چرخه زمین شناسی مواد توسط برهمکنش تعیین می شود. چرخه های بیولوژیکی و زمین شناسی

بیوسفر زمین با چرخه خاصی از مواد و جریان انرژی مشخص می شود. چرخه مواد مشارکت مکرر مواد در فرآیندهایی است که در جو، هیدروسفر و لیتوسفر رخ می دهد، از جمله لایه هایی که بخشی از بیوسفر زمین هستند. گردش ماده با تامین مداوم انرژی خارجی از خورشید و انرژی داخلی از زمین اتفاق می افتد.

بسته به نیروی محرکه، در چرخه مواد می توان چرخه های زمین شناسی (چرخه بزرگ)، بیولوژیکی (بیوژئوشیمیایی، چرخه کوچک) و انسان زایی را تشخیص داد.

چرخه زمین شناسی (چرخه بزرگ مواد در بیوسفر)

این چرخه ماده را بین بیوسفر و افق های عمیق تر زمین توزیع می کند. نیروی محرکه این فرآیند فرآیندهای زمین‌شناسی برون‌زا و درون‌زا هستند. فرآیندهای درون زا تحت تأثیر انرژی داخلی زمین رخ می دهند. این انرژی است که در نتیجه پوسیدگی رادیواکتیو، واکنش های شیمیایی تشکیل مواد معدنی و غیره آزاد می شود. این فرآیندها منجر به تشکیل لندفرم های بزرگ (قاره ها، حوضه های اقیانوسی، کوه ها و دشت ها) می شود. فرآیندهای برون زا تحت تأثیر انرژی خارجی از خورشید رخ می دهد. اینها شامل فعالیت های زمین شناسی جو، هیدروسفر، موجودات زنده و انسان است. این فرآیندها منجر به صاف شدن اشکال بزرگ برجسته می شود ( دره های رودخانه، تپه ها، دره ها و غیره).

چرخه زمین شناسی برای میلیون ها سال ادامه دارد و شامل این واقعیت است که سنگ ها در معرض تخریب و فرآورده های هوازدگی (از جمله موارد محلول در آب) هستند. مواد مغذی) توسط جریان های آب به اقیانوس جهانی منتقل می شوند، جایی که لایه های دریایی را تشکیل می دهند و تنها تا حدی با بارش به خشکی باز می گردند. تغییرات ژئوتکتونیکی، فرآیندهای فرونشست قاره و بالا آمدن بستر دریاها، حرکت دریاها و اقیانوس ها در مدت زمان طولانی منجر به این واقعیت می شود که این لایه ها به خشکی باز می گردند و روند دوباره آغاز می شود. نماد این چرخه از مواد یک مارپیچ است نه یک دایره، زیرا چرخه جدید دقیقاً چرخه قدیمی را تکرار نمی کند، بلکه چیز جدیدی را معرفی می کند.

چرخه بزرگ به چرخه آب (چرخه هیدرولوژیکی) بین خشکی و اقیانوس از طریق جو اشاره دارد (شکل 3.2).

چرخه آب در کل نقش مهمی در شکل دادن به شرایط طبیعی سیاره ما دارد. با در نظر گرفتن تعرق آب توسط گیاهان و جذب آن در چرخه بیوژئوشیمیایی، کل ذخایر آب روی زمین شکسته شده و در عرض 2 میلیون سال بازسازی می شود.

برنج. 3. 2. چرخه آب در بیوسفر.

در چرخه هیدرولوژیکی، تمام قسمت های هیدروسفر به هم مرتبط هستند. سالانه بیش از 500 هزار کیلومتر مکعب آب در آن مشارکت دارد. نیروی محرکه این فرآیند انرژی خورشیدی است. تحت تأثیر انرژی خورشیدی، مولکول های آب گرم می شوند و به شکل گاز به اتمسفر می روند (روزانه تبخیر می شوند - 875 کیلومتر مکعب آب شیرین). با بالا آمدن آنها به تدریج سرد، متراکم شده و ابر تشکیل می دهند. پس از سرد شدن کافی، ابرها آب را به شکل آزاد می کنند بارش های مختلفسقوط دوباره به اقیانوس آبی که به زمین می رسد می تواند دو مسیر متفاوت را طی کند: یا خیساندن در خاک (نفوذ) یا جاری شدن از طریق آن (رواناب سطحی). در سطح، آب به نهرها و رودخانه‌ها می‌ریزد که به سمت اقیانوس یا مکان‌های دیگری که تبخیر رخ می‌دهد، می‌رود. آب جذب شده در خاک را می توان در لایه های بالایی آن (افق ها) حفظ کرد و از طریق تعرق به جو بازگرداند. چنین آبی مویرگی نامیده می شود. آبی که توسط نیروی گرانش منتقل می شود و از طریق منافذ و شکاف ها به پایین نفوذ می کند، جاذبه نامیده می شود. آب جاذبه به درون یک لایه غیر قابل نفوذ از سنگ یا خاک رس متراکم نفوذ می کند و تمام فضاهای خالی را پر می کند. چنین ذخایری را آب زیرزمینی می نامند و حد بالایی آنها سطح آب زیرزمینی است. لایه‌های زیرزمینی سنگ که آب‌های زیرزمینی به آرامی از میان آن‌ها عبور می‌کنند، سفره‌های زیرزمینی نامیده می‌شوند. تحت تأثیر گرانش، آب های زیرزمینی از طریق سفره زیرزمینی حرکت می کنند تا زمانی که "راهی برای خروج" پیدا کنند (به عنوان مثال، تشکیل چشمه های طبیعی که دریاچه ها، رودخانه ها، حوضچه ها را تغذیه می کنند، به عنوان مثال، آنها بخشی از آب های سطحی می شوند). بنابراین، چرخه آب شامل سه "حلقه" اصلی است: رواناب سطحی، تبخیر- تعرق، و آب های زیرزمینی. چرخه آب روی زمین سالانه بیش از 500 هزار کیلومتر مکعب آب را در بر می گیرد و نقش عمده ای در شکل گیری شرایط طبیعی دارد.

چرخه بیولوژیکی (بیوژئوشیمیایی).

(چرخه کوچک مواد در بیوسفر)

نیروی پیشران چرخه بیولوژیکیمواد فعالیت موجودات زنده است. این بخشی از یک بزرگتر است و در بیوسفر در سطح اکوسیستم رخ می دهد. چرخه کوچک شامل این واقعیت است که مواد مغذی، آب و کربن در ماده گیاهان (اتوتروف ها) جمع می شوند و صرف ساختن بدن و فرآیندهای زندگی گیاهان و سایر موجودات (معمولاً حیوانات - هتروتروف) می شوند که این گیاهان را می خورند. محصولات پوسیدگی مواد آلی تحت تأثیر تجزیه کننده ها و میکروارگانیسم ها (باکتری ها، قارچ ها، کرم ها) دوباره به اجزای معدنی تجزیه می شوند. این مواد معدنی می توانند برای سنتز مواد آلی توسط اتوتروف ها مجددا استفاده شوند.

در چرخه های بیوژئوشیمیایی، بین صندوق ذخیره (موادی که با موجودات زنده مرتبط نیستند) و صندوق مبادله (موادی که با مبادله مستقیم بین ارگانیسم ها و محیط نزدیک آنها مرتبط می شوند) تمایز قائل می شوند.

بسته به محل صندوق ذخیره، چرخه های بیوژئوشیمیایی به دو نوع تقسیم می شوند:

چرخه های گازی با صندوق ذخیره ای از مواد موجود در جو و هیدروسفر (چرخه های کربن، اکسیژن، نیتروژن).

چرخه های رسوبی با صندوق ذخیره در پوسته زمین (چرخه های فسفر، کلسیم، آهن و غیره).

گردش های گازی با داشتن صندوق مبادله ای بزرگ، کامل تر هستند. و علاوه بر این، آنها قادر به تنظیم سریع خود هستند. چرخه های رسوبی کمتر کامل هستند، آنها بی اثر تر هستند، زیرا بخش عمده ای از ماده در صندوق ذخیره موجود است. پوسته زمینبه شکلی غیرقابل دسترس برای موجودات زنده. چنین چرخه هایی به راحتی توسط انواع مختلف تأثیرات مختل می شوند و بخشی از مواد مبادله شده از چرخه خارج می شود. فقط در نتیجه می تواند به چرخه بازگردد فرآیندهای زمین شناسییا با استخراج توسط ماده زنده.

