überreste von Organismen in Böden und im Meeresschlamm gehen mit komplexen Schwefelumwandlungen einher (Mikroorganismen erzeugen zahlreiche Schwefelzwischenverbindungen). Nach dem Absterben lebender Organismen wird ein Teil des Schwefels im Boden durch Mikroorganismen zu H2S reduziert, der andere Teil wird zu Sulfaten oxidiert und gelangt so wieder in den Kreislauf. Der in der Atmosphäre entstehende Schwefelwasserstoff wird oxidiert und mit Niederschlägen wieder in den Boden zurückgeführt. Darüber hinaus kann Schwefelwasserstoff „sekundäre“ Sulfide neu bilden und Sulfatschwefel erzeugt Gips. Im Gegenzug werden Sulfide und Gips wieder zerstört und Schwefel nimmt seine Wanderung wieder auf.

Darüber hinaus wird durch Vulkane Schwefel in Form von SO2, SO3, H2S und elementarem Schwefel in die Atmosphäre freigesetzt.

Der Schwefelkreislauf kann durch menschliches Eingreifen gestört werden. Der Grund dafür ist die Verbrennung von Kohle und Emissionen Chemieindustrie Dies führt zur Bildung von Schwefeldioxid, das die Photosynthese stört und zum Absterben der Vegetation führt.

Somit sorgen biogeochemische Kreisläufe für die Homöostase der Biosphäre. Allerdings sind sie weitgehend anfällig für menschliche Einflüsse. Und eine der stärksten antiökologischen Handlungen des Menschen ist mit der Störung oder sogar Zerstörung natürlicher Kreisläufe verbunden (sie werden azyklisch).

Anthropogener Kreislauf

Die treibende Kraft des anthropogenen Kreislaufs ist das menschliche Handeln. Dieser Zyklus umfasst zwei Komponenten: biologisch, verbunden mit der Funktion des Menschen als lebender Organismus, und technisch, verbunden mit den wirtschaftlichen Aktivitäten des Menschen. Der anthropogene Kreislauf ist im Gegensatz zum geologischen und biologischen Kreislauf nicht geschlossen. Diese mangelnde Schließung führt zur Erschöpfung der natürlichen Ressourcen und zur Verschmutzung der natürlichen Umwelt.

Alle Stoffe auf unserem Planeten befinden sich im Umlauf. Sonnenenergie verursacht zwei Stoffkreisläufe auf der Erde:

1) Groß (geologisch oder abiotisch);

2) Klein (biotisch, biogen oder biologisch).

Stoffkreisläufe und kosmische Energieströme schaffen die Stabilität der Biosphäre. Der Kreislauf von Feststoffen und Wasser, der durch die Einwirkung abiotischer Faktoren (unbelebte Natur) entsteht, wird genannt großer geologischer Kreislauf. Während eines großen geologischen Zyklus (der Millionen von Jahren dauert) werden Gesteine ​​zerstört, verwittert, Substanzen lösen sich auf und gelangen in den Weltozean; Es kommt zu geotektonischen Veränderungen, kontinentalen Absenkungen und einer Hebung des Meeresbodens. Die Wasserzykluszeit in Gletschern beträgt 8.000 Jahre, in Flüssen 11 Tage. Es ist der große Kreislauf, der lebende Organismen mit Nährstoffen versorgt und die Bedingungen ihrer Existenz maßgeblich bestimmt.

Toller geologischer Kreislauf in der Biosphäre zeichnet sich durch zwei wichtige Punkte aus:

a) wird während der gesamten geologischen Entwicklung der Erde durchgeführt;

b) ist ein moderner planetarischer Prozess, der eine führende Rolle bei der Weiterentwicklung der Biosphäre spielt.

Im gegenwärtigen Stadium der menschlichen Entwicklung werden durch den großen Kreislauf auch Schadstoffe wie Schwefel- und Stickoxide, Staub und radioaktive Verunreinigungen über weite Strecken transportiert. Die Gebiete der gemäßigten Breiten der nördlichen Hemisphäre waren am stärksten kontaminiert.