شدت چرخه بیولوژیکی توسط دما تعیین می شود محیطو مقدار آب به عنوان مثال، چرخه بیولوژیکی در هوای مرطوب با شدت بیشتری پیش می رود جنگل های استوایینسبت به تندرا

چرخه مواد مغذی و عناصر اساسی

چرخه کربن

تمام زندگی روی زمین بر پایه کربن است. هر مولکول یک موجود زنده بر اساس یک اسکلت کربن ساخته شده است. اتم های کربن دائماً از یک قسمت بیوسفر به قسمت دیگر مهاجرت می کنند (شکل 3. 3.).

برنج. 3. 3. چرخه کربن.

ذخایر اصلی کربن روی زمین به شکل دی اکسید کربن (CO2) موجود در جو و محلول در اقیانوس ها است. گیاهان در طول فتوسنتز مولکول های دی اکسید کربن را جذب می کنند. در نتیجه، اتم کربن به انواع ترکیبات آلی تبدیل می شود و در نتیجه در ساختار گیاهان گنجانده می شود. چندین گزینه در زیر وجود دارد:

· بقایای کربن در گیاهان ® مولکول های گیاهی به عنوان غذا برای تجزیه کننده ها (جاندارانی که از مواد آلی مرده تغذیه می کنند و در عین حال آن را به ترکیبات معدنی ساده تجزیه می کنند) استفاده می شود. ® کربن به عنوان CO2 به جو باز می گردد.

· گیاهان توسط گیاهخواران خورده می شوند. کربن در طی تنفس حیوانات و در طی تجزیه آنها پس از مرگ به اتمسفر بازگردانده می شود. یا گیاهخواران توسط گوشتخواران خورده می شوند و سپس کربن دوباره به همان روش ها به جو باز می گردد.

· گیاهان پس از مرگ به سوخت های فسیلی تبدیل می شوند (مثلاً زغال سنگ) ® کربن پس از استفاده از سوخت، فوران های آتشفشانی و سایر فرآیندهای زمین گرمایی به جو باز می گردد.

اگر مولکول CO2 اصلی در آن حل شود آب دریاچندین گزینه نیز امکان پذیر است: دی اکسید کربن به سادگی می تواند به جو بازگردد (این نوع تبادل گاز متقابل بین اقیانوس جهانی و جو دائما اتفاق می افتد). کربن می تواند وارد بافت شود گیاهان دریایییا حیوانات، سپس به تدریج به صورت رسوبات در کف اقیانوس ها جمع می شود و در نهایت به سنگ آهک تبدیل می شود یا از رسوبات دوباره به آب دریا منتقل می شود.

سرعت چرخه CO2 حدود 300 سال است.

مداخله انسان در چرخه کربن (احتراق زغال سنگ، نفت، گاز، رطوبت زدایی) منجر به افزایش محتوای CO2 در جو و توسعه می شود. اثر گلخانه ای. تحقیقات در مورد چرخه کربن در حال حاضر تبدیل شده است وظیفه مهمبرای دانشمندانی که جو را مطالعه می کنند.

چرخه اکسیژن

اکسیژن فراوان ترین عنصر روی زمین است (آب دریا حاوی 85.82 درصد اکسیژن است. هوای جوی 23.15٪، در پوسته زمین 47.2٪. ترکیبات اکسیژن برای حفظ زندگی ضروری هستند (بازی نقش حیاتیدر فرآیندهای متابولیک و تنفس، بخشی از پروتئین ها، چربی ها، کربوهیدرات هایی است که ارگانیسم ها از آنها "ساخته می شوند"). جرم اصلی اکسیژن در حالت محدود است (مقدار اکسیژن مولکولی موجود در اتمسفر تنها 0.01٪ از محتوای کلیاکسیژن در پوسته زمین).

از آنجایی که اکسیژن در بسیاری از افراد یافت می شود ترکیبات شیمیاییگردش آن در بیوسفر بسیار پیچیده است و عمدتاً بین جو و موجودات زنده اتفاق می افتد. غلظت اکسیژن در جو توسط فتوسنتز حفظ می شود، در نتیجه گیاهان سبز، تحت تأثیر نور خورشید، دی اکسید کربن و آب را به کربوهیدرات و اکسیژن تبدیل می کنند. بخش عمده ای از اکسیژن توسط گیاهان خشکی تولید می شود - تقریبا ¾، بقیه - توسط موجودات فتوسنتزی اقیانوس جهانی. یک منبع قدرتمنداکسیژن همچنین تجزیه فتوشیمیایی بخار آب در لایه های بالایی جو تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش خورشید است. علاوه بر این، اکسیژن مهمترین چرخه را تکمیل می کند و وارد ترکیب آب می شود. نه مقدار قابل توجهیاکسیژن از ازن تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش تشکیل می شود.

سرعت چرخه اکسیژن حدود 2 هزار سال است.

جنگل زدایی، فرسایش خاک، و استخراج مختلف سطحی، جرم کل فتوسنتز را کاهش می دهد و چرخه اکسیژن را در مناطق وسیع کاهش می دهد. علاوه بر این، 25 درصد از اکسیژن تولید شده در نتیجه جذب سالانه برای نیازهای صنعتی و خانگی مصرف می شود.

چرخه نیتروژن

چرخه نیتروژن بیوژئوشیمیایی، مانند چرخه های قبلی، تمام مناطق بیوسفر را در بر می گیرد (شکل 3.4).

برنج. 3. 4. چرخه نیتروژن.

نیتروژن در آن گنجانده شده است اتمسفر زمینبه شکل غیر متصل به شکل مولکول های دو اتمی (تقریباً 78٪ از حجم کل اتمسفر را نیتروژن تشکیل می دهد). علاوه بر این، نیتروژن به صورت پروتئین در گیاهان و موجودات جانوری وجود دارد. گیاهان با جذب نیترات از خاک، پروتئین ها را سنتز می کنند. نیترات ها در آنجا از ترکیبات نیتروژن و آمونیوم جوی موجود در خاک تشکیل می شوند. فرآیند تبدیل نیتروژن اتمسفر به شکلی قابل استفاده توسط گیاهان و حیوانات را تثبیت نیتروژن می نامند. هنگامی که مواد آلی پوسیده می شوند، بخش قابل توجهی از نیتروژن موجود در آنها به آمونیاک تبدیل می شود که تحت تأثیر باکتری های نیتریف کننده ساکن در خاک، سپس اکسید می شود. اسید نیتریک. این اسید در واکنش با کربنات های موجود در خاک (به عنوان مثال کربنات کلسیم CaCO3)، نیترات ها را تشکیل می دهد. مقداری از نیتروژن همیشه در هنگام فروپاشی به صورت آزاد در جو آزاد می شود. علاوه بر این، نیتروژن آزاد در هنگام احتراق مواد آلی، هنگام سوزاندن چوب، آزاد می شود. زغال سنگ، ذغال سنگ نارس علاوه بر این، باکتری هایی وجود دارند که در صورت عدم دسترسی کافی به هوا، می توانند اکسیژن را از نیترات ها گرفته و آنها را از بین ببرند و نیتروژن آزاد آزاد کنند. فعالیت باکتری‌های نیتروژن‌زدایی منجر به این واقعیت می‌شود که بخشی از نیتروژن از شکل موجود برای گیاهان سبز (نیترات‌ها) غیرقابل دسترس می‌شود (نیتروژن آزاد). بنابراین، تمام نیتروژنی که بخشی از گیاهان مرده بود به خاک باز نمی گردد (بعضی از آن به تدریج به شکل آزاد آزاد می شود).

فرآیندهایی که تلفات نیتروژن را جبران می کنند، اول از همه، تخلیه های الکتریکی در اتمسفر است که همیشه مقدار مشخصی اکسید نیتروژن تولید می کند (این دومی با آب، اسید نیتریک تولید می کند که در خاک به نیترات تبدیل می شود). منبع دیگر پر کردن ترکیبات نیتروژن خاک، فعالیت حیاتی به اصطلاح آزوتوباکتری ها است که قادر به جذب نیتروژن اتمسفر هستند. برخی از این باکتری ها روی ریشه گیاهان از خانواده حبوبات می نشینند و باعث ایجاد تورم های مشخص - گره می شوند. باکتری های ندول با جذب نیتروژن اتمسفر، آن را به ترکیبات نیتروژن پردازش می کنند و گیاهان نیز به نوبه خود، دومی را به پروتئین و سایر مواد پیچیده تبدیل می کنند. بنابراین، یک چرخه نیتروژن پیوسته در طبیعت رخ می دهد.

با توجه به اینکه هر ساله با برداشت محصول، غنی‌ترین بخش‌های پروتئینی گیاهان (به عنوان مثال غلات) از مزارع حذف می‌شوند، خاک برای جبران تلفات موجود در آن نیاز به استفاده از کود دارد. عناصر ضروریتغذیه گیاه به طور عمده از نیترات کلسیم (Ca(NO)2)، نیترات آمونیوم (NH4NO3)، نیترات سدیم (NANO3) و نیترات پتاسیم (KNO3) استفاده می شود. همچنین به جای کودهای شیمیایی از خود گیاهان خانواده حبوبات استفاده می شود. اگر مقدار کودهای نیتروژن مصنوعی به خاک بیش از حد زیاد باشد، نیترات ها نیز وارد بدن انسان می شوند و می توانند به نیتریت تبدیل شوند که بسیار سمی هستند و می توانند باعث سرطان شوند.

چرخه فسفر

بخش عمده فسفر در آن موجود است سنگ هاآه، در دوره های زمین شناسی گذشته شکل گرفته است. محتوای فسفر در پوسته زمین از 8 - 10 تا 20٪ (از نظر وزن) متغیر است و در اینجا به شکل مواد معدنی (فلوراپاتیت، کلراپاتیت و غیره) یافت می شود که بخشی از فسفات های طبیعی - آپاتیت ها و فسفریت ها هستند. فسفر می تواند در نتیجه هوازدگی سنگ وارد چرخه بیوژئوشیمیایی شود. فرآیندهای فرسایش فسفر را به شکل کانی آپاتیت به دریا منتقل می کنند. موجودات زنده نقش مهمی در تبدیل فسفر دارند. موجودات زنده فسفر را از خاک و محلول های آبی استخراج می کنند. سپس فسفر از طریق زنجیره های غذایی منتقل می شود. با مرگ موجودات، فسفر به خاک و گل دریا باز می گردد و به صورت رسوبات فسفات دریایی متمرکز می شود که به نوبه خود شرایطی را برای ایجاد سنگ های غنی از فسفر ایجاد می کند (شکل 3. 5.).

برنج. 3.5. چرخه فسفر در بیوسفر (طبق نظر P. Duvigneau, M. Tang, 1973؛ با اصلاحات).

در صورت استفاده نادرست از کودهای فسفر در اثر فرسایش آبی و بادی (تخریب تحت تأثیر آب یا باد)، مقدار زیادی فسفر از خاک خارج می شود. این امر از یک طرف منجر به مصرف بیش از حد کودهای فسفر و تخلیه ذخایر سنگ معدنی حاوی فسفر می شود.

از طرف دیگر، افزایش محتوافسفر در آبراه های انتقال آن باعث افزایش سریع زیست توده می شود گیاهان دریایی، "شکوفایی بدنه های آبی" و اوتروفیکاسیون آنها (غنی سازی در مواد مغذی).

از آنجایی که گیاهان مقدار قابل توجهی فسفر را از خاک حذف می کنند و تجدید طبیعی ترکیبات فسفر در خاک بسیار ناچیز است، استفاده از کودهای فسفر به خاک یکی از مهمترین اقدامات برای افزایش بهره وری است. سالانه حدود 125 میلیون تن سنگ فسفات در جهان استخراج می شود. بیشتر آن صرف تولید کودهای فسفاته می شود.

چرخه گوگرد

صندوق ذخیره اصلی گوگرد در رسوبات، خاک و جو قرار دارد. نقش اصلیدر دخالت گوگرد در چرخه بیوژئوشیمیایی متعلق به میکروارگانیسم ها است. برخی از آنها عوامل کاهنده، برخی دیگر عوامل اکسید کننده هستند (شکل 3. 6.).

برنج. 3. 6. چرخه گوگرد (طبق نظر Yu. Odum، 1975).

در طبیعت در مقادیر زیادسولفیدهای مختلفی از آهن، سرب، روی و غیره شناخته شده است.گوگرد سولفید در بیوسفر اکسید می شود و به گوگرد سولفاتی تبدیل می شود. سولفات ها توسط گیاهان جذب می شوند. گوگرد در موجودات زنده بخشی از اسیدهای آمینه و پروتئین ها و در گیاهان نیز بخشی از روغن ضروریو غیره. فرآیندهای تخریب بقایای ارگانیسم ها در خاک و گل دریا با دگرگونی های پیچیده گوگرد همراه است (میکروارگانیسم ها ترکیبات گوگردی میانی متعددی ایجاد می کنند). پس از مرگ موجودات زنده، بخشی از گوگرد در خاک توسط میکروارگانیسم ها به H2S تبدیل می شود، قسمت دیگر به سولفات اکسید می شود و دوباره وارد چرخه می شود. هیدروژن سولفید حاصل در اتمسفر اکسید شده و با بارش به خاک باز می گردد. علاوه بر این، سولفید هیدروژن می تواند سولفیدهای "ثانویه" را دوباره تشکیل دهد و گوگرد سولفات باعث ایجاد گچ می شود. به نوبه خود، سولفیدها و گچ دوباره از بین می روند و گوگرد مهاجرت خود را از سر می گیرد.

علاوه بر این، گوگرد به شکل SO2، SO3، H2S و گوگرد عنصری توسط آتشفشان ها در جو آزاد می شود.

چرخه گوگرد می تواند با دخالت انسان مختل شود. دلیل این امر احتراق زغال سنگ و گازهای گلخانه ای است صنایع شیمیایی، منجر به تشکیل دی اکسید گوگرد می شود که فرآیندهای فتوسنتز را مختل می کند و منجر به مرگ پوشش گیاهی می شود.

بنابراین، چرخه های بیوژئوشیمیایی هموستاز بیوسفر را تضمین می کند. با این حال، آنها تا حد زیادی در معرض نفوذ انسان هستند. و یکی از قوی ترین اقدامات ضد اکولوژیکی انسان با اختلال و حتی تخریب چرخه های طبیعی (بی چرخه می شوند) همراه است.

چرخه انسان زایی

نیروی محرکه چرخه انسان زایی فعالیت انسان است. این چرخه شامل دو جزء است: بیولوژیکی، مرتبط با عملکرد انسان به عنوان یک موجود زنده، و فنی، مرتبط با فعالیت اقتصادیاز مردم. چرخه انسان زایی، بر خلاف هر دو چرخه زمین شناسی و بیولوژیکی، بسته نیست. این عدم بسته شدن باعث خستگی می شود منابع طبیعیو آلودگی محیط زیست

صفحه 1

چرخه زمین شناسی بزرگ، سنگ های رسوبی را به عمق پوسته زمین می کشد و عناصری که در آنها وجود دارد را برای همیشه از سیستم گردش بیولوژیکی حذف می کند. در حین تاریخ زمین شناسیسنگ های رسوبی تبدیل شده، بار دیگر بر روی سطح زمین، به تدریج در اثر فعالیت موجودات زنده، آب و هوا از بین می روند و دوباره در چرخه زیست کره قرار می گیرند.

چرخه بزرگ زمین شناسی طی صدها هزار یا میلیون ها سال رخ می دهد. به شرح زیر است: سنگ ها در معرض تخریب، هوازدگی هستند و در نهایت توسط جریان های آب به اقیانوس جهانی شسته می شوند. در اینجا آنها در کف رسوب می کنند و رسوب تشکیل می دهند و تنها تا حدی با ارگانیسم هایی که توسط انسان یا سایر حیوانات از آب خارج شده اند به خشکی باز می گردند.

اساس چرخه بزرگ زمین شناسی فرآیند انتقال ترکیبات معدنی از مکانی به مکان دیگر در مقیاس سیاره ای بدون مشارکت ماده زنده است.

علاوه بر چرخه کوچک، یک چرخه زمین شناسی بزرگ نیز وجود دارد. برخی از مواد وارد لایه های عمیق زمین می شوند (از طریق رسوبات پاییندریاها یا غیر آن)، که در آن دگرگونی های آهسته با تشکیل ترکیبات مختلف معدنی و آلی رخ می دهد. فرآیندهای چرخه زمین شناسی عمدتاً توسط انرژی داخلی زمین، هسته فعال آن پشتیبانی می شود. همین انرژی به انتشار مواد به سطح زمین کمک می کند. بنابراین، چرخه بزرگ مواد بسته می شود. میلیون ها سال طول می کشد.