Kleiner, biogener oder biologischer Stoffkreislauf findet in fester, flüssiger und gasförmiger Phase unter Beteiligung lebender Organismen statt. Der biologische Kreislauf benötigt im Gegensatz zum geologischen Kreislauf weniger Energie. Der kleine Zyklus ist Teil eines großen Zyklus und findet auf der Ebene der Biogeozänosen (innerhalb) statt Ökosysteme) und liegt darin, dass sich Bodennährstoffe, Wasser und Kohlenstoff in der Pflanzenmasse anreichern und für den Aufbau des Körpers aufgewendet werden. Zerfallsprodukte organischer Stoffe zerfallen in mineralische Bestandteile. Der kleine Wirbel ist nicht geschlossen, die mit dem Zufluss von Stoffen und Energie von außen in das Ökosystem und deren Freisetzung in den Biosphärenkreislauf verbunden ist.

Viele chemische Elemente und ihre Verbindungen sind an den großen und kleinen Kreisläufen beteiligt, aber die wichtigsten von ihnen sind diejenigen, die den aktuellen Entwicklungsstand der Biosphäre bestimmen, der mit der menschlichen Wirtschaftstätigkeit verbunden ist. Dazu gehören Wirbel Kohlenstoff, Schwefel und Stickstoff(ihre Oxide - wichtigsten Luftschadstoffe), und auch Phosphor (Phosphate sind der Hauptschadstoff kontinentaler Gewässer). Fast alle Schadstoffe gelten als gesundheitsschädlich und werden als schädlich eingestuft Xenobiotika.

Derzeit sind die Kreisläufe von Xenobiotika – toxischen Elementen – von großer Bedeutung Quecksilber (ein Lebensmittelverunreinigungsstoff) Produkte) und Blei (ein Bestandteil von Benzin). Darüber hinaus gelangen viele Stoffe anthropogenen Ursprungs (DDT, Pestizide, Radionuklide usw.), die die Biota und die menschliche Gesundheit schädigen, vom großen Kreislauf in den kleinen.

Die Essenz des biologischen Kreislaufs liegt im Ablauf zweier gegensätzlicher, aber miteinander verbundener Prozesse – Schaffung organische Substanz und ihre Zerstörung lebende Substanz.

Im Gegensatz zum großen Wirbel hat der kleine Wirbel eine andere Dauer: Es werden saisonale, einjährige, mehrjährige und jahrhundertealte kleine Wirbel unterschieden.

Als chemische Reaktionen bezeichnet man den Kreislauf von Chemikalien aus der anorganischen Umwelt durch Vegetation und Tiere zurück in die anorganische Umwelt mithilfe von Sonnenenergie biogeochemischer Kreislauf .

Die Gegenwart und Zukunft unseres Planeten hängt von der Beteiligung lebender Organismen am Funktionieren der Biosphäre ab. Im Stoffkreislauf erfüllt lebende Materie oder Biomasse biogeochemische Funktionen: Gas, Konzentration, Redox und biochemische Funktionen.

Der biologische Kreislauf findet unter Beteiligung lebender Organismen statt und besteht in der Vermehrung organischer Stoffe von anorganischen Stoffen und der Zersetzung dieser organischen Stoffe zu anorganischen Stoffen über die trophische Nahrungskette. Die Intensität der Produktions- und Zerstörungsprozesse im biologischen Kreislauf hängt von der Menge an Wärme und Feuchtigkeit ab. Beispielsweise ist die geringe Zersetzungsrate organischer Stoffe in Polarregionen auf Wärmemangel zurückzuführen.

Ein wichtiger Indikator für die Intensität des biologischen Kreislaufs ist die Zirkulationsrate chemischer Elemente. Die Intensität wird charakterisiert Index , gleich dem Verhältnis der Masse von Waldstreu zu Streu. Je höher der Index, desto geringer ist die Intensität der Zirkulation.

Index in Nadelwäldern - 10 - 17; breitblättrig 3 - 4; Savanne nicht mehr als 0,2; in tropischen Regenwäldern nicht mehr als 0,1, d.h. Hier ist der biologische Kreislauf am intensivsten.

Der Fluss von Elementen (Stickstoff, Phosphor, Schwefel) durch Mikroorganismen ist um eine Größenordnung höher als durch Pflanzen und Tiere. Der biologische Kreislauf ist nicht vollständig umkehrbar, er steht in engem Zusammenhang mit dem biogeochemischen Kreislauf. Chemische Elemente zirkulieren in der Biosphäre auf verschiedenen Wegen des biologischen Kreislaufs:

werden von lebender Materie absorbiert und mit Energie aufgeladen;

verlassen lebende Materie und geben Energie an die äußere Umgebung ab.