با توجه به سرعت و شدت چرخه بزرگ زمین شناسی مواد، در حال حاضر ارائه هیچ داده دقیقی غیرممکن است؛ فقط تخمین های تقریبی وجود دارد و سپس فقط برای مولفه برون زا چرخه کلی، یعنی. بدون در نظر گرفتن هجوم ماده از گوشته به پوسته زمین.

این کربن در چرخه بزرگ زمین شناسی شرکت می کند. این کربن در فرآیند چرخه زیستی کوچک، تعادل گازی زیست کره و به طور کلی زندگی را حفظ می کند.

رواناب جامد از برخی رودخانه های جهان.

سهم بیوسفر و اجزای تکنوسفر در چرخه بزرگ زمین شناسی مواد زمین بسیار قابل توجه است: به دلیل گسترش دامنه فعالیت های تولید انسان، رشد مداوم اجزای تکنوسفر وجود دارد.

از آن به بعد سطح زمینجریان اصلی تکنوژئوشیمیایی در چارچوب یک چرخه زمین شناسی بزرگ از مواد برای 70٪ از زمین به اقیانوس و برای 30٪ به سمت فرورفتگی های بسته بدون زهکش هدایت می شود، اما همیشه از ارتفاعات بالاتر به ارتفاعات پایین تر هدایت می شود. با اثر نیروهای گرانشی، مواد پوسته زمین بر این اساس از ارتفاعات بالا به ارتفاعات پایین، از خشکی به اقیانوس متمایز می شود. جریان های معکوس (حمل و نقل جوی، فعالیت های انسانی، حرکات تکتونیکی، آتشفشان، مهاجرت موجودات) تا حدی این حرکت عمومی رو به پایین ماده را پیچیده می کند و محلی را ایجاد می کند. چرخه های مهاجرت، اما آن را به طور کلی تغییر ندهید.

گردش آب بین خشکی و اقیانوس از طریق جو بخشی از چرخه بزرگ زمین شناسی است. آب از سطح اقیانوس ها تبخیر می شود و یا به خشکی منتقل می شود و در آنجا به صورت نزولات جوی می ریزد که به صورت رواناب سطحی و زیرزمینی به اقیانوس برمی گردد یا به صورت نزولات جوی روی سطح اقیانوس می ریزد. سالانه بیش از 500 هزار کیلومتر مکعب آب در چرخه آب روی زمین شرکت می کند. چرخه آب در کل نقش مهمی در شکل دادن به شرایط طبیعی سیاره ما دارد. با در نظر گرفتن تعرق آب توسط گیاهان و جذب آن در چرخه بیوژئوشیمیایی، کل ذخایر آب روی زمین شکسته شده و در عرض 2 میلیون سال بازسازی می شود.

طبق فرمول او، چرخه بیولوژیکی مواد در بخشی از مسیر یک چرخه بزرگ و زمین شناسی مواد در طبیعت ایجاد می شود.

انتقال ماده توسط سطح و آب های زیرزمینی- این عامل اصلی در تمایز زمین است کره زمیناز نظر ژئوشیمیایی، اما نه تنها، و اگر در مورد چرخه زمین شناسی بزرگ مواد در سطح زمین به طور کلی صحبت کنیم، جریان ها نقش بسیار مهمی در آن ایفا می کنند، به ویژه حمل و نقل اقیانوسی و جوی.

با توجه به سرعت و شدت چرخه بزرگ زمین شناسی مواد، در حال حاضر ارائه هیچ گونه داده دقیق غیرممکن است؛ فقط تخمین های تقریبی وجود دارد، و سپس فقط برای مولفه بیرونی چرخه کلی، یعنی. بدون در نظر گرفتن هجوم ماده از گوشته به پوسته زمین. جزء برون زا چرخه بزرگ زمین شناسی مواد یک فرآیند دائماً مداوم برهنه شدن سطح زمین است.

برای اینکه زیست کره به وجود خود ادامه دهد، به طوری که حرکت (توسعه) آن متوقف نشود، گردش مواد مهم بیولوژیکی باید دائماً در زمین اتفاق بیفتد. این انتقال مواد مهم بیولوژیکی از پیوندی به پیوند دیگر تنها می تواند با مصرف انرژی معینی انجام شود که منبع آن خورشید است.

انرژی خورشیدی دو چرخه از مواد را در زمین فراهم می کند:

- چرخه زمین شناسی (غیر زیستی) یا بزرگ.

- چرخه بیولوژیکی (زیستی) یا کوچک.

چرخه زمین شناسی به وضوح در چرخه آب و گردش اتمسفر آشکار می شود.

زمین تقریباً سالانه 21 10 20 کیلوژول انرژی تابشی از خورشید دریافت می کند. حدود نیمی از آن صرف تبخیر آب می شود. این همان چیزی است که باعث چرخه بزرگ می شود.

چرخه آب در بیوسفر بر این واقعیت استوار است که تبخیر کل آن از سطح زمین با بارش جبران می شود. در همان زمان، آب بیشتری از اقیانوس تبخیر می شود تا با بارندگی. برعکس، در خشکی، بارندگی بیشتر از تبخیر آب است. مازاد آن به رودخانه ها و دریاچه ها و از آنجا دوباره به اقیانوس می ریزد.

در فرآیند چرخه زمین شناسی آب، ترکیبات معدنی از یک مکان به مکان دیگر در مقیاس سیاره ای منتقل می شوند و وضعیت کل آب نیز تغییر می کند (مایع، جامد - برف، یخ، گازی - بخار). آب به شدت در حالت بخار گردش می کند.

با ظهور ماده زنده بر اساس گردش جو، آب، ترکیبات معدنی محلول در آن، یعنی. بر اساس چرخه غیر زنده، زمین شناسی، چرخه ای از مواد آلی، یا کوچک، به وجود آمد، چرخه بیولوژیکی.

با رشد مواد زنده، عناصر بیشتری به طور مداوم از چرخه زمین شناسی استخراج می شوند و وارد چرخه زیستی جدید می شوند.

برخلاف انتقال و حرکت ساده عناصر معدنی در چرخه بزرگ (زمین شناسی)، در چرخه کوچک (بیولوژیکی) بیشترین نکات مهمسنتز و تخریب ترکیبات آلی هستند. این دو فرآیند در یک رابطه مشخص هستند که زیربنای زندگی است و یکی از ویژگی های اصلی آن را تشکیل می دهد.

برخلاف چرخه زمین شناسی، چرخه بیولوژیکی انرژی کمتری دارد. همانطور که مشخص است، تنها 0.1-0.2٪ از انرژی خورشیدی روی زمین صرف ایجاد مواد آلی می شود (تا 50٪ برای چرخه زمین شناسی). با وجود این، انرژی درگیر در چرخه بیولوژیکی صرف کار عظیم ایجاد تولید اولیه روی زمین می شود.

با ظهور ماده زنده روی زمین عناصر شیمیاییبه طور مداوم در بیوسفر گردش می کنند، از محیط خارجیبه موجودات زنده و بازگشت به محیط خارجی.

چنین گردش عناصر شیمیایی در طول مسیرهای کم و بیش بسته که با استفاده از انرژی خورشیدی از طریق موجودات زنده رخ می دهد، نامیده می شود. چرخه (چرخه) بیوژئوشیمیایی.

چرخه های اصلی بیوژئوشیمیایی چرخه های اکسیژن، کربن، نیتروژن، فسفر، گوگرد، آب و مواد مغذی هستند.

چرخه کربن.

در خشکی، چرخه کربن با تثبیت دی اکسید کربن توسط گیاهان در طول فتوسنتز آغاز می شود. سپس کربوهیدرات ها از دی اکسید کربن تشکیل شده و آب و اکسیژن آزاد می شود. در این حالت کربن در طی تنفس گیاه تا حدی به صورت دی اکسید کربن آزاد می شود. کربن ثابت شده در گیاهان تا حدی توسط حیوانات مصرف می شود. حیوانات نیز هنگام نفس کشیدن دی اکسید کربن آزاد می کنند. حیوانات و گیاهان مرده توسط میکروارگانیسم ها تجزیه می شوند و باعث می شوند که کربن موجود در مواد آلی مرده به دی اکسید کربن اکسید شده و دوباره به اتمسفر آزاد شود.

چرخه کربن مشابهی در اقیانوس اتفاق می افتد.

چرخه نیتروژن

چرخه نیتروژن، مانند سایر چرخه های بیوژئوشیمیایی، تمام مناطق بیوسفر را در بر می گیرد. چرخه نیتروژن با تبدیل آن به نیترات به دلیل فعالیت باکتری های تثبیت کننده نیتروژن و نیتروژن همراه است. نیترات ها توسط گیاهان از خاک یا آب جذب می شوند. گیاهان توسط حیوانات خورده می شوند. در نهایت، تجزیه کننده ها نیتروژن را دوباره به شکل گاز تبدیل می کنند و آن را دوباره به جو آزاد می کنند.

در شرایط مدرن، انسان با رشد حبوبات تثبیت کننده نیتروژن در مناطق وسیع و تثبیت مصنوعی نیتروژن طبیعی، در چرخه نیتروژن مداخله کرده است. تصور می‌شود که کشاورزی و صنعت تقریباً 60 درصد نیتروژن ثابت بیشتری نسبت به اکوسیستم‌های طبیعی زمینی فراهم می‌کنند.

چرخه نیتروژن مشابهی در محیط آبی مشاهده می شود.

چرخه فسفر

برخلاف کربن و نیتروژن، ترکیبات فسفر در سنگ ها یافت می شود که باعث فرسایش و آزادسازی فسفات می شوند. بیشتر آنها به دریاها و اقیانوس ها ختم می شوند و می توانند تا حدی از طریق زنجیره های غذایی دریایی که به پرندگان ماهی خوار ختم می شود به خشکی بازگردانده شوند. برخی از فسفات ها وارد خاک می شوند و توسط ریشه گیاه جذب می شوند. جذب فسفر توسط گیاهان به اسیدیته محلول خاک بستگی دارد: با افزایش اسیدیته، فسفات های نامحلول در آب به اسید فسفریک بسیار محلول تبدیل می شوند. سپس گیاهان توسط حیوانات خورده می شوند.

حلقه های اصلی در چرخه های بیوژئوشیمیایی موجودات مختلفی هستند که تنوع اشکال آنها شدت چرخه ها و دخالت تقریباً تمام عناصر پوسته زمین در آنها را تعیین می کند.

به طور کلی، هر چرخه هر عنصر شیمیایی بخشی از چرخه کلی مواد روی زمین است، یعنی. آنها از نزدیک مرتبط هستند.

تمام مواد روی سیاره ما در حال گردش هستند. انرژی خورشیدی باعث ایجاد دو چرخه مواد روی زمین می شود، بزرگ یا بیوسفر (که کل بیوسفر را در بر می گیرد) و کوچک یا بیولوژیکی (در داخل اکوسیستم).

گردش بیوسفر مواد با یک زمین شناسی همراه بود که با تشکیل و تخریب سنگ ها و حرکت متعاقب آن محصولات تخریب - مواد آواری و عناصر شیمیایی مرتبط بود. خواص حرارتی سطح زمین و آب نقش مهمی در این فرآیندها ایفا کرده و دارند: جذب در بازتاب. اشعه های خورشیدهدایت حرارتی به ظرفیت گرمایی. آب انرژی خورشیدی بیشتری را جذب می کند و سطح زمین در همان عرض های جغرافیایی بیشتر گرم می شود. رژیم هیدروترمال ناپایدار سطح زمین، همراه با سیستم گردش جوی سیاره ای، گردش زمین شناسی مواد را تعیین می کند، که در مرحله اولیه توسعه زمین، همراه با فرآیندهای درون زا، با شکل گیری قاره ها، اقیانوس ها و ژئوسفرهای مدرن همراه بود. تجلی زمین شناسی آن نیز با انتقال آن مشخص می شود توده های هوامحصولات هوازدگی و آب - ترکیبات معدنی حل شده در آن. با تشکیل بیوسفر، مواد زائد موجودات زنده در چرخه بزرگ قرار گرفتند. چرخه زمین شناسی، بدون توقف وجود خود، ویژگی های جدیدی به دست آورد: این مرحله اولیه حرکت بیوسفر ماده است. این اوست که موجودات زنده را با مواد مغذی تامین می کند و تا حد زیادی شرایط وجود آنها را تعیین می کند.

چرخه بزرگ مواد در بیوسفر با دو نکته مهم مشخص می شود:

در کل توسعه زمین شناسی زمین انجام شد.

این یک فرآیند سیاره‌ای مدرن است که نقش مهمی در آن دارد پیشرفتهای بعدیزیست کره (رادکویچ، 1983).

بر مرحله مدرنتوسعه انسانی در نتیجه چرخش عالیآلاینده هایی مانند اکسیدهای گوگرد و نیتروژن، گرد و غبار و ناخالصی های رادیواکتیو نیز در فواصل طولانی منتقل می شوند. منطقه بیشترین آلودگی را داشت عرض های جغرافیایی معتدلنیمکره شمالی.

چرخه کوچک یا بیولوژیکی مواد در پس زمینه یک چرخه زمین شناسی بزرگ آشکار می شود و زیست کره را به عنوان یک کل پوشش می دهد. در داخل اکوسیستم رخ می دهد، اما بسته نیست، که با ورود ماده و انرژی به اکوسیستم از بیرون و با انتشار برخی از آنها به چرخه زیست کره همراه است. به همین دلیل، گاهی اوقات مردم نه در مورد چرخه بیولوژیکی، بلکه در مورد تبادل انرژی در اکوسیستم ها و موجودات فردی صحبت می کنند.

گیاهان، حیوانات و پوشش خاکدر زمین تشکیل یک مجتمع سیستم جهانیکه زیست توده را تشکیل می دهد، انرژی خورشیدی، کربن اتمسفر، رطوبت، اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن، فسفر، گوگرد، کلسیم و سایر عناصر دخیل در زندگی موجودات را تشکیل می دهد و دوباره توزیع می کند. گیاهان، حیوانات و میکروارگانیسم‌های محیط آبی منظومه سیاره‌ای دیگری را تشکیل می‌دهند که همان عملکرد مرتبط با انرژی خورشیدی و چرخه بیولوژیکی مواد را انجام می‌دهد.

ماهیت چرخه بیولوژیکی در وقوع دو فرآیند متضاد اما به هم پیوسته نهفته است - ایجاد ماده آلی و تخریب آن. مرحله اولظهور مواد آلی به دلیل فتوسنتز گیاهان سبز است، یعنی. تشکیل این ماده از دی اکسید کربن، آب و ترکیبات معدنی با استفاده از انرژی تابشی خورشید. گیاهان گوگرد، فسفر، کلسیم، پتاسیم، منیزیم، منگنز، سیلیکون، آلومینیوم، مس، روی و سایر عناصر را به صورت محلول از خاک استخراج می کنند. حیوانات گیاهخوار قبلاً ترکیبات این عناصر را به شکل غذای گیاهی جذب می کنند. شکارچیان از گیاهخواران تغذیه می کنند، غذا را بیشتر مصرف می کنند ترکیب پیچیدهاز جمله پروتئین ها، چربی ها، اسیدهای آمینه و غیره. در فرآیند تخریب توسط میکروارگانیسم ها مواد آلی گیاهان مرده و بقایای حیوانی در خاک و محیط آبیترکیبات معدنی ساده ای وارد می شوند که برای جذب توسط گیاهان در دسترس هستند و دور بعدی چرخه بیولوژیکی آغاز می شود.

بر خلاف چرخ دنده بزرگ، چرخ دنده کوچک مدت زمان متفاوتی دارد: چرخ دنده های کوچک فصلی، سالانه، چند ساله و سکولار متمایز می شوند. هنگام مطالعه چرخه بیولوژیکی مواد، توجه اصلی به ریتم سالانه است که توسط پویایی سالانه توسعه پوشش گیاهی تعیین می شود.

چرخه زمین شناسی بزرگ مواد معدنی و آب تحت تأثیر تعداد زیادی از عوامل غیر زنده رخ می دهد.

4.3.1. گردش مواد در چرخه بزرگ زمین شناسی.

طبق نظریه صفحات لیتوسفر، پوسته بیرونی زمین از چندین بلوک (صفحات) بسیار بزرگ تشکیل شده است. این نظریه وجود حرکات افقی صفحات لیتوسفری قدرتمند را با ضخامت 100 تا 150 کیلومتر فرض می کند.

علاوه بر این، در پشته های میانی اقیانوس، به اصطلاح منطقه شکاف. صفحات لیتوسفر با تشکیل پوسته اقیانوسی جوان پاره می شوند و از هم جدا می شوند.

این پدیده گسترش کف اقیانوس نامیده می شود. بنابراین، جریانی از مواد معدنی از اعماق گوشته بالا می‌رود و سنگ‌های بلوری جوان را تشکیل می‌دهد.