Es gibt zwei Arten dieser Kreisläufe: den Kreislauf gasförmiger Substanzen; Sedimentzyklus (Reserve in der Erdkruste).

Die Wirbel selbst bestehen aus zwei Teilen:

- Rücklagen(dies ist der Teil der Substanz, der nicht mit lebenden Organismen in Verbindung gebracht wird);

- mobiler (Börsen-)Fonds(ein kleinerer Teil der Substanz, der mit dem direkten Austausch zwischen Organismen und ihrer unmittelbaren Umgebung verbunden ist).

Gyres sind unterteilt in:

Gyres Gastyp mit Reservefonds in der Erdkruste (Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Stickstoffkreisläufe) - zur schnellen Selbstregulierung fähig;

Gyres Sedimenttyp mit Reservefonds in der Erdkruste (Zyklen von Phosphor, Kalzium, Eisen usw.) - sind träger, der Großteil der Substanz liegt in einer für lebende Organismen „unzugänglichen“ Form vor.

Gyres können auch unterteilt werden in:

- geschlossen(Die Zirkulation gasförmiger Stoffe, zum Beispiel Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff, stellt eine Reserve in der Atmosphäre und Hydrosphäre des Ozeans dar, sodass der Mangel schnell ausgeglichen wird);

- offen(Schaffung eines Reservefonds in der Erdkruste, zum Beispiel Phosphor – daher werden Verluste schlecht ausgeglichen, d. h. es entsteht ein Defizit).

Die Energiebasis für die Existenz biologischer Kreisläufe auf der Erde und deren erste Verbindung ist der Prozess der Photosynthese. Jeder neue Zyklus ist keine exakte Wiederholung des vorherigen. Während der Entwicklung der Biosphäre waren beispielsweise einige Prozesse irreversibel, was zur Bildung und Ansammlung biogener Sedimente, einer Erhöhung der Sauerstoffmenge in der Atmosphäre und Änderungen der Mengenverhältnisse der Isotope einer Reihe von Elementen führte , usw.

Üblicherweise wird die Zirkulation von Stoffen genannt biogeochemische Kreisläufe . Grundlegende biogeochemische (Biosphären-)Stoffkreisläufe: Wasserkreislauf, Sauerstoffkreislauf, Stickstoffkreislauf(Beteiligung stickstofffixierender Bakterien), Kohlenstoffzyklus(Beteiligung aerober Bakterien; jährlich ca. 130 Tonnen Kohlenstoff werden in den geologischen Kreislauf freigesetzt), Phosphorkreislauf(Beteiligung von Bodenbakterien; 14 Millionen Tonnen Phosphor), Schwefelkreislauf, Metallkationenkreislauf.

In der Biosphäre gibt es einen globalen (großen oder geologischen) Stoffkreislauf, der bereits vor dem Erscheinen der ersten lebenden Organismen existierte. Daran sind verschiedenste chemische Elemente beteiligt. Der geologische Kreislauf wird dank solarer, gravitativer, tektonischer und kosmischer Energiearten durchgeführt.

Mit der Entstehung lebender Materie auf der Grundlage des geologischen Kreislaufs entstand ein Kreislauf organischer Materie – ein kleiner (biotischer oder biologischer) Kreislauf.

Der biotische Stoffkreislauf ist ein kontinuierlicher, zyklischer, zeitlich und räumlich ungleichmäßiger Prozess der Bewegung und Umwandlung von Stoffen, der unter direkter Beteiligung lebender Organismen abläuft. Es handelt sich um einen kontinuierlichen Prozess der Entstehung und Zerstörung organischer Materie, an dem alle drei Gruppen von Organismen beteiligt sind: Produzenten, Konsumenten und Zersetzer. Etwa 40 biogene Elemente sind an biotischen Kreisläufen beteiligt. Höchster Wert Für lebende Organismen gibt es Kreisläufe aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Eisen, Kalium, Kalzium und Magnesium.