بر خلاف این فرآیند، در منطقه گودال های عمیق اقیانوسی، یک قسمت به طور مداوم در حال رانش است پوسته قاره ایبه دیگری، که با غوطه ور شدن قسمت محیطی صفحه در گوشته همراه است، یعنی بخشی از ماده جامد پوسته زمین به ترکیب گوشته زمین می رود. فرآیندی که در گودال های عمیق اقیانوسی رخ می دهد فرورانش پوسته اقیانوسی نامیده می شود.

چرخه آب در سیاره به طور مداوم و در همه جا عمل می کند. نیروهای محرک چرخه آب - انرژی حرارتیو جاذبه تحت تأثیر گرما، تبخیر، تراکم بخار آب و سایر فرآیندها رخ می دهد که حدود 50٪ از انرژی خورشیدی را مصرف می کند. تحت تأثیر گرانش - سقوط قطرات باران، جریان رودخانه ها، حرکت خاک و آب های زیرزمینی. اغلب این دلایل با هم عمل می کنند، به عنوان مثال، هر دو فرآیندهای حرارتی و گرانش بر گردش اتمسفر آب تأثیر می گذارد.

4.3.2. چرخه عناصر در طبیعت بی جان

به دو صورت مهاجرت آبی و هوایی انجام می شود. مهاجران هوا عبارتند از: اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن، ید.

مهاجران آب شامل آن دسته از موادی است که عمدتاً در خاک، آب های سطحی و زیرزمینی عمدتاً به شکل مولکول ها و یون ها مهاجرت می کنند: سدیم، منیزیم، آلومینیوم، سیلیکون، فسفر، گوگرد، کلر، پتاسیم، منگنز، آهن، کبالت، نیکل، استرانسیم، سرب و غیره مهاجران هوا نیز بخشی از نمک هایی هستند که در آب مهاجرت می کنند. با این حال، مهاجرت هوایی برای آنها معمولی تر است.

4.4 چرخه کوچک (بیولوژیکی).

جرم ماده زنده در بیوسفر نسبتاً کوچک است. اگر در سطح زمین پخش شود، نتیجه یک لایه تنها 1.5 سانتی متر است. جدول 4.1 برخی از خصوصیات کمی بیوسفر و سایر ژئوسفرهای زمین را مقایسه می کند. بیوسفر که جرمی کمتر از 10 تا 6 برابر سایر پوسته‌های سیاره دارد، تنوع غیرقابل مقایسه بیشتری دارد و ترکیب خود را میلیون‌ها برابر سریع‌تر تجدید می‌کند.

جدول 4.1

مقایسه زیست کره با سایر ژئوسفرهای زمین

*ماده زنده بر اساس وزن زنده

4.4.1. توابع زیست کره

به لطف موجودات زیست کره، بخش غالب دگرگونی های شیمیایی در این سیاره رخ می دهد. از این رو قضاوت V.I. ورنادسکی در مورد نقش زمین شناسی دگرگون کننده عظیم ماده زنده. در طول تکامل ارگانیک، موجودات زنده از طریق خود، از طریق اندام‌ها، بافت‌ها، سلول‌ها، خون، کل اتمسفر، کل حجم اقیانوس جهانی، بیشتر توده خاک و توده عظیمی از مواد معدنی هزار بار از خود عبور کردند. چرخه های مختلف از 103 تا 105 بار). و آنها نه تنها آن را از دست دادند، بلکه محیط زمین را مطابق با نیازهای خود اصلاح کردند.

گیاهان و سایر موجودات به دلیل توانایی آنها در تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی پیوندهای شیمیایی، تعدادی از عملکردهای بیوژئوشیمیایی اساسی را در مقیاس سیاره ای انجام می دهند.

عملکرد گاز. موجودات زنده از طریق فرآیندهای فتوسنتز و تنفس دائماً اکسیژن و دی اکسید کربن را با محیط تبادل می کنند. گیاهان نقش تعیین کننده ای در تغییر از یک محیط کاهنده به یک محیط اکسید کننده در تکامل ژئوشیمیایی سیاره و در تشکیل ترکیب گازی جو مدرن داشتند. گیاهان به شدت غلظت O2 و CO2 را کنترل می کنند که برای کل موجودات زنده مدرن بهینه است.

تابع تمرکز موجودات زنده با عبور حجم زیادی از هوا و محلول های طبیعی از بدن خود مهاجرت بیوژنیک (حرکت) را انجام می دهند. مواد شیمیایی) و غلظت عناصر شیمیایی و ترکیبات آنها. این به بیوسنتز مواد آلی، تشکیل جزایر مرجانی، ساخت پوسته ها و اسکلت ها، پیدایش لایه های سنگ آهک رسوبی، رسوبات برخی سنگ های فلزی، تجمع گره های آهن- منگنز در کف اقیانوس و غیره مربوط می شود. مراحل اولیه تکامل بیولوژیکی در محیط آبی اتفاق افتاد. موجودات زنده یاد گرفته اند که مواد مورد نیاز خود را از محلول آبی رقیق استخراج کنند و غلظت آنها را در بدن خود به طور مکرر افزایش دهند.

عملکرد ردوکس ماده زنده ارتباط نزدیکی با مهاجرت بیوژنیک عناصر و غلظت مواد دارد. بسیاری از مواد در طبیعت پایدار هستند و در شرایط عادی تحت اکسیداسیون قرار نمی گیرند، به عنوان مثال نیتروژن مولکولی یکی از مهمترین عناصر بیوژنیک است. اما سلول‌های زنده دارای کاتالیزورهای قدرتمندی هستند - آنزیم‌ها - که می‌توانند بسیاری از واکنش‌های ردوکس را میلیون‌ها برابر سریع‌تر از آنچه در یک محیط غیرزیست انجام می‌دهند، انجام دهند.

عملکرد اطلاعات ماده زنده زیست کره با ظهور اولین موجودات زنده ابتدایی بود که اطلاعات فعال ("زنده") روی سیاره ظاهر شد که با اطلاعات "مرده" که بازتابی ساده از ساختار است متفاوت بود. معلوم شد که موجودات زنده قادر به بدست آوردن اطلاعات با ترکیب یک جریان انرژی با یک ساختار مولکولی فعال هستند که نقش یک برنامه را ایفا می کند. توانایی درک، ذخیره و پردازش اطلاعات مولکولی به سرعت در طبیعت دستخوش تکامل شده و به مهم ترین عامل تشکیل دهنده سیستم اکولوژیکی تبدیل شده است. مجموع اطلاعات ژنتیکی موجودات زنده 1015 بیت برآورد شده است. مجموع قدرت جریان اطلاعات مولکولی مرتبط با متابولیسم و ​​انرژی در تمام سلول های موجودات زنده جهانی به 1036 بیت در ثانیه می رسد (Gorshkov et al., 1996).

4.4.2. اجزای چرخه بیولوژیکی

چرخه بیولوژیکی بین تمام اجزای بیوسفر (یعنی بین خاک، هوا، آب، حیوانات، میکروارگانیسم ها و غیره) اتفاق می افتد. با مشارکت اجباری موجودات زنده رخ می دهد.

تابش خورشیدی که به بیوسفر می رسد انرژی حدود 2.5 * 1024 J در سال را حمل می کند. فقط 0.3٪ از آن به طور مستقیم در طول فرآیند فتوسنتز به انرژی پیوندهای شیمیایی مواد آلی تبدیل می شود. در چرخه بیولوژیکی نقش دارد. و 0.1 - 0.2٪ از انرژی خورشیدی که بر روی زمین می ریزد معلوم می شود که در آن خالص است. محصول اولیه. سرنوشت بیشتر این انرژی با انتقال مواد آلی غذا از طریق آبشارهای زنجیره های تغذیه ای مرتبط است.

چرخه بیولوژیکی را می توان به طور مشروط به اجزای به هم پیوسته تقسیم کرد: چرخه مواد و چرخه انرژی.

4.4.3. چرخه انرژی تبدیل انرژی در بیوسفر

یک اکوسیستم را می توان مجموعه ای از موجودات زنده توصیف کرد که به طور مداوم انرژی، ماده و اطلاعات را مبادله می کنند. انرژی را می توان به عنوان توانایی انجام کار تعریف کرد. خواص انرژی، از جمله حرکت انرژی در اکوسیستم ها، توسط قوانین ترمودینامیک توصیف می شود.

قانون اول ترمودینامیک یا قانون بقای انرژی بیان می‌کند که انرژی از بین نمی‌رود یا دوباره ایجاد نمی‌شود، بلکه فقط از شکلی به شکل دیگر منتقل می‌شود.

قانون دوم ترمودینامیک بیان می کند که در یک سیستم بسته، آنتروپی فقط می تواند افزایش یابد. در رابطه با انرژی در اکوسیستم ها، فرمول زیر مناسب است: فرآیندهای مرتبط با تبدیل انرژی می توانند به طور خود به خودی فقط در شرایطی اتفاق بیفتند که انرژی از یک فرم متمرکز به حالت پراکنده منتقل شود، یعنی تخریب شود. اندازه گیری مقدار انرژی که برای استفاده از دسترس خارج می شود، یا در غیر این صورت، معیار تغییر ترتیبی که در حین تخریب انرژی رخ می دهد، آنتروپی است. هر چه ترتیب سیستم بالاتر باشد، آنتروپی آن کمتر است.

به عبارت دیگر، ماده زنده انرژی فضا و خورشید را دریافت کرده و به انرژی فرآیندهای زمینی (شیمیایی، مکانیکی، حرارتی، الکتریکی) تبدیل می کند. این انرژی و ماده معدنی را در چرخه پیوسته مواد در بیوسفر درگیر می کند. جریان انرژی در بیوسفر یک جهت دارد - از خورشید از طریق گیاهان (اتوتروف) تا حیوانات (هتروتروف). اکوسیستم های طبیعی دست نخورده در حالت پایدار با شاخص های محیطی بحرانی ثابت (هموستاز) منظم ترین سیستم ها هستند و با کمترین آنتروپی مشخص می شوند.

4.4.4. چرخه مواد در طبیعت زنده

تشکیل ماده زنده و تجزیه آن دو سوی یک فرآیند واحد است که به آن چرخه بیولوژیکی عناصر شیمیایی می گویند. زندگی چرخه عناصر شیمیایی بین موجودات و محیط است.

دلیل چرخه تعداد محدود عناصری است که بدن موجودات از آنها ساخته شده است. هر موجود زنده ای مواد لازم برای حیات را از محیط استخراج می کند و مواد استفاده نشده را برمی گرداند. که در آن:

برخی از موجودات مواد معدنی را مستقیماً از محیط زیست مصرف می کنند.

دیگران ابتدا از محصولات فرآوری شده و جدا شده استفاده می کنند.

سوم - دوم و غیره تا زمانی که مواد به حالت اولیه خود به محیط بازگردند.

در بیوسفر، نیاز آشکار به همزیستی موجودات مختلف وجود دارد که قادر به استفاده از مواد زائد یکدیگر باشند. ما شاهد تولید بیولوژیکی بدون زباله هستیم.

گردش مواد در موجودات زنده تقریباً به چهار فرآیند کاهش می یابد:

1. فتوسنتز. در نتیجه فتوسنتز، گیاهان انرژی خورشیدی را جذب و انباشته می کنند و مواد آلی - محصولات بیولوژیکی اولیه - و اکسیژن را از مواد معدنی سنتز می کنند. محصولات بیولوژیکی اولیه بسیار متنوع هستند - آنها حاوی کربوهیدرات (گلوکز)، نشاسته، فیبر، پروتئین و چربی هستند.

طرح فتوسنتز برای ساده ترین کربوهیدرات (گلوکز) دارای طرح زیر است:

این فرآیند فقط در طول روز اتفاق می افتد و با افزایش توده گیاه همراه است.

در زمین، سالانه حدود 100 میلیارد تن ماده آلی در نتیجه فتوسنتز تشکیل می شود، حدود 200 میلیارد تن دی اکسید کربن جذب می شود و تقریباً 145 میلیارد تن اکسیژن آزاد می شود.

فتوسنتز نقش تعیین کننده ای در تضمین وجود حیات بر روی زمین دارد. اهمیت جهانی آن با این واقعیت توضیح داده می شود که فتوسنتز تنها فرآیندی است که طی آن انرژی در یک فرآیند ترمودینامیکی، مطابق با اصل مینیمالیستی، تلف نمی شود، بلکه انباشته می شود.

با سنتز اسیدهای آمینه لازم برای ساخت پروتئین، گیاهان می توانند به طور نسبی مستقل از سایر موجودات زنده وجود داشته باشند. این امر خودتروفی گیاهان (استقلال در تغذیه) را نشان می دهد. در عین حال، توده سبز گیاهان و اکسیژن تولید شده در طول فتوسنتز، پایه ای برای حمایت از زندگی گروه بعدی موجودات زنده - حیوانات، میکروارگانیسم ها است. این هتروتروفی این گروه از موجودات را نشان می دهد.

2. تنفس. فرآیند برعکس فتوسنتز است. در تمام سلول های زنده وجود دارد. هنگام تنفس مواد آلیتوسط اکسیژن اکسید می شود و در نتیجه دی اکسید کربن، آب و آزاد شدن انرژی ایجاد می شود.

3. اتصالات غذایی (تروفیک) بین موجودات اتوتروف و هتروتروف. در این حالت انرژی و ماده در امتداد حلقه های زنجیره غذایی منتقل می شوند که قبلاً با جزئیات بیشتر در مورد آن صحبت کردیم.

4. فرآیند تعرق. یکی از مهمترین فرآیندهای چرخه زیستی.

می توان آن را به صورت شماتیک به شرح زیر توصیف کرد. گیاهان رطوبت خاک را از طریق ریشه جذب می کنند. در عین حال، مواد معدنی محلول در آب را دریافت می کنند که جذب می شوند و رطوبت بسته به شرایط محیطی کم و بیش تبخیر می شود.

4.4.5. چرخه های بیوژئوشیمیایی

چرخه های زمین شناسی و بیولوژیکی به هم متصل هستند - آنها به عنوان یک فرآیند واحد وجود دارند و باعث گردش مواد می شوند، به اصطلاح چرخه های بیوژئوشیمیایی (BGCC). این چرخه عناصر به دلیل سنتز و فروپاشی مواد آلی در اکوسیستم است (شکل 4.1) همه عناصر بیوسفر در BGCC دخیل نیستند، بلکه فقط عناصر بیوژنیک درگیر هستند. موجودات زنده از آنها تشکیل شده اند، این عناصر وارد واکنش های متعددی شده و در فرآیندهایی که در موجودات زنده رخ می دهد شرکت می کنند. بر حسب درصد، جرم کل ماده زنده در بیوسفر از عناصر بیوژنیک اصلی زیر تشکیل شده است: اکسیژن - 70٪، کربن - 18٪، هیدروژن - 10.5٪، کلسیم - 0.5٪، پتاسیم - 0.3٪، نیتروژن - 0، 3٪ (اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن، کربن در همه مناظر وجود دارد و اساس موجودات زنده است - 98٪).

جوهر مهاجرت بیوژنیک عناصر شیمیایی.

بنابراین، در بیوسفر یک چرخه بیوژنیک از مواد (یعنی یک چرخه ناشی از فعالیت حیاتی موجودات) و یک جریان یک طرفه انرژی وجود دارد. مهاجرت بیوژنیک عناصر شیمیایی عمدتاً توسط دو فرآیند متضاد تعیین می شود:

1. تشکیل ماده زنده از عناصر محیطی در اثر انرژی خورشیدی.

2. تخریب مواد آلی، همراه با آزاد شدن انرژی. در این حالت ، عناصر مواد معدنی بارها و بارها وارد موجودات زنده می شوند و از این طریق بخشی از ترکیبات آلی پیچیده می شوند ، شکل می گیرند و پس از از بین رفتن دومی ، دوباره شکل معدنی پیدا می کنند.

عناصری هستند که بخشی از موجودات زنده هستند، اما به عنوان بیوژن طبقه بندی نمی شوند. چنین عناصری بر اساس کسر وزنی در موجودات طبقه بندی می شوند:

عناصر ماکرو - حداقل 10-2٪ از جرم را تشکیل می دهند.

ریز عناصر - اجزای 9 * 10-3 تا 1 * 10-3٪ از جرم.

الترا میکروالمان ها - کمتر از 9 * 10-6٪ از جرم.

برای تعیین جایگاه مواد مغذی در میان سایر عناصر شیمیایی بیوسفر، اجازه دهید طبقه بندی پذیرفته شده در اکولوژی را در نظر بگیریم. با توجه به فعالیت آنها در فرآیندهای رخ داده در بیوسفر، همه عناصر شیمیایی به 6 گروه تقسیم می شوند:

گازهای نجیب - هلیوم، نئون، آرگون، کریپتون، زنون. گازهای بی اثر بخشی از موجودات زنده نیستند.