Mit der Entwicklung lebender Materie werden immer mehr Elemente dem geologischen Kreislauf entzogen und treten in einen neuen, biologischen Kreislauf ein. Die Gesamtmasse der Aschestoffe, die jährlich allein an Land am biotischen Stoffkreislauf beteiligt sind, beträgt etwa 8 Milliarden Tonnen. Das ist um ein Vielfaches größer als die Produktmasse, die bei den Ausbrüchen aller Vulkane der Welt im Laufe des Jahres entsteht. Die Geschwindigkeit der Stoffzirkulation in der Biosphäre ist unterschiedlich. Die lebende Materie der Biosphäre erneuert sich durchschnittlich alle 8 Jahre, die Masse des Phytoplanktons im Ozean erneuert sich täglich. Der gesamte Sauerstoff in der Biosphäre durchdringt lebende Materie in 2000 Jahren und Kohlendioxid – in 300 Jahren.

In Ökosystemen finden lokale biotische Kreisläufe und in der Biosphäre biogeochemische Kreisläufe der Atommigration statt, die nicht nur alle drei Außenhüllen des Planeten zu einem Ganzen verbinden, sondern auch die kontinuierliche Entwicklung seiner Zusammensetzung bestimmen.

ATMOSPHÄRE HYDROSPHÄRE

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LEBENDE SUBSTANZ

DIE ERDE

Evolution der Biosphäre

Die Biosphäre entstand mit der Entstehung der ersten lebenden Organismen vor etwa 3,5 Milliarden Jahren. Als sich das Leben entwickelte, veränderte es sich. Unter Berücksichtigung der Merkmale der Art der Ökosysteme können die Stadien der Biosphärenentwicklung unterschieden werden.

1. Die Entstehung und Entwicklung des Lebens im Wasser. Das Stadium ist mit der Existenz aquatischer Ökosysteme verbunden. Es gab keinen Sauerstoff in der Atmosphäre.

2. Die Entstehung lebender Organismen an Land, die Entwicklung der Boden-Luft-Umgebung und des Bodens sowie die Entstehung terrestrischer Ökosysteme. Möglich wurde dies durch das Auftreten von Sauerstoff in der Atmosphäre und den Ozonschutz. Geschah vor 2,5 Milliarden Jahren.

3. Das Erscheinen des Menschen, seine Umwandlung in ein biosoziales Wesen und die Entstehung von Anthropoökosystemen fanden vor 1 Million Jahren statt.

4. Der Übergang der Biosphäre unter dem Einfluss intelligenter menschlicher Aktivität in einen neuen qualitativen Zustand – in die Noosphäre.

Noosphäre

Die höchste Stufe Die Entwicklung der Biosphäre ist die Noosphäre – das Stadium einer vernünftigen Regulierung der Beziehung zwischen Mensch und Natur. Dieser Begriff wurde 1927 vom französischen Philosophen E. Leroy eingeführt. Er glaubte, dass die Noosphäre die menschliche Gesellschaft mit ihrer Industrie, Sprache und anderen Merkmalen intelligenter Aktivität umfasst. In den 30-40er Jahren. XX Jahrhundert V.I. Wernadskij entwickelte materialistische Vorstellungen über die Noosphäre. Er glaubte, dass die Noosphäre als Ergebnis der Interaktion von Biosphäre und Gesellschaft entsteht und durch die enge Beziehung der Naturgesetze, des Denkens und der sozioökonomischen Gesetze der Gesellschaft bestimmt wird, und betonte dies

Noosphäre (Sphäre der Vernunft) ist das Entwicklungsstadium der Biosphäre, in dem die intelligente Aktivität der Menschen zum wichtigsten bestimmenden Faktor für ihre nachhaltige Entwicklung wird.

Die Noosphäre ist eine neue, höchste Stufe der Biosphäre, die mit der Entstehung und Entwicklung der Menschheit in ihr verbunden ist, die durch das Erlernen der Naturgesetze und die Verbesserung der Technologie zu einer großen Kraft wird, die in ihrer Größenordnung mit der geologischen vergleichbar ist, und zu haben beginnt einen entscheidenden Einfluss auf den Ablauf der Prozesse auf der Erde und verändern ihn mit Ihrer Arbeit tiefgreifend. Die Entstehung und Entwicklung der Menschheit drückte sich in der Entstehung neuer Formen des Stoff- und Energieaustauschs zwischen Gesellschaft und Natur sowie im immer stärker werdenden Einfluss des Menschen auf die Biosphäre aus. Die Noosphäre wird entstehen, wenn die Menschheit mit Hilfe der Wissenschaft in der Lage sein wird, natürliche und soziale Prozesse sinnvoll zu steuern. Daher kann die Noosphäre nicht als besondere Hülle der Erde betrachtet werden.