فلزات نجیب - روتنیم، رادیوم، پالادیوم، اسمیم، ایریدیوم، پلاتین، طلا. این فلزات تقریباً هیچ ترکیبی در پوسته زمین ایجاد نمی کنند.

عناصر چرخه ای یا بیوژنیک (به آنها مهاجر نیز می گویند). این گروه از عناصر بیوژنیک در پوسته زمین 99.7٪ از کل جرم را تشکیل می دهند و 5 گروه باقی مانده - 0.3٪. بنابراین، بخش عمده ای از عناصر، مهاجرانی هستند که در پوشش جغرافیایی در گردش هستند و بخشی از عناصر بی اثر بسیار کوچک است.

عناصر پراکنده که با غلبه اتم های آزاد مشخص می شوند. پیوستن واکنش های شیمیایی، اما ترکیبات آنها به ندرت در پوسته زمین یافت می شود. آنها به دو زیر گروه تقسیم می شوند. اولین - روبیدیم، سزیم، نیوبیم، تانتالم - ترکیباتی را در اعماق پوسته زمین ایجاد می کنند و در سطح مواد معدنی آنها از بین می روند. دوم - ید، برم - فقط روی سطح واکنش نشان می دهد.

عناصر رادیواکتیو - پلونیوم، رادون، رادیوم، اورانیوم، نپتونیم، پلوتونیوم.

عناصر خاکی کمیاب - ایتریم، ساماریوم، یوروپیوم، تولیوم و غیره.

در تمام طول سال، چرخه های بیوشیمیایی حدود 480 میلیارد تن ماده را به حرکت در می آورند.

در و. ورنادسکی سه اصل بیوژئوشیمیایی را فرموله کرد که جوهر مهاجرت بیوژنیک عناصر شیمیایی را توضیح می دهد:

مهاجرت بیوژنیک عناصر شیمیایی در بیوسفر همیشه برای حداکثر تجلی آن تلاش می کند.

تکامل گونه ها در طول زمان زمین شناسی، که منجر به ایجاد اشکال پایدار حیات می شود، به سمتی می رود که مهاجرت بیوژنیک اتم ها را افزایش می دهد.

ماده زنده در تبادل شیمیایی مداوم با محیط خود است که عاملی است که زیست کره را بازآفرینی و حفظ می کند.

بیایید در نظر بگیریم که چگونه برخی از این عناصر در بیوسفر حرکت می کنند.

چرخه کربن. شرکت کننده اصلی در چرخه زیستی کربن به عنوان پایه مواد آلی است. چرخه کربن در درجه اول بین ماده زنده و دی اکسید کربن اتمسفر از طریق فرآیند فتوسنتز اتفاق می افتد. از غذا توسط علفخواران و از علفخواران توسط گوشتخواران به دست می آید. در طول تنفس و پوسیدگی، دی اکسید کربن تا حدی به اتمسفر باز می گردد؛ بازگشت زمانی اتفاق می افتد که مواد معدنی آلی سوزانده شوند.

در صورت عدم بازگشت کربن به جو، طی 7 تا 8 سال توسط گیاهان سبز مصرف می شود. نرخ گردش کربن بیولوژیکی از طریق فتوسنتز 300 سال است. اقیانوس ها نقش زیادی در تنظیم میزان CO2 در جو دارند. اگر مقدار CO2 در جو افزایش یابد، مقداری از آن در آب حل می شود و با کربنات کلسیم واکنش می دهد.

چرخه اکسیژن

اکسیژن فعالیت شیمیایی بالایی دارد و تقریباً با تمام عناصر پوسته زمین ترکیب می شود. عمدتاً به شکل ترکیبات یافت می شود. هر چهارمین اتم ماده زنده یک اتم اکسیژن است. تقریباً تمام اکسیژن مولکولی موجود در اتمسفر به دلیل فعالیت گیاهان سبز منشا گرفته و در سطح ثابتی حفظ می شود. اکسیژن اتمسفر که در طی تنفس محدود می شود و در طی فتوسنتز آزاد می شود، در 200 سال از تمام موجودات زنده عبور می کند.

چرخه نیتروژن نیتروژن بخشی جدایی ناپذیر از تمام پروتئین ها است. نسبت کلی نیتروژن ثابت به عنوان عنصر تشکیل دهنده مواد آلی به نیتروژن در طبیعت 1:100000 است. انرژی پیوند شیمیایی در یک مولکول نیتروژن بسیار زیاد است. بنابراین، ترکیب نیتروژن با عناصر دیگر - اکسیژن، هیدروژن (فرایند تثبیت نیتروژن) - به انرژی زیادی نیاز دارد. تثبیت نیتروژن صنعتی در حضور کاتالیزورها در دمای -500 درجه سانتیگراد و فشار -300 اتمسفر رخ می دهد.

همانطور که می دانید اتمسفر حاوی بیش از 78 درصد نیتروژن مولکولی است، اما در این حالت برای گیاهان سبز در دسترس نیست. گیاهان برای تغذیه خود فقط می توانند از نمک اسیدهای نیتریک و نیتروژن استفاده کنند. راه های تشکیل این نمک ها چیست؟ در اینجا به برخی از آنها اشاره می کنیم:

در بیوسفر، تثبیت نیتروژن توسط چندین گروه از باکتری‌های بی‌هوازی و سیانوباکتری‌ها در دما و فشار معمولی به دلیل راندمان بالای بیوکاتالیز انجام می‌شود. اعتقاد بر این است که باکتری ها تقریباً 1 میلیارد تن نیتروژن در سال را به شکل محدود تبدیل می کنند (حجم جهانی تثبیت صنعتی حدود 90 میلیون تن است).

باکتری های تثبیت کننده نیتروژن خاک قادر به جذب نیتروژن مولکولی از هوا هستند. آنها خاک را با ترکیبات نیتروژن غنی می کنند، بنابراین اهمیت آنها بسیار زیاد است.

در نتیجه تجزیه ترکیبات حاوی نیتروژن از مواد آلی با منشاء گیاهی و حیوانی.

نیتروژن تحت تأثیر باکتری ها به نیترات، نیتریت و ترکیبات آمونیوم تبدیل می شود. در گیاهان، ترکیبات نیتروژن در سنتز ترکیبات پروتئینی شرکت می کنند که در زنجیره غذایی از ارگانیسمی به ارگانیسم دیگر منتقل می شود.

چرخه فسفر عنصر مهم دیگری که بدون آن سنتز پروتئین غیرممکن است، فسفر است. منابع اصلی سنگ های آذرین (آپاتیت ها) و سنگ های رسوبی (فسفریت ها) هستند.

فسفر معدنی در نتیجه فرآیندهای شستشوی طبیعی در چرخه نقش دارد. فسفر توسط موجودات زنده جذب می شود که با مشارکت آن تعدادی از ترکیبات آلی را سنتز کرده و به سطوح مختلف تغذیه ای منتقل می کند.

پس از تکمیل سفر خود از طریق زنجیره های تغذیه ای، فسفات های آلی توسط میکروب ها تجزیه شده و به فسفات های معدنی موجود برای گیاهان سبز تبدیل می شوند.

در فرآیند گردش بیولوژیکی که حرکت ماده و انرژی را تضمین می کند، جایی برای تجمع زباله وجود ندارد. محصولات زائد (یعنی زباله ها) هر شکل حیاتی، زمینه پرورش سایر موجودات را فراهم می کند.

از نظر تئوری، همیشه باید تعادلی در بیوسفر بین تولید زیست توده و تجزیه آن حفظ شود. با این حال، در دوره های زمین شناسی خاصی، تعادل چرخه بیولوژیکی به هم می خورد که به دلیل شرایط طبیعی و بلایای خاص، همه محصولات بیولوژیکی جذب و تغییر شکل ندادند. در این موارد، محصولات بیولوژیکی اضافی تشکیل شد که در پوسته زمین، زیر ستون آب، رسوبات حفظ و نهشته شد و به منطقه ختم شد. منجمد دائمی. به این ترتیب ذخایر زغال سنگ، نفت، گاز و سنگ آهک تشکیل شد. لازم به ذکر است که آنها زیست کره را آلوده نمی کنند. انرژی خورشید که در طول فرآیند فتوسنتز انباشته می شود، در مواد معدنی آلی متمرکز می شود. حال با سوزاندن مواد معدنی قابل احتراق آلی، انسان این انرژی را آزاد می کند.