Die Wissenschaft vom Umgang mit der Beziehung zwischen der menschlichen Gesellschaft und der Natur wird Noogenik genannt.

Das Hauptziel der Noogenik ist die Planung der Gegenwart im Interesse der Zukunft. Ihre Hauptaufgaben sind die Korrektur von Störungen im Verhältnis zwischen Mensch und Natur, die durch den Fortschritt der Technologie verursacht wurden, und die bewusste Steuerung der Evolution der Biosphäre. Es muss eine geplante, wissenschaftlich fundierte Nutzung der natürlichen Ressourcen geschaffen werden, die die Wiederherstellung des vom Menschen gestörten Stoffkreislaufs vorsieht, im Gegensatz zu einer spontanen, räuberischen Haltung gegenüber der Natur, die zu einer Verschlechterung der Umwelt führt. Dies erfordert eine nachhaltige Entwicklung einer Gesellschaft, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne die Fähigkeit künftiger Generationen zu gefährden, ihre Bedürfnisse zu befriedigen.

Derzeit hat sich der Planet gebildet Die Biotechnosphäre ist ein Teil der Biosphäre, der vom Menschen radikal in technische und technische Strukturen umgewandelt wurde: Städte, Fabriken und Fabriken, Steinbrüche und Minen, Straßen, Dämme und Stauseen usw.

BIOSPHÄRE UND MENSCH

Die Biosphäre für den Menschen ist Lebensraum und Quelle natürlicher Ressourcen.

Natürliche Ressourcen – natürliche Objekte und Phänomene, die eine Person im Arbeitsprozess nutzt. Sie versorgen eine Person mit Nahrung, Kleidung und Unterkunft. Je nach Erschöpfungsgrad werden sie eingeteilt erschöpfbar und unerschöpflich . Erschöpfbar Ressourcen sind unterteilt in verlängerbar Und nicht erneuerbar . Zu den nicht erneuerbaren Ressourcen zählen jene Ressourcen, die nicht regeneriert werden (oder sich hunderte Male langsamer erneuern als sie verbraucht werden): Öl, Kohle, Metallerze und die meisten Mineralien. Erneuerbare natürliche Ressourcen – Boden, Flora und Fauna, Mineralien (Speisesalz). Diese Ressourcen werden ständig wiederhergestellt mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten: Tiere - mehrere Jahre, Wälder - 60-80 Jahre, Böden, die ihre Fruchtbarkeit verloren haben - mehrere tausend Jahre. Ein Überschreiten der Verbrauchsrate gegenüber der Reproduktionsrate führt zum vollständigen Verschwinden der Ressource.

Unerschöpflich Zu den Ressourcen gehören Wasser, Klima (atmosphärische Luft und Windenergie) und Weltraum: Sonnenstrahlung, Energie der Meeresgezeiten. Die zunehmende Umweltverschmutzung erfordert jedoch die Umsetzung von Umweltmaßnahmen zur Schonung dieser Ressourcen.

Die Befriedigung menschlicher Bedürfnisse ist ohne die Ausbeutung natürlicher Ressourcen undenkbar.

Alle Arten menschlicher Aktivitäten in der Biosphäre lassen sich in vier Formen zusammenfassen.

1. Veränderungen in der Struktur der Erdoberfläche(Land pflügen, Gewässer entwässern, Wälder abholzen, Kanäle bauen). Die Menschheit wird zu einer mächtigen geologischen Kraft. Der Mensch nutzt 75 % des Landes, 15 % des Flusswassers, jede Minute werden 20 Hektar Wald abgeholzt.

· Geologische und geomorphologische Veränderungen – Intensivierung der Prozesse der Schluchtenbildung, Auftreten und Häufigkeit von Murgängen und Erdrutschen.

· Komplexe (Landschafts-)Veränderungen – Verletzung der Integrität und natürlichen Struktur von Landschaften, der Einzigartigkeit von Naturdenkmälern, Verlust von produktivem Land, Wüstenbildung.